关于 PolarDB PostgreSQL 版
PolarDB PostgreSQL 版是一款阿里云自主研发的云原生关系型数据库产品，100% 兼容 PostgreSQL，高度兼容Oracle语法；采用基于 Shared-Storage 的存储计算分离架构，具有极致弹性、毫秒级延迟、HTAP 、Ganos全空间数据处理能力和高可靠、高可用、弹性扩展等企业级数据库特性。同时，PolarDB PostgreSQL 版具有大规模并行计算能力，可以应对 OLTP 与 OLAP 混合负载。
背景
为了支持一写多读架构，PolarDB PostgreSQL版本构建了VFS层作为I/O操作中间层，以向上层代码逻辑屏蔽对于底层存储设备的具体I/O操作，VFS层向上层提供了和传统操作系统一样的I/O操作接口，因此上层应用可以在无需大量修改的情况下通过VFS层来访问不同的底层存储设备。
在前述章节“PolarDB PostgreSQL版 VFS 模块介绍”中，介绍了VFS模块的实现原理与使用方法。PolarDB PostgreSQL版本VFS模块支持三类不同的文件系统：PolarDB File System文件系统、本地Direct I/O文件系统、本地Buffer I/O文件系统，分别对应路径协议：“pfsd://”、“file-dio://”、“file://”。接下来详细介绍下PolarDB PostgreSQL中对于Direct I/O文件系统的实现原理。
Direct I/O原理
为了实现DirectIO模式的I/O操作覆盖所有的共享存储路径下的文件，本文从VFS层中进行设计，为VFS层新增一套I/O接口实现，这套I/O接口专门用于DirectIO模式的I/O操作，通过路径识别来将对应的I/O操作流转给DirectIO模式的I/O接口，实现具体的I/O操作。
Direct I/O模块
在VFS模块中实现DirectIO模式的I/O接口，需要满足上层代码逻辑不改动的情况下，需要满足DirectIO模式的三个硬性条件：缓存地址对齐、文件偏移量对齐、单位读写内容大小对齐。具体从vfs_read/vfs_pread/vfs_write/vfs_pwrite接口的实现角度来分析如何在VFS层满足上述这三个硬性要求。
vfs_read接口实现
开启O_DIRECT情况下，vfs_read操作替换为以下操作：
off_t offset = vfs[vfdP->kind].vfs_lseek(vfdP->fd, (off_t)0, SEEK_CUR);
res = vfs_pread(file, buf, len, offset);
if (res > 0)
vfs[vfdP->kind].vfs_lseek(vfdP->fd, (off_t)(offset + res), SEEK_SET);复制
备注：根据vfs_pread的返回值，调整文件指针的偏移量。
vfs_pread接口实现
缓存地址对齐方法：新malloc出一段内存polar_directio_buffer，内存大小由参数_polar_max_direct_io_size_决定，默认1MB。
文件指针偏移量对齐方法：如图所示，原本的文件偏移范围是：[start, start+len]，在directIO下，按照最小单位4KB，将将等待读取的文件内容范围划分为三部分：first section（范围[head_start, head_end]）、middle section（范围[head_end, tail_start]）、last section（范围[tail_start, tail_end]）。其中，first section和last section的读取偏移量和读取大小分别调整为：head_start与4KB、tail_start与4KB，middle section的读取和原本pread的读取方式一样，最大的读取单位1MB（_polar_max_direct_io_size_）也保持一致。
文件读大小对齐方法：如图所示，文件读取的大小被划分为三类：第一类是first section和last section的读取单位4KB，第二类是middle section的读取单位1MB（_polar_max_direct_io_size_），第三类是middle section读取最后剩余的不足1MB的部分xKB（4KB的整数倍）。
vfs_write接口实现
开启O_DIRECT情况下，vfs_write操作替换为以下操作：
off_t offset = vfs[vfdP->kind].vfs_lseek(vfdP->fd, (off_t)0, SEEK_CUR);
res = vfs_pwrite(file, buf, len, offset);
if (res > 0)
vfs[vfdP->kind].vfs_lseek(vfdP->fd, (off_t)(offset + res), SEEK_SET);复制
备注：根据vfs_pwrite的返回值，调整文件指针的偏移量。
vfs_pwrite接口实现
缓存地址对齐方法：新malloc出一段内存polar_directio_buffer，内存大小由参数_polar_max_direct_io_size_决定，默认1MB。
文件指针偏移量对齐方法：如图所示，原本的文件偏移范围是：[start, start+len]，在directIO下，按照最小单位4KB，将待写入内容的文件内容范围划分为三部分：first section（范围[head_start, head_end]）、middle section（范围[head_end, tail_start]）、last section（范围[tail_start, tail_end]）。其中，first section和last section的写入偏移量和写入大小分别调整为：head_start与4KB、tail_start与4KB，middle section的写入和原本pwrite的写入方式一样，最大的写入单位1MB（_polar_max_direct_io_size_）也保持一致。
由于写入的时候，需要保证写入内容的大小是4KB的整数倍，因此，需要额外读取出first section和last section中缺少的那部分文件内容。
文件写大小对齐方法：如图所示，文件写入的大小被划分为三类：第一类是first section和last section的写入单位4KB，第二类是middle section的写入单位1MB（_polar_max_direct_io_size_），第三类是middle section写入最后剩余的不足1MB的部分xKB（4KB的整数倍）。
Direct I/O与Buffer I/O的不同
Direct I/O模块默认会将文件大小扩展为4KB的整数倍，因此，在(p)read接口读取到文件尾部的时候，Direct I/O模块读取到的内容一般是多于Buffer I/O读取的内容的，多余的部分是文件大小对齐导致的，多余的部分需要全部填充为0x0。
由于PolarDB PostgreSQL版本数据库中，数据页面的大小默认是8KB，因此大多数的文件大小都是满足4KB整数倍的要求的。但同时存在一些特殊的文件，其大小和内存中数据结构的大小一致，因此，这些文件需要在Direct I/O模块写操作完成时，检查是否需要将文件大小truncate成预期的大小，否则会影响上层代码中对该文件大小判断的相关逻辑。
Direct I/O使用
修改polar_datadir路径配置，添加“file-dio://”协议头，例如：
原本为：polar_datadir="original_path"
修改为：polar_datadir="file-dio://original_path"
