CN101576912A - 实现分布式文件***异步输入输出接口的***及读写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现分布式文件***异步输入输出接口的***及读写方法。所述实现分布式文件***异步输入输出接口的***包括：动态链接库，所述动态链接库嵌入到应用进程地址空间内运行，提供给所述应用进程调用的异步输入输出IO接口；共享内存模块，所述共享内存模块与所述动态链接库通信连接，所述共享内存模块包括至少一个异步输入输出AIO控制块，所述共享内存模块通过所述AIO控制块实现异步读写请求的提交和完成。本发明通过使用共享内存机制在分布式文件***实现异步IO接口，解决了POSIX标准异步IO接口的性能问题，提高了分布式文件***的大吞吐量读写的性能。
Description
技术领域
本发明主要涉及数据存储与访问领域，特别是指一种实现分布式文件***异步输入输出接口的***及异步读写方法。
背景技术
分布式文件***广泛应用于IPTV(Internet Protocol Television，交互式网络电视)、流媒体服务器等业务场合。通常业务使用分布式文件***的同步阻塞式IO(Input/Output，输入/输出)接口进行文件的读写。在进行大量业务操作时，一个线程需要处理多个业务请求，因此需要同时读写多个文件，而同步阻塞式的IO接口很容易导致一次读写超时影响多次的读写，为了解决这个问题，需要分布式文件***提供异步IO的能力。
POSIX(Portable Operating System Interface，可移植操作***接口)定义的异步IO是通过用户空间的库函数实现的，因此对于底层的IO，实质上还是同步的方式。当一个进程通过异步IO方式aio_read或aio_write发起IO请求时，库函数克隆一个当前进程，然后让它的子进程触发同步的read和write操作，而父进程立即从aio_read或aio_write返回，继续执行程序中其他的代码。因此通过POSIX定义的库函数来实现异步IO时也存在性能的问题。
发明内容
本发明提出一种实现分布式文件***异步输入输出接口的***及异步读方法和异步写方法，能够提高分布式文件***的大吞吐量读写的性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种实现分布式文件***异步输入输出接口的***，包括：
动态链接库，所述动态链接库嵌入到应用进程地址空间内运行，提供给所述应用进程调用的异步输入输出IO接口；
共享内存模块，所述共享内存模块与所述动态链接库通信连接，所述共享内存模块包括至少一个异步输入输出AIO控制块，所述共享内存模块通过所述AIO控制块实现异步读写请求的提交和完成。
优选的，还包括：
代理进程模块，所述代理进程模块与所述共享内存模块通信连接，所述代理进程模块用于处理所述应用进程的请求。
优选的，还包括：
数据存储模块，所述数据存储模块与所述代理进程模块通信连接，所述数据存储模块用于存储数据。
优选的，所述共享内存模块还包括：
至少一个数据缓存块，所述数据缓存块与所述AIO控制块一一对应，所述数据缓存块用于所述应用进程与所述代理进程模块之间的数据交换，同一个数据缓存块能被多个应用进程同时使用。
优选的，所述共享内存模块包括用于存放所述AIO控制块的AIO请求队列和AIO完成队列，所述共享内存模块的所述AIO控制块通过所述AIO请求队列和AIO完成队列控制读写的异步性。
一种读写方法，包括步骤：
应用进程调用动态链接库的异步输入输出IO接口提交异步读写请求，提交读写数据的参数信息；
动态链接库解析所述参数信息，根据所述参数信息申请AIO控制块并初始化所述AIO控制块，关联所述AIO控制块和所述应用进程的异步读写请求；
所述AIO控制块通过AIO请求队列和AIO完成队列完成所述应用进程与代理进程模块之间数据的异步读写。
优选的，所述异步读写请求为异步读请求，所述AIO控制块通过AIO请求队列和AIO完成队列完成所述应用进程与代理进程模块之间数据的异步读写具体包括：
将所述AIO控制块放入所述AIO请求队列；
所述代理进程模块从所述AIO请求队列中获取所述AIO控制块，根据所述AIO控制块的信息读取对应数据到所述AIO控制块对应的数据缓存块中，并将所述AIO控制块放入所述AIO完成队列中；
所述动态链接库扫描所述AIO完成队列，获取所述AIO控制块，并将数据从所述AIO控制块对应的数据缓存块中拷贝至所述应用进程的缓冲区。
优选的，所述异步读写请求为异步写请求，所述AIO控制块通过AIO请求队列和AIO完成队列完成所述应用进程与代理进程模块之间数据的异步读写具体包括：
将待写入数据从所述应用进程的缓冲区拷贝到所述AIO控制块对应的数据缓存块中，将所述AIO控制块放入所述AIO请求队列；
所述代理进程模块从所述AIO请求队列中获取所述AIO控制块，根据所述AIO控制块的信息将所述AIO控制块对应的数据缓存块中的数据写入到相应的数据存储模块中，写操作完成后将所述AIO控制块放入所述AIO完成队列中。
优选的，将所述AIO控制块放入所述AIO完成队列中后还包括步骤：
所述动态链接库扫描所述AIO完成队列，取出所述AIO控制块。
优选的，还包括步骤：
所述动态链接库调用回调函数或发送信息通知所述应用进程异步读写请求完成。
优选的，所述参数信息包括读取/写入文件的文件描述符、读取/写入的位置信息、大小信息及存放数据的缓冲区指针信息。
优选的，所述申请AIO控制块并初始化所述AIO控制块具体为：
根据读取/写入的位置信息、大小信息计算要读取/写入的页，为每一页申请一个AIO控制块，填写AIO控制块里读取/写入的文件描述、读取/写入的位置信息及大小信息。
本发明通过使用共享内存机制在分布式文件***实现异步IO接口，通过共享内存中的AIO控制块弥补了同步IO接口的缺陷，同时解决了POSIX标准异步IO接口的性能问题，提高了分布式文件***的大吞吐量读写的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种实现分布式文件***异步输入输出接口的***的结构示意图；
图2为本发明中异步读写方法的流程示意图；
图3为本发明中异步读方法的流程示意图；
图4为本发明中异步写方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决POSIX定义的标准异步IO的性能问题，本发明采用共享内存的方式在异步IO接口和文件访问代理进程(分布式文件***读写文件的代理进程，负责查找文件内容的位置以及读写数据)之间进行通信和数据传输。异步IO接口以动态链接库的方式提供给应用进程调用，在动态链接库和代理进程之间用共享内存队列机制来实现完全异步的读写方法。
共享内存队列机制是Unix/Linux的进程间通信机制，可以将一块物理内存映射到多个进程的地址空间，用于在进程间交换和共享数据。在本发明中，共享内存用于动态链接库和代理进程之间消息和数据的交互。
在共享内存中用异步输入输出AIO(Asynchronous Input/Ouput)控制块来控制一次异步读写请求的提交和完成过程。当应用进程调用接口进行一次异步读写时，申请一个或多个AIO控制块，直到本次异步读写完成之后将AIO控制块释放，为支持大吞吐量的读写操作，可以在动态链接库初始化时预分配足够多的AIO控制块(可多达几千个)。
在共享内存中主要用两个队列来保证读写的异步性，一个是AIO请求队列，一个是AIO完成队列。当异步读写开始时，申请一个AIO控制块，初始化所述AIO控制块并将其放入AIO请求队列，然后返回应用进程。代理进程扫描AIO请求队列，从中取出AIO控制块，读入磁盘中的数据到共享内存缓冲区或从共享内存缓冲区写入数据到磁盘。当代理进程完成数据读写之后，将AIO控制块放入AIO完成队列。在动态链接库中启动多个线程，阻塞在AIO完成队列上。每个线程都定时从AIO完成队列里取出AIO控制块，然后调用回调函数或发送信号通知应用进程读写完成。
其中共享内存缓冲区用于存放读写的临时数据，当代理进程读取时，数据存放在共享内存缓冲区以便动态链接库的线程取得这些数据。为了方便管理，每个缓冲区的大小固定为一页(如128KB)，并和AIO控制块一一对应。在分配AIO控制块时，其对应的缓冲区也被分配；同理，当释放AIO控制块时，缓冲区也被释放。
参照图1，示出了本发明一种实现分布式文件***异步输入输出接口的***的结构示意图。所述***包括：动态链接库150、共享内存模块120、代理进程模块130和数据存储模块140。
所述动态链接库150嵌入到应用进程地址空间内运行，并提供给所述应用进程调用的异步输入输出IO接口110。所述异步IO接口110以动态链接库150的方式提供给应用进程调用，用于提供文件***的访问接口。
所述动态链接库150、所述共享内存模块120、所述代理进程模块130以及所述数据存储模块140顺序通信连接。所述动态链接库150嵌入到应用进程地址空间内运行，其命名与标准文件***接口十分类似，只需要使用宏替换并重新编译链接即可正常使用，在各个接口函数内部，均通过对共享内存的访问来实现访问文件***的目的。
所述共享内存模块120包括至少一个异步输入输出AIO控制块160，所述共享内存模块120通过所述AIO控制块160实现异步读写请求的提交和完成。所述共享内存模块120利用Unix/Linux操作***的进程间通信机制，可以将一块物理内存映射到多个进程的地址空间，用于在进程间交换与共享相关数据。所述AIO控制块160和数据缓存块170一一对应，在分配AIO控制块160时，其对应的数据缓存块170也被分配；同理，当释放AIO控制块160时，对应的数据缓存块170也被释放。所述数据缓存块170以固定大小划分，比如PAGE_SIZE，典型值为128KB，与AIO控制块160一样，也可多达数千个，应用进程与代理进程模块130通过这些数据缓存块170交换数据，同一个数据缓存块170按照一定规则可以被多个应用进程同时使用，每一个数据缓存块170对应一个编码。
所述代理进程模块130用于处理所述应用进程的请求，它通过共享内存模块120获取应用进程的请求，并做出相应的处理，比如获取文件的元数据，将文件数据读入所述共享内存模块120或者将所述共享内存模块120中的数据写入文件，其处理后的结果通过所述共享内存模块120通知到应用进程。
所述数据存储模块140用于存储相关数据。
所述共享内存模块120通过两个队列来保证读写的异步性，一个是AIO请求队列，一个是AIO完成队列。当异步读写开始时，申请一个AIO控制块160，初始化一些信息并将其放入AIO请求队列。代理进程模块130扫描AIO请求队列，从中取出AIO控制块160，读入对应数据到共享内存数据缓存块170或从共享内存数据缓存块170写入数据到数据存储模块140。当代理进程模块130完成数据读写之后，将AIO控制块160放入AIO完成队列。在动态链接库150中启动多个线程，阻塞在AIO完成队列上。每个线程都定时从AIO完成队列里取出AIO控制块160，根据其中记录的信息，调用回调函数或发送信息通知应用进程读写完成。
所述***的工作过程和工作原理将在后面两个方法实施例中进行更为详细的描述。
本发明通过使用共享内存机制在分布式文件***实现异步IO接口，通过共享内存中的AIO控制块弥补了同步IO接口的缺陷，同时解决了POSIX标准异步IO接口的性能问题，提高了分布式文件***的大吞吐量读写的性能。
参照图2，为本发明一种分布式文件***异步IO接口的异步读写方法的流程示意图，包括步骤：
步骤S201、应用进程调用动态链接库的异步输入输出IO接口提交异步读写请求，提交读写数据的参数信息。
步骤S202、动态链接库解析所述参数信息，根据所述参数信息申请AIO控制块并初始化所述AIO控制块，关联所述AIO控制块和所述应用进程的异步读写请求。
步骤S203、所述AIO控制块通过AIO请求队列和AIO完成队列完成所述应用进程与代理进程模块之间数据的异步读写。
以上各步骤的详细说明将在图3、图4所述实施例中进行描述，在此不再赘述，参照相关部分的描述即可。
参照图3，为本发明一种分布式文件***异步IO接口的异步读方法的流程示意图，包括步骤：
步骤S301、应用进程调用异步输入输出IO接口提交异步读请求，提交读取数据的参数信息。
应用进程提交异步读请求，带入读取文件的文件描述符(在文件打开的时候取得)、读取的位置、大小以及存放数据的缓冲区指针等参数信息；
步骤S302、动态链接库解析所述参数信息，申请AIO控制块并初始化所述AIO控制块，关联所述AIO控制块和所述应用进程的异步读请求。
解析读请求，根据读取的位置、大小换算成要读取的页(一页或者多页)，为每一个页申请一个AIO控制块，填写AIO控制块里读取的文件描述、读取的位置、大小等信息，并关联读请求和每个AIO控制块。
步骤S303、将所述AIO控制块放入AIO请求队列。
将每个AIO控制块链入到共享内存模块的AIO请求队列中。
步骤S304、向应用进程返回异步读操作调用成功。
步骤S305、代理进程模块从所述AIO请求队列中获取所述AIO控制块。
步骤S306、根据所述AIO控制块的信息读取数据存储模块中的对应数据到所述AIO控制块对应的数据缓存块中。
步骤S307、将所述AIO控制块放入AIO完成队列。
步骤S308、所述动态链接库扫描所述AIO完成队列，获取所述AIO控制块，并将数据从所述AIO控制块对应的数据缓存块中拷贝至所述应用进程的缓冲区。
动态链接库里的AIO检查线程从AIO完成队列里取出AIO控制块，将AIO控制块对应的数据缓存块中的数据拷贝到应用进程的缓冲区中。
步骤S309、判断应用进程的异步读请求对应的AIO控制块是否全部完成，否则继续步骤S308。
步骤S310、应用进程的异步读请求对应的AIO控制块全部完成，则调用回调函数(由应用进程开始就设定好的)或者发送信息通知应用进程读操作完成。
参照图4，为本发明一种分布式文件***异步IO接口的异步写方法的流程示意图，包括步骤：
步骤S401、应用进程调用异步输入输出IO接口提交异步写请求，提交写数据的参数信息。
应用进程提交异步写请求，带入写文件的文件描述符(在文件打开的时候取得)、写入的位置、大小以及存放数据的缓冲区指针等参数信息。
步骤S402、动态链接库解析所述参数信息，申请AIO控制块并初始化所述AIO控制块。
解析写请求，根据写入的位置、大小换算要写入的页(一页或者多页)，为每一个页申请一个AIO控制块，填写AIO控制块里写入的文件描述、写入的位置、大小等信息。
步骤S403、将待写入数据从应用进程的缓冲区拷贝到所述AIO控制块对应的数据缓存块中，关联所述AIO控制块和所述应用进程的异步写请求。
步骤S404、将所述AIO控制块放入AIO请求队列。
将每个AIO控制块链入到共享内存模块的AIO请求队列。
步骤S405、向应用进程返回异步写操作调用成功。
步骤S406、代理进程模块从所述AIO请求队列中获取所述AIO控制块。
步骤S407、根据所述AIO控制块的信息将所述AIO控制块对应的数据缓存块中的数据写入到相应的数据存储模块中。
找到数据对应的数据存储模块，将AIO控制块数据缓存块中的数据写入到对应的数据存储模块中。
步骤S408、写操作完成后将所述AIO控制块放入AIO完成队列中。
步骤S409、所述动态链接库扫描所述AIO完成队列，取出所述AIO控制块。
动态链接库里的AIO检查线程从AIO完成队列里取出AIO控制块。
步骤S410、判断应用进程的异步写请求对应的AIO控制块是否全部完成，否则继续步骤S409。
步骤S411、应用进程的异步写请求对应的AIO控制块全部完成，则调用回调函数(由应用进程开始就设定好的)或者发送信息通知应用进程写操作完成。
本领域普通技术人员可以理解，在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种实现分布式文件***异步输入输出接口的***，其特征在于，包括：
动态链接库，所述动态链接库嵌入到应用进程地址空间内运行，提供给所述应用进程调用的异步输入输出IO接口；
共享内存模块，所述共享内存模块与所述动态链接库通信连接，所述共享内存模块包括至少一个异步输入输出AIO控制块，所述共享内存模块通过所述AIO控制块实现异步读写请求的提交和完成。
2.根据权利要求1所述的实现分布式文件***异步输入输出接口的***，其特征在于，还包括：
代理进程模块，所述代理进程模块与所述共享内存模块通信连接，所述代理进程模块用于处理所述应用进程的请求。
3.根据权利要求2所述的实现分布式文件***异步输入输出接口的***，其特征在于，还包括：
数据存储模块，所述数据存储模块与所述代理进程模块通信连接，所述数据存储模块用于存储数据。
4.根据权利要求3所述的实现分布式文件***异步输入输出接口的***，其特征在于，所述共享内存模块还包括：
至少一个数据缓存块，所述数据缓存块与所述AIO控制块一一对应，所述数据缓存块用于所述应用进程与所述代理进程模块之间的数据交换，同一个数据缓存块能被多个应用进程同时使用。
5.根据权利要求1至4任一项所述的实现分布式文件***异步输入输出接口的***，其特征在于：
所述共享内存模块包括用于存放所述AIO控制块的AIO请求队列和AIO完成队列，所述共享内存模块的所述AIO控制块通过所述AIO请求队列和AIO完成队列控制读写的异步性。
6.一种读写方法，其特征在于，包括步骤：
应用进程调用动态链接库的异步输入输出IO接口提交异步读写请求，提交读写数据的参数信息；
动态链接库解析所述参数信息，根据所述参数信息申请AIO控制块并初始化所述AIO控制块，关联所述AIO控制块和所述应用进程的异步读写请求；
所述AIO控制块通过AIO请求队列和AIO完成队列完成所述应用进程与代理进程模块之间数据的异步读写。
7.根据权利要求6所述的读写方法，其特征在于，所述异步读写请求为异步读请求，所述AIO控制块通过AIO请求队列和AIO完成队列完成所述应用进程与代理进程模块之间数据的异步读写具体包括：
将所述AIO控制块放入所述AIO请求队列；
所述代理进程模块从所述AIO请求队列中获取所述AIO控制块，根据所述AIO控制块的信息读取对应数据到所述AIO控制块对应的数据缓存块中，并将所述AIO控制块放入所述AIO完成队列中；
所述动态链接库扫描所述AIO完成队列，获取所述AIO控制块，并将数据从所述AIO控制块对应的数据缓存块中拷贝至所述应用进程的缓冲区。
8.根据权利要求6所述的读写方法，其特征在于，所述异步读写请求为异步写请求，所述AIO控制块通过AIO请求队列和AIO完成队列完成所述应用进程与代理进程模块之间数据的异步读写具体包括：
将待写入数据从所述应用进程的缓冲区拷贝到所述AIO控制块对应的数据缓存块中，将所述AIO控制块放入所述AIO请求队列；
所述代理进程模块从所述AIO请求队列中获取所述AIO控制块，根据所述AIO控制块的信息将所述AIO控制块对应的数据缓存块中的数据写入到相应的数据存储模块中，写操作完成后将所述AIO控制块放入所述AIO完成队列中。
9.根据权利要求8所述的读写方法，其特征在于，将所述AIO控制块放入所述AIO完成队列中后还包括步骤：
所述动态链接库扫描所述AIO完成队列，取出所述AIO控制块。
10.根据权利要求6所述的读写方法，其特征在于，还包括步骤：
所述动态链接库调用回调函数或发送信息通知所述应用进程异步读写请求完成。
11.根据权利要求6所述的读写方法，其特征在于：
所述参数信息包括读取/写入文件的文件描述符、读取/写入的位置信息、大小信息及存放数据的缓冲区指针信息。
12.根据权利要求6所述的读写方法，其特征在于，所述申请AIO控制块并初始化所述AIO控制块具体为：
根据读取/写入的位置信息、大小信息计算要读取/写入的页，为每一页申请一个AIO控制块，填写AIO控制块里读取/写入的文件描述、读取/写入的位置信息及大小信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20091111 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |