ZFSのヤバげな機能Special Allocation ClassがFreeBSD 12.2で対応されてた

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OpenZFS 2.0リリースの陰でひっそりと、FreeBSD 12.2-RELEASEのZFS実装にSpecial Allocation Class（以下、SACと略すことがある）が追加されていた。

時系列的にはOpenZFS 2.0が2020年12月1日、FreeBSD 12.2Rが10月27日リリースなので、まったく陰ってはないんですけどね、インパクトありそうな機能の割にはリリースノートに記載がなく、zpool statusしたら「プールのアップグレードができるぜ！」と出たので調べてみたら追加されていたという。関連するコミットはこの辺→Rev.354382 Rev.354385 Rev.354941

Special Allocation Class自体はZoL 0.8.0で2019年5月24日にリリースされ、その後、illumosへのバックポートを経て、めでたくFreeBSDに取り込まれた模様。ZFS実装が新生OpenZFSベースに切り替わろうとしている中で、Legacy ZFSをきっちりメンテする姿勢には頭が下がります。

で、肝心のSpecial Allocation Classは何かというと、I/O性能に直結するデータを専用のvdevに格納して性能改善を図るもののようだ。多少正確さを欠く表現だが、階層化ストレージのZFS版といえる。

ZFSでは扱うデータの種類に応じてvdevをAllocation Classという概念で分類しており、OpenZFS 2.0時点では以下の5種類となっている。ちなみにAllocation Classは、元はdRAIDで導入されたもので、その後、開発コミュニティによって汎用化され現在の形となったそうだ。

クラス	SAC	用途	専用vdevを割り当てた時の効果
Normal	×	通常のデータを扱うvdev。ミラーとかRAIDZとか。
Log	×	ZILのレコード。いわゆるSLOG。	同期書き込みの高速化
Dedup	○	重複排除テーブル(DDT)のデータ	重複排除パフォーマンスの向上とDDTのメモリ使用量の削減
Metadata	○	プールとファイルシステムのメタデータ	メタデータ操作（ファイル一覧の取得など）パフォーマンスの向上
Small Blocks	○	レコードサイズ以下のブロック	小さなサイズの膨大なI/O性能の改善。詳細は後述

表で〇を付けたAllocation ClassがSpecial Allocation Classとされている。それぞれのSACの役割は名前のごとくで、専用vdev (Special vdev)を割り当てるとそれなりに効果がありそうだ。とりわけSmall Blocksは劇的な性能改善の可能性(PDF)を秘めている。

ZFSのファイルI/Oは原則的に128KiB単位¹⁾で行われ、それに満たないデータは、より小さなレコードが使われる。この小さなレコードがI/O性能にそれなりに影響するようで、Small Blocksは指定サイズ以下のブロックの読み書きをSpecial vdevにオフロードするようなイメージとなる。つまり、Special vdevとしてSSDを割り当てると、その特性を活かして膨大な小規模I/Oを捌けるようになる、というわけだ。

ここで注意が必要なのは、Small Blocksの処理はファイルサイズベースではなく、あくまでブロックサイズベースで行われるということ。なので、小さなファイルの全体がSpecial vdevに格納される訳ではない²⁾。そもそも、ZFSの書き込みは一旦メモリにキャッシュされ、トランザクショングループ（txg）にまとめられた上でレコードに書き出されるため、必ずしも小さいファイル＝小さなレコードとは限らない。逆に、大きなファイルでもレコードサイズ以下の端数は必ず存在するわけで、これらのtxgでレコードサイズ未満となった分がSpecial vdev行きとなるようだ。この辺が一般的な階層化ストレージと大きく異なる部分である。

Small Blocksの対象となるブロックサイズは、レコードサイズ以下の2の冪を任意に指定できる。128KiB以上のレコードサイズが使えるようになるlarge_blocksフィーチャーと合わせて使うと、よりパフォーマンスチューニングの幅が広がるだろう。なお、FreeBSDはレコードサイズが128KiBを超えるデータセットからの起動には対応してないので要注意。

Special Allocation Classで性能向上が見込める一方で、その仕組み上、Special vdevが死ぬと一発でプール全体のデータが飛ぶ恐れがある、というかメタデータという極めて重要なデータが飛ぶんだから、ほぼ確実に死ぬと思われる。なので今まで以上に冗長性には留意する必要がある。信頼のおけるSSDで最低でもミラーリング、可能なら電源喪失保護付きSSDで3重ミラーにしたいところ。

Special vdevの容量が一杯になった場合は、従来通り普通のvdevの方が使われるそうだ。

そのうち試してみたい。