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# ZVFS
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ZVFS 是一个基于 SPDK Blobstore 的用户态文件系统原型，目标是在不改业务代码的前提下，将常见 POSIX 文件 I/O 重定向到用户态高性能存储路径。
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核心思想是复用 Linux 文件管理机制（命名空间/目录/元数据），把文件数据平面放到 ZVFS。
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- Hook 方式：`LD_PRELOAD`
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- 挂载前缀：`/zvfs`
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- 架构：多进程 Client + 独立 Daemon + SPDK
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- 语义：同步阻塞（请求-响应）
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## 1. 项目定位
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这个项目重点不只是“把 I/O 跑起来”，而是把以下工程问题串起来：
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1. 在多线程/多进程应用（RocksDB / PostgreSQL）里做透明接管。
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2. 保留 POSIX 语义（open/close/dup/fork/append/sync 等）。
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3. 把 SPDK 资源集中在 daemon 管理，避免每进程重复初始化。
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4. 在同步阻塞语义下，把协议、并发、错误处理做完整。
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## 2. 架构设计
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```text
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App (PostgreSQL / RocksDB / db_bench / pgbench)
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-> LD_PRELOAD libzvfs.so
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-> Hook Client (POSIX 拦截 + 本地状态)
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-> Unix Domain Socket IPC (sync/blocking)
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-> zvfs_daemon
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-> 协议反序列化 + 分发
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-> metadata thread + io threads
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-> SPDK Blobstore / bdev
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```
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### 2.1 透传策略
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**控制面复用 Linux，数据面走 ZVFS**。
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- 控制面（Linux 负责）
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- 目录/命名空间管理。
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- 文件节点生命周期与权限语义（create/open/close/stat/rename/unlink 等）。
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- 这些操作在 `/zvfs` 下也会真实执行系统调用，ZVFS 不重复实现目录树管理。
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- 数据面（ZVFS 负责）
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- 文件内容读写由 blob 承载。
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- `read/write` 的真实数据路径不走 Linux 文件数据面，而走 ZVFS IPC + SPDK。
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- 关键绑定方式
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- `create`：真实创建 Linux 文件 + 在 ZVFS 创建 blob + 把 `blob_id` 写入文件 xattr。
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- `open`：真实 `open` Linux 文件 + 读取 xattr 获取 `blob_id` + 在 ZVFS 打开 blob。
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- `write`：写入 blob 成功后，使用 `ftruncate` 同步 Linux 视角 `st_size`。
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- 工程收益
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- 直接减少约 50% 的实现工作量。
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- 兼容性更好，数据库可直接复用现有文件组织方式。
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### 2.2 分层职责
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- Client（`src/hook` + `src/spdk_engine/io_engine.c`）
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- 判断是否 `/zvfs` 路径。
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- 拦截 POSIX API 并发起同步 IPC。
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- 维护最小本地状态（`fd_table/path_cache/inode_table`）。
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- Daemon（`src/daemon`）
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- 独占 SPDK 环境与线程。
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- 统一执行 blob create/open/read/write/resize/sync/delete。
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- 统一管理 handle/ref_count。
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- 协议层（`src/proto/ipc_proto.*`）
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- 统一头 + per-op body。
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- Request Header：`opcode + payload_len`
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- Response Header：`opcode + status + payload_len`
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### 2.3 为什么是同步阻塞 IPC
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- 业务侧兼容成本低，最容易对齐 POSIX 语义。
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- 调试路径更直接（一个请求对应一个响应）。
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- 先解决正确性和语义完整，再考虑异步化。
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## 3. 功能覆盖（当前）
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### 3.1 已接管的核心接口
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- 控制面协同：`open/openat/creat/rename/unlink/...`（真实 syscall + ZVFS 元数据协同）
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- 数据面接管：`read/write/pread/pwrite/readv/writev/pwritev`
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- 元数据：`fstat/lseek/ftruncate/fallocate`
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- 同步：`fsync/fdatasync/sync_file_range`
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- FD 语义：`dup/dup2/dup3/fork/close_range`
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### 3.2 语义要点
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- `write` 默认使用 `AUTO_GROW`。
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- 非 `AUTO_GROW` 写越界返回 `ENOSPC`。
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- `O_APPEND` 语义由 inode `logical_size` 保证。
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- `write` 成功后会同步更新 Linux 文件大小（`ftruncate`），保持 `stat` 视角一致。
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- `mmap` 对 zvfs fd 当前返回 `ENOTSUP`（非 zvfs fd 透传）。
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### 3.3 映射关系
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- 文件数据在 SPDK blob 中。
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- 文件到 blob 的映射通过 xattr：`user.zvfs.blob_id`。
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## 4. 构建与运行
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### 4.1 构建
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```bash
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cd zvfs
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git submodule update --init --recursive --progress
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cd spdk
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./scripts/pkgdep.sh
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./configure --with-shared
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make -j"$(nproc)"
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cd ..
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make -j"$(nproc)"
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mkdir -p tests/bin
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make test -j"$(nproc)"
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```
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产物：
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- `src/libzvfs.so`
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- `src/daemon/zvfs_daemon`
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- `tests/bin/*`
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### 4.2 启动 daemon
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```bash
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cd zvfs
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./src/daemon/zvfs_daemon
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```
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可选环境变量：
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- `SPDK_BDEV_NAME`
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- `SPDK_JSON_CONFIG`
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- `ZVFS_SOCKET_PATH` / `ZVFS_IPC_SOCKET_PATH`
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### 4.3 快速验证
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```bash
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mkdir -p /zvfs
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LD_PRELOAD=./src/libzvfs.so ZVFS_TEST_ROOT=/zvfs ./tests/bin/hook_api_test
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./tests/bin/ipc_zvfs_test
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```
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## 5. 性能测试
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### 5.1 测试目标
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- 目标场景：低队列深度下阻塞 I/O 性能。
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- 对比对象：`spdk_nvme_perf` 与内核路径（`O_DIRECT`）。
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### 5.2 工具与脚本
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- RocksDB：`scripts/run_db_bench_zvfs.sh`
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- PostgreSQL：`codex/run_pgbench_no_mmap.sh`
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建议：
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- PostgreSQL 测试时关闭 mmap 路径（shared memory 改为 sysv，避免 mmap 干扰）。
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### 5.3 历史结果
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- QD=1 下可达到 `spdk_nvme_perf` 的约 `90%~95%`。
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- 相对同机 `O_DIRECT`，顺序写吞吐可有约 `2.2x~2.3x` 提升。
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- 非对齐写因 RMW 开销，吞吐明显下降。
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### 5.4 fio
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```shell
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root@ubuntu20-129:/home/lian/share/zvfs# LD_PRELOAD=/home/lian/share/zvfs/src/libzvfs.so fio ./fio_script/zvfs.fio
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test: (g=0): rw=randwrite, bs=(R) 16.0KiB-16.0KiB, (W) 16.0KiB-16.0KiB, (T) 16.0KiB-16.0KiB, ioengine=psync, iodepth=64
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fio-3.16
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Starting 1 thread
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test: Laying out IO file (1 file / 0MiB)
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Jobs: 1 (f=1): [w(1)][100.0%][w=13.4MiB/s][w=857 IOPS][eta 00m:00s]
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test: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=16519: Sat Mar 14 14:11:27 2026
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Description : ["variable bs"]
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write: IOPS=829, BW=12.0MiB/s (13.6MB/s)(130MiB/10001msec); 0 zone resets
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clat (usec): min=778, max=4000, avg=1199.89, stdev=377.74
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lat (usec): min=779, max=4001, avg=1200.38, stdev=377.78
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clat percentiles (usec):
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| 1.00th=[ 848], 5.00th=[ 898], 10.00th=[ 922], 20.00th=[ 955],
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| 30.00th=[ 979], 40.00th=[ 1004], 50.00th=[ 1029], 60.00th=[ 1074],
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| 70.00th=[ 1221], 80.00th=[ 1500], 90.00th=[ 1614], 95.00th=[ 1975],
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| 99.00th=[ 2606], 99.50th=[ 2966], 99.90th=[ 3359], 99.95th=[ 3425],
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| 99.99th=[ 4015]
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bw ( KiB/s): min=10048, max=15520, per=99.91%, avg=13258.32, stdev=1465.96, samples=19
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iops : min= 628, max= 970, avg=828.63, stdev=91.62, samples=19
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lat (usec) : 1000=38.46%
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lat (msec) : 2=56.79%, 4=4.74%, 10=0.01%
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cpu : usr=5.27%, sys=0.00%, ctx=8499, majf=0, minf=7
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IO depths : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%
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submit : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
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||
complete : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
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||
issued rwts: total=0,8295,0,0 short=0,0,0,0 dropped=0,0,0,0
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latency : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=64
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Run status group 0 (all jobs):
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WRITE: bw=12.0MiB/s (13.6MB/s), 12.0MiB/s-12.0MiB/s (13.6MB/s-13.6MB/s), io=130MiB (136MB), run=10001-10001msec
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Disk stats (read/write):
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sda: ios=0/118, merge=0/104, ticks=0/66, in_queue=67, util=0.24%
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```
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### 5.5 pgbench
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```shell
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root@ubuntu20-129:/home/lian/share/zvfs# ./scripts/run_pgbench_no_mmap.sh
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当前配置：
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host=127.0.0.1 port=5432 db=benchdb
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scale=1 clients=1 threads=1 time=15s preload=1
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init_jobs=1 init_steps=dtg skip_init=0
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[1/2] pgbench 初始化（-i）
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dropping old tables...
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||
NOTICE: table "pgbench_accounts" does not exist, skipping
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NOTICE: table "pgbench_branches" does not exist, skipping
|
||
NOTICE: table "pgbench_history" does not exist, skipping
|
||
NOTICE: table "pgbench_tellers" does not exist, skipping
|
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creating tables...
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generating data...
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100000 of 100000 tuples (100%) done (elapsed 15.06 s, remaining 0.00 s)
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done.
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[2/2] pgbench 压测（-T）
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starting vacuum...end.
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transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
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scaling factor: 1
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query mode: simple
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number of clients: 1
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||
number of threads: 1
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||
duration: 15 s
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number of transactions actually processed: 564
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latency average = 26.614 ms
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tps = 37.573586 (including connections establishing)
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tps = 38.176262 (excluding connections establishing)
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```
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```shell
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root@ubuntu20-129:/home/lian/share/zvfs# ./scripts/run_pgbench.sh
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||
当前配置：
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host=127.0.0.1 port=5432 db=postgres
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scale=1 clients=1 threads=1 time=15s preload=0
|
||
init_jobs=1 init_steps=dtg skip_init=0
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||
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||
[1/2] pgbench 初始化（-i）
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||
dropping old tables...
|
||
NOTICE: table "pgbench_accounts" does not exist, skipping
|
||
NOTICE: table "pgbench_branches" does not exist, skipping
|
||
NOTICE: table "pgbench_history" does not exist, skipping
|
||
NOTICE: table "pgbench_tellers" does not exist, skipping
|
||
creating tables...
|
||
generating data...
|
||
100000 of 100000 tuples (100%) done (elapsed 1.08 s, remaining 0.00 s)
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||
done.
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[2/2] pgbench 压测（-T）
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||
starting vacuum...end.
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transaction type: <builtin: TPC-B (sort of)>
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||
scaling factor: 1
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||
query mode: simple
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||
number of clients: 1
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||
number of threads: 1
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||
duration: 15 s
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||
number of transactions actually processed: 586
|
||
latency average = 25.602 ms
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tps = 39.059387 (including connections establishing)
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||
tps = 39.102273 (excluding connections establishing)
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```
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## 6. 关键工程难点与踩坑复盘（重点）
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### SPDK 元数据回调线程模型
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问题：把 metadata 操作随意派发到任意线程，容易卡住或回调不回来。metadata的回调默认派发给初始化blobstore的线程。
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blobstore metadata 操作与创建线程/通道绑定。
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需要明确 metadata thread 和 io thread 分工。
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### resize 导致程序卡死
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- `resize/delete/unload` 内部会走 `spdk_for_each_channel()` barrier。大概是让其他的spdk线程同步resize之后的状态才能返回。所以如果要做要尽可能少做resize。
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如果其他spdk线程持有iochannel，并且没有持续poll，就会导致卡死。
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- 保证持有 channel 的线程持续 poll。
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- 线程退出时严格释放 channel，避免 barrier 永久等待。
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### PostgreSQL Tablespace 无法命中 Hook
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现象：建表空间后文件操作路径是 `pg_tblspc/...`，daemon 无请求日志。
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根因：
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- PostgreSQL 通过符号链接访问 tablespace。
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- 仅按字符串前缀 `/zvfs` 判断会漏判。
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修复：
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- 路径判定增加 `realpath()` 后再判断。
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- `O_CREAT` 且文件尚不存在时，使用 `realpath(parent)+basename` 判定。
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### PostgreSQL 报 `Permission denied`（跨用户连接 daemon）
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现象：`CREATE DATABASE ... TABLESPACE ...` 报权限错误。
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根因：
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- daemon 由 root 启动，UDS 文件权限受 umask 影响。
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- postgres 用户无法 `connect(/tmp/zvfs.sock)`。
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修复：
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- daemon `bind` 后显式 `chmod(socket, 0666)`。
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### PostgreSQL 报 `Message too long`
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现象：部分 SQL（尤其 `CREATE DATABASE` 路径）失败，错误为 `Message too long`。
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根因：
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- 不是 daemon 解析失败，而是 client 序列化请求时超出 `ZVFS_IPC_BUF_SIZE`。
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- 当前 hook 会把 `writev` 聚合成一次大写请求，容易触发上限。
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当前处理：
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- 将 `ZVFS_IPC_BUF_SIZE` 提高到 `16MB`（`src/common/config.h`）。
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后续优化方向：
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- 在 client `blob_write_ex` 做透明分片发送（保持同步阻塞语义）。
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### dup/dup2/fork 语义一致性
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问题：多个 fd 指向同一 open file description 时，如何保证 handle 引用计数一致。
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方案：
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- 协议增加 `ADD_REF` / `ADD_REF_BATCH`。
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- 在 hook 中对 `dup/dup2/dup3/fork` 明确执行引用增加。
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- `close_range` 增加边界保护（避免 `UINT_MAX` 场景死循环）。
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### pg \c 调用链条
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1. psql \c ...
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2. fork backend
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3. InitPostgres -> ValidatePgVersion ...
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4. libc fopen
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5. libc 内部 -> __IO_file_fopen -> _IO_file_open -> __open64
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6. kernel openat
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7. fscanf
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8. libc __isoc99_fscanf -> \_IO\_* -> __read
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9. kernel read
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glic 内部调用走的不是 动态符号定位，可能是一些隐藏别名。可能会绕过hook。需要拦截非常多变体
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## 7. 当前限制与下一步
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### 7.1 当前限制
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- 单请求仍受 `ZVFS_IPC_BUF_SIZE` 约束。
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- `mmap` 暂不支持 zvfs fd。
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- `ADD_REF_BATCH` 当前优先功能，不保证原子性。
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### 7.2 下一步计划
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1. 实现 `WRITE` 客户端透明分片，彻底消除单包上限问题。
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2. 持续完善 PostgreSQL 场景（tablespace + pgbench + crash/restart）。
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3. 补齐更系统的性能复测（固定硬件、固定参数、全量报告）。
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