CN103678166A - 一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法及系统 - Google Patents
一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明适用于存储领域，提供了一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法及系统。该方法包括：建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表；将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中；固态硬盘接收I/O操作请求，I/O操作请求包括待操作磁盘物理地址；从内存以及固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。借此，本发明能减少对系统内存的占用，在牺牲较小性能的情况下来减轻系统整体的负担，获取系统整体性能上的提升。
Description
技术领域
本发明涉及存储领域，更具体地说是涉及一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法及系统。
背景技术
固态硬盘（Solid State Disk,SSD）是一种建立在标准NAND Flash等非挥发存储介质基础上的新一代存储设备，完全半导体化，无机械结构，具有低功耗、无噪音、抗震动、低热量等特点，不存在磁盘寻道时间，数据存取速度快，数据吞吐量能和IOPS能达到传统硬盘的数千倍。缓存软件是一种利用较小容量较快速度的存储器来给较大容量速度较慢的存储器做为缓存的一种软件实现方案，根据程序局部性原理，经常使用的数据只占整体数据的很少一部分，因此缓存软件能给应用带来较快的响应速度。缓存软件在计算机系统中应用非常普遍，例如CPU缓存，文件系统缓存等。
在现有技术中，常采用固态硬盘作为缓存来加速磁盘，以获取更快的读写，提升应用的响应速度。固态硬盘作为缓存使用时，需要缓存软件的配合。缓存软件在运行时需要保存固态硬盘与硬盘之间的映射关系，由于映射关系需要经常的查询或修改，通常是保存在系统内存中。由于映射关系表占用内存过大，通常从几百兆到几个G不等，这给系统带来沉重的负担。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法及系统，可以减少对系统内存的占用，在牺牲较小性能的情况下来减轻系统整体的负担，获取系统整体性能上的提升。
为了实现上述目的，本发明提供一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法，包括：
建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表；
将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中；
所述固态硬盘接收I/O操作请求，所述I/O操作请求包括待操作磁盘物理地址；
从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。
根据本发明的实现方法，“从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址，”的步骤包括：
根据所述待操作磁盘物理地址从所述内存中保存的缓存地址映射表中查找与该磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址；
若所述内存中保存的缓存地址映射表中未保存与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则从所述固态硬盘中查找所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址。
根据本发明的实现方法，“从所述固态硬盘中查找所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址”的步骤之后还包括，
将从所述固态硬盘中查找到的与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系读取至所述内存中，放入哈希桶进行管理。
根据本发明的实现方法，“从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址”的步骤之后包括：
根据该固态硬盘物理地址在所述固态硬盘中进行I/O操作。
根据本发明的实现方法，所述实现方法还包括：
当某个缓存地址映射关系的热度降低时，将该缓存地址映射关系放在哈希桶队列的尾部，当有I/O读写操作请求需要新的缓存地址映射关系时则将该哈希桶队列尾部的缓存地址映射关系删除。
本发明相应提供一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现系统，所述系统包括：
映射表建立模块，用于建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表；
映射表保存模块；用于将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中；
I/O请求接收模块，用于接收I/O操作请求，所述I/O操作请求包括待操作磁盘物理地址；
查找模块，用于从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。
根据本发明的实现系统，所述查找模块还用于根据所述待操作磁盘物理地址从所述内存中保存的缓存地址映射表中查找与该磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址；
若所述内存中保存的缓存地址映射表中未保存与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则从所述固态硬盘中查找所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址。
根据本发明的实现系统，所述系统还包括映射表管理模块，用于将从所述固态硬盘中查找到的与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系读取至所述内存中，放入哈希桶进行管理。
根据本发明的实现系统，所述系统还包括I/O操作模块，用于根据该固态硬盘物理地址在所述固态硬盘中进行I/O操作。
根据本发明的实现系统，所述映射表管理模块还用于当某个缓存地址映射关系的热度降低时，将该缓存地址映射关系放在哈希桶队列的尾部，当有I/O读写操作请求需要新的缓存地址映射关系时则将该哈希桶队列尾部的缓存地址映射关系删除。
本发明通过建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表，将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中，接收I/O操作请求时，从内存以及固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。本发明采用动态的方法来管理映射表，在建立映射表的初期只分配所需内存的1/N（即按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中），在运行过程中根据数据的热度不同，将映射表调入内存或存入SSD固定区域，以此来减少对系统内存的占用，本发明能在牺牲较小性能的情况下来减轻系统整体的负担，获取系统整体性能上的提升。
附图说明
图1为本发明一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现系统的原理框图；
图2为本发明一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法的流程图；
图3为本发明一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法一种应用实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现系统100，包括映射表建立模块10、映射表保存模块20、I/O请求接收模块30、查找模块40、映射表管理模块50以及I/O操作模块60。该实现系统100以软件形式内置于固态硬盘和\或系统内存中。
映射表建立模块10，用于将建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表。由于采用固态硬盘作为缓存，需要建立固态硬盘和磁盘之间的物理地址映射关系，从而在数据存取时，直接从固态硬盘中进行数据操作，以提高数据存取速度。
映射表保存模块20；用于将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中。由于映射关系表过大，通常从几百兆到几个G不等，因此本发明全部的缓存地址映射表保存在固态硬盘中，而仅仅将其中热点数据对应的映射关系复制到内存中，一方面提高映射表的查找速度，另一方面避免给系统带来较大负担。并且由于对数据进行操作过程中，需要修改缓存映射关系，因此也需要根据内存中的缓存映射关系来实时更新固态硬盘中保存的缓存地址映射表。在系统断电时，也可更具固态硬盘中的缓存映射表来进行数据恢复。
I/O请求接收模块30，用于接收I/O操作请求，I/O操作请求包括待操作磁盘物理地址。
查找模块40，用于从内存以及固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。具体的，查找模块40根据待操作磁盘物理地址首先从内存中保存的缓存地址映射表中查找与该磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，若找到，则根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址；若内存中保存的缓存地址映射表中未保存与待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则从固态硬盘中查找待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址。
映射表管理模块50，用于将从固态硬盘中查找到的与待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系读取至内存中，放入哈希桶进行管理。另外映射表管理模块50还用于当某个缓存地址映射关系的热度降低时，将该缓存地址映射关系放在哈希桶队列的尾部，当有I/O读写操作请求需要新的缓存地址映射关系时则将该哈希桶队列尾部的缓存地址映射关系删除。从而在运行过程中将热度高的数据对应的映射关系调入内存中，热度低的数据对应的缓存映射关系从内存中删除，以此来减少对系统内存的占用。
I/O操作模块60，用于根据该固态硬盘物理地址在固态硬盘中进行I/O操作。从固态硬盘中进行数据I/O操作，从而使得固态硬盘起到了缓存的作用。
本专利利用数据局部性原理，在分配缓存软件映射表时，只将部分逻辑物理地址映射表分配至内存，其他部分的逻辑物理地址映射表保存至固态硬盘，系统后台根据数据的热度来决定将哪些映射表保存到SSD盘，当有IO进行读写时首先在内存中进行映射表的查找，如果找到映射表则继续IO操作，如果没有找到相应的映射表，则将对应地址的映射表从SSD中读取并存入到内存中，并放入哈希桶进行管理。
在一个实施例中，在系统初始运行时候，由于系统中还没有热点数据，可将缓存地址映射表的前面部分放置内存中，并且由于固态硬盘中并未缓存数据，因此固态硬盘中的缓存地址映射表也是无效的。系统运行时，当系统接收到带有待操作磁盘物理地址的I/O请求时，系统首先从内存中保存的缓存地址映射表查找待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，若找到，则根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址，从固态硬盘中进行数据存取。若内存中保存的缓存地址映射表中未保存与待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则从固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址，然后从固态硬盘中进行数据存取，并且将该缓存地址映射关系（也可以是该缓存地址映射关系对应的一个缓存映射页表）读取到内存中放入哈希桶进行管理，将内存中热度低的数据对应的缓存映射关系进行删除。若固态硬盘中也未保存该待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则根据该待操作磁盘物理地址从磁盘中读取数据至内存中进行操作，并将该数据写入固态硬盘中进行缓存，建立新的缓存地址映射关系，当下一次对该数据进行操作时，就可从固态硬盘中进行数据存取，从而提高了数据存取速度。另外由于固态硬盘中的容量有限，需要建立淘汰机制，将旧的数据从固态硬盘中淘汰，该淘汰机制并非本发明重点，在此不再详述，可参考现有技术。
如图2所示，本发明相应提供一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法，其通过如图1所示的系统实现，该方法包括：
步骤S201，建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表。本步骤通过映射表建立模块10实现。
步骤S202，将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中。本步骤通过映射表保存模块20实现。
步骤S203，固态硬盘接收I/O操作请求，所述I/O操作请求包括待操作磁盘物理地址。本步骤通过I/O请求接收模块30实现。
步骤S204，从内存以及固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。本步骤通过查找模块40实现。
优选的是步骤S204包括：根据待操作磁盘物理地址从内存中保存的缓存地址映射表中查找与该磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址；若所述内存中保存的缓存地址映射表中未保存与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则从所述固态硬盘中查找所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址。将从固态硬盘中查找到的与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系读取至内存中，放入哈希桶进行管理。
优选的是，步骤S204之后还包括：根据该固态硬盘物理地址在固态硬盘中进行I/O操作。
优选的是，该方法还包括：当某个缓存地址映射关系的热度降低时，将该缓存地址映射关系放在哈希桶队列的尾部，当有I/O读写操作请求需要新的缓存地址映射关系时则将该哈希桶队列尾部的缓存地址映射关系删除。
图3是本发明采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法一种应用实施例的流程图，该流程包括：
步骤S301，接收I/O读写操作请求，I/O读写操作请求包括待操作磁盘物理地址。本步骤通过I/O请求接收模块实现。
步骤S302：从内存中保存的缓存地址映射表中查找与待操作该磁盘物理地址对应的缓存映射关系。
步骤S303，判断是否找到该缓存映射关系，若是则进入步骤S307，否则进入步骤S304。
步骤S304，从固态硬盘的缓存地址映射表中查找该待操作该磁盘物理地址对应的缓存映射关系。
步骤S305，判断是否在固态硬盘的缓存地址映射表中找到该缓存映射关系，若是则进入步骤S308，否则进入步骤S306。
步骤S306，根据该待操作磁盘物理地址从磁盘中读取数据到内存中进行操作，并将该数据写入固态硬盘中，建立新的缓存映射关系。
步骤S307，根据该缓存映射关系获取相应的固态硬盘物理地址，并根据该固态硬盘地址从固态硬盘中进行数据存取。
综上所述，本发明将逻辑物理地址映射表按比例分配至内存以及固态硬盘中，当接收I/O读写操作请求时；从所述内存以及所述固态硬盘中保存的逻辑物理地址映射表的查找该I/O逻辑地址对应的物理地址。并采用动态的方法来管理映射表，在建立映射表的初期只分配所需内存的1/N，在运行过程中根据数据的热度不同，将映射表调入内存或存入SSD固定区域，以此来减少对系统内存的占用，本发明能在牺牲较小性能的情况下来减轻系统整体的负担，获取系统整体性能上的提升。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现方法，其特征在于，包括：
建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表；
将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中；
所述固态硬盘接收I/O操作请求，所述I/O操作请求包括待操作磁盘物理地址；
从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。
2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，“从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址，”的步骤包括：
根据所述待操作磁盘物理地址从所述内存中保存的缓存地址映射表中查找与该磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址；
若所述内存中保存的缓存地址映射表中未保存与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则从所述固态硬盘中查找所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址。
3.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，“从所述固态硬盘中查找所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址”的步骤之后还包括，
将从所述固态硬盘中查找到的与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系读取至所述内存中，放入哈希桶进行管理。
4.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，“从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址”的步骤之后包括：
根据该固态硬盘物理地址在所述固态硬盘中进行I/O操作。
5.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述实现方法还包括：
当某个缓存地址映射关系的热度降低时，将该缓存地址映射关系放在哈希桶队列的尾部，当有I/O读写操作请求需要新的缓存地址映射关系时则将该哈希桶队列尾部的缓存地址映射关系删除。
6.一种采用固态硬盘作为计算机高速缓存的实现系统，其特征在于，所述系统包括：
映射表建立模块，用于建立磁盘与作为缓存的固态硬盘之间的缓存地址映射表；
映射表保存模块；用于将该缓存地址映射表保存至固态硬盘中，并按预设比例将部分缓存地址映射表复制至内存中；
I/O请求接收模块，用于接收I/O操作请求，所述I/O操作请求包括待操作磁盘物理地址；
查找模块，用于从所述内存以及所述固态硬盘中保存的缓存地址映射表查找该待操作磁盘物理地址对应的固态硬盘物理地址。
7.根据权利要求6所述的实现系统，其特征在于，所述查找模块还用于根据所述待操作磁盘物理地址从所述内存中保存的缓存地址映射表中查找与该磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址；
若所述内存中保存的缓存地址映射表中未保存与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，则从所述固态硬盘中查找所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系，并根据该缓存地址映射关系获取对应的固态硬盘物理地址。
8.根据权利要求7所述的实现系统，其特诊在于，所述系统还包括映射表管理模块，用于将从所述固态硬盘中查找到的与所述待操作磁盘物理地址对应的缓存地址映射关系读取至所述内存中，放入哈希桶进行管理。
9.根据权利要求6所述的实现系统，其特征在于，所述系统还包括I/O操作模块，用于根据该固态硬盘物理地址在所述固态硬盘中进行I/O操作。
10.根据权利要求6所述的实现系统，其特征在于，所述映射表管理模块还用于当某个缓存地址映射关系的热度降低时，将该缓存地址映射关系放在哈希桶队列的尾部，当有I/O读写操作请求需要新的缓存地址映射关系时则将该哈希桶队列尾部的缓存地址映射关系删除。
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