[发明专利]一种Linux Bcache中的垃圾回收方法及系统

说明书

本发明公开了一种Linux Bcache中的垃圾回收方法，包括设置辅助B+tree；在写请求流程与GC流程并发时，写请求的数据元素插入所述辅助B+tree中，并在GC流程结束后，将插入的所述数据元素插入到原始B+tree中。本发明方法通过辅助B+tree，避免了写请求与GC过程并发时，请求必须等待造成的流量中断；结合“可抢占式锁”解决了Bcache GC过程中，读请求必须等待造成的流量中断；同时通过维护GC任务优先级的方式，避免GC任务一直被抢占而造成的缓存设备空间分配中断。

技术领域

本发明涉及计算机存储优化技术领域，具体而言，为一种Linux Bcache中的垃圾回收方法及系统。

背景技术

Linux Bcache是Linux内核中的块设备缓存，基本功能是用固态硬盘(缓存设备)给机械硬盘(后端设备)做缓存。在Bcache中，用B+tree(一种多路搜索树)维护缓存设备和后端设备上面数据的映射关系。

该B+tree涉及的操作有“查找，遍历，插入，整理”四种，向缓存设备写数据会向B+tree插入元素；从缓存设备读数据会从B+tree查找元素；将缓存设备上的数据写回到后端设备(回刷)会遍历B+tree来标记缓存设备上有“脏数据”的区间；将缓存设备上的空间回收再利用(垃圾回收)会整理B+tree的所有节点。

为保护B+tree上面数据的可靠性，防止上述四个动作并发进行(比如在插入的同时查找)，Bcache采用“读写锁”的方式：对B+tree上面某节点加“读锁”，用来查找和遍历，此时请求写锁的其他任务必须等待；对B+tree上面某节点加“写锁”，用来插入和整理，此时请求读锁或者请求写锁的其他任务必须等待。同理，垃圾回收过程需要对B+tree的根节点加“写锁”。

图1为Bcache中几种主要流程对B+tree的加锁请求示意图，在读写流程中如图(1a)所示：需要持有一条路径锁，即比如要操作的数据元素在node(节点)103中，bcache需要先请求node101的锁，再请求node102的锁，最终请求node103的锁，在操作数据结束后，依次释放node103、node102、node101的锁。在整个流程中，其他请求操作node101、node102、node103的流程都将等待。

如图(1b)所示的，在GC(Bcache中垃圾回收功能，将缓存上空间回收再利用)流程中，以节点合并为例，需要请求node101、node104、node105、node106、node107的锁，然后持有这些节点的锁尝试合并node105、node106、node107；在整个b+tree的所有GC操作完成后，最终释放node101的锁；在此过程中，所有其他请求node101锁的流程都将等待；因此GC流程需要长时间持有根节点node101写锁，以及短时间持有正在处理的一条路径锁。

由此可见，读写流程和GC流程操作的是同一颗B+tree，所有操作均需要请求根节点(node101)的锁；这样则不可避免的带来了锁竞争的问题。

由于Linux bcache的核心数据结构是B+tree，并且利用“读写锁”技术实现B+tree操作的并发控制；那么将根节点加“写锁”的垃圾回收过程中，所有块设备的读写请求都将等待，即Bcache垃圾回收的过程中，会造成读写业务的流量中断问题。

Bcache中的垃圾回收过程会涉及“B+tree节点合并”、“B+tree节点整理写入磁盘”、“标记缓存设备上各区间用途用量”等操作；这些操作耗时比较大，并且所使用的缓存设备容量越大，耗时越大；因此，随着固态硬盘的普及和容量增大，垃圾回收过程中的流量中断问题会越来越成为Bcache的性能瓶颈。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种Linux Bcache中的垃圾回收方法和系统，解决上述Bcache垃圾回收的过程中的流量中断问题。