Zoned Storage-Linux Kernel Support 之 Write Ordering Control

Write Ordering Control

从历史上看，Linux® 内核块 I/O 堆栈（即块层和 SCSI 层）从未保证块 I/O 请求的确切执行顺序。 由于块 I/O 请求在内核中执行的异步asynchronous性质以及设备请求队列的细粒度fine-granularity锁模型的必要性（以最小化锁- 多个上下文同时向块设备发出 I/O 请求时的争用开销）。

这种设计的直接结果是无法保证行为良好的 ZBD 兼容应用程序的写入命令将以递增的 LBA 顺序交付（匹配区域顺序写入约束）。
传入的LBA请求时间和空间上都是随机的，因此不适于ZNS的顺序写入规则

为了解决这个问题，内核 ZBD 支持添加了 zone write locking 区域写入锁定，以确保每个区域按顺序处理写入请求。

Zone Write Locking 区域写锁定

区域写入锁定实现了每个区域的写入锁定，以序列化针对同一区域的写入请求的执行。 这个特性不能保证写命令总是在区域写指针的位置发出：这是写 I/O 发出者的责任。 区域写入锁定仅保证应用程序、文件系统或设备映射器目标发出写入命令的顺序将受到块 I/O 堆栈的尊重。 因此，分区块设备的表现良好的用户将避免未对齐的写入命令失败。

区域写入锁定不会以任何方式影响读取命令。 读取请求的序列化和处理方式与常规块设备不同。

Initial Implementation

区域写锁定首先在内核 4.10 的 SCSI 磁盘驱动程序（块层之下）中实现，对已由块 I/O 调度程序传递到设备调度队列的请求进行操作。

这种早期实施依赖于 SCSI 层可以延迟向设备发出任何请求的事实。 通过维护每个区域一个位的位图，SCSI 磁盘驱动程序在看到写入命令时将区域标记为锁定。 此处更详细地介绍了此算法：

1. 如果要发送到设备的下一个命令不是写入命令，则立即发送该命令。
2. 如果分派的下一个命令是写入命令，则检查命令的目标区域的区域写入锁定位：
   i. 如果写命令的目标区域未写锁定（即，该位未设置），则该区域被锁定，并且向设备发出写命令。 这两个 操作都是在设备请求队列自旋锁下原子执行的。
   ii. 如果目标区域已被锁定（即该位已设置），则 SCSI 磁盘驱动程序会暂时延迟向设备发出命令，直到区域写入锁定被释放。
   iii. 当一个写命令完成时，该命令的目标区域的区域写锁被释放，并且调度过程被恢复。 这意味着如果调度队列头部的命令针对同一区域，则可以发出命令（当写入命令完成时）（步骤 2.a）。

注意 :如上所示实施的区域写入锁定还可以防止 SAS HBA 或 SATA 适配器意外重新排序命令。 AHCI 规范没有定义向设备发出命令的明确顺序。 结果，许多芯片组无法保证命令的正确顺序。

尽管此实现为传统的单队列块 I/O 路径提供了写入顺序保证并且不依赖于任何特定的 HBA，但它有几个限制：

• 潜在的性能下降 : 对任何区域的任何写入命令都会导致命令调度处理停止。 这可以防止分派所有其他命令，包括读取命令。 这会限制在以高队列深度操作设备时通过设备级命令重新排序获得的性能优势。 极端情况是