[ext4]13 空间管理 - Prealloc分配机制



作者：Younger Liu，

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    在ext4系统中，对于小文件和大文件的空间申请请求，都有不同的分配策略。

    对用小文件的空间请求，ext4尝试从一种叫per-CPU local group中分配空闲空间。Per-CPU Localgroup就是所有该CPU所执行的分配行为共享的空间，目的是保证这些小文件的聚集在一起，便于访问。Per-CPU Local group就是per-CPU prealloc空间。

对于大文件的空间请求，ext4尝试从一种叫per-inode preallo空间中分配空闲空间。这点就像Ext3系统的保留空间一样，Ext4为每个文件在内存中维护一段预分配空间，用于解决并发分配情况下的碎片问题。

Ext4系统维护这两个preallocation空间：per-inode preallocation空间和per-CPUpreallocation空间。

而大小文件的鉴别标准，用户自己可以通过以下接口调整：

/prof/fs/ext4/<partition>/stream_req

默认为16，单位是block；如果totalsize小于stream_req个block，则从per-CPU preallocation中分配。

这里说明几个关键词：在本系列中，per-inode prealloc即是per-file 的，也称per-file prealloc；per-CPU prealloc即是locality group allocation。

1.  如何识别文件是大是小？

刚才已经说过，根据文件的大小来选择是采用per-CPU allocation还是per-inode allocation。那么大小文件的鉴别标准是什么哪？

这份工作是在ac初始化中由函数ext4_mb_group_or_file()完成的：

size = ac->ac_o_ex.fe_logical + EXT4_C2B(sbi,ac->ac_o_ex.fe_len);

         isize= (i_size_read(ac->ac_inode) + ac->ac_sb->s_blocksize - 1)

                   >>bsbits;

…

         /*don't use group allocation for large files */

         size= max(size, isize);

         if(size > sbi->s_mb_stream_request) {

                   ac->ac_flags|= EXT4_MB_STREAM_ALLOC;

                   return;

         }

 

         BUG_ON(ac->ac_lg!= NULL);

         /*

          * locality group prealloc space are per cpu.The reason for having

          * per cpu locality group is to reduce thecontention between block

          * request from multiple CPUs.

          */

         ac->ac_lg= __this_cpu_ptr(sbi->s_locality_groups);

 

         /*we're going to use group allocation */

         ac->ac_flags|= EXT4_MB_HINT_GROUP_ALLOC;

1. 估算出文件的大小size:i_size或size

2. 比较size与stream_req的大小；如果大于，则通过设置GROUP_ALLOC来标示per-CPU preallocation可用。

需要注意的时，并不是仅仅检查这一项，还需要检查以下几项：

1. 如果当前写操作是文件的最后的逻辑block、并且文件系统不忙及文件已经关闭，就不能再采取prealloc了。（该patch是Ted提交，解决问题“挂载、在目录中写4K文件，卸载；重复64次导致碎片化”）

         if((size == isize) &&

             !ext4_fs_is_busy(sbi) &&

            (atomic_read(&ac->ac_inode->i_writecount) == 0)) {

                   ac->ac_flags|= EXT4_MB_HINT_NOPREALLOC;

                   return;

         }

2.检查sbi->s_mb_group_prealloc是否小于等于0，如果是，采用

    sbi->s_mb_group_prealloc表示per-CPU prealloc的空间大小；默认值是512blocks（不考bigalloc），可通过/sys/fs/ext4/<partition>/mb_group_prealloc设置。

sbi->s_mb_group_prealloc小于或等于0，表示无需per-CPU prealloc了。

         if(sbi->s_mb_group_prealloc <= 0) {

                   ac->ac_flags|= EXT4_MB_STREAM_ALLOC;

                   return;

         }

 

既然知道了什么时候可以使用per-inode prealloc、per-CPU prealloc，那么接下来就来分析下，如何创建。

2.  创建prealloc空间

在MultiBlockallocator分配器的主函数ext4_mb_new_blocks()中，当ac_b_ex extent的长度大于ac_o_ex extent(originextent)的长度时，multiblock allocator会调用函数ext4_mb_new_preallocation ()将多出来的空间以prealloc形式预留下来。当然，多出来的空间，multiblock allocator不舍得还给系统，只想保留下来备用；如果ac_b_exextent的长度不大于ac_o_ex extent的长度，那么即使multiblock allocator有预留的想法，也没有空间去prealloc了。

【注：ac_b_ex，即best found extent，用于描述在分配中发现的最佳extent，并申请之，通过multiblock allocator分配给目标inode。ac_o_ex，即origin extent，用于描述原始请求的一些信息。这些结构体都已经在[分配机制 - 关键的数据结构]中说明】

ext4_mb_new_preallocation()函数中会涉及inode prealloc和per-CPU prealloc。

ext4_mb_new_preallocation()代码如下：

static int ext4_mb_new_preallocation(structext4_allocation_context *ac)

{

         interr;

 

         if(ac->ac_flags & EXT4_MB_HINT_GROUP_ALLOC)

                  err = ext4_mb_new_group_pa(ac);

         else

                   err= ext4_mb_new_inode_pa(ac);

         returnerr;

}

先来分析per-CPU prealloc空间的创建。

在函数ext4_mb_new_group_pa()中，初始化一个prealloc描述符ext4_prealloc_space pa，用于存放prealloc的信息，完成赋值后，将将pa连接到链表ext4_group_info-> bb_prealloc_list上。由此可见，per-CPU prealloc是具有locality的，因为prealloc是挂载到group结构体中某个链表上。

当然，也许有要说，在初始化ext4_prealloc_space pa时有：

pa->pa_len = ac->ac_b_ex.fe_len;

         pa->pa_free= pa->pa_len;

这一点无需担心，pa_free会在ac释放时更新为空闲空间的长度。

    下面再说一下per-inode的创建，即函数ext4_mb_new_inode_pa()。

在per-inode prealloc初始化中，还的得必须关注一个extent描述符ac->ac_g_ex,该extent实例是描述由ext4_mb_normalize_request()normalize后goal extent。

首先比较分配的最佳ac_b_ex与目标ac_g_ex的长度，如果小于后者，说没有达标所要求的则需要更新ac_b_ex的起始逻辑块地址；如果不小于后者，则不但将该prealloc空间添加到链表ext4_group_info-> bb_prealloc_list，也会添加到ext4_inode_info->i_prealloc_list链表中。

此时per-inode prealloc也初始化完毕。 

   空间有了，那就分析如何使用吧。

 

3.  Prealloc空间的使用

multiblock allocator在分配块时，首先考虑的都是prealloc空间，调用函数ext4_mb_use_preallocated()。

从prealloc空间中分配块时，分配器先查看per-inode prealloc空间，即搜索链表ext4_inode_info ->i_prealloc_list，这个链表中包含于该inode有关的所有的prealloc空间。

使用prealloce空间，是基于_logical_起始block的：只有当指定的逻辑块号落在了prealloc空间范围之内，分配器才会使用prealloc空间，这样可以保证文件空间物理地址的连续性。

如果在per-inode prealloc空间中没有找到可用blocks，并且per-CPU preallocation分配器是可用的，则尝试从locality group prealloc空间中进行分配，就是per-CPUprealloc list：

ext4_sb_info.s_locality_groups[smp_processor_id()]

per-CPU locality group的存在，可以减少CPU之间在空间分配过程中的资源竞争。 

    Prealloc空间毕竟是预留但未用的空间，所以必须是要释放的。

4.  释放prealloc空间

Prealloc空间有两种：per-inode prealloc空间、per-CPU prealloc空间。在创建那节已经讨论，per-CPU prealloc空间可以通过ext4_group_info-> bb_prealloc_list检索到，通过inode无法检索；而per-inode prealloc空间不但连接到ext4_inode_info-> i_prealloc_list链表上，也会连接到ext4_group_info-> bb_prealloc_list链表中检索到。

1. 释放指定的prealloc空间，调用ext4_mb_release_inode_pa()或ext4_mb_release_group_pa()函数实现。

2. 基于给定的inode，销毁所有未用的prealloc空间，可使用函数ext4_discard_preallocations(),其思想如下：将inode的i_prealloc_list链表上所有的prealloc空间移动到链表list上，之所以使用临时链表，减少竞争带来耗时。然后基于临时链表，先将prealloc空间从所属的ext4_group_info->bb_prealloc_list上删除，然后调用ext4_mb_release_inode_pa()释放该prealloc空间，然后从临时链表上将该prealloc空间节点删除。

3. 基于给定的group，销毁与其有关的所有未用的prealloc空间，调用函数ext4_mb_discard_group_preallocations()实现，其思想与(2)方法一致。 

关于Prealloc机制，就分析到此吧。

作者：Younger Liu，

本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 3.0 未本地化版本许可协议进行许可。