CN106557431A - 一种用于多路顺序流的预读方法及装置 - Google Patents

一种用于多路顺序流的预读方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多路顺序流的预读方法及装置，该方法包括：将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用所述链表将每一路的缓存数据互相隔离。该方法中，所有的预取区域以LRU方式形成一个固定长度的链表，当出现多路顺序读时，每一路的缓存数据与其他几路的缓存数据会自然隔离开来，从而达到有效地提高读缓存命中率的目的，进而极大地提高缓存性能。

Description

一种用于多路顺序流的预读方法及装置
技术领域
本发明涉及存储系统缓存技术领域，特别是涉及一种用于多路顺序流的预读方法及装置。
背景技术
目前，在存储系统中，预读可以有效地减少磁盘的寻道次数，能够有效地改善系统的性能。在单路顺序流情景下，通过预读窗口算法可以有效地提高命中率；但是在多路顺序流的情况下，仅通过窗口算法无法达到有效预读的目的。在存储系统的体系结构中，所有的存储设备都被有效地管理形成多个存储池。存储设备可以直接连接到存储系统，也可以通过网络连接到存储系统；可以是固态盘，也可以是不同转速的硬盘。存储系统通过在存储池上分配逻辑卷映射给主机使用。
当主机下发读请求时，无论是那种方式的存储设备，都需要在发送给主机之前先将数据从存储设备读取到缓存中。预读算法的出现极大地提高了存储系统的性能，它利用数据访问的局部性特点，能够预先将读请求需要的数据保存在缓存中，缓存命中时，无需再从磁盘上读取数据。但是，随着存储系统越来越大，越来越复杂，简单的预读算法已经无法满足多路顺序读的情况，缓存性能较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于多路顺序流的预读方法及装置，以实现提高缓存性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于多路顺序流的预读方法，该方法包括：
将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；
建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；
当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用所述链表将每一路的缓存数据互相隔离。
优选的，所述预取区域结构体中的定义参数包括双向链表、单向链表、读计数、命中的数据量、热度以及有效性。
优选的，所述方法还包括：
当接收到主机读请求时，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域。
优选的，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域之后，还包括：
获取请求数据所在的预取区域的权重值，依据所述权重值计算请求数据的预读量。
本发明还提供一种用于多路顺序流的预读装置，该装置包括：
划分模块，用于将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；
链表生成模块，用于建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；
数据隔离模块，用于当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用所述链表将每一路的缓存数据互相隔离。
优选的，所述预取区域结构体中的定义参数包括双向链表、单向链表、读计数、命中的数据量、热度、以及有效性。
优选的，所述装置还包括：
定位模块，用于当接收到主机读请求时，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域。
优选的，所述装置还包括：
计算模块，用于获取请求数据所在的预取区域的权重值，依据所述权重值计算请求数据的预读量。
本发明所提供的一种用于多路顺序流的预读方法及装置，将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用所述链表将每一路的缓存数据互相隔离。可见，整个地址空间被划分为一个个相同大小的预取区域，每一路顺序流的预取数据不受其他路顺序流的影响，所有的预取区域以LRU方式形成一个固定长度的链表，当出现多路顺序读时，每一路的缓存数据与其他几路的缓存数据会自然隔离开来，从而达到有效地提高读缓存命中率的目的，进而极大地提高缓存性能，因此本发明能够高效地缓存数据，提高缓存命中率，从而提升整个存储系统的性能。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种用于多路顺序流的预读方法的流程图；
图2为预取区域结构体示意图；
图3为预取区域LRU链表示意图；
图4为预取区域哈希表示意图；
图5为本发明所提供的一种用于多路顺序流的预读装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于多路顺序流的预读方法及装置，以实现提高缓存性能。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种用于多路顺序流的预读方法的流程图，该方法包括：
S11：将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；
S12：建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；
S13：当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用链表将每一路的缓存数据互相隔离。
可见，整个地址空间被划分为一个个相同大小的预取区域，每一路顺序流的预取数据不受其他路顺序流的影响，所有的预取区域以LRU方式形成一个固定长度的链表，当出现多路顺序读时，每一路的缓存数据与其他几路的缓存数据会自然隔离开来，从而达到有效地提高读缓存命中率的目的，进而极大地提高缓存性能，因此该方法能够高效地缓存数据，提高缓存命中率，从而提升整个存储系统的性能。
基于上述方法，具体的，预取区域结构体中的定义参数包括双向链表、单向链表、读计数、命中的数据量、热度以及有效性。
其中，整个地址空间划分为大小相同的预取区域，预取区域称为PrefetchRegion，PrefetchRegion的结构体即预取区域结构体如下：
预取区域结构体中定义了双向链表节点listNode，通过此节点组织LRU链表；定义了单向链表节点hashNode，通过此节点组织Hash表，用于快速查找预取区域。结构体中还定义了预取区域的热度与有效性，通过两者可以计算出预取区域的权重值Weight。
其中，预取区域的热度是指此区域上的读计数(readCount)除以总地址空间上的读计数；预取区域的有效性是指在此区域预先读取的数据中，命中过的数据量(effectivePages)除以预先读取的数据量。
进一步的，所述方法还包括：当接收到主机读请求时，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域。以哈希表的方式快速定位预取区域，极大地缓解了检索LRU链表带来的耗时问题。
其中，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域之后，获取请求数据所在的预取区域的权重值，依据权重值计算请求数据的预读量。根据请求数据所在预取区域的权重值来确定预读量的大小，计算式为：预读量＝触发此次预读的读操作访问的地址空间大小*weight。
所有的预取区域以LRU方式形成一个固定长度的链表，当出现多路顺序读时，每一路的缓存数据与其他几路的缓存数据会自然隔离开来，从而达到有效地提高读缓存命中率的目的，进而极大地提高缓存性能。对于权重weight的计算，表1为一种典型的预取区域权重计算表。
表1
表1为一种典型的预取区域权重计算方法。权重值的大小直接影响预读量的大小，它根据热度值分三种情况处理。当热度值为0时，不管有效性如何，权重值为0。
当热度值大于50％时，分三种情况处理：如果有效性低于13％，根据读计数值计算权重值，假如读计数值为16的倍数则为1，否则为0，保证低有效性情况下也有预读产生；如果有效性高于等于13％并且低于30％，权重值为1；如果有效性高于等于30％并且低于52％，权重值为4；如果有效性高于等于52％，权重值为8。
当热度值小于等于50％时，也分三种情况处理：如果有效性低于13％，假如读计数值为16的倍数则为1，否则为0，保证低有效性情况下也有预读产生；如果有效性高于等于13％并且低于30％，权重值为1；如果有效性高于等于30％并且低于52％，权重值为2；如果有效性高于等于52％，权重值为4。
图2为预取区域结构体示意图，图3为预取区域LRU链表示意图，结合图2和图3，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表就是LRU链表，LRU(Least RecentlyUsed，近期最少使用算法)为内存管理的一种页面置换算法，预取区域被组织到LRU链表中，链表的长度在初始化时被设置，它是固定不变的。当接收到主机的读请求时，它所关联的预取区域将被添加到LRU链表的头部，它的热度和有效性将被不断更新，其中预取区域结构体，PrefetchRegion中的lruNode成员用于链接LRU链表。同时，处于LRU链表尾部的预取区域将被移除LRU链表，相关的热度和有效性将被清除。当LRU链表中的某个预取区域被命中时，它将被移到LRU链表的头部。
图4为预取区域哈希表示意图，结合图2和图4，考虑到预取区域是以LRU链表组织的，当接收到读请求需要定位某个预取区域时，链表的查找时间会很长，因此需要有另外的机制保证查找性能，有效的解决方案就是使用哈希表组织预取区域，那么定位预取区域的速度会有极大的提升，其中预取区域结构体PrefetchRegion中的hashNode成员用于组织哈希表，当出现哈希冲突时，使用简单的链表方式解决。
请参考图5，图5为本发明所提供的一种用于多路顺序流的预读装置的结构示意图，该装置包括：
划分模块101，用于将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；
链表生成模块102，用于建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；
数据隔离模块103，用于当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用链表将每一路的缓存数据互相隔离。
可见，整个地址空间被划分为一个个相同大小的预取区域，每一路顺序流的预取数据不受其他路顺序流的影响，所有的预取区域以LRU方式形成一个固定长度的链表，当出现多路顺序读时，每一路的缓存数据与其他几路的缓存数据会自然隔离开来，从而达到有效地提高读缓存命中率的目的，进而极大地提高缓存性能，因此该装置能够高效地缓存数据，提高缓存命中率，从而提升整个存储系统的性能。
基于上述装置，具体的，预取区域结构体中的定义参数包括双向链表、单向链表、读计数、命中的数据量、热度以及有效性。
预取区域结构体中定义了双向链表节点listNode，通过此节点组织LRU链表；定义了单向链表节点hashNode，通过此节点组织Hash表，用于快速查找预取区域。结构体中还定义了预取区域的热度与有效性，通过两者可以计算出预取区域的权重值Weight。
其中，预取区域的热度是指此区域上的读计数(readCount)除以总地址空间上的读计数；预取区域的有效性是指在此区域预先读取的数据中，命中过的数据量(effectivePages)除以预先读取的数据量。
进一步的，所述装置还包括：定位模块，用于当接收到主机读请求时，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域。以哈希表的方式快速定位预取区域，极大地缓解了检索LRU链表带来的耗时问题。
进一步的，所述装置还包括：计算模块，用于获取请求数据所在的预取区域的权重值，依据权重值计算请求数据的预读量。根据请求数据所在预取区域的权重值来确定预读量的大小，计算式为：预读量＝触发此次预读的读操作访问的地址空间大小*weight。
在存储系统中，使用简单的预取算法无法满足多路顺序读的情况，而本发明中，整个地址空间被划分为一个个相同大小的预取区域，每一路顺序流的预取数据不受其他路顺序流的影响，并且以哈希表的方式快速定位预取区域，极大地缓解了检索LRU链表带来的耗时问题。
综上，本发明所提供的一种用于多路顺序流的预读方法及装置，将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用链表将每一路的缓存数据互相隔离。可见，整个地址空间被划分为一个个相同大小的预取区域，每一路顺序流的预取数据不受其他路顺序流的影响，所有的预取区域以LRU方式形成一个固定长度的链表，当出现多路顺序读时，每一路的缓存数据与其他几路的缓存数据会自然隔离开来，从而达到有效地提高读缓存命中率的目的，进而极大地提高缓存性能，因此本发明能够高效地缓存数据，提高缓存命中率，从而提升整个存储系统的性能。
以上对本发明所提供的一种用于多路顺序流的预读方法及装置进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于多路顺序流的预读方法，其特征在于，包括：
将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；
建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；
当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用所述链表将每一路的缓存数据互相隔离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预取区域结构体中的定义参数包括双向链表、单向链表、读计数、命中的数据量、热度以及有效性。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
当接收到主机读请求时，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域之后，还包括：
获取请求数据所在的预取区域的权重值，依据所述权重值计算请求数据的预读量。
5.一种用于多路顺序流的预读装置，其特征在于，包括：
划分模块，用于将整个地址空间划分为大小相同的预取区域；
链表生成模块，用于建立预取区域结构体，采用LRU算法将所有预取区域形成一个固定长度的链表；
数据隔离模块，用于当出现多路顺序流时，对每一路数据进行缓存，利用所述链表将每一路的缓存数据互相隔离。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预取区域结构体中的定义参数包括双向链表、单向链表、读计数、命中的数据量、热度、以及有效性。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
定位模块，用于当接收到主机读请求时，采用哈希表定位请求数据所在的预取区域。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
计算模块，用于获取请求数据所在的预取区域的权重值，依据所述权重值计算请求数据的预读量。
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