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使用 I/O 加速功能提升 AlloyDB Omni 效能

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本頁面說明如何在 AlloyDB Omni 啟用一組 I/O 加速功能，協助提升運算和 I/O 資源使用率，加快工作負載和查詢效能。

包括下列功能：

撕開防寫保護貼紙
O_DIRECT 支援
非同步 I/O (AIO)
串流讀取

如要啟用這些 I/O 加速功能，請啟用alloydb_omni_atomic 大一統設定 (GUC)，並設定 AlloyDB Omni，以便使用 GUC。

I/O 加速功能

以下各節說明 alloydb_omni_atomic GUC 啟用的 I/O 加速功能。

防寫保護中斷

啟用 alloydb_omni_atomic 設定後，系統會關閉完整頁面寫入功能，避免因產生完整頁面映像檔進行記錄而造成效能負擔。

O_DIRECT 支援

必須支援 O_DIRECT，才能使用不可分割式寫入功能。O_DIRECT 適用於 PostgreSQL 資料目錄和 AlloyDB Omni 磁碟快取。詳情請參閱「使用磁碟快取加速資料庫效能」。

O_DIRECT 還有下列優點：

使用 O_DIRECT 可避免 PostgreSQL 中的雙重緩衝問題。PostgreSQL 會管理自己的緩衝區快取，並可略過作業系統核心緩衝區快取。
O_DIRECT 可減少維護核心緩衝區快取所需的作業系統 CPU 和記憶體負擔。

非同步 I/O

alloydb_omni_atomic 設定使用 io_uring 和 libaio 程式庫，提供非同步 I/O (AIO) 功能。建議您使用 io_uring，避免舊版 libaio 程式庫的限制。如果未偵測到 io_uring 支援，AlloyDB Omni 會改用 libaio。這種做法可克服緩衝 I/O 優勢的損失，例如預先讀取和寫入合併，同時確保基礎提供的儲存空間可用的 I/O 頻寬達到最大值。

串流讀取

AlloyDB Omni 採用串流讀取，類似於 PostgreSQL 17 的功能，可使用向量化 I/O 將多個區塊讀取至緩衝區快取，進而提升依序掃描、ANALYZE和 pg_prewarm 效能。向量 I/O 是一種方法，單一程序呼叫可從多個緩衝區預先擷取資料，減少內容切換和系統呼叫，進而提升效率。

AlloyDB Omni 擴大支援範圍，可使用 AIO 從 AlloyDB Omni 磁碟快取串流讀取資料，提升讀取效能。這種做法可有效將緩衝區從儲存空間預先讀取至共用記憶體集區，供查詢使用，而不必在每次需要時從儲存空間讀取這些區塊。

事前準備

檢查作業系統和檔案系統是否支援。
1. 如要確保核心支援 RWF_ATOMIC，請檢查核心版本。在下列範例中，您使用執行 Linux 6.14 核心的 Ubuntu 24.10 電腦，該核心支援不可分割的寫入作業。
```
> sudo hostnamectl
 ...
 Operating System: Ubuntu 24.10
      Kernel: Linux 6.14.0-061400rc5-generic
...
```
2. 如果核心不支援 RWF_ATOMIC，建議您更新至支援 RWF_ATOMIC 的核心版本。

如要使用 AlloyDB Omni I/O 加速功能，測試損毀寫入防護機制帶來的效能提升，請啟用 alloydb_omni_atomic Grand Unification Configuration (GUC)。如要使用這項 GUC，您必須具備支援的 Kernel 和檔案系統，提供不可分割的 I/O 並防止寫入中斷。

RWF_ATOMIC 標記用於支援不可分割的寫入作業。根據預設，系統會在啟動時檢查 RWF_ATOMIC 的相容性。如果無法確認使用 RWF_ATOMIC 標記的不分割寫入作業，PostgreSQL 就無法啟動。

您可以覆寫這項預設行為，但建議您使用支援的平台和 force 選項，以免不小心覆寫最佳設定。

您可以使用 force_unsafe 選項覆寫RWF_ATOMIC相容性檢查，但這項覆寫作業無法保證資料安全性。除非您是在無法升級至適當核心和檔案系統的環境中評估 AlloyDB Omni，否則不建議使用這個選項。

下表列出 alloydb_omni_atomic 設定和對應的相容性檢查。

`alloydb_omni_atomic` 值	啟動相容性檢查	說明
off	不適用	這個值會關閉原子模式。這項功能已停用。
force	執行啟動相容性檢查。如果 `RWF_ATOMIC` 寫入失敗，則無法啟動。	設定原子模式設定。
force_unsafe	不執行啟動相容性檢查。如果 `RWF_ATOMIC` 寫入失敗，系統會傳回警告，但會繼續執行。	設定原子模式設定。

在 force/force_unsafe 設定中，系統會自動設定 full_page_writes、 io_combine_limit 和 debug_io_direct 設定。您可以使用選用的 on/on_unsafe 設定覆寫這些設定。

設定 AlloyDB Omni I/O 加速功能

為資料目錄設定 XFS 檔案系統。之所以使用 XFS，是因為它支援大於頁面大小的檔案系統區塊大小。AlloyDB Omni 可使用 XFS，以不可分割的方式寫入 8 KiB 區塊，並完整支援 RWF_ATOMIC。
1. 建立區塊大小為 8 KiB 的 XFS 檔案系統，並將其掛接在資料目錄 (DATA_DIR) 位置。
```
sudo mkfs.xfs -f -b size=8k /dev/$DEVICE
sudo mount /dev/$DEVICE DATA_DIR
```
  請進行下列替換：
  - DATA_DIR：資料目錄位置。
2. 查看核心記錄，確認使用的是 8k 區塊：
```
> 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
...
```
選用：設定 AlloyDB Omni 磁碟快取。

請參考下列範例，使用 ext4, 建立檔案系統，然後掛接檔案系統。
```
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
```
請進行下列替換：
- DEVICE：應用程式與之互動以執行 I/O 作業 (讀取或寫入資料) 的實體。
如果主要儲存空間無法提供較高的每秒輸入/輸出作業數 (IOPS)，建議您設定 AlloyDB Omni 磁碟快取，確保 AlloyDB Omni I/O 加速功能發揮最佳效能。詳情請參閱「使用磁碟快取加快資料庫效能」。

注意： 磁碟快取不需要支援原子寫入，因為快取中的資料是暫時性的。不過，AlloyDB Omni I/O 加速功能仍會使用 O_DIRECT 存取快取。
下載並執行 AlloyDB Omni。
1. 下載最新的 AlloyDB Omni Docker 容器。詳情請參閱「在 VM 上安裝 AlloyDB Omni」。
2. 如要使用磁碟快取，請按照「使用磁碟快取加快資料庫效能」一文的說明操作。
3. 如要允許 io_uring，請新增引數 --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
```
  請依指示取代下列項目：
  - CONTAINER_NAME：主體機器容器登錄檔中的 AlloyDB Omni 容器名稱。
  - NEW_PASSWORD：指派給容器 PostgreSQL 使用者的密碼。
  - DATA_DIR：資料目錄位置。
  - CACHE_DIRECTORY_PATH_INSIDE_CONTAINER：容器內的磁碟快取目錄路徑。
  - HOST_PORT：主體機器上的 TCP 通訊埠，容器應將自己的通訊埠 5432 發布至該通訊埠。
設定 AlloyDB Omni，使用原子 I/O。

將 alloydb_omni_atomic GUC 設為適當值，然後重新啟動容器。
```
alter system set alloydb_omni_atomic='force';
sudo docker restart CONTAINER_NAME;
```
請將下列項目改為對應的值：
- CONTAINER_NAME：主體機器容器登錄檔中的 AlloyDB Omni 容器名稱。

限制

PostgreSQL 16 包含執行單一區塊 I/O 的路徑，這會降低 O_DIRECT 的速度。資料庫復原 (重做路徑)、清除掃描和 Omni 磁碟快取預熱期間，讀取速度可能會較慢。
預先發布版不支援讀取副本中的 AlloyDB Omni I/O 加速功能。
在工作負載繁重的情況下，ARM 系統可能會因架構差異而效能較低。
由於工作負載增加時會受到限制，libaio 容易發生資源無法使用的情況。當可用系統記憶體不足時，io_uring 可能會發生記憶體配置問題。