CN107506156B - 一种块设备的io优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种块设备的io优化方法，通过预读取的方式，应用程序在内存中设置缓冲区，并将一个文件对应存储在物理块设备中的内容读入缓冲区中，每一个文件内容在物理块设备中以块为单位存储，每一个物理块设备中的内容块按顺序递增排列；当应用程序有读取物理块设备中内容的需求时，直接先从缓冲区内找到对应的内容块读取；如果缓冲区中没有相应的内容块，则执行从物理块设备读取这些内容块进缓冲区后，再从缓冲区中读取。

Description

一种块设备的io优化方法
技术领域
本发明属于数据I/O领域，具体涉及一种块设备的io优化方法。
背景技术
目前，绝大多数的应用程序都离不开大量的数据I/O操作。数据I/O一直是影响应用程序性能，甚至是影响服务器性能的一个重要指标。如何提高数据I/O 的效率一直是应用程序研发的关键点。
缓存技术是当前普遍采用的提高I/O效率的方法，缓存技术主要通过将磁盘上的部分内容按照一定的机制缓存在内存中，应用程序需要进行I/O的时候，可以先在内存中进行读写操作，如果内存中不存在应用程序所需访问的数据，则再去对物理磁盘进行操作。这种机制能够减少应用程序对物理磁盘的读写操作。缓存技术有很多种，也分为多个层次。目前缓存机制主要分为以下两个层次：
(1)操作系统提供的缓存。每个操作系统都有自己的文件系统，为了提高文件读取写入效率，操作系统的文件系统会将物理磁盘上的文件内容按照一种特定机制将磁盘上的数据拷贝到内存中，并且做到内存中数据和磁盘数据的同步。这样运行在操作系统上的程序有一部分原本需要对物理磁盘进行的读写操作转化为了在内存中的操作，应用程序只有在内存中找不到所需内容的时候才会访问磁盘。这种机制对于运行在操作系统上的应用程序来说是透明的，应用程序无法感知到这一机制的存在。
(2)应用程序自定义的缓存机制。尽管操作系统层面已经对文件的读写进行了优化，但是并不能完全满足每个应用程序的需求。每个应用程序的开发人员都可以按照需求设计一套针对文件I/O缓存机制。通常的做法是在内存大小允许的情况下，先通过操作系统提供的API读取文件内容，然后将文件的整个或部分内容加载到内存中，主要用于加快文件的读取效率。这是一种运行在操作系统之上的缓存机制，应用程序可以按照自己需求选择指定文件进行缓存，这种缓存机制能够减少对操作系统API调用，进一步减少对磁盘I/O的操作。
以上两个层次的缓存机制实际上都是基于操作系统提供的I/O访问接口。然而，部分应用程序由于自身的数据缓存机制，它们对文件的操作往往不依赖操作系统提供的文件读取API，而是直接对物理磁盘进行操作。通常这些程序按照物理磁盘块的大小读写磁盘，如每次读写一个物理块，大小512字节。如果我们需要读取这些文件，尤其是增量读取这些文件的时候，就需要按照物理块的大小从物理块上逐块读取。如果一个文件占用了很多物理块，那么按照逐块读取的方案将会造成磁盘I/O的操作大量增加。
在这样的技术背景之下，为了提升读取物理磁盘块设备的I/O效率，申请建立了一中块设备I/O的优化机制。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的是，提供一种块设备I/O的优化方法，通过预读取的方式，应用程序在内存中设置缓冲区，并将一个文件对应存储在物理块设备中的内容读入缓冲区中，每一个文件内容在物理块设备中以块为单位存储，每一个物理块设备中的内容块按顺序递增排列；当应用程序有读取物理块设备中内容的需求时，直接先从缓冲区内找到对应的内容块读取；如果缓冲区中没有相应的内容块，则执行从物理块设备读取这些内容块进缓冲区后，再从缓冲区中读取，有效解决现有技术中所存在的直接读取磁盘内容效率低下的问题，并提高了缓冲区的可控性；
本发明技术方案是，种块设备的io优化方法，其特征在于，通过预读取的方式，应用程序在内存中设置缓冲区，并将一个文件对应存储在物理块设备中的内容读入缓冲区中，每一个文件内容在物理块设备中以块为单位存储，每一个物理块设备中的内容块按顺序递增排列；当应用程序有读取物理块设备中内容的需求时，直接先从缓冲区内找到对应的内容块读取；如果缓冲区中没有相应的内容块，则执行从物理块设备读取这些内容块进缓冲区后，再从缓冲区中读取，具体步骤包括：
步骤1:建立文件内容和物理磁盘块的映射关系；具体是：通过数据库的数据字典查出一个文件的所有内容块存储在物理磁盘中的位置坐标，包括文件号、磁盘号、磁盘块号；基于位置坐标，通过设定映射函数，形成一个文件的内容块和物理磁盘块之间的映射关系，保证能准确定位关于一个文件的某一个内容块在物理磁盘中的偏移位置；
步骤2：针对需要直接从物理磁盘中读写的文件，根据步骤1建立的映射关系，找到该文件内容存储的磁盘及磁盘内的位置，确定该文件内容对应的各个磁盘块的块号；
步骤3：根据计算机实际内存大小和文件数据占用空间的大小，在计算机内存中开辟足够的空间作为内存缓冲区，用去存放从物理磁盘块中读取的文件内容数据；
步骤4：当某一个应用程序在运行过程中，有读取物理块设备中内容的需求时，即从物理磁盘中读取某一个文件，根据步骤1建立的映射关系，找到该文件内容对应的所有磁盘块的块号；按照已查找到的磁盘块号，检查内存缓冲区中是否存在文件对应的磁盘块块号；如果存在，转步骤5；如果不存在，转步骤6；
步骤5：应用程序直接从内存内的缓冲区中读取文件对应的第一个磁盘块数据并按照磁盘块的块号排序，依次读取下一个磁盘块，直至读取完文件对应的所有磁盘块；
步骤6：在保证内存缓冲区空间充足的情况下，执行对磁盘块数据的读取，具体为：针对步骤4中内存缓存区没有找到的磁盘块块号，根据内存缓冲区当前剩余的空间大小，从该磁盘块所在的物理磁盘中读取适宜数量的磁盘块数据，放入内存缓冲区中，然后再从缓冲区读取，读取成功后继续在缓冲区中读取下一个读取的缓存块号，直至成功读取完文件对应的所有磁盘块；
当缓冲区空间不足的情况下，首先清除当前缓冲区中读取频率过低的磁盘块数据，然后再执行从物理磁盘中读取磁盘块。
在步骤1中，基于物理磁盘块设备的文件内容存储，每个文件的文件内容是以物理磁盘块为单位进行分隔，且每个物理磁盘块的头部均有一个按顺序递增的块号，作为该物理磁盘块的唯一标识；一个文件在磁盘中存储时，将形成多个连续排列的物理磁盘块。
所述内存缓冲区的大小需设置为单个物理磁盘块大小的整数倍；
在步骤3中，所述内存缓冲区的大小设置为单个物理磁盘块大小的整数倍。
在步骤6中，所述适宜数量的磁盘块是根据当前缓冲区中剩余空间大小和单个磁盘块大小计算得出，即等于“当前缓冲区中剩余空间大小/单个磁盘块大小”。
在步骤6中，在从内存缓冲区按照顺序读取磁盘块数据时，当要读取下一个磁盘块块号和当前读取到的磁盘块块号不连续，且下一个磁盘块块号比当前已读的磁盘块块号小，说明下一个磁盘块已经失效，应将下一个磁盘块从内存缓冲区中清除，并根据磁盘块递增排序规则和当前读取到的磁盘块块号，确定从物理磁盘中读取进内存缓冲区的新磁盘块，再从缓冲区中读取新进磁盘块的数据。
本发明与现有技术相比，有益效果：
(1)本发明通过设计内存缓冲区结构，能够实现将物理磁盘的内容按需要提前加载到内存缓冲区，而无需再通过直接访问磁盘的方式读取，提高磁盘数据读取的效率，有力地解决现有技术中所存在的直接读取磁盘内容效率低下的问题；
(2)本发明通过根据计算机内存大小和具体应用场景设置缓冲区大小，从缓冲区管理的角度，细化了缓冲区的使用方式和配置方式，相比其它缓存机制而言，是磁盘内容的缓存机制更加可控；
(3)本发明通过建立内存缓冲区与物理磁盘间的数据对换机制，保证了数据的高效率读取的同时，也保证了数据的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例中物理磁盘块的结构示意图，
图2为本发明实施例中块设备读取缓冲区的存储结构示意图；
图3本发明实施例中一种块设备IO读取方法实现流程图；
图4为本发明实施例中缓存区中存有废弃磁盘块的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明实施例通过在内存中划分出一个缓冲区，并将部分物理磁盘数据以磁盘块为单位加载入缓冲区中，图1为本发明实施例中物理磁盘块的结构示意图，以“文件1”为例，文件1从内容上划分为内容块101、内容102、内容块103、内容块104、内容块105，各个内容块分布在物理磁盘内各个磁盘块中，每一个磁盘块以块号作为唯一识别，并按照序号顺序排列；在本发明实施例中，内容块 101在磁盘块1中，内容块102在磁盘块2中，内容块103在磁盘块3中，内容块104在磁盘块4中，内容块105在磁盘块5中。
图2为本发明实施例中块设备读取缓冲区的存储结构示意图，本发明实施例中的存储结构分为二级存储结构，第一级存储结构是物理磁盘存储介质，文件的内容存储在物理磁盘上，第二级存储结构是内存块存储结构，将存储在物理磁盘上的文件内容缓存在内存中，这样的存储架构有利于更为快速地读取物理磁盘的数据，又保证了数据的完整和安全性；
图3本发明实施例中一种块设备IO读取方法实现流程图，具体步骤包括：
步骤301：首先建立文件内容块和物理磁盘坐标的映射关系，本发明通过查询数据库的数据字典得到文件的每个内容块在物理磁盘内的位置坐标；所述磁盘的位置坐标以三元组集合的形式构成，即{u1,u2,u3……un}，其中ui＝(磁盘号，文件号，磁盘块号)；
进一步地，通过映射函数f(u)，能计算出每个文件块对应的物理磁盘的偏移位置；
步骤302：综合计算机实际的内存大小和文件数据的大小，设置缓存区大小；
步骤303：根据步骤302设置的缓存区大小，在计算机内存中开启指定大小的内存区域作为缓冲区，用于存放部分物理块设备的数据；
步骤304：预读取部分文件的磁盘块数据进入内存缓冲区；
步骤305：当有一个应用程序要读取物理磁盘上的文件内容时，利用步骤301 的位置坐标，计算文件在物理磁盘中的偏移位置及各个文件内容块对应的磁盘块，并确定预读取的磁盘块的块号；
步骤306：根据预读取的磁盘块块号，在内存缓冲区中查找是否有匹配的块号；如果有，转步骤307；如果没有找到或者读取时发现读取的磁盘块号与前一位磁盘块号不连续，且小于前一位块号转步骤308；
步骤307：直接从内存缓冲区中读取磁盘块内容，之后再执行读取下一个磁盘块，直至读取完文件对应的所有磁盘块；
步骤308：检查内存缓存区的空间是否充足，如果不充足，按照LRU算法将部分调用量较少的数据块移出缓冲区后，执行步骤309；如果充足，根据步骤304 的问题，分别执行不同的操作：
步骤308-1：如果没有找到预读取的磁盘块块号，执行步骤309；
步骤308-2：如果读取的磁盘块号与前一个磁盘块号不连续，执行步骤310
步骤309：根据缓冲区中剩余空间大小计算从磁盘中读取磁盘块的块数，依据已存在于缓冲区的磁盘块，执行从物理磁盘中读取相应数量的磁盘块到内存缓冲区中，然后再从缓冲区中读取相应的磁盘块内容；
步骤310：如果读取的磁盘块号与前一位磁盘块号不连续，且比前一位磁盘块号小，比表明当前读取的磁盘块和该磁盘块之后的所有磁盘块已经读取过，如图4为本发明实施例中缓存区中存有废弃磁盘块的示意图，Block 103的下一个块号是Block90，，说明缓冲区内Block 90和Block 90之后的磁盘块内容已读取过，已经处于“废弃”状态；将废弃的磁盘块(如图中的Block 90～Block99)移出缓冲区，再根据剩余的缓冲空间大小和已存入缓冲区的磁盘块，将相应数量的磁盘块读取进内存缓冲区中，然后再从缓冲区中读取相应的磁盘块内容；
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种块设备的io优化方法，其特征在于，通过预读取的方式，应用程序在内存中设置缓冲区，并将一个文件对应存储在物理块设备中的内容读入缓冲区中，每一个文件内容在物理块设备中以块为单位存储，每一个物理块设备中的内容块按顺序递增排列；当应用程序有读取物理块设备中内容的需求时，直接先从缓冲区内找到对应的内容块读取；如果缓冲区中没有相应的内容块，则执行从物理块设备读取这些内容块进缓冲区后，再从缓冲区中读取，具体步骤包括：
步骤1: 建立文件内容和物理磁盘块的映射关系；具体是：通过数据库的数据字典查出一个文件的所有内容块存储在物理磁盘中的位置坐标，包括文件号、磁盘号、磁盘块号；基于位置坐标，通过设定映射函数，形成一个文件的内容块和物理磁盘块之间的映射关系，保证能准确定位关于一个文件的某一个内容块在物理磁盘中的偏移位置；
步骤2：针对需要直接从物理磁盘中读写的文件，根据步骤1建立的映射关系，找到该文件内容存储的磁盘及磁盘内的位置，确定该文件内容对应的各个磁盘块的块号；
步骤3：根据计算机实际内存大小和文件数据占用空间的大小，在计算机内存中开辟足够的空间作为内存缓冲区，用去存放从物理磁盘块中读取的文件内容数据；
步骤4：当某一个应用程序在运行过程中，有读取物理块设备中内容的需求时，即从物理磁盘中读取某一个文件，根据步骤1建立的映射关系，找到该文件内容对应的所有磁盘块的块号；按照已查找到的磁盘块号，检查内存缓冲区中是否存在文件对应的磁盘块块号；如果存在，转步骤5；如果不存在，转步骤6；
步骤5：应用程序直接从内存内的缓冲区中读取文件对应的第一个磁盘块数据并按照磁盘块的块号排序，依次读取下一个磁盘块，直至读取完文件对应的所有磁盘块；
步骤6：在保证内存缓冲区空间充足的情况下，执行对磁盘块数据的读取，具体为：针对步骤4中内存缓存区没有找到的磁盘块块号，根据内存缓冲区当前剩余的空间大小，从该磁盘块所在的物理磁盘中读取适宜数量的磁盘块数据，放入内存缓冲区中，然后再从缓冲区读取，读取成功后继续在缓冲区中读取下一个读取的缓存块号，直至成功读取完文件对应的所有磁盘块；
当缓冲区空间不足的情况下，首先清除当前缓冲区中读取频率过低的磁盘块数据，然后再执行从物理磁盘中读取磁盘块；
步骤6中，在从内存缓冲区按照顺序读取磁盘块数据时，当要读取下一个磁盘块块号和当前读取到的磁盘块块号不连续，且下一个磁盘块块号比当前已读的磁盘块块号小，说明下一个磁盘块已经失效，应将下一个磁盘块从内存缓冲区中清除，并根据磁盘块递增排序规则和当前读取到的磁盘块块号，确定从物理磁盘中读取进内存缓冲区的新磁盘块，再从缓冲区中读取新进磁盘块的数据。
2.根据权利要求1所述的一种块设备io优化方法，其特征在于，在步骤1中，基于物理磁盘块设备的文件内容存储，每个文件的文件内容是以物理磁盘块为单位进行分隔，且每个物理磁盘块的头部均有一个按顺序递增的块号，作为该物理磁盘块的唯一标识；一个文件在磁盘中存储时，将形成多个连续排列的物理磁盘块。
3.根据权利要求1所述的一种块设备io优化方法，其特征在于，在步骤3中，所述内存缓冲区的大小设置为单个物理磁盘块大小的整数倍。
4.根据权利要求1所述的一种块设备io优化方法，其特征在于，在步骤6中，所述适宜数量的磁盘块是根据当前缓冲区中剩余空间大小和单个磁盘块大小计算得出，即等于“当前缓冲区中剩余空间大小/单个磁盘块大小”。
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