CN111522507B - 一种低延迟的文件系统地址空间管理方法、系统及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低延迟的文件系统地址空间管理方法、系统及介质，本发明方法包括：将存储设备的地址空间生成超级块和块组分配表，所述超级块存储有文件系统信息和块组在存储设备线性地址空间上的分配情况，所述块组分配表用于标记对应块组中数据块的分配情况；创建文件时根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息。本发明能够保证仅通过一次IO操作即可获知一个文件在存储设备上占据哪些数据块，能够显著降低文件的读写延迟，能够显著降低文件读写的寻址开销、能够显著提升文件读写的顺序性，从而提升读写性能。

Description

一种低延迟的文件系统地址空间管理方法、系统及介质
技术领域
本发明属于大规模存储的文件系统领域，具体而言，涉及一种低延迟的文件系统地址空间管理方法、系统及介质，通过采用新型数据结构用来管理文件系统的物理地址空间，以显著降低文件读写延迟。
背景技术
面向存储设备的本地文件系统是一切数据存储与管理系统的基础。例如，主流的数据库都建立在文件系统之上，分布式文件系统必须依托本地文件系统实现设备上的数据组织，以Hbase、Dynamo为代表的大数据存储系统要么构建在分布式文件系统之上，要么直接调用本地文件系统读写存储设备上的数据。总之，本地文件系统的性能对所有数据存储与管理系统都有着至关重要的影响。
本地文件系统从结构上大致可划分为两个组件：名字空间管理和地址空间管理。名字空间管理的主要功能是维护目录结构，为用户提供文件系统的操作接口。地址空间管理则主要负责数据在存储设备上的组织。一般说来，无论存储设备采用什么技术手段实现，设备厂商都会将设备的物理地址空间抽象为线性的逻辑地址空间，而地址空间管理模块则负责将用户数据和文件系统元数据组织在线性的逻辑地址空间上。
具体地，文件系统中保存着大量的文件，每个文件都被抽象为一个线性的字节流，该字节流被划分为固定长度的块，如：Ext4文件系统默认将文件划分为1KB大小的块，并以可选的方式允许用户将文件划分为2KB或4KB大小的块。相应地，底层存储设备的逻辑地址空间也被划分为固定大小的块，如：磁盘的最小读写单位为512字节，但文件系统可将磁盘格式化为1KB、2KB、4KB等大小的块。文件系统地址空间管理的一个重要作用就是维护文件字节流的分块与存储设备逻辑地址空间分块之间的对应关系。例如，一个1MB的文件可被划分为1024个1KB的分块，假定底层存储设备也被划分为1KB的块，则该文件在存储设备上需占据1024个分块，文件的1024个分块与它在存储设备上占据的1024个分块的对应关系，则由地址空间管理模块来维护。
不同的文件系统采用不同的地址空间管理方法。早期的FAT文件系统采用链接指针的形式在磁盘上组织数据块，即每个数据块的尾部有一个指向下一个数据块的指针，所有数据块通过指针链接起来。读写文件时，可以沿着链接指针顺次找到所有的数据块。这种数据块组织方式逻辑简单但效率低下，对于一个文件，无论读取其中的哪个数据块，都需要从第一个数据块开始顺序查找，读写性能随着文件变大而逐步降低。
Ext系列文件系统(如Ext2、Ext3、Ext4)维护专门的指针来记录文件占据的数据块。每个文件的inode中预留15个指针，其中12个用于直接指向数据块，这12个指针被称为直接指针。如果这12个指针指向的数据块不足以保存该文件对应的数据(即：文件大小超过12个数据块)，则启用第13个指针，该指针被称为一次间接指针。一次间接指针指向存储设备上的一个数据块，该数据块中保存的不是用户数据，而是指向其它数据块的指针。假定存储设备被文件系统格式化成4KB大小的数据块，每个指针占4字节，则一次间接指针指向的数据块中可以保存1024个指针，这些指针指向1024个数据块，从而显著增加文件系统能够支持的单个文件大小。如果一次间接指针仍然不能满足文件的需要，即文件的大小超过1036(1024+12)个数据块，则启用第14个指针，该指针被称为二次间接指针。二次间接指针指向存储设备上的一个数据块，该数据块中不保存用户数据，而是保存大量的一次间接指针。假定存储设备被文件系统格式化成4KB大小的数据块，每个指针占4字节，则每个数据块中可包含1024个指针。这样，每个二次间接指针可索引1024个一次间接指针，每个一次间接指针可索引1024个数据块，通过引入二次间接指针可以将文件系统能够支持的最大文件再次增加1024×1024个数据块。如果一个大文件所含有的数据块超过了二次间接指针的索引能力，则可启用inode中的第15个指针，即三次间接指针，三次间接指针所指向的数据块中包含1024个二次间接指针，最终将文件系统能够支持的最大文件再次增加1024×1024×1024个数据块。总之，通过三次间接寻址，Ext系列文件系统能够支持的文件最多包含12+1024+1024×1024+1024×1024×1024个数据块，如果每个数据块为4KB，则可保存大小为4TB的单个文件，以上存储能力能够满足大多数场景下的应用需求。
多次间接寻址能够显著扩展文件系统所能支持的最大文件，然而却不能保证文件访问的性能。具体地，应用程序读取一个大文件的某个数据块时，可能需要依次获取文件的inode、三次间接指针、二次间接指针、一次间接指针，最后得到目标数据所在的数据块号，并从中读取数据。简言之，应用程序发出的一个读取数据请求最终引发了5次存储设备的读操作(分别是4次间接指针读取和1次数据读取)，由于这5次读操作具有依赖关系不能并发，导致在最坏的情况下应用程序能获得的IO性能仅为存储设备实际性能的1/5。
BtrFS采用B+树索引每个文件占据的所有数据块，即为每个文件创建一个B+树，该文件占据的数据块插入到对应的B+树中，读写文件时根据读写位置的偏移在B+树中搜索，直到找到对应的数据块。以上技术同样难以应对大文件的场景，随着文件变大，对应的B+树越来越深，在B+树中搜索目标数据块的延迟越来越大，从而导致文件读写性能的下降。
针对大文件场景下数据块读写延迟增加的问题，Ext4文件系统提出Extent的概念，减少数据块的索引开销，避免多次间接指针(如：二次间接指针和三次间接指针)。具体地，不同于传统文件系统普遍采用的定长数据块，Extent是变长的，具体可为定长数据块的整数倍。对于一个大文件，可以采用少量的、但长度很长的Extent记录其在存储设备上占据的数据块。由于Extent相对较长，使用少量Extent即可表示一个大文件，在读写文件的数据块时只需很小的检索开销即可查找到对应的数据块。一般说来，针对一个文件的一系列连续写入操作对应的数据会被合并到一个Extent中，连续写入的数据越多，Extent的长度越长，对文件读写的性能优化越有利。然而，当前的操作系统普遍支持多核多线程，一个文件系统往往同时面临针对大量文件的并发写入，这样，针对某个特定文件的连续写入操作往往被打乱，从而导致难以创建很长的Extent，针对多文件的交叉乱序写入会显著降低Extent技术的优化效果。
总之，当前的文件系统在面临大文件时都难以满足数据访问的低延迟需求，而数据访问延迟在很多场景下是影响应用性能的关键因素。例如，许多应用将大量小文件合并成一个大文件保存在文件系统中，上层应用对这些小文件的随机访问变成了对大文件不同偏移地址的随机访问，此时，对大文件的随机访问延迟成为影响应用性能的关键因素。类似的，在高性能计算场景中，应用程序往往对大文件发出不连续、有固定的间隔的读写请求，在这种场景下，应用对数据访问延迟(而非带宽)提出了很高的要求。面向以上应用场景，设计低延迟的本地文件系统具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种低延迟的文件系统地址空间管理方法、系统及介质，本发明能够保证仅通过一次IO操作即可获知一个文件在存储设备上占据哪些数据块，而非像Ext文件系统那样需要最多4次IO操作用来读取间接指针，通过这种优化措施可以显著降低文件的读写延迟，能够显著降低文件读写的寻址开销、能够显著提升文件读写的顺序性，从而提升读写性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种低延迟的文件系统地址空间管理方法，实施步骤包括：
1)将存储设备的地址空间生成超级块和块组分配表，所述超级块存储有文件系统信息和块组在存储设备线性地址空间上的分配情况，所述块组分配表用于标记对应块组中数据块的分配情况；
2)创建文件时根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息。
可选地，所述指定数据块大小为2的整数次幂KB。
可选地，步骤2)中根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块的详细步骤包括：
A1)判断是否仍有指定数据块大小的空余数据块的块组，如果有则将该仍有指定数据块大小的空余数据块的块组作为目标块组，如果没有则创建新的指定数据块大小的块组，将该新的块组作为目标块组；
A2)为创建的文件在目标块组中分配数据块，，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息；
A3)判断文件是否已经写入完毕，如果尚未写入完毕则跳转执行步骤A1)；否则若文件已经写入完毕则结束并退出。
可选地，步骤2)中根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块的详细步骤包括：
B1)指定一组单调递增的数据块大小a0～am，将数据块大小a0作为当前数据块大小ai；
B2)判断是否仍有当前数据块大小ai的空余数据块的块组，如果有则将该仍有当前数据块大小ai的空余数据块的块组作为目标块组，如果没有则创建新的当前数据块大小的块组，将该新的块组作为目标块组；
B3)为创建的文件在目标块组中分配数据块并记录分配数据块的数量，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息，且当分配的分配数据块小于预设阈值n时，跳转执行步骤B4)；
B4)判断文件是否已经写入完毕，如果尚未写入完毕则从数据块大小a0～am中选择比当前数据块大小ai更大的相邻的数据块大小作为新的当前数据块大小ai，跳转执行步骤B2)；否则若文件已经写入完毕则结束并退出。
可选地，步骤B4)之后还包括计算创建的文件大小FileSize的步骤，且文件大小FileSize的计算函数表达式如下式所示：
Figure GDA0003117045770000041
上式中，a0为指定的最小数据块大小，N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数。
可选地，步骤2)之后还包括读文件或覆盖写文件的步骤：首先通过一次IO操作获取将文件对应的数据块指针表从存储设备读取到内存中，所述数据块指针表为文件占据的N个数据块对应的块号组成的表，所述数据块指针表存储在文件系统的索引节点信息中；然后根据数据块指针表计算文件读文件或覆盖写文件的数据所在的数据块，从计算所得的数据块中进行数据读或覆盖写。
可选地，步骤2)之后还包括追加写文件的步骤：
C1)接收对文件f的追加写请求，该追加写请求的写数据长度为l字节；
C2)判断文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间大于等于追加写请求的写数据长度l是否成立，如果成立则跳转执行步骤C3)；否则跳转执行步骤C4)；
C3)将l字节的数据写到已经分配的数据块中，结束并退出；
C4)在文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间中写入部分数据，然后更新追加写请求的写数据长度l，使得写数据长度l的新值为原值减去文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间；
C5)为文件f分配新的数据块；
C6)将文件f所占据数据块的数量N加1，跳转执行步骤C2)。
可选地，所述文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间的计算函数表达式为：
Figure GDA0003117045770000051
上式中，N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数，L表示文件f的已有长度。
此外，本发明还提供一种低延迟的文件系统地址空间管理系统，包括计算机设备，该计算机设备至少包括微处理器和存储器，该计算机设备的微处理器被编程或配置以执行所述低延迟的文件系统地址空间管理方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述低延迟的文件系统地址空间管理方法的计算机程序。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述低延迟的文件系统地址空间管理方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
(1)本发明提出的地址空间管理方法能够显著降低文件读写的寻址开销。
上层应用在读写文件时会给出所读写的数据在文件中的偏移，文件系统需要根据该偏移确定所读写的数据在存储设备上的数据块，此过程被称为寻址过程。Ext文件系统的寻址过程就是查找多级间接指针的过程，BtrFS的寻址过程就是搜索B+树的过程。根据上面的分析，以上过程均需要多次IO操作，从而会显著增加读写数据的延迟。本发明通过采用变长的数据块来减少一个文件包含的数据块总数，将文件包含的数据块总数控制在数百个以内，从而使得通过一次IO操作就能够将这些数据块指针从存储设备上读取上来，显著减少了寻址过程中的IO操作。进一步的，由于数据块指针占用的空间较少，文件系统甚至可以将这些数据块指针保存在文件的inode中，在读取inode信息时将这些指针一同从存储设备读出，从而避免了寻址过程中的IO操作。总之，采用本发明设计的文件系统可以显著降低寻址过程中的IO操作，因此降低文件读写延迟。
(2)本发明能够显著提升文件读写的顺序性，从而提升读写性能。传统的文件系统一般采用定长的数据块，如4KB数据块，这就会导致一个文件占据大量的数据块。如，一个4GB的文件会占据一百万个4KB数据块。尽管文件系统采取许多优化措施提升属于同一文件的数据块在存储设备上的连续性，但由于在同一时间段内可能存在多个应用对文件系统发出并发的写操作，实现如此多的数据块在存储设备上连续存放是很困难的。而对于大多数存储设备，连续读写性能显著优于随机读写，提升文件存储的连续性对性能优化至关重要。本发明保证数百个数据块即可存储任何大小的文件，因此文件存储的连续性显著优于传统的文件系统，从而能够充分发挥存储设备的连续读写优势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中存储设备的地址空间分布。
图3为本发明实施例中追加写文件的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，本发明实施方式的关键在于如何在存储设备的线性地址空间上组织数据块、以及如何从文件系统中读写数据。其中，读取一个文件的数据相对简单，只需根据所读数据在文件中的偏移以及该文件的数据块指针表计算应该读取的数据块。覆盖写与读数据类似，此处对这两种情形的实施方式不作详细讨论。下面重点介绍数据块组织方式和追加写的实施方式。
如图1所示，本实施例低延迟的文件系统地址空间管理方法的实施步骤包括：
1)将存储设备的地址空间生成超级块和块组分配表，所述超级块存储有文件系统信息和块组在存储设备线性地址空间上的分配情况，所述块组分配表用于标记对应块组中数据块的分配情况；
2)创建文件时根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息。
传统文件系统一般将存储设备格式化为长度固定的数据块，然后把大量的数据块划分为若干块组。例如，Ext4文件系统将存储设备格式化为可选的1KB、4KB、8KB数据块，然后根据数据块大小确定块组大小，最终将整个存储设备划分为若干块组。XFS也将设备存储空间划分为分配组，每个分配组内部相当于一个独立的文件系统。上述文件系统的共同特点是：数据块的长度是固定的，为了避免小文件造成的空间浪费，数据块大小一般设置为小于8KB。这样，一个大文件势必包含大量的数据块，而为这些数据块建立索引以方便查找将带来巨大的开销。本实施例提出采用变长数据块的方法，即将存储设备地址空间划分为块组，每个块组内部的数据块是定长的，但不同的块组可以采用不同大小的数据块，创建文件时根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块。例如，不同块组内的数据块可以选择为1KB、2KB、4KB、8KB等2的整数次幂，最大数据块根据需求甚至可以设置为512MB、1GB。文件系统无需在初始化时建立块组，而是在接收用户创建文件的过程中根据文件的需求情况动态建立块组。具体地，用户在创建文件时会根据需要从不同的块组中获取数据块，一旦一个块组中的数据块分配完毕，就需要再次建立一个具有相同大小数据块的块组。一个块组一旦在存储设备上已经建立，其内部的数据块大小即被设定，不可更改。但一个块组被销毁后，其占据的存储空间可以重新分配到其它块组中，或建立新的块组，此时可以重新设置块组内的数据块大小。由于块组内的数据块大小可以指定，所以数据块可以很大(而不像传统文件系统一般采用16KB以下的数据块)，使得文件系统采用较少的数据块即可保存一个大文件，以上优化措施保证大文件无需采用多次间接指针索引数据块，从而避免了传统文件系统在读写大文件时为获取间接指针而发出的多次IO操作。
图2为本实施例中存储设备的地址空间划分方式，在线性地址空间的起始部分有两个数据块用来存储文件系统超级块(Superblock)的两个副本，超级块主要记录文件系统的一些基本信息，本发明将组块在存储设备线性地址空间上的分配情况也记录在超级块中。在超级块之后的是大量的块组分配表，每个块组分配表为4KB。块组分配表后面就是大量的块组，其中，每个块组与前面的一个块组分配表对应。作为一种具体的可选实施方式，本实施例中块组分配表用来标识对应块组中数据块的分配情况，块组分配表中的一位用来标记块组中的一个数据块，该位置为0则标识对应数据块未分配，该位置为1则说明对应数据块已经分配。因为一个块组分配表为4KB，共包含32768个位，因此，每个块组包含32768个数据块。
作为一种可选的实施方式，根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块可采用固定的指定数据块大小，该方式下步骤2)中根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块的详细步骤包括：
A1)判断是否仍有指定数据块大小的空余数据块的块组，如果有则将该仍有指定数据块大小的空余数据块的块组作为目标块组，如果没有则创建新的指定数据块大小的块组，将该新的块组作为目标块组；
A2)为创建的文件在目标块组中分配数据块，，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息；
A3)判断文件是否已经写入完毕，如果尚未写入完毕则跳转执行步骤A1)；否则若文件已经写入完毕则结束并退出。
文件在创建后需要为它分配一定的数据块以准备接收上层应用写入的数据。文件在初始创建时并不能确定其最终有多大，作为一种可选的实施方式，因此采用保守的策略为其分配较小的数据块，根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块可采用动态变化的指定数据块大小，该方式下步骤2)中根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块的详细步骤包括：
B1)指定一组单调递增的数据块大小a0～am，将数据块大小a0作为当前数据块大小ai；
B2)判断是否仍有当前数据块大小ai的空余数据块的块组，如果有则将该仍有当前数据块大小ai的空余数据块的块组作为目标块组，如果没有则创建新的当前数据块大小的块组，将该新的块组作为目标块组；
B3)为创建的文件在目标块组中分配数据块并记录分配数据块的数量，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息，且当分配的分配数据块小于预设阈值n时，跳转执行步骤B4)；
B4)判断文件是否已经写入完毕，如果尚未写入完毕则从数据块大小a0～am中选择比当前数据块大小ai更大的相邻的数据块大小作为新的当前数据块大小ai，跳转执行步骤B2)；否则若文件已经写入完毕则结束并退出。
例如数据块大小a0～am以a0＝1KB起步，则首先采用保守的策略为其分配1KB的数据块大小，随着上层应用不断将数据写入文件中，该文件占有的1KB小数据块不断增多，当超过一定阈值(假定为n)可以为其分配2KB的数据块；随着数据的进一步写入，该文件占据的2KB数据块也超过阈值n，则可为其分配4KB的数据块；以此类推，随着文件的不断增大，分配给该文件的数据块大小成指数增长，但每一类数据块仅为其分配n个。上述数据块分配原则保证在一个文件占据的数据块数目线性增长的情况下，文件的大小可以成指数增长，从而使得采用较少的数据块指针即可索引很大的文件。
基于上述原则，文件大小FileSize可以写成一个等比数列求和的形式。本实施例中，步骤B4)之后还包括计算创建的文件大小FileSize的步骤，且文件大小FileSize的计算函数表达式如下式所示：
Figure GDA0003117045770000091
上式中，a0为指定的最小数据块大小，N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数。从上式可以看出，随着N的线性增长，FileSize将会成指数增长。具体地，假定n为4，N与FileSize具有如下表的对应关系：
表1：N与FileSize之间的对应关系。
N FileSize
4 4KB
8 12KB
12 28KB
16 60KB
20 124KB
24 252KB
28 508KB
32 1020KB
64 ≈256MB
128 ≈16TB
观察上表可以发现，当一个文件采用128个指针时，该文件最大可达到16TB，可以满足绝大多数应用的需求。假定每个指针占4字节，128个指针仅占512字节，可通过一次IO操作将所有的指针从存储设备上获取到内存中，从而避免了Ext文件系统那样需要多次IO操作逐层获取间接指针的情况。在下文中，本实施例将一个文件占据的N个数据块对应的块号组成的表称作数据块指针表，该表中记录了文件对应的数据保存在哪些数据块中。注意，由于文件的大小不同，每个文件对应的N的取值不同。
本实施例中，步骤2)之后还包括读文件的步骤：首先通过一次IO操作获取将文件对应的数据块指针表从存储设备读取到内存中，所述数据块指针表为文件占据的N个数据块对应的块号组成的表，所述数据块指针表存储在文件系统的索引节点(inode)信息中；然后根据数据块指针表计算文件读文件的数据所在的数据块，从计算所得的数据块中进行数据读。从一个文件读取数据时，首先获取该文件对应的数据块指针表。根据前面分析，该表占据的空间不超过512字节，因此可通过一次IO操作即可将它从存储设备读取到内存中。具体地，文件系统可以将该表保存在inode信息中，在读取文件inode时一同读取该表，进一步减少读取用户数据所需要的IO操作。根据该表可以计算文件任意偏移的数据所在的数据块，接下来可直接从计算所得的数据块中读取用户数据。
本实施例中，步骤2)之后还包括覆盖写文件的步骤：首先通过一次IO操作获取将文件对应的数据块指针表从存储设备读取到内存中，所述数据块指针表为文件占据的N个数据块对应的块号组成的表，所述数据块指针表存储在文件系统的索引节点信息中；然后根据数据块指针表计算覆盖写文件的数据所在的数据块，从计算所得的数据块中进行覆盖写。
向一个文件写入数据时可能出现两种情况。第一种情况是覆盖写，即针对一个文件在已经分配好的数据块上覆盖原有的数据，这种情况无需为文件分配新的数据块，此时，写数据与上面讨论的读数据情况类似，只需根据数据块指针表计算应该写入的目标数据块即可。第二种情况是追加写，即针对一个文件在其尾部写入更多的数据，这种情况要求为文件分配新的数据块。如图3所示，本实施例中步骤2)之后还包括追加写文件的步骤：
C1)接收对文件f的追加写请求，该追加写请求的写数据长度为l字节；
C2)判断文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间大于等于追加写请求的写数据长度l是否成立，如果成立则跳转执行步骤C3)；否则跳转执行步骤C4)；
C3)将l字节的数据写到已经分配的数据块中，结束并退出；
C4)在文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间中写入部分数据，然后更新追加写请求的写数据长度l，使得写数据长度l的新值为原值减去文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间；
C5)为文件f分配新的数据块；
C6)将文件f所占据数据块的数量N加1，跳转执行步骤C2)。
文件f占据的最后一个数据块很可能没有写满数据，若最后一个数据块剩余的空间大于l，则不用申请新的数据块，即可将本次追加写的数据写入到文件中。因为文件f共占据N个数据块，其占据的存储空间可计算为：
Figure GDA0003117045770000101
上式中，N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数。假设文件f的已有长度为L，则文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间的计算函数表达式为：
Figure GDA0003117045770000102
上式中，N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数，L表示文件f的已有长度。所以，步骤C2)将该值与l比较，若比l更大，则说明还有最够的剩余空间。
步骤C4)中，因为文件f的最后一个数据块没有足够的空间接收长度为l的数据，则只能将所追加数据的一部分写入到最后一个数据块。鉴于最后一个数据块的剩余空间如前式所示，所以写入最后一个数据块的同样为：
Figure GDA0003117045770000111
且更新追加写请求的写数据长度l的函数表达式为：
Figure GDA0003117045770000112
假定该文件已经占据N个数据块，则其已有的数据块为n个1KB数据块、n个2KB数据块、n个4KB数据块等等依次排列，根据本实施例提出的数据块分配原则，下一步需要为其分配的数据块大小为
Figure GDA0003117045770000113
此时，向数据块大小为
Figure GDA0003117045770000114
的块组提出申请，一旦数据块分配成功，即可向新分配的数据块中写入待追加的数据。因此，步骤C5)为文件f分配新的数据块时，所分配的数据块的大小为
Figure GDA0003117045770000115
其中N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数。
随着上层应用向文件系统中不断地写入数据，每个块组中的数据块逐渐被消耗，当一个块组中的数据块低于某一设定阈值后，需要重新分配一个具有相同大小数据块的块组。此时，可从存储设备上划分一块空闲空间，建立一个新的块组，并在文件系统的超级块中记录该块组的信息。
当文件被删除时，其占据的数据块也将被回收。如果其它文件有写入数据的需求，将优先分配这些被回收的数据块。然而，当文件系统中所保存文件的大小分布出现明显的变化时，可能出现一个块组中的大量数据块被回收、但不会重新被分配给其它文件的情况。例如，一个文件系统中前期保存了大量的小文件，导致文件系统建立了大量的包含小数据块的块组(如包含1KB数据块的块组、包含2KB数据块的块组)。后面随着上层应用负载的变化，小文件被逐步删除，取而代之的是创建了大量的大文件。这时，文件系统需要创建大量包含大数据块的块组。然而，此时存储设备上可能已经没有空闲空间用来建立新的块组，这就要求回收部分被小数据块占据的块组，用来建立包含大数据块的块组。反之，当文件系统中前期保存大量的大文件、后期转换为保存大量的小文件，则需要回收部分大数据块占据的块组，用来建立包含小数据块的块组。
块组回收时，首先选定两个含有较多空闲数据块、且数据块大小一样的块组。在这两个块组中，假定块组一中含有相对较多的空闲块，则将块组一中的有效数据迁移到块组二中，因为这样迁移的开销较小。若块组一中的有效数据迁移完毕，则可将该块组回收，重新格式化为其它块组。块组回收机制保证采用本发明所设计的文件系统能够灵活应对负载变化。
此外，本实施例还提供一种低延迟的文件系统地址空间管理系统，包括计算机设备，该计算机设备至少包括微处理器和存储器，该计算机设备的微处理器被编程或配置以执行前述低延迟的文件系统地址空间管理方法的步骤，
此外，本实施例还提供一种低延迟的文件系统地址空间管理系统，包括计算机设备，该计算机设备至少包括微处理器和存储器，该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行前述低延迟的文件系统地址空间管理方法的计算机程序。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行前述低延迟的文件系统地址空间管理方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低延迟的文件系统地址空间管理方法，其特征在于实施步骤包括：
1)将存储设备的地址空间生成超级块和块组分配表，所述超级块存储有文件系统信息和块组在存储设备线性地址空间上的分配情况，所述块组分配表用于标记对应块组中数据块的分配情况；
2)创建文件时根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息；
步骤2)中根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块的详细步骤包括：
B1)指定一组单调递增的数据块大小a0～am，将数据块大小a0作为当前数据块大小ai；
B2)判断是否仍有当前数据块大小ai的空余数据块的块组，如果有则将该仍有当前数据块大小ai的空余数据块的块组作为目标块组，如果没有则创建新的当前数据块大小的块组，将该新的块组作为目标块组；
B3)为创建的文件在目标块组中分配数据块并记录分配数据块的数量，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息，且当分配的分配数据块小于预设阈值n时，跳转执行步骤B4)；
B4)判断文件是否已经写入完毕，如果尚未写入完毕则从数据块大小a0～am中选择比当前数据块大小ai更大的相邻的数据块大小作为新的当前数据块大小ai，跳转执行步骤B2)；否则若文件已经写入完毕则结束并退出。
2.根据权利要求1所述的低延迟的文件系统地址空间管理方法，其特征在于，所述指定数据块大小为2的整数次幂KB。
3.根据权利要求1所述的低延迟的文件系统地址空间管理方法，其特征在于，步骤2)中根据指定数据块大小动态创建或选择对应的块组并分配数据块的详细步骤包括：
A1)判断是否仍有指定数据块大小的空余数据块的块组，如果有则将该仍有指定数据块大小的空余数据块的块组作为目标块组，如果没有则创建新的指定数据块大小的块组，将该新的块组作为目标块组；
A2)为创建的文件在目标块组中分配数据块，，在分配的数据块写入文件数据并更新块组分配表以及超级块的信息；
A3)判断文件是否已经写入完毕，如果尚未写入完毕则跳转执行步骤A1)；否则若文件已经写入完毕则结束并退出。
4.根据权利要求1所述的低延迟的文件系统地址空间管理方法，其特征在于，步骤B4)之后还包括计算创建的文件大小FileSize的步骤，且文件大小FileSize的计算函数表达式如下式所示：
Figure FDA0003117045760000021
上式中，a0为指定的最小数据块大小，N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数。
5.根据权利要求1所述的低延迟的文件系统地址空间管理方法，其特征在于，步骤2)之后还包括读文件或覆盖写文件的步骤：首先通过一次IO操作获取将文件对应的数据块指针表从存储设备读取到内存中，所述数据块指针表为文件占据的N个数据块对应的块号组成的表，所述数据块指针表存储在文件系统的索引节点信息中；然后根据数据块指针表计算文件读文件或覆盖写文件的数据所在的数据块，从计算所得的数据块中进行数据读或覆盖写。
6.根据权利要求1所述的低延迟的文件系统地址空间管理方法，其特征在于，步骤2)之后还包括追加写文件的步骤：
C1)接收对文件f的追加写请求，该追加写请求的写数据长度为l字节；
C2)判断文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间大于等于追加写请求的写数据长度l是否成立，如果成立则跳转执行步骤C3)；否则跳转执行步骤C4)；
C3)将l字节的数据写到已经分配的数据块中，结束并退出；
C4)在文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间中写入部分数据，然后更新追加写请求的写数据长度l，使得写数据长度l的新值为原值减去文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间；
C5)为文件f分配新的数据块；
C6)将文件f所占据数据块的数量N加1，跳转执行步骤C2)。
7.根据权利要求6所述的低延迟的文件系统地址空间管理方法，其特征在于，所述文件f所占据N个数据块中最后一个数据块的剩余空间的计算函数表达式为：
Figure FDA0003117045760000022
上式中，N表示一个文件占据的数据块的总数，n表示在每一类数据块中为一个文件分配的数据块的个数，L表示文件f的已有长度。
8.一种低延迟的文件系统地址空间管理系统，包括计算机设备，该计算机设备至少包括微处理器和存储器，其特征在于，该计算机设备的微处理器被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述低延迟的文件系统地址空间管理方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述低延迟的文件系统地址空间管理方法的计算机程序。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述低延迟的文件系统地址空间管理方法的计算机程序。
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