cache缓存模式
虚拟机磁盘描述如下：
<disk type='file' device='disk'>
<driver name='qemu' type='qcow2' cache='none'/>
...
</disk>
可用的cache缓存模式包括:
- 无缓存(none): 所有I/O都直接发送到底层存储,不使用任何缓存。这种模式下性能最差,但数据完整性最高。适用于对数据一致性要求很高的场景,如数据库应用。
- 写回(writeback)*: 这是默认模式。写操作先缓存在主机页缓存中,然后按照特定的策略写回到底层存储。读操作可能会从主机页缓存中获取数据。这种模式下性能最佳,但数据一致性较差,存在数据损坏风险。
- 写穿(writethrough): 所有写操作都会直接写入底层存储,同时也会缓存在主机页缓存中。读操作可能会从主机页缓存中获取数据。相比writeback模式,它牺牲了一些性能,但数据一致性更好。
- 直接同步(directsync): 类似于writethrough,但它绕过操作系统的页缓存,直接与底层存储设备同步。这种模式下数据一致性最高,但性能较差。
- 不安全(unsafe): 只有在磁盘文件在一个本地主机文件系统上时,才允许使用这个模式。否则行为将与writeback模式相同。
缓存模式的选择需要权衡性能和数据一致性。对于需要高性能的场景,可以选择writeback模式;对于对数据一致性要求较高的场景,如数据库,可以选择writethrough或directsync模式。无缓存模式虽然数据一致性最高,但性能很差,一般很少使用。
主机页缓存与虚拟机页缓存
前面我们讨论了QEMU/KVM虚拟机磁盘的缓存模式,实际上还涉及到两个级别的缓存:主机页缓存和虚拟机页缓存。
主机页缓存是指QEMU/KVM进程在主机操作系统层面使用的页缓存。当虚拟机发出I/O请求时,QEMU会首先检查主机页缓存,如果缓存命中,则直接从缓存读取数据;否则就需要从底层存储读取数据,并缓存到主机页缓存中。对于写操作,根据缓存模式的不同,数据会先缓存在主机页缓存中,再按一定策略写回存储。
虚拟机页缓存是指虚拟机自身操作系统内核的页缓存。从虚拟机的角度看,它访问的是虚拟化的块设备,并不能直接访问主机的页缓存,所以需要自己维护一个页缓存。当虚拟机发出I/O请求时,内核首先检查虚拟机页缓存,如果缓存命中则直接从中读取数据;否则就需要通过QEMU从底层存储读取数据,并缓存在虚拟机页缓存中。
这两级缓存的存在会导致数据不一致的情况发生。例如,当虚拟机写入数据时,数据先缓存在虚拟机页缓存中,然后通过QEMU写入主机页缓存,最终才会持久化到存储。如果在这个过程中虚拟机崩溃,就有可能导致数据丢失或损坏。因此,根据对数据一致性的需求,需要合理选择前面提到的缓存模式。
此外,除了页缓存之外,现代存储设备上还可能存在其他多级缓存,如磁盘控制器缓存、SSD缓存等,它们也会影响I/O性能和数据一致性。
缓存模式与数据完整性
前面我们提到了几种常见的QEMU磁盘缓存模式,它们对应的数据完整性程度不同。这一节将详细分析每种模式下数据完整性的保证情况。
- 无缓存(none)模式 这种模式下,所有I/O操作都直接发送到底层存储设备,不经过任何缓存。它提供了最高级别的数据完整性保证,因为写入的数据会立即持久化到存储设备上。但同时,它也带来了最差的I/O性能。
- 写回(writeback)模式 这是默认的缓存模式,写操作先缓存在内存中,之后按特定策略写回存储设备。这种模式下,如果虚拟机发生崩溃或重启,内存中的"脏"数据可能会丢失,从而导致数据损坏或不一致。因此,writeback模式提供的数据完整性较差,主要是为了追求更好的I/O性能。
- 写穿(writethrough)模式 这种模式下,每个写操作都会直接写入到存储设备,同时也会缓存在内存中。这样可以确保数据被安全地持久化,避免了writeback模式中的数据丢失风险。但由于每次写操作都需要等待存储设备的响应,因此性能会比writeback模式差一些。
- 直接同步(directsync)模式 这是数据完整性要求最高的模式。它不仅确保了每次写操作直接持久化到存储设备,而且还绕过了操作系统内核的页缓存,直接与存储设备同步数据。这种模式下,即使主机操作系统崩溃,也不会导致数据丢失或损坏。但缺点是性能开销很大。
- 不安全(unsafe)模式 当虚拟磁盘位于本地文件系统而不是具有完整数据完整性语义的协议(如网络文件系统)时,可以使用这种模式。它类似于writeback模式,但如果主机缓存因任何原因未写入磁盘,则可能导致磁盘元数据损坏。因此,该模式存在数据损坏的风险,一般不推荐使用。
总的来说,对于需要严格数据一致性保证的应用场景,如数据库、日志系统等,建议使用writethrough或directsync模式;对于对数据一致性要求不太严格、更注重I/O性能的应用场景,可以选择writeback模式。无缓存模式一般很少使用,因为它的性能太差了。在选择合适的缓存模式时,需要权衡性能和数据完整性之间的平衡。
