小块写缓存优化
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369
plan/plan.md
369
plan/plan.md
@@ -1,249 +1,216 @@
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# ZVFS -> RocksDB (LD_PRELOAD) 分阶段改造计划（可重入）
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# ZVFS 分阶段改造计划（可重入，用户验收版）
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本文档是给后续编码代理（我）使用的执行计划。目标是：在不破坏现有功能的前提下，逐步把 `zvfs.c + zvfs_hook.c` 改造成可支撑 RocksDB 的 LD_PRELOAD 存储层。
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> 目标：把当前实现改造成可并发扩展、高性能且语义完整的架构。
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> 约束：我无法使用 root，所有阶段验收由你执行。
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## 通用约定（所有阶段）
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- 建议先记录基线：`git rev-parse --short HEAD`。
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- 每阶段都保持“可编译 + 可回归”。
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- 每阶段完成后打一个里程碑 tag（例如 `phase1-done`），中断后可从最近 tag 继续。
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- 验收命令默认：
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```bash
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make -C zvfs -j4
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make -C test -j4
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_phase2_posix /zvfs
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```
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## 已落地变更（2026-03-03）
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1. **stale blob 自愈修复（已完成）**
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- `open(O_CREAT)` 遇到元数据引用失效 blob 时自动重建并回写元数据。
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- `unlink/close(rename 覆盖)` 删除失效 blob 时容忍 `ENOENT/EINVAL`，避免误报 `EIO`。
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2. **小块写合并（已完成）**
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- hook 层新增 per-fd writeback buffer（默认 128KB），连续小写先合并再 `pwrite`。
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- 在 `read/pread/lseek/fsync/fdatasync/close/ftruncate/fallocate/unlink/rename/sync_file_range` 前补齐 flush，保证可见性。
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3. **当前观察**
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- 小块写已提升，但小块读仍偏低；读优化作为后续阶段重点。
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## 0. 使用规则（可重入协议）
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## Phase 0：基线与护栏
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每次开始新一轮开发时，严格按以下顺序执行：
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### 要做的事情
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1. 固化当前行为基线：功能、性能、CPU 占用。
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2. 在代码中加入轻量统计框架（计数器/延迟桶/开关），不改变行为。
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3. 增加最小并发回归入口（并行跑现有测试）。
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1. 读取本文件，定位“当前阶段”和“未完成任务”。
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2. 先做“状态核对”：
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- 代码是否已存在同名结构/函数；
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- 测试是否已覆盖该阶段验收项；
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- 若已完成则跳过，不重复改动（幂等）。
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3. 只推进一个阶段内的最小闭环，不跨阶段大改。
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4. 每完成一个任务，立即更新本文件：
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- 勾选完成项；
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- 记录关键变更文件；
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- 记录剩余风险；
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- 记录本阶段“正确性验证”执行结果。
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5. 若发现与计划冲突的现实约束（SPDK限制/接口差异/语义冲突），先在“变更记录”追加说明，再调整后续子任务，不直接删原计划。
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6. 非代码文档统一写入 `plan/` 目录（用户约束）。
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### 用户验收
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```bash
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make -C zvfs -j4 && make -C test -j4
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_phase2_posix /zvfs
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_perf /zvfs
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_random_perf /zvfs
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```
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### 通过标准
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- 功能测试通过。
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- 有一份可复用的“基线性能记录”（IOPS/BW/延迟）。
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### 可重入说明
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- 仅增量加观测代码，可重复执行，不影响后续阶段。
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## 1. 总目标与约束
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## Phase 1：全局运行时与并发安全
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### 1.1 总目标
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- 支持 RocksDB 关键 I/O 路径（优先 db_bench 可运行并稳定）。
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- 提供正确 POSIX 语义（至少覆盖 RocksDB 依赖子集）。
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- 从单线程串行模型演进到可并行数据面。
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- 保证崩溃后一致性（元数据持久化可恢复）。
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### 要做的事情
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1. 引入 `zvfs_runtime_t`，统一管理 mount/init 状态与全局资源。
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2. 用 `pthread_once + mount mutex` 保护初始化/挂载过程。
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3. 给 inode/path/fd/dirs 操作补齐锁（rwlock + 细粒度 mutex）。
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4. 保持接口不变：`open/read/write/...` 行为兼容。
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### 1.2 当前主要问题（已确认）
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- 单线程 + busy wait + 全局串行，队列深度近似 1。
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- hook 覆盖不足，缺少 pread/pwrite/fsync/ftruncate/openat/stat 等。
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||||
- I/O 参数耦合在 `zvfs_file_t`，不利于 pread/pwrite 和并发。
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||||
- 全局状态无并发保护（`g_fs/fd_table/dirents/open_count` 等）。
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||||
- open/write/close/unlink errno 与 POSIX 语义不完整。
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||||
- 元数据依赖宿主文本文件，容量小、非原子、不可恢复。
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||||
- 配置路径硬编码，部署迁移性差。
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### 用户验收
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```bash
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make -C zvfs -j4 && make -C test -j4
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||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_phase2_posix /zvfs
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||||
for i in $(seq 1 8); do
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_dual_open_same_file /zvfs &
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||||
done
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||||
wait
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```
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### 1.3 强制要求（新增）
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- 每个阶段都必须定义“正确性验证方案”，且在阶段结束前执行并记录结果。
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- 未完成正确性验证，不得将该阶段标记为完成。
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### 通过标准
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- 无崩溃/死锁。
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- 并发场景不出现随机 EBADF/ENOENT/元数据错乱。
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### 可重入说明
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||||
- 锁与 runtime 框架可独立提交；若中断，重新进入本阶段不会破坏状态。
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## 2. 阶段总览
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## Phase 2：Worker 化 IO 通路（替换单 global_thread）
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- 阶段0：基线与兼容清单（先知道 RocksDB 真实需要什么）
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- 阶段1：架构解耦（file vs io_req）
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- 阶段2：补齐关键 hook 与 POSIX 语义
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- 阶段3：并发模型升级（控制面/数据面分离）
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- 阶段4：元数据持久化重构（super blob / 日志）
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||||
- 阶段5：性能与稳定性验收
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### 要做的事情
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1. 实现 worker 池（默认 N:M，支持配置 1:1）。
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2. 每 worker 持有独立 `spdk_thread + io_channel`。
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3. read/write/pread/pwrite 路径改为“提交到绑定 worker 执行”。
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4. 保留同步 POSIX 语义，但去掉全局单线程瓶颈。
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### 用户验收
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```bash
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make -C zvfs -j4 && make -C test -j4
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_phase2_posix /zvfs
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||||
for i in $(seq 1 4); do
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||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_random_perf /zvfs &
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||||
done
|
||||
wait
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||||
```
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||||
### 通过标准
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- 功能与 Phase 1 一致。
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- 并发压测吞吐明显高于基线（目标 >= 1.5x，先达成趋势）。
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### 可重入说明
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- worker 与旧路径可通过编译开关共存，出现问题可快速切回旧路径继续调试。
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## 3. 详细阶段计划
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## Phase 3：完成等待机制与批处理
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## 阶段0：基线与兼容清单
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### 要做的事情
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1. 用“提交队列 + 完成通知”替换纯 busy-poll `waiter`。
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2. 增加批量 poll 与背压（队列满、超时、错误传播）。
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3. 补齐延迟与队列深度指标，定位长尾。
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4. 引入读路径流水线（允许并发 in-flight read），把有效 QD 从 1 提升到可配置值。
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### 目标
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- 建立“RocksDB syscall 最小集合”和“当前实现缺口表”。
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### 用户验收
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```bash
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make -C zvfs -j4 && make -C test -j4
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_perf /zvfs
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env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_random_perf /zvfs
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```
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### 任务
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- [x] 用 `strace` 或等效方式采集 `db_bench` syscall（含失败分支）。
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- [x] 形成兼容矩阵：必须实现 / 可降级透传 / 暂不支持。
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- [x] 固化第一批验收用例（最小 db_bench 参数 + 现有单测集合）。
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### 通过标准
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- 在同等负载下 CPU 空转显著下降。
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- P99 延迟较 Phase 2 收敛（无明显长尾恶化）。
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### 交付物
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- [x] `plan/rocksdb_syscall_matrix.md`
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- [x] `plan/baseline_commands.md`
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### 阶段验收
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- [x] 能明确列出阶段2必须完成的 hook 列表。
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### 正确性验证方案
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- [x] 验证矩阵中的每个“必须实现 syscall”都有最小复现样例（命令或小程序）。
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- [x] 基线命令可重复执行，输出包含 syscall 统计与错误码分布。
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- [x] 验证结果记录到 `plan/baseline_commands.md`（含日期和环境信息）。
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### 可重入说明
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- 队列与等待层可单独演进；可先只替换 read，再替换 write。
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## 阶段1：架构解耦（关键）
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## Phase 4：页缓存与写回合并
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### 目标
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- 把 I/O 请求参数从 `zvfs_file_t` 中拆出，建立请求对象，先打通 pread/pwrite 内核路径。
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### 要做的事情
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1. 引入 per-inode 4KB 页缓存（dirty/clean 状态）。
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2. 小写走 cache + 延迟刷盘，大写/顺序写支持直写或批量写。
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3. 引入 flush 策略：阈值、定时、fsync 强制。
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4. 缩减 `resize + sync_md` 频率（chunk 预分配）。
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5. 读性能专项：
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- 增加顺序读 readahead（如 128KB~1MB 窗口自适应）。
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- 对齐读支持“直接读到用户缓冲”快路径，减少一次 memcpy。
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- 引入 clean page cache（读热点复用，避免重复 blob read）。
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### 任务
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- [x] 新增 `zvfs_io_req`（字段至少：op/buf/len/offset/flags/result/errno/finished）。
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- [x] 重构 `zvfs_read/zvfs_write` 为基于 `zvfs_io_req` 的通用入口。
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||||
- [x] 实现内部 `zvfs_pread_internal/zvfs_pwrite_internal`，不改 hook 先可调用。
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||||
- [x] 移除 `zvfs_file_t` 中仅一次请求有效的临时字段（或标记弃用）。
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### 用户验收
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```bash
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||||
make -C zvfs -j4 && make -C test -j4
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||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_phase2_posix /zvfs
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||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_random_noaligned_perf /zvfs
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```
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### 交付物
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- [x] `zvfs/zvfs.h` 新结构与接口
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- [x] `zvfs/zvfs.c` 读写路径重构完成
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||||
- [x] `plan/phase1_validation.md`（用户侧验证步骤）
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### 通过标准
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- 功能语义不回退（truncate/sparse/rename/fstat 通过）。
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- 小块随机写吞吐继续提升，写放大降低。
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### 阶段验收
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- [x] 现有 read/write/lseek 测试全通过。
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- [x] 新增 pread/pwrite 单测通过（可先直连接口，不经 hook）。
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### 正确性验证方案
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- [x] 新旧接口结果一致性校验：同一输入下 `read/write` 与 `pread/pwrite` 数据一致。
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- [x] 边界测试：offset=0、EOF、跨 page、非对齐、空写入。
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- [x] 失败路径测试：非法 fd/参数时返回值与 `errno` 符合预期。
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### 可重入说明
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- cache 可先只支持 write-through，再切 write-back；两步都可单独验收。
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## 阶段2：补齐 hook 与 POSIX 语义
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## Phase 5：元数据日志化与 fsync 语义闭环
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### 目标
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- 满足 RocksDB 最小兼容 API 集，保证语义与 errno 正确。
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### 要做的事情
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1. `meta_save/load` 从文本快照升级为 WAL + checkpoint（带 CRC/版本）。
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2. 明确并实现 `fdatasync/fsync` 语义：
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- fdatasync 保证数据持久化；
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- fsync 额外保证必要元数据持久化。
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3. 补齐崩溃恢复流程（checkpoint + replay）。
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### 首批必须实现
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- [x] `pread/pwrite`（及 `pread64/pwrite64` 视平台符号而定）
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- [x] `open/open64/openat`
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- [x] `fsync/fdatasync`
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||||
- [x] `ftruncate`
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||||
- [x] `fstat/stat/lstat`（至少满足 RocksDB 元数据查询）
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||||
- [x] `rename`（原子替换语义）
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### 用户验收
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```bash
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||||
make -C zvfs -j4 && make -C test -j4
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||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_phase2_posix /zvfs
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||||
# 建议补充一次“异常退出后重启读取”的恢复验证（手工执行）
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||||
```
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### 语义修复
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- [x] `open` 支持 `O_TRUNC/O_APPEND/O_EXCL`
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- [x] 权限检查（`O_RDONLY/O_WRONLY/O_RDWR`）
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- [x] 返回值与 `errno` 映射统一（失败路径不可吞错）
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### 通过标准
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- 重启后目录项与文件大小不丢失、不错乱。
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- 数据库关键路径（fsync/fdatasync）语义满足预期。
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### 交付物
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||||
- [x] `zvfs/zvfs_hook.c`（phase2 hook 覆盖与语义修复）
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||||
- [x] `test/test_phase2_posix.c`（phase2 POSIX 回归用例）
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||||
- [x] `plan/phase2_validation.md`（用户侧验证步骤）
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### 阶段验收
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- [ ] db_bench 基础 workload 可跑通（单线程先行）。
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||||
- [ ] 不支持的 syscall 必须明确透传且行为可解释。
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### 正确性验证方案
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||||
- [ ] 每个新增 hook 至少 1 个正例 + 1 个反例（权限/参数/不存在文件）。
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||||
- [ ] `open` 语义验证：`O_TRUNC/O_APPEND/O_EXCL` 行为与本地文件系统对齐。
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||||
- [ ] `errno` 对照验证：对关键失败场景做预期值断言。
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||||
- [ ] 跑最小 `db_bench`，确认无 “Function not implemented/Bad file descriptor” 类错误。
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||||
### 可重入说明
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||||
- WAL 与 checkpoint 支持并存迁移；可先双写验证，再切主读路径。
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---
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## 阶段3：并发模型升级
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## Phase 6：性能收敛与上线门槛
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### 目标
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- 保持 hook 层阻塞语义，但底层可并行提交处理。
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### 要做的事情
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1. 清理临时开关，保留必要调优参数。
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2. 整理性能报告（与 Phase 0 基线对比）。
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3. 做最终回归矩阵（功能 + 并发 + 性能 + 恢复）。
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### 任务
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- [ ] 设计并实现 `控制面线程 + N个数据面worker`。
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- [ ] 每 worker 使用独立 io_channel。
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- [ ] 引入并发保护：fd_table、dirents、open_count、全局挂载状态。
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||||
- [ ] 修复生命周期竞态（close/unlink 并发、延迟删除）。
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||||
### 用户验收
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```bash
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||||
make -C zvfs -j4 && make -C test -j4
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||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so make -C test run-test
|
||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_perf /zvfs
|
||||
env LD_PRELOAD=/home/lian/share/10.1-spdk/zvfs/zvfs/libzvfs.so ./test/bin/test_single_file_random_perf /zvfs
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||||
```
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||||
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||||
### 阶段验收
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||||
- [ ] 多线程压测下无崩溃/无明显数据错乱。
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||||
- [ ] QD>1 场景吞吐显著高于阶段2。
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### 通过标准
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- 全量功能测试通过。
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- 多线程性能达到 `codexplan.md` 目标（或给出量化偏差与原因）。
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||||
### 正确性验证方案
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- [ ] 多线程读写一致性校验（文件内容 hash 或区块比对）。
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||||
- [ ] 并发场景稳定性：长时间压测无崩溃、无死锁、无句柄泄漏。
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- [ ] 竞态回归：`close/unlink`、双开同文件、并发 append 场景正确。
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||||
### 可重入说明
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- 本阶段仅收敛与验收，不引入架构性变更；可反复执行直到指标稳定。
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## 阶段4：元数据持久化重构
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||||
## 附：root 权限与运行建议
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### 目标
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- 去掉宿主文本元数据文件，转向 blobstore 内部可恢复元数据。
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### 任务
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- [ ] 使用 super blob（或单独 metadata blob）管理目录与 inode-like 信息。
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- [ ] 建立日志或 copy-on-write 更新流程，支持崩溃恢复。
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||||
- [ ] 对 `create/unlink/rename/truncate` 实现原子更新策略。
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### 阶段验收
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- [ ] 强制中断后重启可恢复一致目录和文件大小信息。
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- [ ] 不再依赖固定绝对路径元数据文件。
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### 正确性验证方案
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||||
- [ ] 故障注入：在 create/write/rename/truncate 中间点中断后重启验证一致性。
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- [ ] 元数据回放验证：目录项数量、文件大小、blob_id 映射正确。
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||||
- [ ] 对比验证：与中断前快照（或日志）比对差异可解释。
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## 阶段5：性能与稳定性验收
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### 目标
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- 形成“可用 + 可解释 + 可回归”的最终版本。
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### 任务
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- [ ] buffer 管理优化（池化、减少拷贝、减少重复 preread）。
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- [ ] 完整回归：现有单测 + 新增 hook 语义测试 + db_bench 组合。
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- [ ] 输出性能报告（吞吐、延迟、CPU、错误率）。
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### 阶段验收
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- [ ] 关键 workload 稳定运行，结果可复现。
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### 正确性验证方案
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- [ ] 全量回归连续执行至少 3 轮，结果一致且无新增失败。
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- [ ] 性能结果包含波动范围（平均值与离散度），可复现实验命令。
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- [ ] 最终发布前执行一次“从空盘到回归完成”的冷启动验证流程。
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## 4. 当前阶段状态
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- 当前阶段：`阶段2`
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- 阶段状态：`pending_user_validation`
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- 本轮目标：用户按 `plan/phase2_validation.md` 执行 phase2 正确性验证
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## 5. 每轮执行后必须更新的记录
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## 5.1 变更记录（按时间追加）
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- [x] 2026-03-02: 完成 phase0（db_bench syscall 基线 + 失败分支 + 兼容矩阵）；文件：`plan/plan.md`、`plan/rocksdb_syscall_matrix.md`、`plan/baseline_commands.md`；风险：当前环境 SPDK 初始化失败（IOVA PA 不可用），需在 phase1 前确定运行环境策略
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- [x] 2026-03-02: 完成 phase1 代码改造（file/io_req 解耦 + 新增 pread/pwrite API）；文件：`zvfs/zvfs.h`、`zvfs/zvfs.c`、`plan/plan.md`、`plan/phase1_validation.md`；风险：本轮未在 root+LD_PRELOAD 环境完成端到端验证
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- [x] 2026-03-02: 根据用户反馈修复 phase1 边界问题（preread 失败时将临时缓冲区清零，避免洞区读到脏数据）；文件：`zvfs/zvfs.c`、`plan/phase1_validation.md`；风险：仍需用户侧端到端复测确认
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- [x] 2026-03-02: 根据用户复测继续修复 sparse hole 问题（offset>EOF 时清零本次覆盖页内 gap 区间）；文件：`zvfs/zvfs.c`、`plan/plan.md`；风险：跨多页大洞写入语义仍需在 phase2 做专项覆盖
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- [x] 2026-03-02: 完成 phase2 代码改造（补齐 openat/pread/pwrite/fsync/ftruncate/stat/rename/fcntl/mkdir/rmdir 等 hook 与关键语义）；文件：`zvfs/zvfs_hook.c`、`zvfs/zvfs.h`、`test/test_phase2_posix.c`、`test/Makefile`、`plan/phase2_validation.md`、`plan/plan.md`；风险：尚未在用户环境完成 db_bench 端到端验收
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- [x] 2026-03-02: 根据用户 db_bench 反馈修复目录打开语义（目录允许 O_RDONLY 打开，不再强制要求 O_DIRECTORY）；文件：`zvfs/zvfs_hook.c`；风险：仍需用户复测 db_bench
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- [x] 2026-03-02: 根据用户 db_bench 反馈补齐 fadvise/fallocate/sync_file_range hook，避免 pseudo-fd 被内核路径误判为 EBADF；文件：`zvfs/zvfs_hook.c`、`zvfs/zvfs.h`；风险：仍需用户复测 db_bench
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## 5.2 风险清单（持续维护）
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- [ ] 线程模型改造可能引入 SPDK thread affinity 问题
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- [ ] rename/truncate 语义与 blobstore 能力映射复杂
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- [ ] LD_PRELOAD 多符号拦截顺序可能受 libc/应用实现影响
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## 5.3 决策记录（ADR-lite）
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- [ ] D-001: 为什么选择控制面/数据面分离
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- [ ] D-002: 为什么选择 super blob 元数据格式
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- [ ] D-003: 不支持 syscall 的透传策略与边界
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## 6. 完成定义（DoD）
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满足以下条件才可标记“计划完成”：
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- [ ] 阶段0~5全部验收项勾选完成
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- [ ] RocksDB db_bench 至少 3 类 workload 稳定通过
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- [ ] 关键 POSIX 语义测试通过并有失败用例说明
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- [ ] 文档包含部署方式、限制项、回归命令
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- 若 NVMe/SPDK 环境需要 root，请在你本机按现有流程执行验收。
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- 若希望无 root 回归，建议补一个 `Malloc` bdev 的 JSON 配置，并将 bdev 名改为可配置（环境变量优先）。
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