[发明专利]基于非易失主存的文件系统元数据操作加速方法和系统

说明书

本发明提出一种基于非易失主存的文件系统元数据操作加速方法，包括：获取文件操作指令，根据非易失主存文件系统的根目录，判断该非易失主存文件系统中是否包含该文件操作指令的操作文件，若是，则绕过该非易失主存文件系统的VFS层，直接在该非易失主存文件系统中根据元数据找到待操作的目标文件，对该目标文件执行该文件操作指令，否则根据传统文件系统方式，由VFS层执行该文件操作指令。本发明绕过VFS直接在物理文件系统中操作元数据，在物理文件系统中支持完整的元数据操作语义方法使得元数据操作直接在物理文件系统中执行，提升元数据操作的性能和扩展性并减少文件系统对DRAM空间的占用。

技术领域

本发明涉及计算机领域中基于非易失性主存的本地文件系统，并特别涉及一种基于非易失主存的文件系统元数据操作加速方法和系统。

背景技术

新型非易失性主内存(又称持久化内存persistent memory,简称PM)是一种非易失性存储器，存储密度高，能耗低，读性能接近于动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory,简称DRAM)且访问接口和DRAM相同。PM的特性使得它可以放在IO总线上当做存储设备使用。现有的非易失性存储器件主要有相变存储器(phase change memory,简称PCM)，可变电阻式随机存取存储器(Resistive Random Access Memory，简称ReRAM),以及Intel公司提出的3D-Xpoint技术。

现有的PM文件系统(ext4-dax,NOVA，PMFS，BPFS，SCMFS)移除了磁盘文件系统架构的数据缓存层,通用块层和I/O调度层，数据操作直接进入PM，降低文件操作时不必要的拷贝，如图2PM内核文件系统架构图所示。但是他们却保留了虚拟文件系统(VFS)层。VFS层缓存文件系统的元数据(目录项dentry和索引节点inode，在VFS中的缓存分别命名为dcache和icache，如图3)并执行权限检查和并发控制的功能。对于PM介质来说，读写性能和DRAM接近，这些元数据操作可以直接在PM文件系统中实现，在VFS中缓存元数据是不必要的。此外，缓存元数据需要所有操作原子的在VFS和物理文件系统中更新，降低了应用的性能并限制了元数据操作的多线程扩展性。以创建一个文件为例(创建/example/foo文件)。首先，操作系统在VFS中查找到目标文件的父目录example(第一步)，然后对父目录加读写锁(第二步)阻止对父目录的并发修改操作。随后，物理文件系统创建文件foo(第三步)，其中包括分配新的文件元数据(dentry和inode)和更新父目录(example)信息。在物理文件系统创建完之后，VFS缓存新创建文件的元数据(dcache和icache，第四步)并更新父目录的元数据。这些操作完成之后，一个创建操作才算完成，父目录(example)中的读写锁才可以去掉(第五步)。对于PM文件系统，在VFS中元数据的操作是可以去掉的，只需要执行第三步。此外，PM文件系统可以更细化目录的加锁粒度，提高元数据操作的并发性。

现有的优化PM文件系统的元数据操作问题的解决方法，主要有以下几种方式：

技术方案1：在物理文件系统层解决元数据操作问题(架构如图2)。NOVA采用日志结构(log-structure)减少元数据持久化开销，并且采用预分配空闲空间和inode到各个CPU减低多线程操作元数据的争用；BPFS使用优化后的写时复制(COW)减少元数据写放大开销；SCMFS通过预分配虚拟地址空间来减少文件索引的开销。这些文件系统的主要缺点是保留了VFS层：VFS层会缓存文件系统的元数据(dentry和inode)。对于PM介质来说，其读写性能和DRAM接近，缓存元数据会降低元数据操作的性能和扩展性。

BPFS发表在ACM SIGOPS 22nd symposium on Operating systems principles(SOSP’09)

SCMFS发表在2011International Conference for High PerformanceComputing,Networking,Storage and Analysis(SC’11)