ZFS I/O之传输组同步

介绍

本文讲述一个传输组的同步过程。从txg_sync_thread函数直到dbuf_sync_indirectdbuf_sync_leaf 函数层层调用( dbuf_sync_indirectdbuf_sync_leaf 作为数据集的缓存存在)。dbuf_sync_indirect 中,间接块I/O依赖于其子间接块I/O的调度更新,但是在同一等级(level)的间接块又是相互独立的。叶子节点数据块的写相对其他叶子节点数据节点也是相互独立的。分析dbuf_sync_{leaf, indirect},我们可以知道,最后缓存刷盘的本质是处理一个脏数据记录的链表。那么脏数据记录又是怎么跟ZFS对象,也就是dnode,对应起来呢?:blush:在下一篇文章里我们会介绍VFS的写操作是怎么最后在ZFS中生成脏数据记录的。

正常的写ZIO在ZIO流水线中被异步分发,流水线等待其所有的独立子IO结束。0级的数据块会被并发处理。

正文

接下来介绍对于任意存储池IO,从txg_sync_startzio_wait(或zio_nowait) 的函数调用的流程。对于代码,我们只摘取其中核心的部分,使用(...)来省略其他代码,增加本文中代码的可读性。
一个存储池在创建和导入的时候,txg_sync_start函数会被调用,创建txg_sync_thread线程。

void
txg_sync_start(dsl_pool_t *dp)
{
...
    tx->tx_sync_thread = thread_create(NULL, 32 << 10, txg_sync_thread, dp, 0, &p0, TS_RUN, minclsyspri);
...
}

存储池运行期间会不停地在txg状态之间切换。在进入syncing状态的时候,就会调用spa_sync。而spa_sync调用完毕后,就会唤醒所有等待在tx_sync_done_cv上的线程。

static void
txg_sync_thread(void *arg)
{
   dsl_pool_t *dp = arg;
   spa_t *spa = dp->dp_spa;
...
   for (;;) {
...
       txg = tx->tx_quiesced_txg;
...
       spa_sync(spa, txg);
...
       cv_broadcast(&tx->tx_sync_done_cv);
...
   }
}

spa_sync 会调用dsl_pool_sync,直到没有新的脏数据需要被更新。

void
spa_sync(spa_t *spa, uint64_t txg)
{
   dsl_pool_t *dp = spa->spa_dsl_pool;
   objset_t *mos = spa->spa_meta_objset;
...
   do {
...
      dsl_pool_sync(dp, txg);
   } while (dmu_objset_is_dirty(mos, txg));
}

dsl_pool_sync遍历存储池内所有脏数据集,调用dsl_dataset_sync两次。第一次将所有脏数据块下盘。第二次则为所有的用户空间改变下盘。这两个遍历操作都会以一个同步ZIO的形式创建到本存储池的根ZIO下。(同步的体现形式为调用了ZIO_WAIT)。

void
dsl_pool_sync(dsl_pool_t *dp, uint64_t txg)
{
...
   dsl_dataset_t *ds;
   objset_t *mos = dp->dp_meta_objset;
...
   tx = dmu_tx_create_assigned(dp, txg);

   /*
    * Write out all dirty blocks of dirty datasets.
    */
   zio = zio_root(dp->dp_spa, NULL, NULL, ZIO_FLAG_MUSTSUCCEED);
   while ((ds = txg_list_remove(&dp->dp_dirty_datasets, txg)) != NULL) {
      /*
       * We must not sync any non-MOS datasets twice,
       * because we may have taken a snapshot of them.
       * However, we may sync newly-created datasets on
       * pass 2.   
       */
      ASSERT(!list_link_active(&ds->ds_synced_link));
      list_insert_tail(&synced_datasets, ds);
      dsl_dataset_sync(ds, zio, tx);
   }
   VERIFY0(zio_wait(zio));
...

   /*
    * After the data blocks have been written (ensured by the zio_wait()
    * above), update the user/group space accounting.
    */
   for (ds = list_head(&synced_datasets); ds != NULL;
       ds = list_next(&synced_datasets, ds)) {
      dmu_objset_do_userquota_updates(ds->ds_objset, tx);
   }

   /*
    * Sync the datasets again to push out the changes due to
    * userspace updates.  This must be done before we process the
    * sync tasks, so that any snapshots will have the correct
    * user accounting information (and we won't get confused
    * about which blocks are part of the snapshot).
    */
   zio = zio_root(dp->dp_spa, NULL, NULL, ZIO_FLAG_MUSTSUCCEED);
   while ((ds = txg_list_remove(&dp->dp_dirty_datasets, txg)) != NULL) {
      ASSERT(list_link_active(&ds->ds_synced_link));
      dmu_buf_rele(ds->ds_dbuf, ds);
      dsl_dataset_sync(ds, zio, tx);
   }
   VERIFY0(zio_wait(zio));
 ...
}

dsl_dataset_sync 传递数据集(dataset)的对象集合(objset)给dmu_objset_sync函数进行数据集同步。

void
dsl_dataset_sync(dsl_dataset_t *ds, zio_t *zio, dmu_tx_t *tx)
{
...

   dmu_objset_sync(ds->ds_objset, zio, tx);
}

dmu_objset_sync调用dmu_objset_sync_dnodes将对象集合(objectset)下的脏dnode链表和被释放dnode链表中的dnode下盘。需要注意的是,对于特殊的元数据对象(special metadata dnodes),需要先行同步,调用dnode_sync即可。

/* called from dsl */
void
dmu_objset_sync(objset_t *os, zio_t *pio, dmu_tx_t *tx)
{
   int txgoff;
...
   list_t *newlist = NULL;
   dbuf_dirty_record_t *dr;
...
   /*
    * Create the root block IO
    */
...
   zio = arc_write(pio, os->os_spa, tx->tx_txg,
       os->os_rootbp, os->os_phys_buf, DMU_OS_IS_L2CACHEABLE(os),
       DMU_OS_IS_L2COMPRESSIBLE(os), &zp, dmu_objset_write_ready,
       NULL, dmu_objset_write_done, os, ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE,
       ZIO_FLAG_MUSTSUCCEED, &zb);

   /*
    * Sync special dnodes - the parent IO for the sync is the root block
    */
   dnode_sync(DMU_META_DNODE(os), tx);
...
   if (DMU_USERUSED_DNODE(os) &&
       DMU_USERUSED_DNODE(os)->dn_type != DMU_OT_NONE) {
       DMU_USERUSED_DNODE(os)->dn_zio = zio;
       dnode_sync(DMU_USERUSED_DNODE(os), tx);
       DMU_GROUPUSED_DNODE(os)->dn_zio = zio;
       dnode_sync(DMU_GROUPUSED_DNODE(os), tx);
   }
...
   txgoff = tx->tx_txg & TXG_MASK;
...
   if (dmu_objset_userused_enabled(os)) {
       newlist = &os->os_synced_dnodes;
     /*
      * We must create the list here because it uses the
      * dn_dirty_link[] of this txg.
      */
      list_create(newlist, sizeof (dnode_t),
        offsetof(dnode_t, dn_dirty_link[txgoff]));
   }
   dmu_objset_sync_dnodes(&os->os_free_dnodes[txgoff], newlist, tx);
   dmu_objset_sync_dnodes(&os->os_dirty_dnodes[txgoff], newlist, tx);
   list = &DMU_META_DNODE(os)->dn_dirty_records[txgoff];
   while (dr = list_head(list)) {
       ASSERT0(dr->dr_dbuf->db_level);
       list_remove(list, dr);
       if (dr->dr_zio)
           zio_nowait(dr->dr_zio);
   }
   /*
    * Free intent log blocks up to this tx.
    */
   zil_sync(os->os_zil, tx);
   os->os_phys->os_zil_header = os->os_zil_header;
   zio_nowait(zio);
}

dmu_objset_sync_dnodes对于链表内的置脏对象,会调用dnode_sync,将dnode下盘,把他们加入到newlist (如果,非空)中。(根据入参可以判断,已经加入到os->os_synced_dnodes)。

static void
dmu_objset_sync_dnodes(list_t *list, list_t *newlist, dmu_tx_t *tx)
{
 dnode_t *dn;

 while (dn = list_head(list)) {
...
  /*
   * Initialize dn_zio outside dnode_sync() because the
   * meta-dnode needs to set it ouside dnode_sync().
   */
  dn->dn_zio = dn->dn_dbuf->db_data_pending->dr_zio;
  list_remove(list, dn);

  if (newlist) {
   (void) dnode_add_ref(dn, newlist);
   list_insert_tail(newlist, dn);
  }

  dnode_sync(dn, tx);
 }
}

dnode_sync将置脏的缓冲记录传递给dbuf_sync_list

void
dnode_sync(dnode_t *dn, dmu_tx_t *tx)
{
...
 list_t *list = &dn->dn_dirty_records[txgoff];
...
 dbuf_sync_list(list, tx);
}

dbuf_sync_list函数遍历访问脏缓冲记录链表中的每个元素,根据缓冲数据的类型,调用 dbuf_sync_leafdbuf_sync_indirect

void
dbuf_sync_list(list_t *list, dmu_tx_t *tx)
{
 dbuf_dirty_record_t *dr;

 while (dr = list_head(list)) {
<...>
  list_remove(list, dr);
  if (dr->dr_dbuf->db_level > 0)
   dbuf_sync_indirect(dr, tx);
  else
   dbuf_sync_leaf(dr, tx);
 }
}

ZFS是COW的文件系统,对于每个块都不例外。因此每次数据块更新后,指向该数据块的间接块也会被更新。因此在修改一个文件内的数据块的时候,必须从盘中读取这些间接数据。修改间接块意味着它指向的数据块有脏数据。在给间接快的所有孩子节点下发ZIO之后,本间接块的ZIO被下发。

static void
dbuf_sync_indirect(dbuf_dirty_record_t *dr, dmu_tx_t *tx)
{
   dmu_buf_impl_t *db = dr->dr_dbuf;
...
   /* Read the block if it hasn't been read yet. */
   if (db->db_buf == NULL) {
      mutex_exit(&db->db_mtx);
     (void) dbuf_read(db, NULL, DB_RF_MUST_SUCCEED);
     mutex_enter(&db->db_mtx);
   }
..
   /* Provide the pending dirty record to child dbufs */
   db->db_data_pending = dr;

   mutex_exit(&db->db_mtx);
   /* doesn't actually execute a write - it just creates
    * dr->dr_zio which is executed by zio_nowait before
    * returning
    */
   dbuf_write(dr, db->db_buf, tx);

   zio = dr->dr_zio;
   mutex_enter(&dr->dt.di.dr_mtx);
   dbuf_sync_list(&dr->dt.di.dr_children, tx);
   ASSERT(list_head(&dr->dt.di.dr_children) == NULL);
   mutex_exit(&dr->dt.di.dr_mtx);
   zio_nowait(zio);
}

dbuf_sync_leaf为脏缓冲数据记录创建ZIO,异步分发之。

static void
dbuf_sync_leaf(dbuf_dirty_record_t *dr, dmu_tx_t *tx)
{
   arc_buf_t **datap = &dr->dt.dl.dr_data;
   dmu_buf_impl_t *db = dr->dr_dbuf;
...
   /* doesn't actually execute a write - it just creates
    * dr->dr_zio which is executed by zio_nowait before
    * returning
    */
   dbuf_write(dr, *datap, tx);

   ASSERT(!list_link_active(&dr->dr_dirty_node));
   if (dn->dn_object == DMU_META_DNODE_OBJECT) {
      list_insert_tail(&dn->dn_dirty_records[txg&TXG_MASK], dr);
      DB_DNODE_EXIT(db);
   } else {
      /*
       * Although zio_nowait() does not "wait for an IO", it does
       * initiate the IO. If this is an empty write it seems plausible
       * that the IO could actually be completed before the nowait
       * returns. We need to DB_DNODE_EXIT() first in case
       * zio_nowait() invalidates the dbuf.
       */
      DB_DNODE_EXIT(db);
      zio_nowait(dr->dr_zio);
   }
}
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