面向非易失性內(nèi)存的文件系統(tǒng)與頁面交換機(jī)制研究.pdf

1、近年來，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)迅速發(fā)展，所涉及的應(yīng)用需要對(duì)大量持續(xù)、高速流動(dòng)的數(shù)據(jù)及計(jì)算所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。然而，目前處理器和存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)I/O是極為嚴(yán)重的性能瓶頸，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法應(yīng)對(duì)這種高需求。新型非易失性內(nèi)存以其數(shù)據(jù)掉電不丟失、訪問速度快與存儲(chǔ)密度大等優(yōu)勢，成為潛力巨大的新一代存儲(chǔ)設(shè)備。在使用非易失性內(nèi)存的全新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)可以直接通過高速內(nèi)存總線在處理器和存儲(chǔ)設(shè)備之間傳輸，具備突破

2、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)I/O瓶頸的能力。但是現(xiàn)有非易失性內(nèi)存的系統(tǒng)軟件沒有充分發(fā)揮非易失性內(nèi)存物理特性和優(yōu)勢，如現(xiàn)有內(nèi)存文件系統(tǒng)要用軟件流程查找文件數(shù)據(jù)的物理位置，造成極大性能開銷。
　　為此，本文從持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)、混合介質(zhì)文件系統(tǒng)與頁面交換機(jī)制開展新型系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究。相對(duì)之前的研究工作，本研究致力于深入結(jié)合新型非易失性內(nèi)存與當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存管理機(jī)制，充分利用DRAM和非易失性內(nèi)存的互補(bǔ)優(yōu)勢提升系統(tǒng)軟件的性能。本文主要研究內(nèi)

3、容如下：
　　1）針對(duì)高性能持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)的研究。首次提出文件虛擬地址空間的設(shè)計(jì)框架，使得每個(gè)打開的文件有一個(gè)連續(xù)且獨(dú)立的虛擬地址空間，讀寫文件數(shù)據(jù)只需通過文件數(shù)據(jù)的虛擬地址和硬件MMU直接訪問文件的物理內(nèi)存，避免軟件查找文件元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的開銷。
　　基于文件虛擬地址空間，設(shè)計(jì)并在Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能完備的持久化內(nèi)存文件系統(tǒng)SIMFS，還通過自建的庫函數(shù)將其擴(kuò)展到用戶態(tài)，提高文件數(shù)據(jù)的讀寫性能。
　　基于SI

4、MFS提出一種文件內(nèi)就地執(zhí)行的技術(shù)，直接在文件上做計(jì)算，避免在臨時(shí)緩存區(qū)和文件系統(tǒng)之間的大量數(shù)據(jù)傳輸開銷。
　　2）針對(duì)非易失性內(nèi)存與塊設(shè)備混合介質(zhì)的文件系統(tǒng)研究。提出跨介質(zhì)的文件組織框架，允許單個(gè)文件的數(shù)據(jù)可以同時(shí)分布在不同的存儲(chǔ)介質(zhì)中，使得混合介質(zhì)文件系統(tǒng)的文件可以同時(shí)享有非易失性內(nèi)存的高速讀寫速度及磁盤等塊設(shè)備的大容量。
　　設(shè)計(jì)并在Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)混合介質(zhì)文件系統(tǒng)HMFS，提出利用虛擬地址空間訪問文件數(shù)據(jù)，利

5、用缺頁中斷機(jī)制識(shí)別并讀取塊設(shè)備中的文件數(shù)據(jù)，提升混合介質(zhì)文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀寫性能。
　　3）針對(duì)非易失性內(nèi)存做交換區(qū)的交換機(jī)制研究。首次發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)頁的寫失衡特性，并據(jù)此提出對(duì)非易失性內(nèi)存頁面的寫容忍策略。設(shè)計(jì)并實(shí)
　　現(xiàn)Refinery Swap頁面交換機(jī)制，包含三個(gè)部分：根據(jù)寫容忍策略設(shè)計(jì)（1+ε）近似最優(yōu)的換入算法NPS，以減少應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)導(dǎo)致的換入操作；根據(jù)數(shù)據(jù)的讀寫特征設(shè)計(jì)DRAM頁面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換有限自動(dòng)機(jī)，采

6、用多優(yōu)先級(jí)算法DPE篩選出DRAM中寫稀少或者非活動(dòng)的數(shù)據(jù)頁；利用交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)一個(gè)磨損均衡策略MLA，以均衡NVM頁面的磨損。
　　本文還對(duì)所提出的文件系統(tǒng)和交換機(jī)制進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)上述技術(shù)能夠有效地管理非易失性內(nèi)存，為操作系統(tǒng)和上層應(yīng)用提供高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理服務(wù)。其中，SIMFS的文件讀寫帶寬可以達(dá)到性能理論上限（即內(nèi)存總線的帶寬）的89％。據(jù)我們所知，SIMFS是目前世界上文件讀寫最快的內(nèi)存文件系統(tǒng)。本文研究的內(nèi)