Linux dm-integrity 的 journal / bitmap 模式与性能代价对比

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journal模式慢在写入需两次强制落盘(日志+数据),随机小写吞吐降至bitmap的1/3~1/2;bitmap快因绕过双重i/o、仅读时校验,但崩溃一致性弱、无恢复机制。

Linux dm-integrity 的 journal / bitmap 模式与性能代价对比

journal 模式到底慢在哪?

journal 模式在写入时必须先将数据和校验元信息(integrity_tag)同步落盘到日志区域,再更新主数据区。这意味着一次普通写会触发至少两次磁盘 I/O:一次 journal write + 一次 data write,且 journal write 是强制 fsync() 的——哪怕你用 dd oflag=direct,内核仍会在 dm-integrity 层拦截并刷日志。

  • 随机小写(如数据库 WAL、ext4 journal)延迟飙升明显,实测 4K 随机写吞吐可能跌至 bitmap 模式的 1/3~1/2
  • journal 区域本身需预留空间(默认 128MB),且不能动态收缩;若设备空间紧张,dmsetup create 会静默失败或报 Device or Resource busy
  • journal 不支持 TRIM,SSD 上长期运行后垃圾回收压力更大,实际性能衰减比 bitmap 更快

bitmap 模式为什么看起来“快”,但校验更弱?

bitmap 模式不记录操作历史,只维护一个位图标记哪些 512B 扇区已被写过,并在读时按需计算校验值。它绕过了 journal 的双重落盘开销,写路径接近裸设备,所以吞吐高、延迟低。

  • 校验仅发生在读路径:若写入时出错(如掉电导致部分扇区写成功、部分失败),bitmap 不知道该扇区是否“完整可信”,下次读到它才会发现 integrity failure 并返回 EIO
  • bitmap 位图大小固定,由设备大小决定(例如 1TB 设备 ≈ 256KB bitmap),但所有位图页默认常驻内存,大容量设备(>10TB)可能显著增加内核内存占用
  • 不支持 recovery 机制:journal 模式崩溃后可回放日志恢复一致性;bitmap 模式只能靠上层文件系统(如 XFS 的 log)兜底,dm-integrity 层本身不保证崩溃一致性

怎么选模式?看你的 workload 和容错底线

别只盯着 benchmark 数字。journal 和 bitmap 的本质取舍是「写时强一致性」vs「读时懒校验 + 写性能」。

  • 用 journal:数据库主数据盘、金融交易日志卷、任何要求“写即持久+可恢复”的场景;确认存储设备支持稳定 WRITE_CACHEFLUSH(NVMe 要开 nvme_core.default_ps_max_latency_us=0
  • 用 bitmap:备份归档盘、媒体转码临时盘、CI 构建缓存卷;前提是上层已用 fsync() 或日志文件系统兜住元数据一致性
  • 混用不行:dmsetup reload 不能切换模式,必须 dmsetup remove 后重建,且原有数据全部丢失——没有在线迁移路径

实操中容易被忽略的初始化细节

模式选择只是第一步,真正影响性能的是初始化参数。比如 journal 模式下不调 journal_watermark,默认 75% 水位会频繁触发 checkpoint,把性能拖垮。

  • journal 模式建议加参数:journal_watermark=50(降低 checkpoint 频率)、journal_commit_time=5000(ms,避免太激进刷盘)
  • bitmap 模式务必确认 block_size 匹配底层设备逻辑块大小(常见是 5124096),错配会导致 Invalid argument 错误,且错误信息里不提示具体哪项错
  • 无论哪种模式,integrity 表的 sector_size 必须与底层设备一致,可通过 blockdev --getss /dev/sdX 查,否则挂载后首次 I/O 就卡死在 bio_wait

实际部署时,最麻烦的不是选模式,而是验证它真正在起作用——echo 1 > /sys/block/dm-X/dm/integrity/metadata_mode 这类调试接口不可靠,唯一可信的是用 dd if=/dev/zero of=/dev/mapper/xxx bs=4k count=1 conv=fsync 配合 iostat 看 I/O 分布,再拔电源做故障注入测试。没做过掉电验证的 integrity 配置,等于没配。

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