JuiceFS 专为云上大数据打造的存储方案

简介

JuiceFS 是一款面向云原生设计的高性能共享文件系统，在 Apache 2.0 开源协议下发布。提供完备的 POSIX 兼容性，可将几乎所有对象存储接入本地作为海量本地磁盘使用，亦可同时在跨平台、跨地区的不同主机上挂载读写。

JuiceFS 采用「数据」与「元数据」分离存储的架构，从而实现文件系统的分布式设计。使用 JuiceFS 存储数据，数据本身会被持久化在对象存储（例如，Amazon S3），相对应的元数据可以按需持久化在 Redis、MySQL、TiKV、SQLite 等多种数据库中。

JuiceFS 提供了丰富的 API，适用于各种形式数据的管理、分析、归档、备份，可以在不修改代码的前提下无缝对接大数据、机器学习、人工智能等应用平台，为其提供海量、弹性、低价的高性能存储。运维人员不用再为可用性、灾难恢复、监控、扩容等工作烦恼，专注于业务开发，提升研发效率。同时运维细节的简化，也让运维团队更容易向 DevOps 团队转型。

核心特性​

1. POSIX 兼容：像本地文件系统一样使用，无缝对接已有应用，无业务侵入性；
2. HDFS 兼容：完整兼容 HDFS API，提供更强的元数据性能；
3. S3 兼容：提供 S3 网关 实现 S3 协议兼容的访问接口；
4. 云原生：通过 CSI Driver 轻松地在 Kubernetes 中使用 JuiceFS；
5. 分布式设计：同一文件系统可在上千台服务器同时挂载，高性能并发读写，共享数据；
6. 强一致性：确认的文件修改会在所有服务器上立即可见，保证强一致性；
7. 强悍性能：毫秒级延迟，近乎无限的吞吐量（取决于对象存储规模），查看性能测试结果；
8. 数据安全：支持传输中加密（encryption in transit）和静态加密（encryption at rest），查看详情；
9. 文件锁：支持 BSD 锁（flock）和 POSIX 锁（fcntl）；
10. 数据压缩：支持 LZ4 和 Zstandard 压缩算法，节省存储空间。

应用场景​

JuiceFS 为海量数据存储设计，可以作为很多分布式文件系统和网络文件系统的替代，特别是以下场景：

• 大数据分析：HDFS 兼容，没有任何特殊 API 侵入业务；与主流计算引擎（Spark、Presto、Hive 等）无缝衔接；无限扩展的存储空间；运维成本几乎为 0；完善的缓存机制，高于对象存储性能数倍。
• 机器学习：POSIX 兼容，可以支持所有机器学习、深度学习框架；共享能力提升团队管理、使用数据效率。
• 容器集群中的持久卷：Kubernetes CSI 支持；持久存储并与容器生存期独立；强一致性保证数据正确；接管数据存储需求，保证服务的无状态化。
• 共享工作区：可以在任意主机挂载；没有客户端并发读写限制；POSIX 兼容已有的数据流和脚本操作。
• 数据备份：在无限平滑扩展的存储空间备份各种数据，结合共享挂载功能，可以将多主机数据汇总至一处，做统一备份。

数据隐私​

JuiceFS 是开源软件，你可以在 GitHub 找到完整的源代码。在使用 JuiceFS 存储数据时，数据会按照一定的规则被拆分成数据块并保存在你自己定义的对象存储或其它存储介质中，数据所对应的元数据则存储在你自己定义的数据库中。

核心架构​

JuiceFS 文件系统由三个部分组成：

• JuiceFS 客户端：协调对象存储和元数据存储引擎，以及 POSIX、Hadoop、Kubernetes CSI Driver、S3 Gateway 等文件系统接口的实现；
• 数据存储：存储数据本身，支持本地磁盘、公有云或私有云对象存储、HDFS 等介质；
• 元数据引擎：存储数据对应的元数据（metadata）包含文件名、文件大小、权限组、创建修改时间和目录结构，支持 Redis、MySQL、TiKV 等多种引擎；

作为文件系统，JuiceFS 会分别处理数据及其对应的元数据，数据会被存储在对象存储中，元数据会被存储在元数据服务引擎中。

在 数据存储 方面，JuiceFS 支持几乎所有的公有云对象存储，同时也支持 OpenStack Swift、Ceph、MinIO 等私有化的对象存储。

在 元数据存储 方面，JuiceFS 采用多引擎设计，目前已支持 Redis、TiKV、MySQL/MariaDB、PostgreSQL、SQLite 等作为元数据服务引擎，也将陆续实现更多元数据存储引擎。欢迎 提交 Issue 反馈你的需求。

在 文件系统接口 实现方面：

• 通过 FUSE，JuiceFS 文件系统能够以 POSIX 兼容的方式挂载到服务器，将海量云端存储直接当做本地存储来使用。
• 通过 Hadoop Java SDK，JuiceFS 文件系统能够直接替代 HDFS，为 Hadoop 提供低成本的海量存储。
• 通过 Kubernetes CSI Driver，JuiceFS 文件系统能够直接为 Kubernetes 提供海量存储。
• 通过 S3 Gateway，使用 S3 作为存储层的应用可直接接入，同时可使用 AWS CLI、s3cmd、MinIO client 等工具访问 JuiceFS 文件系统。

如何存储文件​

文件系统作为用户和硬盘之间交互的媒介，它让文件可以妥善的被存储在硬盘上。如你所知，Windows 常用的文件系统有 FAT32、NTFS，Linux 常用的文件系统有 Ext4、XFS、Btrfs 等，每一种文件系统都有其独特的组织和管理文件的方式，它决定了文件系统的存储能力和性能等特征。

JuiceFS 作为一个文件系统也不例外，它的强一致性、高性能等特征离不开它独特的文件管理模式。

与传统文件系统只能使用本地磁盘存储数据和对应的元数据的模式不同，JuiceFS 会将数据格式化以后存储在对象存储（云存储），同时会将数据对应的元数据存储在 Redis 等数据库中。

任何存入 JuiceFS 的文件都会被拆分成固定大小的 “Chunk”，默认的容量上限是 64 MiB。每个 Chunk 由一个或多个 “Slice” 组成，Slice 的长度不固定，取决于文件写入的方式。每个 Slice 又会被进一步拆分成固定大小的 “Block”，默认为 4 MiB。最后，这些 Block 会被存储到对象存储。与此同时，JuiceFS 会将每个文件以及它的 Chunks、Slices、Blocks 等元数据信息存储在元数据引擎中。

使用 JuiceFS，文件最终会被拆分成 Chunks、Slices 和 Blocks 存储在对象存储。因此，你会发现在对象存储平台的文件浏览器中找不到存入 JuiceFS 的源文件，存储桶中只有一个 chunks 目录和一堆数字编号的目录和文件。不要惊慌，这正是 JuiceFS 文件系统高性能运作的秘诀！

除了挂载文件系统以外，你还可以使用 JuiceFS S3 网关，这样既可以使用 S3 兼容的客户端，也可以使用内置的基于网页的文件管理器访问 JuiceFS 存储的文件。

写入流程​

JuiceFS 对大文件会做多级拆分（参见 JuiceFS 如何存储文件），以提高读写效率。在处理写请求时，JuiceFS 先将数据写入 Client 的内存缓冲区，并在其中按 Chunk/Slice 的形式进行管理。Chunk 是根据文件内 offset 按 64 MiB 大小拆分的连续逻辑单元，不同 Chunk 之间完全隔离。每个 Chunk 内会根据应用写请求的实际情况进一步拆分成 Slices；当新的写请求与已有的 Slice 连续或有重叠时，会直接在该 Slice 上进行更新，否则就创建新的 Slice。Slice 是启动数据持久化的逻辑单元，其在 flush 时会先将数据按照默认 4 MiB 大小拆分成一个或多个连续的 Blocks，并上传到对象存储，每个 Block 对应一个 Object；然后再更新一次元数据，写入新的 Slice 信息。显然，在应用顺序写情况下，只需要一个不停增长的 Slice，最后仅 flush 一次即可；此时能最大化发挥出对象存储的写入性能。以一次简单的 JuiceFS 基准测试为例，其第一阶段是使用 1 MiB IO 顺序写 1 GiB 文件，数据在各个组件中的形式如下图所示：

注意：图中的压缩和加密默认未开启。欲启用相关功能需要在 format 文件系统的时候添加 --compress value 或 --encrypt-rsa-key value 选项。

这里再放一张测试过程中用 stats 命令记录的指标图，可以更直观地看到相关信息：

上图中第 1 阶段：

• 对象存储写入的平均 IO 大小为 object.put / object.put_c = 4 MiB，等于 Block 的默认大小
• 元数据事务数与对象存储写入数比例大概为 meta.txn : object.put_c ~= 1 : 16，对应 Slice flush 需要的 1 次元数据修改和 16 次对象存储上传，同时也说明了每次 flush 写入的数据量为 4 MiB * 16 = 64 MiB，即 Chunk 的默认大小
• FUSE 层的平均请求大小为约 fuse.write / fuse.ops ~= 128 KiB，与其默认的请求大小限制一致

相较于顺序写来说，大文件内随机写的情况要复杂许多；每个 Chunk 内可能存在多个不连续的 Slice，使得一方面数据对象难以达到 4 MiB 大小，另一方面元数据需要多次更新。同时，当一个 Chunk 内已写入的 Slices 过多时，会触发 Compaction 来尝试合并与清理这些 Slices，这又会进一步增大系统的负担。因此，JuiceFS 在此类场景下会比顺序写有较明显的性能下降。

小文件的写入通常是在文件关闭时被上传到对象存储，对应 IO 大小一般就是文件大小。从上面指标图的第 3 阶段（创建 128 KiB 小文件）中也可以看到：

• 对象存储 PUT 的大小就是 128 KiB
• 元数据事务数大致是 PUT 计数的两倍，对应每个文件的一次 Create 和一次 Write

值得一提的是，对于这种不足一个 Block 的对象，JuiceFS 在上传的同时还会尝试写入到本地 Cache（由 --cache-dir 指定，可以是内存或硬盘），以期能提升后续可能的读请求速度。从指标图中也可以看到，创建小文件时 blockcache 下有同等的写入带宽，而在读取时（第 4 阶段）大部分均在 Cache 命中，这使得小文件的读取速度看起来特别快。

由于写请求写入 Client 内存缓冲区即可返回，因此通常来说 JuiceFS 的 Write 时延非常低（几十微秒级别），真正上传到对象存储的动作由内部自动触发（单个 Slice 过大，Slice 数量过多，缓冲时间过长等）或应用主动触发（关闭文件、调用 fsync 等）。缓冲区中的数据只有在被持久化后才能释放，因此当写入并发比较大或者对象存储性能不足时，有可能占满缓冲区而导致写阻塞。具体而言，缓冲区的大小由挂载参数 --buffer-size 指定，默认为 300 MiB；其实时值可以在指标图的 usage.buf 一列中看到。当使用量超过阈值时，JuiceFS Client 会主动为 Write 添加约 10ms 等待时间以减缓写入速度；若已用量超过阈值两倍，则会导致新的写入暂停直至缓冲区得到释放。因此，在观察到 Write 时延上升以及 Buffer 长时间超过阈值时，通常需要尝试设置更大的 --buffer-size。另外，通过增大 --max-uploads 参数（上传到对象存储的最大并发数，默认为 20）也有可能提升写入到对象存储的带宽，从而加快缓冲区的释放。

回写（Writeback）模式​

当对数据的一致性和可靠性要求并不高时，还可以在挂载时添加 --writeback 以进一步提升系统性能。回写模式开启后，Slice flush 仅需写到本地 Staging 目录（与 Cache 共享）即可返回，数据由后台线程异步上传到对象存储。请注意，JuiceFS 的回写模式与通常理解的先写内存不同，是需要将数据写入本地 Cache 目录的（具体的行为根据 Cache 目录所在硬件和本地文件系统而定）。换个角度理解，此时本地目录就是对象存储的缓存层。

回写模式开启后，还会默认跳过对上传对象的大小检查，激进地尽量将所有数据都保留在 Cache 目录。这在一些会产生大量中间文件的场景（如软件编译等）特别有用。此外，JuiceFS v0.17 版本还新增了 --upload-delay 参数，用来延缓数据上传到对象存储的时间，以更激进地方式将其缓存在本地。如果在等待的时间内数据被应用删除，则无需再上传到对象存储，既提升了性能也节省了成本。同时相较于本地硬盘而言，JuiceFS 提供了后端保障，在 Cache 目录容量不足时依然会自动将数据上传，确保在应用侧不会因此而感知到错误。这个功能在应对 Spark shuffle 等有临时存储需求的场景时非常有效。

读取流程​

JuiceFS 在处理读请求时，一般会按照 4 MiB Block 对齐的方式去对象存储读取，实现一定的预读功能。同时，读取到的数据会写入本地 Cache 目录，以备后用（如指标图中的第 2 阶段，blockcache 有很高的写入带宽）。显然，在顺序读时，这些提前获取的数据都会被后续的请求访问到，Cache 命中率非常高，因此也能充分发挥出对象存储的读取性能。此时数据在各个组件中的流动如下图所示：

注意：读取的对象到达 JuiceFS Client 后会先解密再解压缩，与写入时相反。当然，如果未启用相关功能则对应流程会直接跳过。

做大文件内随机小 IO 读取时，JuiceFS 的这种策略则效率不高，反而会因为读放大和本地 Cache 的频繁写入与驱逐使得系统资源的实际利用率降低。不幸的是，此类场景下一般的缓存策略很难有足够高的收益。此时可考虑的一个方向是尽可能提升缓存的整体容量，以期达到能几乎完全缓存所需数据的效果；另一个方向则可以直接将缓存关闭（设置 --cache-size 0），并尽可能提高对象存储的读取性能。

小文件的读取则比较简单，通常就是在一次请求里读取完整个文件。由于小文件写入时会直接被缓存起来，因此类似 JuiceFS bench 这种写入后不久就读取的访问模式基本都会在本地 Cache 目录命中，性能非常可观。

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