CN103530237A - 一种固态盘阵列的垃圾回收方法 - Google Patents

Abstract

一种固态盘阵列的垃圾回收方法，涉及计算机数据存储方法。在固态盘阵列上设置重定向数据映射表和四个功能模块：主控、垃圾回收控制、请求重定向和数据回收，包括初始化步骤、垃圾回收阶段、数据回收阶段和结束步骤等。当某一个正在处理垃圾回收操作的固态盘接收到用户读写请求时，本发明将读请求重定向到固态盘阵列中其他成员固态盘上并通过重构读机制获取读数据；将写请求重定向到热备盘也就是将数据写入到热备盘中，同时更新相应的校验信息；垃圾回收操作完成后，将被重定向到热备盘的写数据回收到固态盘阵列上正确的位置。减轻垃圾回收操作对固态盘阵列系统性能波动的影响，提高固态盘阵列的性能。

Description

一种固态盘阵列的垃圾回收方法

技术领域

本发明涉及计算机数据存储方法，尤其是涉及一种固态盘阵列的垃圾回收方法。

背景技术

作为一种主流的存储介质，磁盘已经广泛应用于个人电脑和企业级数据存储等领域，但是其机械特性限制了其读写性能的快速提升，基于磁盘的存储设备渐渐成为存储系统的性能“墙”。目前，基于闪存的固态盘已成为磁盘的有力替代品，并且得到了学术界和工业界的广泛关注。和磁盘相比，基于闪存的固态盘是一种半导体存储介质，没有机械部件，具有经久耐用、防震抗摔、无噪音、功耗低、工作温度范围大、随机小读性能高等优点；但是固态盘的容量价格比低，而且具有随机小写性能低、写前必须擦除和介质擦除次数有限等缺点。

基于闪存的固态盘包含3种基本操作：读、写和擦除。读和写都以页为单位进行操作；擦除以块为单位进行操作。一个块（块大小通常是128～256KB）一般包含64个页（页大小通常是2～4KB）。擦除操作的处理时间比读写操作处理时间大若干个数量级。若某个页已经存储有效数据就无法对该页直接进行覆盖写操作，因此固态盘处理写请求时不支持原地更新，而是采用异地更新的方法，也就是将原数据页的数据置为无效，将新数据写入到其他空闲页中。

由于基于闪存的固态盘采用异地更新的机制，随着系统的运行，固态盘中的空闲块会越来越少，无效数据页则越来越多，因此需要擦除这些包含无效数据页的块以获得新的空闲块，该操作称为“垃圾回收”。固态盘的垃圾回收过程是：首先选取待回收的块，将其上的有效数据页复制到空闲块中，并更新地址映射信息，然后擦除待回收块并将它们加入空闲块列表中。由此可见，垃圾回收操作需要消耗较多的时间。另外，当固态盘中的某个芯片正在处理垃圾回收操作时，无法同时处理来自用户的读写请求，此时该芯片接收到的读写请求都将被挂起，直到垃圾回收操作完成才能被处理。因此，垃圾回收操作的效率直接影响了固态盘存储系统的性能，这个问题已成为存储研究的热点之一。

另一方面，固态盘除了应用于桌面机外，也渐渐应用于服务器和企业级数据存储系统中。在企业级数据存储系统中，单个固态盘显然无法满足服务对存储系统容量、性能和可靠性的要求。因此，将磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disks，简称为RAID）算法应用到固态盘存储系统中，构建大容量、高性能和高可靠的存储系统非常有必要。

类似于磁盘阵列，固态盘阵列系统的性能也会受到阵列中性能最差的成员盘的影响。因此，单个固态盘的垃圾回收操作所引起的性能降低将使得固态盘阵列表现出严重的性能波动。若固态盘阵列的成员盘采用本地非协作的垃圾回收策略，固态盘阵列的性能将会出现严重的性能波动。若采用全局垃圾回收策略，垃圾回收操作引起的固态盘阵列性能波动可以得到一定程度的减轻。这是因为，当某个固态盘进行垃圾回收时，全局垃圾回收策略强制固态盘阵列中其他所有成员盘同时触发垃圾回收操作，从而降低了性能降级。但是采用全局垃圾回收策略后，固态盘阵列在垃圾回收过程中停止响应用户读写请求，整个固态盘阵列存储系统无法对外服务，这对于需要7×24h稳定提供服务的应用来说是无法接受的。另外，全局垃圾回收策略需要固态盘能够感知固态盘阵列的信息，并且只考虑了低可靠性的RAIS0系统，而没有考虑可靠性高且应用更加广泛的RAIS5系统及其冗余性，因此具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对RAIS5等冗余固态盘阵列，提供用于减轻垃圾回收操作对固态盘阵列系统性能波动负面影响的一种固态盘阵列的垃圾回收方法。

本发明包括以下步骤：

（1）初始化步骤，具体方法如下：

（1.1）根据用户指令，打开已有固态盘阵列或创建新固态盘阵列；

（1.2）主控模块读取保存在固态盘阵列成员盘超级块中的重定向数据映射表或创建该固态盘阵列的重定向数据映射表并初始化为空；进行步骤（2）；

（2）垃圾回收步骤，具体方法如下：

（2.1）垃圾回收控制模块主动收集固态盘阵列中每块成员固态盘的空闲空间比例，并与预设的阈值（如90%）比较，判断固态盘是否需要进行垃圾回收操作，若某个固态盘需要进行垃圾回收操作，则转过程（2.2），否则重复过程（2.1）；

（2.2）主控模块判断固态盘阵列中是否有其他固态盘正在进行垃圾回收操作，若有，则转过程（2.4）；

（2.3）主控模块主动触发垃圾回收控制模块进行该固态盘的垃圾回收操作，并将此信息通知给请求重定向模块，完成垃圾回收操作后，转步骤（4）；

（2.4）暂停处理该固态盘的垃圾回收操作，转过程（2.1）；

（3）垃圾回收阶段请求处理步骤，具体方法如下：

（3.1）等待上层用户读写请求，判断该请求是否需要由正在处理垃圾回收操作的固态盘响应，若是，则转过程（3.2），否则，查找映射表，判断所请求的数据是否已经被回收，若是，则转过程（3.7），否则转步骤（5）；

（3.2）判断该请求是否是写请求，若是，则转过程（3.3），否则转过程（3.4）；

（3.3）将本应写入正在处理垃圾回收操作的固态盘中的数据，写入固态盘阵列的热备盘中，同时更新相应的校验信息，并将数据映射信息记录在重定向数据映射表中，转过程（3.1）；

（3.4）根据重定向数据映射表判断读请求要读取的数据是否在热备盘中，若是，则转过程（3.5），否则转过程（3.6）；

（3.5）请求重定向模块将读请求发向热备盘，从热备盘读取数据，返回给用户，转过程（3.1）；

（3.6）请求重定向模块将读请求发向固态盘阵列，读取其他未处理垃圾回收操作的固态盘上的数据，利用RAIS5自身的冗余特性动态重构出正在处理垃圾回收操作的固态盘上的数据，并返回给用户；转过程（3.1）；

（3.7）按固态盘阵列的正常算法响应读写请求；转过程（3.1）；

（4）数据回收步骤，当对应固态盘的垃圾回收操作完成后，数据回收模块扫描重定向数据映射表，具体方法如下：

（4.1）数据回收模块判断重定向数据映射表是否为空，若是，则数据回收结束，转步骤（2），否则转过程（4.2）；

（4.2）数据回收模块从重定向数据映射表中取出一条映射信息，从热备盘中读取该映射信息对应的数据并写回到固态盘阵列的正确位置中；

（4.3）数据回收模块将该映射信息从重定向数据映射表中删除，转过程（4.1）；

（5）数据回收阶段请求处理步骤，具体方法如下：

（5.1）数据回收模块判断数据回收是否结束，若是，则本步骤结束，转步骤（3），否则等待上层用户读写请求，判断其类型，读请求转过程（5.2），写请求转过程（5.5）；

（5.2）请求重定向模块根据重定向数据映射表判断该读请求所需要的数据是否在热备盘中，若是，则转过程（5.3），否则转过程（5.4）；

（5.3）请求重定向模块将读请求发向热备盘，从热备盘读取数据，返回给用户，转过程（5.1）；

（5.4）请求重定向模块将读请求发向固态盘阵列，从固态盘阵列读取数据，返回给用户，转过程（5.1）；

（5.5）请求重定向模块判断该写请求是否命中重定向数据映射表，若是，则转过程（5.6），否则转过程（5.7）；

（5.6）请求重定向模块将该写请求所命中的映射信息从重定向数据映射表中删除，继续过程（5.7）；

（5.7）请求重定向模块将该写请求中的数据写入到固态盘阵列，同时更新相应的校验信息，转过程（5.1）；

（6）当用户发出指令关闭固态盘阵列时，进行结束步骤，具体方法如下：

（6.1）关闭固态盘阵列之前，主控模块将重定向数据映射表保存到固态盘阵列各成员盘的超级块中；

（6.2）关闭固态盘阵列设备，释放相关的资源。

本发明由初始化步骤、垃圾回收阶段、数据回收阶段和结束步骤等顺序组成，固态盘阵列上设置四个功能模块：主控模块、垃圾回收控制模块、请求重定向模块、数据回收模块和重定向数据映射表。所述垃圾回收阶段包括并行的垃圾回收步骤和垃圾回收阶段请求处理步骤，数据回收阶段包括并行的数据回收步骤和数据回收阶段请求处理步骤。

所述重定向数据映射表包括M条映射信息，每条映射信息由3个数据项构成：各数据项依次为被重定向数据在固态盘阵列的块偏移地址、被重定向数据在热备盘上的块偏移地址、被重定向数据的长度；M为大于等于0的自然数。

本发明基于充分利用固态盘的高随机读性能特性和固态盘阵列中的热备盘（通常备用于数据重建等后台任务），保证任意时刻只有一个固态盘在处理垃圾回收操作，从而降低垃圾回收操作对固态盘阵列系统性能的负面影响。当某一个正在处理垃圾回收操作的固态盘接收到用户读写请求时，本发明的一种固态盘阵列的垃圾回收方法将读请求重定向到固态盘阵列中其他成员固态盘上并通过重构读机制获取读数据；将写请求重定向到热备盘也就是将数据写入到热备盘中，同时更新相应的校验信息；垃圾回收操作完成后，将被重定向到热备盘的写数据回收到固态盘阵列上正确的位置。本发明通过挖掘固态盘的高随机读性能特性和固态盘阵列系统中的热备盘来减轻垃圾回收操作对固态盘阵列系统性能波动的影响，提高固态盘阵列的性能。

另外，本发明能够和固态盘阵列功能模块协同工作，并且可以被嵌入到现有的固态盘阵列系统中，包括硬件和软件固态盘阵列系统。适用于构造具有高性能、高可用性和高可靠性的固态盘存储系统。

具体实施方式

下面以固态盘阵列级别5为例，对本发明作进一步的说明。

本发明各步骤关系如下：初始化步骤完成后进入循环的垃圾回收阶段（即并行的垃圾回收步骤和垃圾回收阶段的请求处理步骤）和数据回收阶段（即并行的数据回收步骤和数据回收阶段的请求处理步骤），当用户发出关闭指令时，进入结束步骤。

在重定向数据映射表中，每条映射信息由3个数据项构成；各数据项依次为被重定向数据在固态盘阵列的块偏移地址D、被重定向数据在热备盘上的块偏移地址S、被重定向数据的长度L。

初始化步骤的具体操作如下：

根据用户指令，打开已有固态盘阵列或创建新固态盘阵列，主控模块判断该固态盘阵列是否为创建的新固态盘阵列，若是，则创建该固态盘阵列的重定向数据映射表并初始化为空，否则读取保存在固态盘阵列成员盘超级块中的重定向数据映射表的映射信息到内存中。

垃圾回收步骤的具体操作如下：

垃圾回收控制模块主动收集固态盘阵列中每块成员固态盘的空闲空间比例，并与预设的阈值（如90%）比较，判断固态盘是否需要进行垃圾回收操作，若没有固态盘需要进行垃圾回收操作，则重新收集固态盘的空闲空间比例并判断固态盘是否需要进行垃圾回收操作；否则，主控模块继续判断固态盘阵列中是否有其他固态盘正在进行垃圾回收操作，若有，则暂停处理该固态盘的垃圾回收操作，重新收集固态盘的空闲空间比例并判断固态盘是否需要进行垃圾回收操作；否则主控模块主动触发垃圾回收控制模块进行该固态盘的垃圾回收操作，并将此信息通知给请求重定向模块，完成垃圾回收操作。

垃圾回收阶段的请求处理步骤的具体操作如下：

请求重定向模块等待上层用户读写请求，判断该请求是否需要由正在处理垃圾回收操作的固态盘响应，若请求不需要由正在处理垃圾回收操作的固态盘响应，则按固态盘阵列的正常算法响应读写请求；否则判断该请求是否是写请求，若是，则将本应写入正在处理垃圾回收操作的固态盘中的数据，写入固态盘阵列的热备盘中，同时更新相应的校验信息，并将数据映射信息记录在重定向数据映射表中；否则根据重定向数据映射表判断读请求要读取的数据是否在热备盘中，若是，则请求重定向模块将读请求发向热备盘，从热备盘读取数据，返回给用户；否则请求重定向模块将读请求发向固态盘阵列，读取其他未处理垃圾回收操作的固态盘上的数据，利用RAIS5自身的冗余特性动态重构出正在处理垃圾回收操作的固态盘上的数据，并返回给用户。

数据回收步骤的具体操作如下：

数据回收模块扫描重定向数据映射表，判断重定向数据映射表是否为空，若是，则数据回收结束；否则数据回收模块从重定向数据映射表中取出一条映射信息，从热备盘中读取该映射信息对应的数据并写回到固态盘阵列的正确位置中，数据回收模块将该映射信息从重定向数据映射表中删除，继续判断重定向数据映射表是否为空。

数据回收阶段的请求处理步骤的具体操作如下：

请求重定向模块等待上层用户读写请求，判断其类型，若该请求是读请求，则请求重定向模块根据重定向数据映射表判断该读请求所需要的数据是否在热备盘中，若是，则请求重定向模块将读请求发向热备盘，从热备盘读取数据，返回给用户；否则请求重定向模块将读请求发向固态盘阵列，从固态盘阵列读取数据，返回给用户；若该请求是写请求，则请求重定向模块判断该写请求是否命中重定向数据映射表，若是，则请求重定向模块将该写请求所命中的映射信息从重定向数据映射表中删除，并将该写请求中的数据写入到固态盘阵列，同时更新相应的校验信息；否则请求重定向模块将该写请求中的数据写入到固态盘阵列，同时更新相应的校验信息。

结束步骤的具体操作如下：主控模块将重定向数据映射表保存到固态盘阵列各成员固态盘的超级块中，然后关闭该固态盘阵列设备，释放相关的资源。

本发明中，将固态盘阵列简称为RAIS（Redundant Array of Independent SSDs）；由于不同级别的磁盘阵列简称为RAID0、RAID5等，因此本发明将不同级别的固态盘阵列对应地简称为RAIS0、RAIS5等。

Claims (2)

1.一种固态盘阵列的垃圾回收方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）初始化步骤，具体方法如下：

（1.1）根据用户指令，打开已有固态盘阵列或创建新固态盘阵列；

（1.2）主控模块读取保存在固态盘阵列成员盘超级块中的重定向数据映射表或创建该固态盘阵列的重定向数据映射表并初始化为空；进行步骤（2）；

（2）垃圾回收步骤，具体方法如下：

（2.1）垃圾回收控制模块主动收集固态盘阵列中每块成员固态盘的空闲空间比例，并与预设的阈值比较，判断固态盘是否需要进行垃圾回收操作，若某个固态盘需要进行垃圾回收操作，则转过程（2.2），否则重复过程（2.1）；

（2.2）主控模块判断固态盘阵列中是否有其他固态盘正在进行垃圾回收操作，若有，则转过程（2.4）；

（2.3）主控模块主动触发垃圾回收控制模块进行该固态盘的垃圾回收操作，并将此信息通知给请求重定向模块，完成垃圾回收操作后，转步骤（4）；

（2.4）暂停处理该固态盘的垃圾回收操作，转过程（2.1）；

（3）垃圾回收阶段请求处理步骤，具体方法如下：

（3.1）等待上层用户读写请求，判断该请求是否需要由正在处理垃圾回收操作的固态盘响应，若是，则转过程（3.2），否则，查找映射表，判断所请求的数据是否已经被回收，若是，则转过程（3.7），否则转步骤（5）；

（3.2）判断该请求是否是写请求，若是，则转过程（3.3），否则转过程（3.4）；

（3.3）将本应写入正在处理垃圾回收操作的固态盘中的数据，写入固态盘阵列的热备盘中，同时更新相应的校验信息，并将数据映射信息记录在重定向数据映射表中，转过程（3.1）；

（3.4）根据重定向数据映射表判断读请求要读取的数据是否在热备盘中，若是，则转过程（3.5），否则转过程（3.6）；

（3.5）请求重定向模块将读请求发向热备盘，从热备盘读取数据，返回给用户，转过程（3.1）；

（3.6）请求重定向模块将读请求发向固态盘阵列，读取其他未处理垃圾回收操作的固态盘上的数据，利用RAIS5自身的冗余特性动态重构出正在处理垃圾回收操作的固态盘上的数据，并返回给用户；转过程（3.1）；

（3.7）按固态盘阵列的正常算法响应读写请求；转过程（3.1）；

（4）数据回收步骤，当对应固态盘的垃圾回收操作完成后，数据回收模块扫描重定向数据映射表，具体方法如下：

（4.1）数据回收模块判断重定向数据映射表是否为空，若是，则数据回收结束，转步骤（2），否则转过程（4.2）；

（4.2）数据回收模块从重定向数据映射表中取出一条映射信息，从热备盘中读取该映射信息对应的数据并写回到固态盘阵列的正确位置中；

（4.3）数据回收模块将该映射信息从重定向数据映射表中删除，转过程（4.1）；

（5）数据回收阶段请求处理步骤，具体方法如下：

（5.1）数据回收模块判断数据回收是否结束，若是，则本步骤结束，转步骤（3），否则等待上层用户读写请求，判断其类型，读请求转过程（5.2），写请求转过程（5.5）；

（5.2）请求重定向模块根据重定向数据映射表判断该读请求所需要的数据是否在热备盘中，若是，则转过程（5.3），否则转过程（5.4）；

（5.3）请求重定向模块将读请求发向热备盘，从热备盘读取数据，返回给用户，转过程（5.1）；

（5.4）请求重定向模块将读请求发向固态盘阵列，从固态盘阵列读取数据，返回给用户，转过程（5.1）；

（5.5）请求重定向模块判断该写请求是否命中重定向数据映射表，若是，则转过程（5.6），否则转过程（5.7）；

（5.6）请求重定向模块将该写请求所命中的映射信息从重定向数据映射表中删除，继续过程（5.7）；

（5.7）请求重定向模块将该写请求中的数据写入到固态盘阵列，同时更新相应的校验信息，转过程（5.1）；

（6）当用户发出指令关闭固态盘阵列时，进行结束步骤，具体方法如下：

（6.1）关闭固态盘阵列之前，主控模块将重定向数据映射表保存到固态盘阵列各成员盘的超级块中；

（6.2）关闭固态盘阵列设备，释放相关的资源。

2.如权利要求1所述一种固态盘阵列的垃圾回收方法，其特征在于所述重定向数据映射表包括M条映射信息，每条映射信息由3个数据项构成：各数据项依次为被重定向数据在固态盘阵列的块偏移地址、被重定向数据在热备盘上的块偏移地址、被重定向数据的长度；M为≥0的自然数。