linux块设备缓存bcache

1 Bcache介绍
Bcache是一种缓存技术，它是根据SSD的特性设计的，由于SSD的随机读写速度要比普通硬盘的随机读写快N多倍，但是一般SSD的容量小且贵，当然土豪除外，所以我们可以综合SSD的读写速度快和HDD的容量大的优点，这就可以使用bcache来做到，将SSD作为HDD的缓存磁盘，，即保证了读写速度，又省了一大笔资金，何乐不为。

2 使用Bcache的工作准备
由于bcache是在kernel 3.10之后才加上的，所以需要确保你的内核是3.10以上的，可以使用命令uname -a查看你的内核版本：

[root@localhost ~]# uname -a
Linux thinstack-qtGr8j 3.10.-514.26..el7.x86_64 # SMP Fri Jun  :: CST  x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

首先检测下你的内核中有没有包含bcache模块，检测的方式有两种：
（1）查看是否存在于内核中，检查/sys/fs/bcache目录是否存在，没有则说明内核中没有bcache
（2）查看bcache是否以内核模块的形式存在，检查/lib/modules/<$version>/kernel/drivers/md/bcache目录是否存在，如果存在则可以运行modprobe bcache命令来加载bcache模块，不存在则说明内核中没有bcache。
默认内核并没有将bcache编译进内核，可以通过下载内核源码包重新编译将bcache以内核模块的形式编译进内核，编译方法介绍：自定义配置编译linux内核。

内核中有bcache模块后，要使用bcache还需要一个工具：bcache-tools，它提供了make-bcache工具， centos源上是没有这个rpm包的，需要自己下载源码然后进行编译，在进行编译前需要下载几个依赖包：

yum install pkgconfig libblkid-devel

下载rpm的一些打包工具包：

yum install rpmdevtools rpm-build

可以去github上下载源代码：https://github.com/g2p/bcache-tools/tree/v1.0.8
然后编写bcache-tools-1.0.8.spec文件，spec文件内容参考：

Name:		bcache-tools
Version:	1.0.8
Release:	%(date '+%Y%m%d%H')%{?dist}
Summary:	common functions.	

Group:		xxx
License:	Properpity
URL:		xxx
Source:	bcache-tools-1.0.8.tar.gz
BuildRoot:	%(mktemp -ud %{_tmppath}/%{name}-%{version}-%{release}-XXXXXX)

BuildRequires:	gcc
Requires: glibc libuuid openssl kernel >= 3.10.0

%description
This package contains the bcache tools for making bcache device 

%prep
%setup -q -n bcache-tools-1.0.8

%build
make %{?_smp_mflags}

%install
#rm -rf %{buildroot}
echo %{buildroot}
echo %{dist}
echo %{release}
mkdir -p %{buildroot}/usr/sbin/
mkdir -p %{buildroot}/lib/udev/
mkdir -p %{buildroot}/lib/udev/rules.d/
mkdir -p %{buildroot}/usr/share/man/man8/
mkdir -p %{buildroot}/usr/share/initramfs-tools/hooks/
mkdir -p %{buildroot}/usr/lib/initcpio/install/
mkdir -p %{buildroot}/lib/dracut//modules.d/90bcache/
make install DESTDIR=%{buildroot} 

%clean
rm -rf %{buildroot}

%post
%postun

%files
#/usr/sbin/make-bcache
#/usr/sbin/*
#/usr/sbin/bcache-super-show
#/lib/udev/probe-bcache
#/lib/udev/bcache-register
#/lib/udev/*
#/lib/udev/rules.d/69-bcache.rules
#/usr/share/man/man8/*
#/usr/share/initramfs-tools/hooks/bcache
#/usr/lib/initcpio/install/bcache
#/lib/dracut/modules.d/90bcache/module-setup.sh

/usr/share/*
/usr/*
/lib/*

%changelog

　　

可以先执行rpmdev-setuptree命令在home目录下生成rpm目录
将源代码打包成tar.gz的压缩包放入~/rpmbuild/SOURCES/目录下:

tar -zcvf ~/rpmbuild/SOURCES/bcache-tools-1.0..tar.gz bcache-tools-1.0.

将bcache-tools-1.0.8.spec文件复制到~/rpmbuild/SPECS/目录下，然后执行：

rpmbuild -bb ~/rpmbuild/SPECS/ bcache-tools.spec

同时在编译过程中如果出现这样的错误，提示找不到errno.h等头文件，说明缺少一些头文件了，这时去看下/usr/include/linux目录是否存在，如果不存在，先安装kernel-headers的rpm包，如果没出错则在~/rpmbuild/RPMS/x86_64/目录下看到bcache-tools的rpm包。

3 使用Bcache
3.1 添加缓存磁盘操作
首先选择一个SSD盘作为缓存磁盘，当然如果只是测试，那么选择一个普通硬盘来做也是可以的，假设选择的盘是/dev/sdb，则使用命令来创建缓存盘：

[root@localhost ~]# make-bcache -C /dev/sdb
UUID:    60a170c4-fde4-40af-aa1c-97ed79139699
Set UUID:    b69c5773-c8a9-49b1-89cc-e0638652977c
version:
nbuckets:
block_size:
bucket_size:
nr_in_set:
nr_this_dev:
first_bucket:    

选择一个普通硬盘作为缓存磁盘的后端磁盘，这里假设选择的盘是/dev/sdc，则使用命令来创建后端磁盘：

[root@localhost ~]# make-bcache -B /dev/sdc
UUID:    cbad64dd--49b5-b22c-e006ab7cdb0c
Set UUID:    a9bf6ced-10e1--a80f-f2b7efc45ff3
version:
block_size:
data_offset:    

使用lsblk查看磁盘状态，可以看到后端磁盘已经有一个bcache0，同时存在设备/dev/bcache0：

[root@localhost ~]# lsblk
NAME MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda :  20G  disk
├─sda1 :  200M  part /boot
├─sda2 :  1G  part [SWAP]
└─sda3 :  .8G  part /
sdb :  32G  disk
sdc :  32G  disk
└─bcache0 :  32G  disk

但这时还需将bcache0绑定到缓存磁盘中，首先查找缓存盘的uuid：

[root@localhost ~]# bcache-super-show /dev/sdb
sb.magic    ok
sb.first_sector     [match]
sb.csum    F4550D6F828E6162 [match]
sb.version     [cache device]

dev.label    (empty)
dev.uuid    60a170c4-fde4-40af-aa1c-97ed79139699
dev.sectors_per_block
dev.sectors_per_bucket
dev.cache.first_sector
dev.cache.cache_sectors
dev.cache.total_sectors
dev.cache.ordered    yes
dev.cache.discard    no
dev.cache.pos
dev.cache.replacement     [lru]

cset.uuid    b69c5773-c8a9-49b1-89cc-e0638652977c

最后一行的cset.uuid的值就是我们要找的uuid，然后进行attach操作完成添加缓存磁盘：
[root@localhost~]# echo "b69c5773-c8a9-49b1-89cc-e0638652977c" > /sys/block/bcache0/bcache/attach
此时查看磁盘状态：

[root@localhost ~]# lsblk
NAME MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda :  20G  disk
├─sda1 :  200M  part /boot
├─sda2 :  1G  part [SWAP]
└─sda3 :  .8G  part /
sdb :  32G  disk
└─bcache0 :  32G  disk
sdc :  32G  disk
└─bcache0 :  32G  disk

可以看到已经添加成功了。
要使用的话就是将/dev/bcache0进行格式化并挂载到一个目录下来使用，比如：

mkfs.ext4 -F /dev/bcache0
mkdir -p /test
mount /dev/bcache0 /test/

概念：数据是先写到缓存磁盘，缓存磁盘再将数据刷回到后端磁盘，后端磁盘是真正存储数据的地方，缓存磁盘相当于是中间转接作用。

可能遇到的错误：
在使用make-bcache命令对一个磁盘操作时可能会失败，一般情况是因为该磁盘有其它数据，可以使用wipefs -a /dev/xxx来擦除该磁盘的头部超级块信息，然后再使用make-bcache命令，当然再使用wipefs命令时确保该磁盘的数据已经无用。

3.2 删除缓存磁盘
删除缓存磁盘其实就是添加缓存磁盘顺序倒着放
先将bcache0从缓存磁盘中detach掉：
echo "b69c5773-c8a9-49b1-89cc-e0638652977c" > /sys/block/bcache0/bcache/detach
注销掉缓存磁盘：
echo 1 > /sys/fs/bcache/b69c5773-c8a9-49b1-89cc-e0638652977c/unregister
注销成功会看到 /sys/fs/bcache/该目录下没有b69c5773-c8a9-49b1-89cc-e0638652977c了
最后停掉后端磁盘的缓存磁盘：
如果刚才有挂载操作则需要先umount掉：
umount /dev/bcache0
echo 1 >/sys/block/bcache0/bcache/stop
此时使用lsblk查看则会看到没有bcache了

4 Bcache的三种缓存策略
（1）writeback回写策略：数据先写入到缓存磁盘，再等待系统将缓存磁盘数据刷到后端磁盘
（2）writethrough写通策略：数据会同时写入缓存磁盘和数据磁盘（默认是该模式）
（3）writearound直达策略：数据直接写入后端磁盘
这些策略是可以动态修改的，比如修改到writeback的修改方式（建议使用writeback）：
echo writeback > /sys/block/bcache/bcache/cache_mode

5 Bcache的一些开机启动配置
5.1 开机自动挂载
比如上方提到的挂载bcache0到一个目录，则需要将需要挂载信息添加到/etc/fstab文件里，这样开机时才会自动挂载，比如在/etc/fstab文件中添加一行：
echo UUID=c4d9c15f-3d6d-446b-8cb5-3d51a9400a22 /test/ xfs noatime,nobarrier,inode64,delaylog 0 0 >> /etc/fstab
这个uuid可以通过命令blkid /dev/bcache0获得：
/dev/bcache0: UUID="c4d9c15f-3d6d-446b-8cb5-3d51a9400a22" TYPE="xfs"
当然删除缓存磁盘后也别忘了把这行删掉，否则系统启动时会启动不起来，进入紧急模式。

5.2 开机自动加载Bcache模块
如果不设置开机自动加载该模块，则启动后会看不到bcache信息
创建/etc/sysconfig/modules/bcache.modules该文件
输入：

#!/bin/sh
modprobe bcache >/dev/null >&
exit 

chmod 777 /etc/sysconfig/modules/bcache.modules

6.Bcache的性能调优
bcache有很多配置选项和可调的参数，默认值适合于典型配置
（1）如果写入性能差，可以尝试将其写策略调为回写策略
echo writeback > /sys/block/bcache0/cache_mode

（2）默认情况下，bcache不会缓存顺序IO和大文件，所以顺序写性能应该没什么提升，可以打开顺序IO缓存：
echo 0 > /sys/block/bcache0/bcache/sequential_cutoff
还可以调整backing设备的顺序IO阈值，默认是4M，也就是说如果bcache设备的连续IO达到4MB以上时是直接读写backing盘，不会走SSD缓存盘，如果要设置成8M，则可如下：
echo 8M > /sys/block/bcache0/bcache/sequential_cutoff

（3）防止cache设备成为瓶颈
这种情况最可能发生在一块缓存磁盘作为多个普通盘的缓存磁盘，写入或读取处理不过来时，就会形成堵塞，这时我们可以关闭拥塞控制项，默认情况下，当读请求超过2ms，写请求超过20ms时就会直接读写backing盘。
关闭读写拥塞控制命令：
echo 0 > /sys/fs/bcache/<cache set uuid>/congested_read_threshold_us
echo 0 > /sys/fs/bcache/<cache set uuid>/congested_write_threshold_us