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作者簡(jiǎn)介
小輝，一線碼農(nóng)，有多年豐富嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)工作經(jīng)驗(yàn)。先后在南大富士通，某手機(jī)大廠和初創(chuàng)小公司任軟件工程師，系統(tǒng)架構(gòu)師等職務(wù)。對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和os性能優(yōu)化工作很熟悉。在此特別鳴謝！
引子
自己做單機(jī)存儲(chǔ)性能優(yōu)化工作已經(jīng)一年多了，平時(shí)組內(nèi)做的優(yōu)化點(diǎn)需要系統(tǒng)總結(jié)一下了。
怎么能夠找到手機(jī)存儲(chǔ)性能優(yōu)化方面的技術(shù)特性，怎么去凸顯手機(jī)存儲(chǔ)里面碰到的獨(dú)特性能優(yōu)化問題，有了這些需求，所以我需要寫一點(diǎn)東西了。
因?yàn)楣ぷ鞣泵Γ缓脤懗闪祟愃芺bs和筆記的風(fēng)格，不過雖然這樣，我保證下面文字是我對(duì)手機(jī)存儲(chǔ)性能架構(gòu)方面的原創(chuàng)心得，網(wǎng)上根本搜不到下面這樣的文字。
手機(jī)安卓系統(tǒng)IO特性
業(yè)務(wù)方面特性
手機(jī)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的都是單機(jī)存儲(chǔ)架構(gòu)。出存儲(chǔ)性能問題時(shí)，往往直觀的表現(xiàn)是桌面運(yùn)行卡頓，
需要分析用戶上傳的bugreport，然后自己根據(jù)用戶場(chǎng)景做問題復(fù)現(xiàn)，然后通過分析內(nèi)核ftrace log, 還有借助一些性能排查工具去解決該性能問題。
技術(shù)方面特性
1: buffer IO很多，異步IO，direct IO很少
手機(jī)中異步IO，direct IO操作應(yīng)該很少，基本上都是buffer IO（經(jīng)過page cache的IO），所以出存儲(chǔ)性能問題時(shí)，尋找根本原因時(shí)，往往是內(nèi)存原因和IO原因交織混雜在一塊，表現(xiàn)出來的原因，并不是孤立的IO模塊的原因。
內(nèi)存原因有內(nèi)存回收，內(nèi)存slow path分配，IO原因有具體的文件系統(tǒng)，還有塊設(shè)備層IO調(diào)度器。
2: sqlite數(shù)據(jù)庫引發(fā)的IO操作很多
這個(gè)是手機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)很重要的IO特色，詳見三星公司出的那篇經(jīng)典Android IO特性分析論文。
Android 手機(jī)里面大部分寫都是數(shù)據(jù)庫sqlite的單筆小量數(shù)據(jù)的頻繁同步隨機(jī)寫（就是write+fsync），而不是服務(wù)器場(chǎng)景中出現(xiàn)的文件寫。
3：手機(jī)里面大部分都是中低速存儲(chǔ)芯片，比如emmc, ufs。所以內(nèi)核層的over head不高，需要利用到內(nèi)核的文件系統(tǒng)，還有IO調(diào)度器
這個(gè)涉及到內(nèi)核存儲(chǔ)架構(gòu)問題了。
1）現(xiàn)有的存儲(chǔ)系統(tǒng)，在分布式和大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景下，通常會(huì)用些高速存儲(chǔ)芯片（比如nvme接口的），內(nèi)核現(xiàn)有的存儲(chǔ)架構(gòu)不能有效的發(fā)揮作用。
具體表現(xiàn)在每一筆的IO下發(fā)，在內(nèi)核存儲(chǔ)棧產(chǎn)生的over head太重了，并且還不能充分地利用存儲(chǔ)芯片的IO帶寬。
尤其是塊設(shè)備層那些傳統(tǒng)的single queue設(shè)計(jì)，IO 請(qǐng)求排序和合并，cfq調(diào)度器，傳統(tǒng)文件系統(tǒng)自身局限性等這些內(nèi)核的設(shè)計(jì)思想，都不符合高速存儲(chǔ)的需求。
所以現(xiàn)有的分布式和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場(chǎng)景，都是會(huì)bypass 內(nèi)核，直接做成用戶態(tài)driver去直接讀寫存儲(chǔ)芯片的，比如現(xiàn)在的dpdk, spdk架構(gòu)。
所以現(xiàn)在內(nèi)核也被迫的調(diào)整存儲(chǔ)架構(gòu)，io_urging, 塊設(shè)備層的blk-mq多隊(duì)列設(shè)計(jì)，bfq調(diào)度器等這些存儲(chǔ)架構(gòu)的調(diào)整都是為了跟上當(dāng)前硬件上，存儲(chǔ)芯片性能不斷暴漲的節(jié)奏。
2）但是手機(jī)場(chǎng)景是比較特殊的，因?yàn)橛玫倪€是emmc，ufs這種存儲(chǔ)芯片速度不是特別快的場(chǎng)景，再加上每天的實(shí)際存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寫入耗時(shí)占每天總時(shí)長(zhǎng)的比例是比較小的（sandisk有存儲(chǔ)芯片打點(diǎn)數(shù)據(jù)分析的），再加上上面的2點(diǎn)IO特性，所以手機(jī)場(chǎng)景下，還是會(huì)用到內(nèi)核傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，塊設(shè)備層設(shè)計(jì)思想，會(huì)用到這些傳統(tǒng)的內(nèi)核存儲(chǔ)架構(gòu)。
4：會(huì)頻繁異常掉電，所以對(duì)文件系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高
服務(wù)器場(chǎng)景會(huì)有ups電源，可能很少會(huì)有系統(tǒng)頻繁掉電的場(chǎng)景出現(xiàn)。
但是手機(jī)場(chǎng)景，據(jù)我們分析，就算用戶選擇的是正常關(guān)機(jī)流程，也會(huì)很多時(shí)候出現(xiàn)因?yàn)槲募到y(tǒng)卸載超時(shí)導(dǎo)致的實(shí)際上走的也是類似于這種異常掉電流程（就是雖然不是異常掉電，但是走的流程，還有從對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性影響方面評(píng)估，跟異常掉電場(chǎng)景區(qū)別不大）。
所以就更不用提很多時(shí)候，用戶關(guān)不了機(jī)時(shí)（系統(tǒng)按鍵無響應(yīng)時(shí)），往往采取的強(qiáng)制掉電關(guān)機(jī)或者掉電重啟。
5：會(huì)有前后臺(tái)任務(wù)管理方面的工作需求
因?yàn)?a target="_blank">安卓手機(jī)通常后臺(tái)跑的做IO工作的進(jìn)程數(shù)量是很多的，同時(shí)用戶在前臺(tái)操作手機(jī)時(shí)，前臺(tái)的任務(wù)不希望被后臺(tái)任務(wù)所干擾。
隨著內(nèi)存越來越大，還有安卓本來就是多任務(wù)系統(tǒng)，所以安卓后臺(tái)跑的進(jìn)程數(shù)量是比較多的。但是用戶在前臺(tái)操作app或者圖形界面時(shí)，是不希望受到后臺(tái)進(jìn)程的干擾影響的。
6：手機(jī)會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)碎片化厲害的場(chǎng)景，這樣對(duì)IO性能會(huì)影響比較大。
手機(jī)里面大部分都是存儲(chǔ)的小文件，但是手機(jī)存儲(chǔ)容量往往由于成本和具體應(yīng)用原因，不會(huì)容量像大數(shù)據(jù)或者分布式的存儲(chǔ)容量那么大。
而且隨著手機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景越來越豐富，比如視頻，聊天，當(dāng)做電腦一樣在應(yīng)用手機(jī)，所以手機(jī)本來存儲(chǔ)容量就不大，再加上使用時(shí)間長(zhǎng)和強(qiáng)度高后，存儲(chǔ)碎片化現(xiàn)象肯定越來越嚴(yán)重（具體表現(xiàn)在文件系統(tǒng)碎片化）。
這樣對(duì)IO性能會(huì)有大的影響的。
7：會(huì)有ext4文件系統(tǒng)的自身局限性帶來的一些問題
設(shè)計(jì)ext4的時(shí)候，當(dāng)時(shí)都是機(jī)械硬盤為主，內(nèi)存資源不充足的時(shí)代，現(xiàn)在的時(shí)代是以flash為主，手機(jī)已經(jīng)稍微邁入了大內(nèi)存時(shí)代。
ext4的局限性：
1）原地更新數(shù)據(jù)特性，會(huì)加重存儲(chǔ)芯片里面的IO寫放大問題。
2）ext4+jbd2的journal架構(gòu)設(shè)計(jì)。
這個(gè)設(shè)計(jì)雖然是為了實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)日志功能，它采用了類似c語言式的簡(jiǎn)單直觀的設(shè)計(jì)思想（ext4社區(qū)ted有相關(guān)郵件說明），同時(shí)采取physical logging，也是為了追求復(fù)用內(nèi)存，節(jié)省內(nèi)存。
但是這種類c語言的設(shè)計(jì)思想，雖然當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)，可以做到簡(jiǎn)單高效。但是不好的地方在于：
1> 隨著多核處理器架構(gòu)的普及，這種設(shè)計(jì)思想帶來的性能瓶頸問題越來越厲害。
2> 這種設(shè)計(jì)思想容易造成內(nèi)核的IO優(yōu)先級(jí)倒置問題（具體見下面的fsync慢原因分析）。
3）是針對(duì)機(jī)械硬盤進(jìn)行設(shè)計(jì)的，沒有突出flash - aware.
綜合這些ext4自身局限性，造成了對(duì)手機(jī)IO性能的不良影響，所以 f2fs出現(xiàn)了。
8：會(huì)結(jié)合emmc/ufs存儲(chǔ)芯片里面的ftl固件實(shí)現(xiàn)思想去定位性能問題
1）因?yàn)榻鉀Q的是單機(jī)存儲(chǔ)性能問題，所以想要精確評(píng)估性能優(yōu)化方案會(huì)對(duì)手機(jī)帶來多大的性能提升，需要對(duì)存儲(chǔ)芯片里面的固件工作原理，工作思想有所了解。
2）手機(jī)換成了f2fs文件系統(tǒng)后，因?yàn)閒2fs文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷就是flash - aware，所以更需要了解存儲(chǔ)芯片里面的固件后，才能準(zhǔn)確把握和ext4相比，f2fs帶來的性能優(yōu)化效果。
手機(jī)存在的存儲(chǔ)性能問題
針對(duì)上面羅列的Android系統(tǒng)的一些IO特性，手機(jī)存在的存儲(chǔ)性能問題如下
1：針對(duì)特性1，2，3和5，會(huì)有ext4的fsync問題
原因在于下面幾點(diǎn)：
1）Android系統(tǒng)里面sqlite寫數(shù)據(jù)時(shí)，sqlite自身的日志架構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致頻繁下發(fā)fsync。這樣后臺(tái)fsync下發(fā)多了，前臺(tái)或者system server里面下發(fā)fsync就會(huì)受到影響（fsync耗時(shí)會(huì)增加很多），
2）同時(shí)手機(jī)安卓系統(tǒng)還有一些原生特性，就是jbd2工作在order模式下的， 同時(shí)又開啟了ext4 延遲分配功能，這樣也會(huì)加重fsync耗時(shí)。
1> order模式加重耗時(shí)原因：
order模式下，jbd2不得不去在commit thread里面多了個(gè)等待臟iNode的數(shù)據(jù)全部刷到盤上的工作。所以jbd2 commit thread耗時(shí)增加,會(huì)帶來fsync的耗時(shí)也會(huì)增加不少，
因?yàn)閒sync最后一步是要等待自身的事務(wù)被commit thread處理完成。
2> 內(nèi)核存儲(chǔ)IO優(yōu)先級(jí)倒置加重耗時(shí)原因：
CFQ I/O調(diào)度器在調(diào)度io請(qǐng)求時(shí)，會(huì)優(yōu)先去調(diào)度同步的io請(qǐng)求，這樣會(huì)導(dǎo)致異步io請(qǐng)求的處理時(shí)間變長(zhǎng)。應(yīng)用調(diào)用fsync的時(shí)候，fsync自身下發(fā)的IO請(qǐng)求都是同步的，這是從存儲(chǔ)設(shè)計(jì)角度，為了追求提升fsync性能。
但是系統(tǒng)如果剛好正在進(jìn)行內(nèi)存臟頁回寫，這個(gè)時(shí)候fsync需要等待臟頁回寫對(duì)應(yīng)的異步io請(qǐng)求完成后，fsync的工作才能算做完。這樣就會(huì)導(dǎo)致fsync耗時(shí)。
3> 延遲分配加重耗時(shí)原因：
延遲分配會(huì)加重單次fsync的負(fù)擔(dān)，因?yàn)橄到y(tǒng)flush thread是每隔30秒觸發(fā)的（Android系統(tǒng)里面），
然后flush thread 在前，fsync在后的話，容易fsync卡在order模式中的等待file data flush到disk中 這個(gè)地方，等很久
（因?yàn)橹暗膄lush thread里面已經(jīng)為臟的iNode分配了很多物理blocks，并且把這些臟iNode（每隔30s去觸發(fā)flush thread的話，是會(huì)產(chǎn)生很多臟iNode的）注冊(cè)到了jbd2的transaction里面，
jbd2里面多了個(gè)額外等待這些臟iNode里面臟數(shù)據(jù)被刷到磁盤上的操作）。
flush thread 在后，fsync在前的話，沒有這個(gè)問題。
3）ext4的實(shí)時(shí)discard機(jī)制也會(huì)造成fsync慢的問題。
這樣在手機(jī)Android系統(tǒng)里面，由于上面種種原因，造成fsync響應(yīng)慢，然后就會(huì)表現(xiàn)出手機(jī)前臺(tái)操作卡頓或者卡死直接安卓層重啟的現(xiàn)象。
2：針對(duì)特性6，會(huì)有文件系統(tǒng)碎片化導(dǎo)致存儲(chǔ)IO性能下降的問題
手機(jī)data分區(qū)碎片化厲害后，會(huì)導(dǎo)致：
1）手機(jī)的寫性能（順序?qū)?，隨機(jī)寫性能，direct寫）會(huì)下降的（之前我詳細(xì)分析過原因的，并挖掘過性能下降的具體場(chǎng)景）。
2）手機(jī)的sqlite數(shù)據(jù)庫IO性能也會(huì)下降很多的（之前跟存儲(chǔ)芯片廠商共同定位過該下降的原因）。
3：針對(duì)特性1，3和5，會(huì)有前后臺(tái)IO管理的問題
1）特殊場(chǎng)景出現(xiàn)的問題：后臺(tái)U盤拷貝時(shí)，前臺(tái)安卓桌面操作卡頓問題出現(xiàn)。
原因：
i：U盤拷貝數(shù)據(jù)量大時(shí)，導(dǎo)致內(nèi)存里面臟頁變多，然后可用free內(nèi)存變少。
ii：然后前臺(tái)手機(jī)操作時(shí)，會(huì)alloca_pages，這個(gè)時(shí)候會(huì)觸發(fā)內(nèi)存回收，去回收臟頁，這樣io又變多，阻塞了申請(qǐng)內(nèi)存的前臺(tái)用戶進(jìn)程。
2）通用場(chǎng)景出現(xiàn)的問題：后臺(tái)做的IO任務(wù)異?；钴S，干擾了前臺(tái)任務(wù)的運(yùn)行，需要前后臺(tái)任務(wù)進(jìn)行協(xié)作。
原因：
i:? Android的IO調(diào)度器為cfq，并未區(qū)分前后臺(tái)。這樣后臺(tái)app或者進(jìn)程正在進(jìn)行IO工作時(shí)，會(huì)搶占前臺(tái)app的IO帶寬和內(nèi)存資源。
現(xiàn)在的核心優(yōu)化需求是怎么保證用戶在前臺(tái)操作app，或者圖形界面時(shí)，一直都是流暢的，即使后臺(tái)跑再多的任務(wù)，對(duì)前臺(tái)也沒有影響。
4：針對(duì)特性4，會(huì)有文件系統(tǒng)穩(wěn)定性問題
存儲(chǔ)性能優(yōu)化會(huì)對(duì)文件系統(tǒng)做一些深入修改，以前的測(cè)試強(qiáng)度還不夠。
對(duì)文件系統(tǒng)深入修改后，以前的測(cè)試case還不能深入進(jìn)行文件系統(tǒng)測(cè)試。
5：針對(duì)特性7，存在的問題上面已經(jīng)做分析了
6：針對(duì)特性8，會(huì)存在需要存儲(chǔ)芯片廠商的支援和配合問題
ftl固件是存儲(chǔ)芯片廠商的專利，給我們暴露的存儲(chǔ)芯片使用接口太少。他們雖然很配合我們的性能優(yōu)化工作，但是通常涉及到他們芯片固件實(shí)現(xiàn)的一些敏感問題，會(huì)回避我們。
需要我們自己去理解ftl的一些通用設(shè)計(jì)思想，另外聯(lián)合采購人員，一起去跟存儲(chǔ)芯片廠商進(jìn)行性能問題的溝通和解決。
具體問題場(chǎng)景如下：
1）部署無感垃圾回收優(yōu)化方案時(shí)，需要準(zhǔn)確的評(píng)估該優(yōu)化會(huì)帶來哪些IO性能提升。
2）上面的碎片整理對(duì)Android sqlite數(shù)據(jù)庫IO性能的提升的根本原因調(diào)研。
現(xiàn)有的性能優(yōu)化措施
針對(duì)上面羅列的手機(jī)存在的若干存儲(chǔ)性能問題，具體優(yōu)化工作如下：
問題1的優(yōu)化：
1）無感垃圾回收優(yōu)化，是針對(duì)上面的原因3
2）ext4 fsync專項(xiàng)優(yōu)化，是針對(duì)上面的原因2
3）sqlite io優(yōu)化，是針對(duì)上面的原因1
上面是結(jié)合手機(jī)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，做的簡(jiǎn)單有效的優(yōu)化方案，最根本最徹底的優(yōu)化方案是下面的：
4）社區(qū)的fast commit方案 （正在開發(fā)中，有這一個(gè)方案就可以徹底解決問題，不需要上面3個(gè)了）。
問題2的優(yōu)化：
就是目前的ext4碎片整理方案。具體有兩個(gè)優(yōu)化措施：
1）compact整理，解決的是上面說的寫性能下降的問題。
2）單文件碎片整理，解決的是上面說的sqlite數(shù)據(jù)IO性能下降的問題。
問題3的優(yōu)化：
1）針對(duì)上面的U盤拷貝導(dǎo)致的性能問題，社區(qū)有相關(guān)優(yōu)化方案，具體是對(duì)內(nèi)存回收方面做點(diǎn)優(yōu)化。
2）針對(duì)這個(gè)前后臺(tái)的性能問題，結(jié)合手機(jī)業(yè)務(wù)場(chǎng)景方面的優(yōu)化有IO限速方案。
3）徹底的最根本的優(yōu)化是前后臺(tái)分組，即運(yùn)用cgroup v2分組方案，前臺(tái)給予比較多的IO和內(nèi)存資源請(qǐng)求，后臺(tái)給予少點(diǎn)，目前我有所調(diào)研，做過一些優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。
（cgroup v2對(duì)于buffer io會(huì)有些優(yōu)先級(jí)倒置問題，部分原因跟那個(gè)mmap_sem鎖整個(gè)進(jìn)程地址空間的缺陷是相關(guān)的，目前盡量在高版本內(nèi)核上（大于4.14的）做cgroup v2方案）
問題4的優(yōu)化：
就是需要導(dǎo)入目前的xfstest，以便對(duì)穩(wěn)定性測(cè)試方面加大測(cè)試強(qiáng)度。
問題5的優(yōu)化：
針對(duì)上面說的ext4文件系統(tǒng)的局限性，需要用f2fs來代替ext4了。
大內(nèi)存時(shí)代，讀性能沒有寫性能那么需要得到工程師的迫切優(yōu)化，因?yàn)閮?nèi)存大，很多文件第一次讀完后，就緩存在內(nèi)存里面了。
往往是寫性能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)存儲(chǔ)IO性能問題。
所以f2fs針對(duì)手機(jī)寫場(chǎng)景，做的優(yōu)化如下：
1）對(duì)數(shù)據(jù)庫寫專門做了優(yōu)化（sqlite原子寫）.
2）提出了將隨機(jī)寫轉(zhuǎn)換為順序?qū)?，還有copy on write思想.
3）針對(duì)手機(jī)存儲(chǔ)芯片的一些物理特性，做了冷熱數(shù)據(jù)分離功能.
這樣優(yōu)化措施，可以減少了flash的寫放大問題（寫放大，會(huì)導(dǎo)致用戶長(zhǎng)期使用手機(jī)后，會(huì)出現(xiàn)flash壞塊增多，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)芯片自身固件做GC時(shí)間增多，這樣IO性能就會(huì)下降了），
可以提升Android的隨機(jī)寫性能，同時(shí)又是logical logging，所以沒有jbd2那個(gè)導(dǎo)致的fsync問題出現(xiàn)。
所有的這些f2fs優(yōu)化，都是針對(duì)手機(jī)寫場(chǎng)景做的針對(duì)性優(yōu)化，ext4是沒有的。
所以為了突破現(xiàn)有的ext4架構(gòu)上導(dǎo)致的存儲(chǔ)性能問題缺陷，所以f2fs在手機(jī)場(chǎng)景應(yīng)該取代ext4。
上f2fs后，有兩個(gè)性能優(yōu)化點(diǎn)需要關(guān)注：
1）f2fs的gc效率（重點(diǎn)是后臺(tái)的）
2）f2fs的冷熱數(shù)據(jù)分離效果。
這兩點(diǎn)的優(yōu)化好壞能關(guān)系到f2fs的dirty segments數(shù)目降低多少。只有dirty segments數(shù)目降低了，free segments數(shù)目增加的多了，系統(tǒng)的IO性能才能好起來。
問題6的優(yōu)化：
1）自己可以看這本書：深入淺出ssd，仔細(xì)理解該書后，會(huì)對(duì)ftl的設(shè)計(jì)思想有所理解。
2）已經(jīng)解決了上面的問題場(chǎng)景2，問題場(chǎng)景1正在解決中。
2）已經(jīng)進(jìn)行了幾次存儲(chǔ)芯片原廠舉辦的關(guān)于存儲(chǔ)芯片內(nèi)部軟硬件實(shí)現(xiàn)的培訓(xùn)會(huì)議，通過這些會(huì)議，已經(jīng)對(duì)ftl固件，還有存儲(chǔ)芯片的一些物理特性有所理解。
PS：
優(yōu)化點(diǎn)上面已經(jīng)羅列出來了，具體的各個(gè)優(yōu)化點(diǎn)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容，由于涉及保密方面原因，不便在文章公開了。感興趣可與作者溝通交流
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