使用 I/O 加速提升 AlloyDB Omni 性能

Preview — AlloyDB Omni

This feature is subject to the "Pre-GA Offerings Terms" in the General Service Terms section of the Service Specific Terms. You can process personal data for this feature as outlined in the Cloud Data Processing Addendum, subject to the obligations and restrictions described in the agreement under which you access Google Cloud. Pre-GA features are available "as is" and might have limited support. For more information, see the launch stage descriptions.

本页面介绍了如何在 AlloyDB Omni 中启用一组 I/O 加速功能，这些功能有助于提高计算和 I/O 资源利用率，从而加快工作负载和查询性能。

注意：建议仅将 AlloyDB Omni I/O 加速功能用于沙盒和开发目的。

这些功能包括：

• 撕裂写保护
• O_DIRECT 支持
• 异步 I/O (AIO)
• 流式读取

如需启用这些 I/O 加速功能，您需要启用 alloydb_omni_atomic Grand Unified Configuration (GUC)，并设置 AlloyDB Omni 以便使用 GUC。

I/O 加速功能

以下部分介绍了 alloydb_omni_atomic GUC 启用的 I/O 加速功能。

撕裂写保护

启用 alloydb_omni_atomic 配置时，关闭整页写入，以防止因必须生成整页图片进行日志记录而产生性能开销。

O_DIRECT 支持

O_DIRECT 支持是原子写入的前提条件。O_DIRECT 适用于 PostgreSQL 数据目录和 AlloyDB Omni 磁盘缓存。如需了解详情，请参阅使用磁盘缓存提升数据库性能。

O_DIRECT 还提供以下优势：

• 使用 O_DIRECT 可避免 PostgreSQL 中的双缓冲问题。PostgreSQL 管理自己的缓冲区缓存，并且可以绕过操作系统内核缓冲区缓存。
• O_DIRECT 可减少维护内核缓冲区缓存所需的系统 CPU 和内存开销。

异步 I/O

alloydb_omni_atomic 配置使用 io_uring 和 libaio 库提供异步 I/O (AIO) 功能。我们建议您使用 io_uring，以避免旧版 libaio 库的限制。如果未检测到 io_uring 支持，AlloyDB Omni 会回退到 libaio。这种方法克服了丢失缓冲 I/O 优势（例如预读和写入合并）的问题，还可确保最大限度地利用底层提供的存储空间的可用 I/O 带宽。

流式读取

AlloyDB Omni 使用流式读取，类似于 PostgreSQL 17 功能，通过使用向量化 I/O 将多个区块读入缓冲区缓存，从而提高顺序扫描、ANALYZE 和 pg_prewarm 的性能。向量化 I/O 是一种方法，其中单个过程调用可以从多个缓冲区预提取数据，从而通过减少上下文切换和系统调用来提高效率。

AlloyDB Omni 扩展了对使用流式读取的支持，以便使用 AIO 从 AlloyDB Omni 磁盘缓存读取数据，从而提高读取性能。这种方法有助于有效地提前将缓冲区从存储空间读入共享内存池，以供查询使用，而无需在每次需要时从存储空间读取这些区块。

准备工作

1. 检查您的操作系统和文件系统支持。

   1. 如需确保内核支持 RWF_ATOMIC，请检查内核版本。在以下示例中，您使用的是运行支持原子写入的 Linux 6.14 内核的 Ubuntu 24.10 机器。

      > sudo hostnamectl
       ...
       Operating System: Ubuntu 24.10
            Kernel: Linux 6.14.0-061400rc5-generic
      ...
      

   2. 如果您的内核不支持 RWF_ATOMIC，我们建议您更新到支持 RWF_ATOMIC 的内核版本。

2. 如需使用 AlloyDB Omni I/O 加速功能来测试具有撕裂写保护的性能提升，请启用 alloydb_omni_atomic Grand Unification Configuration (GUC)。如需使用此 GUC，您必须拥有支持内核和文件系统，以提供原子 I/O 并防止写入撕裂。

   RWF_ATOMIC 标志用于原子写入支持。默认情况下，系统会在启动期间检查 RWF_ATOMIC 的兼容性。如果无法确认具有 RWF_ATOMIC 标志的原子写入，PostgreSQL 将无法启动。

   您可以替换此默认行为，但我们建议您使用受支持的平台和 force 选项，以免意外替换最佳配置设置。

   您可以使用 force_unsafe 选项替换 RWF_ATOMIC 兼容性检查，但此替换无法保证数据安全。我们建议您不要使用此选项，除非您要在无法升级到使用相应内核和文件系统的环境中评估 AlloyDB Omni。

   下表列出了 alloydb_omni_atomic 配置设置和相应的兼容性检查。

   alloydb_omni_atomic 值	启动兼容性检查	说明
   off	不适用	此值会关闭原子模式。该功能处于非活跃状态。
   force	执行启动兼容性检查。如果 RWF_ATOMIC 写入失败，则无法启动。	设置原子模式配置。
   force_unsafe	不执行启动兼容性检查。返回警告，但如果 RWF_ATOMIC 写入失败，则继续执行。	设置原子模式配置。

   在 force/force_unsafe 配置中，系统会自动设置 full_page_writes、io_combine_limit 和 debug_io_direct 配置。您可以使用可选的 on/on_unsafe 配置替换这些配置。

设置 AlloyDB Omni I/O 加速功能

1. 为数据目录设置 XFS 文件系统。之所以使用 XFS，是因为它支持大于页面大小的文件系统区块大小。AlloyDB Omni 可以使用 XFS 以原子方式写入 8KiB 区块，并提供完整的 RWF_ATOMIC 支持。

   1. 创建一个区块大小为 8KiB 的 XFS 文件系统，并将其装载到所需的数据目录 (DATA_DIR) 位置。

      sudo mkfs.xfs -f -b size=8k /dev/$DEVICE
      sudo mount /dev/$DEVICE DATA_DIR
      

      进行以下替换：

      • DATA_DIR：数据目录位置。

   2. 检查内核日志，确保使用的是 8k 区块：

      > sudo journalctl -f
      ...
      kernel: XFS (sdc): EXPERIMENTAL large block size feature enabled.  Use at your own risk!
      kernel: XFS (sdc): Mounting V5 Filesystem 350aa26a-7555-4566-94c1-74e54ddc9250
      ...
      

2. 可选：设置 AlloyDB Omni 磁盘缓存。

   请使用以下示例使用 ext4, 创建文件系统，然后装载文件系统。

   sudo /sbin/mkfs.ext4 -m 1 -F -E lazy_itable_init=0,lazy_journal_init=0 /dev/DEVICE
   sudo mount --make-shared -o noatime,discard,errors=panic /dev/DEVICE /OMNI_DISK_CACHE_DIRECTORY
   

   进行以下替换：

   • DEVICE：应用与之互动以执行 I/O 操作（读取或写入数据）的实体。

   为了在主存储空间无法提供更高的每秒输入/输出操作数 (IOPS) 的情况下支持 AlloyDB Omni I/O 加速功能的最佳性能，我们建议您设置 AlloyDB Omni 磁盘缓存。如需了解详情，请参阅使用磁盘缓存提升数据库性能。

   注意：磁盘缓存无需支持原子写入，因为缓存中的数据是临时的。不过，AlloyDB Omni I/O 加速功能仍使用 O_DIRECT 访问缓存。

3. 下载并运行 AlloyDB Omni。

   1. 下载最新的 AlloyDB Omni Docker 容器。如需了解详情，请参阅在虚拟机上安装 AlloyDB Omni。
   2. 如需使用磁盘缓存，请按照使用磁盘缓存提升数据库性能中的说明操作。

   3. 如需允许 io_uring，请添加一个额外的参数 --security-opts="seccomp:unconfined"

      docker run -d --name CONTAINER_NAME \
         -e POSTGRES_PASSWORD=NEW_PASSWORD \
         -v DATA_DIR:/var/lib/postgresql/data \
         -v /OMNI_DISK_CACHE_DIRECTORY:/CACHE_DIRECTORY_PATH_INSIDE_CONTAINER \  # Only if disk cache is enabled
         -p HOST_PORT:5432 \
         --security-opts="seccomp:unconfined" \
         --restart=always \
         google/alloydbomni:16
      

      进行以下替换：

      • CONTAINER_NAME：在宿主机的容器注册表中 AlloyDB Omni 容器的名称。
      • NEW_PASSWORD：分配给容器的 PostgreSQL 用户的密码。
      • DATA_DIR：数据目录位置。
      • CACHE_DIRECTORY_PATH_INSIDE_CONTAINER：容器内的磁盘缓存目录路径。
      • HOST_PORT：容器应将自己的端口 5432 发布到的宿主机上的 TCP 端口。

4. 将 AlloyDB Omni 配置为使用原子 I/O。

   将 alloydb_omni_atomic GUC 设置为适当的值，然后重启容器。

   alter system set alloydb_omni_atomic='force';
   sudo docker restart CONTAINER_NAME;
   

   进行以下替换：

   • CONTAINER_NAME：在宿主机的容器注册表中 AlloyDB Omni 容器的名称。

限制

• PostgreSQL 16 包含执行单个区块 I/O 的路径，这会导致 O_DIRECT 速度变慢。在数据库恢复（重做路径）、真空扫描和 Omni 磁盘缓存预热期间，读取速度可能会变慢。
• 预览版不支持读取副本中的 AlloyDB Omni I/O 加速功能。
• 在繁重的工作负载下，基于 ARM 的系统可能会因架构差异而表现出较低的性能。
• 由于 libaio 在工作负载增加时存在局限性，因此容易出现资源不可用的情况。当可用系统内存不足时，io_uring 可能会遇到内存分配问题。