存储结构中的对齐(alignment)

　　最近，在测试基于ceph的小文件合并方案（见上个博文）时，遇到一个怪异的现象：将librados提供的append接口与我们封装的WriteFullObj接口(osd端是append操作和kvdb的put操作)对比，在处理同样大小的文件时(如4KB，8KB等)，WriteFullObj比librados的append操作tps低很多，最初怀疑可能是kvdb的put操作的原因，后来将osd端kvdb的put临时去掉，tps仍然上不去；后来使用iostat观察osd上状态，发现WriteFullObj时，uitl在50%左右，wait cpu在40左右，而librados的append则没这么高。。。。。。。。。。。再仔细观察，WriteFullObj时，r/s对应read操作在30甚至更高，而librados的append则几乎为0。。。。。。。。。。再比较二者的差异，将librados的append操作在刚刚WriteFullObj操作的文件，现象和WriteFullObj一样了。。。。再比较两个操作的文件差异，WriteFullObj操作文件大小非4KB整数倍，非4KB整数倍大小是在情理之中，因为合并时，每个小文件数据前附加了36B大小的元数据描述信息，但这为什么会影响写的性能表现和上述现象呢？脑中闪现以前做磁盘分区时遇到的情况：“warning：partition is not properly aligned for best performance”；那么在读写文件时，是否也要类似地保持alignment以提升性能呢？

经过研究结果如下：

扇区（sector)是磁盘的最小存储单位，通常为512B；块(block)是文件系统中存取的最小单位，通常为1024、2048或4096B，块也是文件系统分配和回收空间的最小单位；

当write向文件末尾追加数据时，文件系统会尝试为数据分配数据块，如果是对数据块的部分写入操作，则需要先将数据块的数据读出(此时可能会被阻塞)，然后再整体写入(fetch-before-write)；

当一个磁盘文件大小非4KB(块大小)整数倍大小，在文件末尾追加数据就是上述的部分写入操作，从而出现上述read操作很高的现象；

为了证实上述结论，测试如下：

A. 文件系统块大小4KB，调用librados的append操作，每次append数据量大小为1KB，文件最初不存在；

B. 用iostat查看，第4k+1次append时,read量几乎为0；第4k+2、4k+3、4k+4次append时，read量开始飙升；

符合预期；

同样原理，跨block读也无法将系统性能充分发挥；

为了充分提供系统性能，设计存储结构时就需要避免此类情况，业界常用的方案就是padding，write操作在4KB整数位置处；

参考：

http://www.seagate.com/cn/zh/tech-insights/advanced-format-4k-sector-hard-drives-master-ti/

https://blogs.oracle.com/dlutz/entry/partition_alignment_guidelines_for_unified

https://www.usenix.org/system/files/conference/fast15/fast15-paper-campello.pdf

http://www.storage-switzerland.com/Articles/Entries/2011/10/27_Improving_VMware_Storage_I_O_Performance_By_Realigning_Partitions.html

http://www.storagereview.com/the_impact_of_misalignment

http://noops.me/?p=747

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http://www.cnblogs.com/wuhuiyuan/p/4760030.html

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