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算機系統(tǒng)的主要瓶頸之一，閃存的非易失性和高性能恰好填補了二者之間的空白，帶來了解決問題的新機遇。盡管具備種種優(yōu)勢，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)存儲系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中使用較少，而閃存和磁盤所組成的混合存儲系統(tǒng)則得到了大量的應(yīng)用。構(gòu)成混合存儲系統(tǒng)的一種直接的方法便是使用高速的閃存作為磁盤的緩存加速數(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主存設(shè)計，沒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，反而有可能放大其寫性能較差和壽命有限等缺陷，因此研究專門針對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)盤作為磁盤緩存時所面臨的性能和耐久性問題，從三個不同角度分別提出改進方案。
　　(1)從減少寫操作次數(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，以減少緩存替換對固態(tài)盤造成的

3、額外寫操作，避免密集的寫操作造成固態(tài)盤的性能降低和壽命縮短。LARC使用開銷極低的影子緩存記錄最近的訪問歷史，能夠較為有效的識別熱點數(shù)據(jù)塊。在緩存不命中時，LARC只把可能成為熱點的數(shù)據(jù)塊替換進緩存，非熱點數(shù)據(jù)被過濾掉。這種做法避免了緩存污染，使得熱點數(shù)據(jù)能夠被緩存更長時間。另一方面，也減少了替換寫的次數(shù)，緩解了固態(tài)盤垃圾回收對性能造成的影響，提高了其性能并延長了其使用壽命。仿真實驗和對原型實現(xiàn)的基準測試都表明，LARC在大大減少固態(tài)盤

4、寫次數(shù)情況下，仍然能達到跟其他算法相近甚至更高的命中率，因此達到了同時提高了緩存系統(tǒng)性能和延長了閃存使用壽命的雙重目標。實驗結(jié)果還表明，LARC在讀密集型應(yīng)用下效果極佳，對于寫密集性應(yīng)用也有一定的效果。
　　(2)從減少固態(tài)盤寫放大的角度，提出了采用主動淘汰機制的PE-LRU算法。PE-LRU算法通過主動刪除固態(tài)盤中的非熱點數(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)在垃圾回收時成為額外的負擔。固態(tài)盤進行垃圾

5、回時需要移動目標塊中有效數(shù)據(jù)，會造成額外的閃存寫操作。這種寫放大效應(yīng)對固態(tài)盤是有害的，不僅降低其性能，還會加速磨損。緩存在固態(tài)盤中的非熱點數(shù)據(jù)不但不能提高命中率和性能，反而會加劇寫放大。PE-LRU根據(jù)固態(tài)盤使用情況，主動淘汰這部分數(shù)據(jù)，以犧牲緩存空間利用率為代價緩解了寫放大，從而提高了固態(tài)盤的性能。PE-LRU對將固態(tài)盤分成讀、寫兩個緩存區(qū)，將更新頻率較高的寫緩存數(shù)據(jù)和較為穩(wěn)定的讀緩存數(shù)據(jù)分開管理。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)組織成頁簇，并以頁簇為單位進行淘汰。實驗表明，PE-LRU能以較小的命中率為代價，有效的減少固態(tài)盤的寫放大，提升其性能，進而縮短緩存系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間，特別是對于寫密集型負載，PE-LRU效果更加顯著。
　　(3)針對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)勢在于能夠根據(jù)應(yīng)用的需求對容量和性能

7、進行折衷。當雙模閃存用作緩存時，使用MLC模式能活得更大的緩存容量，從而達到更高命中率，而SLC模式能提供更高的讀寫速度。針對這一特點，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)計了DMFC緩存架構(gòu)。DMFC利用SFS的差異化寫操作接口，使用SLC緩存用戶寫請求，用MLC作為讀緩存，有效的利用了二者的性能特點。SFS在垃圾回收時自動調(diào)整兩種閃存的比例以適應(yīng)不同應(yīng)用的需求。利用S