CN105677511B - 一种降低同步开销的数据写入方法和装置 - Google Patents

一种降低同步开销的数据写入方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种降低同步开销的数据写入方法及装置，所述方法包括：获取外部写入的数据；将数据拷贝到日志区中进行备份；确定所述数据对应的缓存页；按照所述数据所在缓存页的缓存模式持久化所述数据，本发明根据数据写入的频繁程度，对其采取不同的缓存模式，写入频繁的数据只将其存储在缓存区Cache中，减少了写入片外存储器的同步开销，而且，备份日志存储在片上的便笺式存储器SPM，无需再写到片外的存储器中，进一步减少了同步开销。

Description

一种降低同步开销的数据写入方法和装置
技术领域
本发明涉及计算机领域，特别是涉及一种降低同步开销的数据写入方法及装置。
背景技术
异常掉电和系统崩溃是存储系统面临的一大威胁。在往磁盘写数据的过程中，如果出现异常掉电或系统崩溃，将造成数据丢失，使存储系统出现一种“部分已经更新成了新数据，而另一部分仍然是旧数据”的现象，这种现象称为数据不一致，由此产生的问题称为崩溃一致性(crash consistency)问题，所谓崩溃一致性问题，是指由于异常掉电或系统崩溃使文件系统从一种数据一致的状态转换到了另一种数据不一致的状态。要保证数据的一致性，数据更新的原子性是其中最重要的基础。因此，应用系统均采取事务机制来保证数据更新的原子性，主要方法是在原位置更新旧数据之前，先将新数据记录在一个日志区中，等一个事务中所有的新数据都备份成功了，再更新原位置的旧数据。如果新数据突然掉电或系统崩溃没有全部备份成功，则原位置的旧数据没有任何变化。如果在更新原位置的旧数据过程中出现掉电或系统崩溃，则在系统重启后用备份的新数据来恢复更新不成功的旧数据。通过这种方法来保证一个事务的所有相关数据要么全部是新的，要么全部是旧的，即保证数据的状态是一致的。
我们发现，在将新数据备份到日志区(称为logging阶段)和将新数据写入到原位置(称为checkpoint阶段)的过程中，同步操作的开销很大。使用同步操作的原因有二，一是对存在相关的写操作进行顺序约束，比如，A与B存在相关，且要求A在前、B在后，则在A之后必须要加一个同步操作，要求B必须在A完全写入到持久化存储区域中才能进行写操作。二是确保数据完全持久化。在CPU通过store指令或write系统调用写数据时，由于性能的原因，这些数据往往并没有真正写入到磁盘中，而是停留在高速缓存或易失性内存中，只有在使用同步操作后才真正写入到磁盘中。在事务系统中，在logging阶段和checkpoint阶段需要用到大量的同步操作，一是在logging阶段，当某个事务提交时，要求使用同步操作来确保数据全部持久化到日志区中。二是在checkpoint阶段，要求使用同步操作来确保位于宿主位置的数据处于最新版本。频繁的同步操作提高了系统应对异常掉电或系统崩溃带来的数据可靠性风险，但频繁的同步操作对系统的性能影响很大。
发明内容
本发明针对的计算机存储模型是基于字节可寻址、且非易失的新型存储介质(我们称之为persistentmemory)的单级存储模型，这种模型将传统的二级存储模型中的动态随机存储器DRAM和机械式硬盘HDD(或固态硬盘SSD)合二为一。本发明的目的是提供一种降低同步开销的数据写入方法与装置，通过减少同步操作的次数降低了同步开销，缓解了系统应对异常掉电或系统崩溃等可靠性问题带来的性能开销。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种降低同步开销的数据写入方法，获取外部写入的数据；确定所述数据对应的缓存页；按照所述数据所在缓存页的缓存模式持久化所述数据。
可选地，所述确定所述数据对应的缓存页之前，还包括：将所述数据拷贝到日志区中进行备份。
可选地，所述获取外部写入的数据之前，还包括：
将所述缓存页的默认缓存模式设置为写回模式，所述写回模式中CPU只将数据写到Cache中；
在采样周期内对所述缓存页的数据写入次数进行统计，直到采样周期结束，得到各所述缓存页的写入次数；
在采样周期结束后，计算各所述缓存页的平均写入次数，将所述平均写入次数记为Avg；
将写入次数小于1/2*Avg的缓存页的缓存模式设置为不缓存模式，所述不缓存模式中CPU只将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于1/2*Avg且小于Avg的缓存页的缓存模式设置为写穿透模式，所述写穿透模式中CPU不仅将数据写到所述Cache中，还将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于Avg的缓存页的缓存模式保持为写回模式不变。
可选地，所述将所述数据拷贝到日志区中进行备份，具体包括：
将所述数据拷贝到便笺式存储器SPM进行备份，所述便笺式存储器SPM的存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，所述便笺式存储器SPM位于处理器芯片内部。
为实现上述目的，本发明还提供了另外一种方案，一种降低同步开销的数据写入装置，所述装置包括：外部数据获取单元，用于获取外部写入的数据；数据缓存页确定单元，用于确定所述数据对应的缓存页；数据缓存单元，用于按照所述数据所在缓存页的缓存模式持久化所述数据。
可选地，所述装置还包括：数据备份单元，用于将所述数据拷贝到日志区中进行备份。
可选地，所述装置还包括：默认模式设置单元，用于将写入数据默认的缓存模式设置为写回模式；
写入次数统计单元，用于在采样周期内对缓存页的写入次数进行统计，直到采样周期结束，得到各缓存页的写入次数；
平均次数计算单元，在采样周期结束后，用于计算所述各缓存页的平均写入次数，将所述平均写入次数记为Avg；
缓存模式设置单元，用于对各所述缓存页的缓存模式进行设置，将写入次数小于1/2*Avg的缓存页的缓存模式设置为不缓存模式，所述不缓存模式为CPU只将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于1/2*Avg且小于Avg的页的缓存模式设置为写穿透模式，所述写穿透模式为CPU不仅将数据写到所述Cache中，还将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于Avg的缓存页的缓存模式保持为写回模式不变。
可选地，所述数据备份单元，具体包括：数据备份子单元，用于将所述数据拷贝到便笺式存储器SPM进行备份，所述便笺式存储器SPM的存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，所述便笺式存储器SPM位于处理器芯片内部。
本发明提出基于SPM的片上日志装置，使用STT-RAM这种新型非易失性存储介质，将日志记录到片上存储区域，消除了将日志写到片外带来的同步开销。而且，本发明提出基于缓存模式的自适应同步，针对不同的数据采取不同的缓存模式，由于有些模式不需要同步，从而最终减少了同步次数，降低了同步开销。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明降低同步开销的数据写入方法的流程图；
图2为本发明缓存页的缓存模式设置方法流程图；
图3为本发明降低同步开销的数据写入装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种写入方法与装置，以降低同步开销，提高系统应对异常掉电或系统崩溃带来的数据可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明降低同步开销的数据写入方法的流程图，如图1所示，本发明是一种降低同步开销的数据写入方法，具体包括如下步骤：
100，获取外部写入的数据；
101，将所述数据拷贝到日志区中进行备份，具体包括：将所述数据拷贝到便笺式存储器SPM进行备份，所述便笺式存储器SPM的存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，所述便笺式存储器SPM位于处理器芯片内部；
102，确定所述数据对应的缓存页；
103，按照所述数据所在缓存页的缓存模式持久化所述数据。
在上述步骤之前，需要对各缓存页的缓存模式进行设置，具体设置步骤如图2所示，图2为本发明缓存页的缓存模式设置方法流程图，具体步骤包括：
000，将所述缓存页的默认缓存模式设置为写回模式，所述写回模式中CPU只将数据写到Cache中；
001，在采样周期内对所述缓存页的数据写入次数进行统计，直到采样周期结束，得到各所述缓存页的写入次数；
002，在采样周期结束后，计算各所述缓存页的平均写入次数，将所述平均写入次数记为Avg；
003，将写入次数小于1/2*Avg的缓存页的缓存模式设置为不缓存模式，所述不缓存模式中CPU只将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于1/2*Avg且小于Avg的缓存页的缓存模式设置为写穿透模式，所述写穿透模式中CPU不仅将数据写到所述Cache中，还将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于Avg的缓存页的缓存模式保持为写回模式不变。
经过上述步骤完成各缓存页缓存模式的设置，进而再根据图1所示的步骤对写入的数据进行处理。本发明提供的方法提出了基于缓存模式的自适应同步，针对不同的数据采取不同的缓存模式，由于有些模式不需要将数据同步到片外的存储器中，从而最终减少了同步次数，降低了同步开销，本发明在片内加入了便笺式存储器SPM，其存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，便笺式存储器SPM专门用于存储日志，本发明将数据的备份日志区设置在了片内，避免了在现有技术中将日志储存在片外所带来的同步开销。
本发明提供的一种降低同步开销的数据写入装置，图3为本发明降低同步开销的数据写入装置的结构示意图，如图3所示，所述装置包括：默认模式设置单元1，用于将写入数据默认的缓存模式设置为写回模式；写入次数统计单元2，用于在采样周期内对缓存页的写入次数进行统计，直到采样周期结束，得到各缓存页的写入次数；平均次数计算单元3，在采样周期结束后，用于计算所述各缓存页的平均写入次数，将所述平均写入次数记为Avg；缓存模式设置单元4，用于对各页的缓存模式进行设置，将写入次数小于1/2*Avg的缓存页的缓存模式设置为不缓存模式，所述不缓存模式为CPU只将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于1/2*Avg且小于Avg的页的缓存模式设置为写穿透模式，所述写穿透模式为CPU不仅将数据写到所述Cache中，还将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于Avg的缓存页的缓存模式保持为写回模式不变；外部数据获取单元5，用于获取外部写入的数据；数据备份单元6，用于将所述数据拷贝到日志区中进行备份，数据缓存页确定单元7，用于确定所述数据对应的缓存页；数据缓存单元8，用于按照所述数据所在缓存页的缓存模式持久化所述数据。
其中，数据备份单元6，具体包括：数据备份子单元，用于将所述数据拷贝到便笺式存储器SPM进行备份，所述便笺式存储器SPM的存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，所述便笺式存储器SPM位于处理器芯片内部。
本发明提供的装置基于缓存模式的自适应同步，针对不同的数据采取不同的缓存模式，由于有些模式不需要将数据同步到片外的存储器中，从而最终减少了同步次数，降低了同步开销，本发明在片内加入了便笺式存储器SPM，其存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，便笺式存储器SPM专门用于存储日志，本发明将数据的备份日志区设置在了片内，避免了在现有技术中将日志储存在片外所带来的同步开销。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种降低同步开销的数据写入方法，其特征在于：
获取外部写入的数据；
确定所述数据对应的缓存页；
按照所述数据所在缓存页的缓存模式持久化所述数据；
所述获取外部写入的数据之前，还包括：
将所述缓存页的默认缓存模式设置为写回模式，所述写回模式中CPU只将数据写到Cache中；
在采样周期内对所述缓存页的数据写入次数进行统计，直到采样周期结束，得到各所述缓存页的写入次数；
在采样周期结束后，计算各所述缓存页的平均写入次数，将所述平均写入次数记为Avg；
将写入次数小于1/2*Avg的缓存页的缓存模式设置为不缓存模式，所述不缓存模式中CPU只将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于1/2*Avg且小于Avg的缓存页的缓存模式设置为写穿透模式，所述写穿透模式中CPU不仅将数据写到所述Cache中，还将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于Avg的缓存页的缓存模式保持为写回模式不变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述数据对应的缓存页之前，还包括：
将所述数据拷贝到日志区中进行备份。
3.根据权利要求2所述的一种降低同步开销的数据写入方法，其特征在于：所述将所述数据拷贝到日志区中进行备份，具体包括：
将所述数据拷贝到便笺式存储器SPM进行备份，所述便笺式存储器SPM的存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，所述便笺式存储器SPM位于处理器芯片内部。
4.一种降低同步开销的数据写入装置，其特征在于，所述装置包括：
外部数据获取单元，用于获取外部写入的数据；
数据缓存页确定单元，用于确定所述数据对应的缓存页；
数据缓存单元，用于按照所述数据所在缓存页的缓存模式持久化所述数据；
所述装置还包括：默认模式设置单元，用于将写入数据默认的缓存模式设置为写回模式，所述写回模式中CPU只将数据写到Cache中；
写入次数统计单元，用于在采样周期内对缓存页的写入次数进行统计，直到采样周期结束，得到各缓存页的写入次数；
平均次数计算单元，在采样周期结束后，用于计算所述各缓存页的平均写入次数，将所述平均写入次数记为Avg；
缓存模式设置单元，用于对各所述缓存页的缓存模式进行设置，将写入次数小于1/2*Avg的缓存页的缓存模式设置为不缓存模式，所述不缓存模式为CPU只将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于1/2*Avg且小于Avg的页的缓存模式设置为写穿透模式，所述写穿透模式为CPU不仅将数据写到Cache中，还将数据写入到片外存储器中；将写入次数大于Avg的缓存页的缓存模式保持为写回模式不变。
5.根据权利要求4所述的数据写入装置，其特征在于，所述装置还包括：数据备份单元，用于将所述数据拷贝到日志区中进行备份。
6.根据权利要求5所述的数据写入装置，其特征在于，其特征在于：所述数据备份单元，具体包括：
数据备份子单元，用于将所述数据拷贝到便笺式存储器SPM进行备份，所述便笺式存储器SPM的存储介质为自旋转移力矩随机存储器STT-RAM，所述便笺式存储器SPM位于处理器芯片内部。
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