基于閃存的緩存管理研究.pdf

1、外存與內(nèi)存日益增大的性能差異一直是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要瓶頸之一，閃存的非易失性和高性能恰好填補(bǔ)了二者之間的空白，帶來(lái)了解決問(wèn)題的新機(jī)遇。盡管具備種種優(yōu)勢(shì)，但是由于成本、容量等因素的限制，完全由閃存組成的固態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中使用較少，而閃存和磁盤(pán)所組成的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)則得到了大量的應(yīng)用。構(gòu)成混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的一種直接的方法便是使用高速的閃存作為磁盤(pán)的緩存加速數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的緩存管理算法主要針對(duì)主存設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮到閃存本身的物理特性和性

2、能特征，不能最大限度的發(fā)揮閃存的性能優(yōu)勢(shì)，反而有可能放大其寫(xiě)性能較差和壽命有限等缺陷，因此研究專(zhuān)門(mén)針對(duì)閃存的緩存管理方法顯得十分必要。本文探討了使用閃存和固態(tài)盤(pán)作為磁盤(pán)緩存時(shí)所面臨的性能和耐久性問(wèn)題，從三個(gè)不同角度分別提出改進(jìn)方案。
　　(1)從減少寫(xiě)操作次數(shù)的角度，提出一種自適應(yīng)惰性替換算法LARC（Lazy Adaptive Replacement Cache）。LARC的核心思想是采用選擇性替換，以減少緩存替換對(duì)固態(tài)盤(pán)造成的

3、額外寫(xiě)操作，避免密集的寫(xiě)操作造成固態(tài)盤(pán)的性能降低和壽命縮短。LARC使用開(kāi)銷(xiāo)極低的影子緩存記錄最近的訪(fǎng)問(wèn)歷史，能夠較為有效的識(shí)別熱點(diǎn)數(shù)據(jù)塊。在緩存不命中時(shí)，LARC只把可能成為熱點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊替換進(jìn)緩存，非熱點(diǎn)數(shù)據(jù)被過(guò)濾掉。這種做法避免了緩存污染，使得熱點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠被緩存更長(zhǎng)時(shí)間。另一方面，也減少了替換寫(xiě)的次數(shù)，緩解了固態(tài)盤(pán)垃圾回收對(duì)性能造成的影響，提高了其性能并延長(zhǎng)了其使用壽命。仿真實(shí)驗(yàn)和對(duì)原型實(shí)現(xiàn)的基準(zhǔn)測(cè)試都表明，LARC在大大減少固態(tài)盤(pán)

4、寫(xiě)次數(shù)情況下，仍然能達(dá)到跟其他算法相近甚至更高的命中率，因此達(dá)到了同時(shí)提高了緩存系統(tǒng)性能和延長(zhǎng)了閃存使用壽命的雙重目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，LARC在讀密集型應(yīng)用下效果極佳，對(duì)于寫(xiě)密集性應(yīng)用也有一定的效果。
　　(2)從減少固態(tài)盤(pán)寫(xiě)放大的角度，提出了采用主動(dòng)淘汰機(jī)制的PE-LRU算法。PE-LRU算法通過(guò)主動(dòng)刪除固態(tài)盤(pán)中的非熱點(diǎn)數(shù)據(jù)（使用TRIM命令），盡早釋放其所占用的閃存空間，避免這些數(shù)據(jù)在垃圾回收時(shí)成為額外的負(fù)擔(dān)。固態(tài)盤(pán)進(jìn)行垃圾

5、回時(shí)需要移動(dòng)目標(biāo)塊中有效數(shù)據(jù)，會(huì)造成額外的閃存寫(xiě)操作。這種寫(xiě)放大效應(yīng)對(duì)固態(tài)盤(pán)是有害的，不僅降低其性能，還會(huì)加速磨損。緩存在固態(tài)盤(pán)中的非熱點(diǎn)數(shù)據(jù)不但不能提高命中率和性能，反而會(huì)加劇寫(xiě)放大。PE-LRU根據(jù)固態(tài)盤(pán)使用情況，主動(dòng)淘汰這部分?jǐn)?shù)據(jù)，以犧牲緩存空間利用率為代價(jià)緩解了寫(xiě)放大，從而提高了固態(tài)盤(pán)的性能。PE-LRU對(duì)將固態(tài)盤(pán)分成讀、寫(xiě)兩個(gè)緩存區(qū)，將更新頻率較高的寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)和較為穩(wěn)定的讀緩存數(shù)據(jù)分開(kāi)管理。為了避免淘汰數(shù)據(jù)造成的碎片化，PE-

6、LRU將緩存數(shù)據(jù)組織成頁(yè)簇，并以頁(yè)簇為單位進(jìn)行淘汰。實(shí)驗(yàn)表明，PE-LRU能以較小的命中率為代價(jià)，有效的減少固態(tài)盤(pán)的寫(xiě)放大，提升其性能，進(jìn)而縮短緩存系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間，特別是對(duì)于寫(xiě)密集型負(fù)載，PE-LRU效果更加顯著。
　　(3)針對(duì)SLC/MLC雙模閃存提出一種新的緩存架構(gòu)DMFC（Dual-mode Flash Cache）。雙模閃存是指可以在SLC或MLC兩種工作模式下切換的閃存設(shè)備，其優(yōu)勢(shì)在于能夠根據(jù)應(yīng)用的需求對(duì)容量和性能

7、進(jìn)行折衷。當(dāng)雙模閃存用作緩存時(shí)，使用MLC模式能活得更大的緩存容量，從而達(dá)到更高命中率，而SLC模式能提供更高的讀寫(xiě)速度。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文提出了用于管理雙模閃存SFS（Scalable Flash Storage）抽象層，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了DMFC緩存架構(gòu)。DMFC利用SFS的差異化寫(xiě)操作接口，使用SLC緩存用戶(hù)寫(xiě)請(qǐng)求，用MLC作為讀緩存，有效的利用了二者的性能特點(diǎn)。SFS在垃圾回收時(shí)自動(dòng)調(diào)整兩種閃存的比例以適應(yīng)不同應(yīng)用的需求。利用S