CN102763070A - 磁盘缓存的管理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁盘缓存的管理方法及装置。所述管理方法首先将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中为每个所述组建立与磁盘内区域的映射；将第二区域的空间组织成一系列的块chunk；设置所述块的大小，使所述块用于进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。通过上述管理方法就能够动态调整与磁盘区域关联的磁盘缓存组的大小，提高应用程序使用磁盘数据的缓存命中率，提高磁盘缓存的空间利用率，从而提高系统输入输出性能。

Description

磁盘缓存的管理方法及装置
技术领域
本发明涉及数据存储领域，尤其涉及一种磁盘缓存的管理方法及装置。
背景技术
目前，磁盘与内存间的输入输出IO速度一直是系统性能的一个重要瓶颈，在IO密集型的应用场景下，CPU往往需要等待磁盘IO。很多系统采用内存或类似的validate memory介质来作为磁盘的缓存，用于提高IO速度，但内存的价格较贵，且下电后数据丢失。固态硬盘SSD是一种合适做磁盘/内存缓存cache的闪存介质，速度介于内存和磁盘之间，且是non-validatememory，可以基本避免数据丢失。
为了提高磁盘的IO性能，现有技术中可以利用磁盘缓存，例如SSD、PCM等来作为磁盘的高速缓存，采用与cpu cache相同的模式来组织磁盘的cache。以SSD来说，使用组相联模式来作为磁盘HDD到缓存SSD的地址映射方式，将SSD的空间等分为若干个组set，每个set默认由512个SSD数据块组成，每个数据块默认为4KB大小；同样的将磁盘空间分为SSD大小的n个区域，每个区域内的组织方式和SSD的组织方式相同。
但上述现有技术的方案中，磁盘缓存中每个组set空间大小固定，无法动态伸缩，在系统应用程序集中在少数set进行频繁访问时，导致各set间使用率不均，降低了磁盘缓存的空间使用率和缓存命中率，影响了系统输入输出性能。
发明内容
本发明提供一种磁盘缓存的管理方法及装置，能够动态调整与磁盘区域关联的磁盘缓存组的大小，提高应用程序使用磁盘数据的缓存命中率，提高磁盘缓存的空间利用率，从而提高系统输入输出性能。
本发明实施例提供了一种磁盘缓存的管理方法，所述方法包括：
将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中为每个所述组建立与磁盘内区域的映射；
将第二区域的空间组织成一系列的块chunk；
设置所述块的大小，使所述块用于进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。
本发明实施例还提供了一种磁盘缓存的管理装置，所述管理装置包括：
磁盘缓存划分单元，用于将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中为每个所述组建立与磁盘内区域的映射，且第二个区域预留；
块组织单元，用于将第二区域的空间组织成一系列的块chunk，并设置所述块的大小；
组动态伸缩单元，用于利用所述块进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。
由上述所提供的技术方案可以看出，所述管理方法首先将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中为每个所述组建立与磁盘内区域的映射；将第二区域的空间组织成一系列的块chunk；设置所述块的大小，使所述块用于进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。通过上述管理方法就能够动态调整与磁盘区域关联的磁盘缓存组的大小，提高应用程序使用磁盘数据的缓存命中率，提高磁盘缓存的空间利用率，从而提高系统输入输出性能。
附图说明
图1为本发明实施例所提供磁盘缓存的管理方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所举出的具体实例中磁盘缓存划分和映射的一种结构示意图；
图3为本发明实施例所举出的具体实例中磁盘缓存划分和映射的另一种结构示意图；
图4为本发明实施例所举出的具体实例中组的动态扩展的示意图；
图5为本发明实施例所举出的具体实例中组的动态收缩的示意图；
图6为本发明实施例所提供磁盘缓存的管理装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施方式提供了一种磁盘缓存的管理方法及装置，基于磁盘缓存cache预分配组set和预留的块chunk来实现组的动态调整，该方法能够动态调整与磁盘区域关联的磁盘缓存组的大小，提高应用程序使用磁盘数据的缓存命中率，提高磁盘缓存的空间利用率，从而提高系统输入输出性能。
为更好的描述本发明实施方式，现结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，如图1所示为本发明实施例所提供磁盘缓存的管理方法的流程示意图，所述方法包括：
步骤11：将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域。
在该步骤中，首先对磁盘缓存进行划分，将其划分为两个区域，其中：第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中每个组均建立与磁盘内区域的映射；划分出的第二区域预留。
在具体实现过程中，上述的磁盘缓存可以使用固态硬盘SSD作为磁盘的高速缓存，也可以实用其他的非易失性闪存介质，比如PCM介质等，均可以作为磁盘的高速缓存介质。
上述将磁盘缓存划分为两个区域，具体有两种划分方式：
1)将磁盘缓存划分成相邻的两个空间，其中，第一区域和第二区域相邻。
举例来说，如图2所示为本发明实施例所举出的具体实例中磁盘缓存划分和映射的一种结构示意图，图2中：将磁盘缓存划分成相邻的两个空间，第一区域和第二区域相邻，其中，第一区域用于在磁盘缓存创建时生成预分配的组，每个组均建立与磁盘内区域的映射，映射关系可以为：target setnumber＝(Disk block number*磁盘缓存size)/(Disk block total number*setsize)。Disk block number表示磁盘数据块的扇区号，磁盘缓存size为磁盘缓存数据块的大小，set size为组中数据块的数量，Disk block total number表示磁盘数据块的总扇区号。
上述图2中是将磁盘缓存划分为2/3和1/3大小的两个区域，第一区域划分为4个组，第二区域预留，用于进行组的动态伸缩。图2中，磁盘区域i中的数据块可以进入组i中任意一个空闲的缓存块中，且不受数据块磁盘先后位置的影响，比如磁盘块号为8的数据块可以进入块号为2的磁盘缓存块中，磁盘块号为1的数据块可以进入块号为20的磁盘缓存块中；在组中的所有磁盘缓存块均放满了磁盘的数据块后，如果再有磁盘数据块要缓存入该组，则会进行缓存块的替换操作，或者组的扩展操作。
2)将磁盘缓存划分成交叉的多个空间，其中，第一区域和第二区域交叉分布。
举例来说，如图3所示为本发明实施例所举出的具体实例中磁盘缓存划分和映射的另一种结构示意图，图3中：磁盘缓存划分成交叉的多个空间，其中，第一区域和第二区域交叉分布，从上至下的第一个空间作为第二区域，用于预留空间，大小可以在磁盘缓存创建时指定；第二个空间为第一区域，该第一区域预分配有一个组；第三个空间再作为第二区域，用于预留空间，依次往下，使得第一区域和第二区域交叉分布。
该磁盘缓存的划分方式较上述第一种方式更为灵活，每个组可以进行首尾动态扩展，使得预分配的组和预留的后续动态分配的块之间的距离更短，便于形成连续的组空间。在该划分方式下，还可以动态更新每组的起始位置，以便更好的实现组动态伸缩。
除上述本实施例所述的两种划分方式之外，本领域技术人员能够根据本发明实施例想到的其他划分方式都是可以的。
另外，上述每个组均建立与磁盘内区域的映射是通过如下方式来实现的：
本发明实施例是将组的非连续地址与磁盘的连续区域进行映射，具体来说，首先将磁盘内的区域划分为若干个连续的区域；再如图2和3中所示，将磁盘内的第一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第一个组映射，将磁盘内的第二个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第二个组映射，以此类推，最终将磁盘内的最后一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的最后一个组映射。通过上述映射方式，能够减少输入输出IO次数，缩短磁盘寻道距离，从而提高回写效率。
步骤12：将第二区域的空间组织成一系列的块chunk，并设置每个块的大小。
在该步骤中，经过上述步骤11的设置后，就可以将第二区域的空间组织成一系列的块，并设置每个块的大小，例如可以将块设置为1/2的组大小。并通过特定的元数据来维护这些块，记录这些块是否已被分配，是否空闲，以及块的已读写次数。
步骤13：利用所述块来进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。
在该步骤中，所述利用所述块来进行所述第一区域内的组的动态扩展，具体包括：
首先根据所述第一区域内各个组的统计参数，如组中块的读次数，组中块的写次数，组的缓存命中率，组中脏块的数目等参数，来判断各个组是否满足分配块的条件；
若判断其中一个组满足分配块的条件，则在所述第二区域所预留的未分配的块中选择空闲且读写次数低于设定阈值的块，将该块分配给所述满足分配块条件的组。
在具体实现过程中，上述的各个组的统计参数，包括如下一个或多个：组中块的读次数，组中块的写次数，组的缓存命中率，组中脏块的数目。
举例来说，如图4所示为本发明实施例所举出的具体实例中组的动态扩展的示意图，图4中：该磁盘缓存在创建时预分配了18个set，对应磁盘内的18个空间区域；且预留的空间被组织成12个chunk。
其中，chunk2、4、5、7、9、10、11、12是已分配给set的块；chunk1、3、6、8为未分配的块；chunk 1、6、10是读写次数较多的块；chunk 3是读写次数较少的块。set9、11、12已获得至少一个chunk；经过对各个set统计参数的判断，判断set 2满足再分配一个chunk的条件，然后就可以在未分配的块(1、3、6、8)中选择空闲且读写次数低于设定阈值的块，即chunk3分配给满足分配块条件的set2，这里设定阈值可以在磁盘缓存建立时设定，例如设定成1次或0次。具体选择过程为：chunk 1是空的，但是被读写的次数过多；寻找下一个chunk 3，此chunk为空，且读写次数在未分配的chunk中最少，所以chunk 3作为选定的chunk被分配。
另外，所述利用所述块来进行所述第一区域内的组的动态收缩，具体包括：
判断所述第二区域所预留的块数量是否达到回收阈值，若达到，则扫描所述第一区域内各个组的统计参数，判断是否存在达到组内块回收阈值的组；
若存在，则回收满足上述条件的组中的块，对所回收的块进行擦除操作，并将其上的所有字节位重置。
举例来说，如图5所示为本发明实施例所举出的具体实例中组的动态收缩的示意图，图5中：所有的chunk均已分配，此时判断块数量达到了回收阈值，需要回收符合条件的已分配chunk，在该实例中回收阈值为0，也可以设置其他的回收阈值。
然后，扫描每个set的统计参数，判断是否存在达到组内块回收阈值的set，发现set 12符合达到组内块回收阈值的条件，那么回收该set12上的chunk5，并对回收的chunk5进行擦除操作，将其上的所有字节位重置。在该实施例中，组内块回收阈值可以设定成组内块的读写次数为1次，当然也可以设置成其他的数值。
通过以上方法实施例，就能够动态调整与磁盘区域关联的磁盘缓存组的大小，提高应用程序使用磁盘数据的缓存命中率，提高磁盘缓存的空间利用率，从而提高系统输入输出性能。
本发明实施例还提供了一种磁盘缓存的管理装置，如图6所示为本发明实施例所提供磁盘缓存的管理装置的结构示意图，所述管理装置包括：
磁盘缓存划分单元，用于将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中为每个所述组建立与磁盘内区域的映射，且第二个区域预留；具体实现过程见以上方法实施例中所述。
块组织单元，用于将第二区域的空间组织成一系列的块chunk，并设置所述块的大小；具体实现过程见以上方法实施例中所述。
组动态伸缩单元，用于利用所述块进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。具体实现过程见以上方法实施例中所述。
在具体实现过程中，所述组动态伸缩单元可包括：
组动态扩展模块，用于根据所述第一区域内各个组的统计参数，判断各个组是否满足分配块的条件；若判断其中一个组满足分配块的条件，则在所述第二区域内的未分配的块中选择空闲且读写次数低于设定阈值的块，将该块分配给所述满足分配块条件的组。具体实现过程见以上方法实施例中所述。
所述组动态伸缩单元可包括：
组动态收缩模块，用于判断所述第二区域所预留的块数量是否达到回收阈值，若达到，则扫描所述第一区域内各个组的统计参数，判断是否存在达到组内块回收阈值的组；若存在，则回收满足上述条件的组中的块，对所回收的块进行擦除操作，并将其上的所有字节位重置。具体实现过程见以上方法实施例中所述。
另外，所述块组织单元中还可包括：
参数记录模块，用于通过特定的元数据记录所述第二区域内的块是否已被分配、是否空闲，以及块的已读写次数。具体实现过程见以上方法实施例中所述。
所述磁盘缓存划分单元中还可包括：
组映射模块，用于将磁盘内的区域划分为若干个连续的区域，将磁盘内的第一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第一个组映射，将磁盘内的第二个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第二个组映射，以此类推，将磁盘内的最后一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的最后一个组映射。具体实现过程见以上方法实施例中所述。
值得注意的是，上述管理装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
综上所述，本发明实施例能够动态调整与磁盘区域关联的磁盘缓存组的大小，提高应用程序使用磁盘数据的缓存命中率，提高磁盘缓存的空间利用率，从而提高系统输入输出性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种磁盘缓存的管理方法，其特征在于，所述方法包括：
将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中为每个所述组建立与磁盘内区域的映射；
将第二区域的空间组织成一系列的块chunk；
设置所述块的大小，使所述块用于进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。
2.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述使所述块用于进行所述第一区域内的组的动态扩展，具体包括：
根据所述第一区域内各个组的统计参数，判断各个组是否满足分配块的条件；
若判断其中一个组满足分配块的条件，则在所述第二区域内未分配的块中选择空闲且读写次数低于设定阈值的块，将该块分配给所述满足分配块条件的组。
3.根据权利要求2所述的管理方法，其特征在于，所述各个组的统计参数，包括如下一个或多个：组中块的读次数，组中块的写次数，组的缓存命中率，组中脏块的数目。
4.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述使所述块用于进行所述第一区域内的组的动态收缩，具体包括：
判断所述第二区域内的块数量是否达到回收阈值，若达到，则扫描所述第一区域内各个组的统计参数，判断是否存在达到组内块回收阈值的组；
若存在，则回收满足上述条件的组中的块，对所回收的块进行擦除操作，并将其上的所有字节位重置。
5.根据权利要求1-4其中之一所述的管理方法，其特征在于，
通过特定的元数据记录所述第二区域内的块是否已被分配、是否空闲，以及块的已读写次数。
6.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述为每个所述组建立与磁盘内区域的映射，具体包括：
将磁盘内的区域划分为若干个连续的区域；
将磁盘内的第一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第一个组映射，将磁盘内的第二个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第二个组映射，以此类推，将磁盘内的最后一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的最后一个组映射。
7.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，具体包括：
将磁盘缓存划分成相邻的两个空间，其中，第一区域和第二区域相邻；
或，将磁盘缓存划分成交叉的多个空间，其中，第一区域和第二区域交叉分布。
8.一种磁盘缓存的管理装置，其特征在于，所述管理装置包括：
磁盘缓存划分单元，用于将磁盘缓存划分为第一区域和第二区域，第一区域用于在该磁盘缓存创建时生成预分配的若干个组set，其中为每个所述组建立与磁盘内区域的映射，且第二个区域预留；
块组织单元，用于将第二区域的空间组织成一系列的块chunk，并设置所述块的大小；
组动态伸缩单元，用于利用所述块进行所述第一区域内的组的动态扩展或收缩。
9.如权利要求8所述的管理装置，其特征在于，所述组动态伸缩单元包括：
组动态扩展模块，用于根据所述第一区域内各个组的统计参数，判断各个组是否满足分配块的条件；若判断其中一个组满足分配块的条件，则在所述第二个区域内未分配的块中选择空闲且读写次数低于设定阈值的块，将该块分配给所述满足分配块条件的组。
10.如权利要求8所述的管理装置，其特征在于，所述组动态伸缩单元包括：
组动态收缩模块，用于判断所述第二区域所预留的块数量是否达到回收阈值，若达到，则扫描所述第一区域内各个组的统计参数，判断是否存在达到组内块回收阈值的组；若存在，则回收满足上述条件的组中的块，对所回收的块进行擦除操作，并将其上的所有字节位重置。
11.如权利要求8所述的管理装置，其特征在于，所述块组织单元中还包括：
参数记录模块，用于通过特定的元数据记录所述第二区域内的块是否已被分配、是否空闲，以及块的已读写次数。
12.如权利要求8所述的管理装置，其特征在于，所述磁盘缓存划分单元中包括：
组映射模块，用于将磁盘内的区域划分为若干个连续的区域，将磁盘内的第一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第一个组映射，将磁盘内的第二个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的第二个组映射，以此类推，将磁盘内的最后一个区域与所述磁盘缓存内第一区域内预分配的最后一个组映射。
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