CN110287127A - 一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法及系统，依据待分配内存块的大小，将其划分为小粒度、中粒度和大粒度内存块，针对待分配内存块的粒度不同分别使用小粒度、中粒度和大粒度方法进行分配，使用线程空间与全局空间相结合的方式依据内存块的使用状态对线程空间中内存块进行动态调整，并给出了新型非易失性内存管理系统的结构，介绍了主要模块的功能。本发明具有如下优点：将待分配内存进行多粒度的划分，对内存提供了更精细化的管理，缓解了内存的占用高的问题。将线程空间和全局空间相结合对内存块进行动态调整的方式，降低了线程内的分配延迟，提高了系统在多核间的扩展性。
Description
技术领域
本发明属于计算机存储技术领域，具体涉及一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法。
背景技术
非易失性内存具有字节寻址、持久性、读写性能与DRAM相近和耐久性相比DRAM较弱等特性，可以将其连接至内存总线，与DRAM一起作为混合内存使用。非易失性内存的类型主要有相变存储器、阻抗式存储器和3D-XPoint等，以相变存储器为例，它的读写延迟分别约为70ns和150ns，耐久性约为1012次，而DRAM的读写延迟约为60ns，耐久性约为1016次。当前系统中的内存分配器主要针对DRAM设计，未考虑非易失性内存自有的特性，比如读写性能较弱，耐久性较低，相比DRAM性能仍有差距。现代计算机中央处理器普遍设计为多个CPU多核，各CPU会有独立的本地内存，CPU访问本地和远端内存会存在延迟不均的问题。而本发明则在保证非易失性内存分配与释放性能的前提下进一步解决了多核间可扩展性的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法，通过设计DRAM作为缓存的多粒度分配与释放方法和线程空间与全局空间相结合的方法提高非易失性内存管理系统的多核可扩展性，进一步降低非易失性内存的磨损。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法，包括以下步骤：
步骤1)依据待分配内存块的大小，将其划分为小粒度、中粒度和大粒度内存块；
步骤2)针对待分配内存块的粒度不同分别使用小粒度、中粒度和大粒度方法进行分配；
步骤3)使用线程空间与全局空间相结合的方式依据内存块的使用状态对线程空间中内存块进行动态调整。
进一步地，上述步骤1)中，依据待分配内存块的大小，将其划分为不同的粒度内存块，具体步骤如下：
步骤1.1：定义小粒度、中粒度和大粒度的界限范围，作为划分待分配内存块的依据，其中小粒度为64Bytes到64KB，中粒度为64KB到4MB，大粒度为大于4MB；
步骤1.2：获取待分配内存块大小S，判断它所属粒度；
步骤1.3：当S在64Bytes至64KB之间时，该内存块为小粒度，当S在64KB至4MB之间时，该内存块为中粒度，否则为大粒度。
进一步地，上述步骤2)中，针对待分配内存块的粒度不同分别使用小粒度、中粒度和大粒度方法进行分配，具体步骤如下：
步骤2.1：定义小粒度、中粒度和大粒度分配方法；
步骤2.2：将小粒度内存块进一步划分为不同的级别，分别包括间隔为8B的第1级别为64B、第2级别为72B，直到第25级别为256B；间隔为16B的第1级别为272B、第2级别为288B，直到第16级别为512B；间隔为512B的第1级别为1024B、第2级别为1536B，直到第127级别为65536B，用数组存储每一种级别的头指针，同一级别块之间使用双链表连接，并将索引信息存储于DRAM，进一步判断待分配内存块所属级别，直接从该级别的双链表中分配；
步骤2.3：将中粒度内存块进一步划分为不同的级别，包括间隔为64KB的第1级别为128KB、第2级别为192KB，直至第63级别为4096KB，用数组存储每一种级别的头指针，同一级别块之间使用双链表连接，并将索引信息存储于DRAM，进一步判断待分配内存块所属级别，直接从该级别的双链表中分配；
步骤2.4：定义大粒度的分配方法是直接利用系统调用函数从操作系统申请所需内存块；
步骤2.5：如待分配内存块为小粒度，计算该内存块所属级别，则在DRAM数组中查找是否存在它所属级别，若存在，直接从该级别的双链表中分配，若不存在，则需要向非易失性内存申请4KB空间，初始化该级别后再分配；
步骤2.6：如待分配内存块为中粒度，计算该内存块所属级别，则在DRAM数组中查找是否存在它所属级别，若存在，直接从该级别的双链表中分配，若不存在，则需要向非易失性内存申请64KB空间，初始化该级别后再分配。
进一步地，上述步骤3)中，使用线程空间与全局空间相结合的方式依据内存块的使用状态对线程空间中内存块进行动态调整，具体步骤如下：
步骤3.1：将内存空间划分为线程空间和全局空间，线程空间为某一线程私有，全局空间为所有线程共享；
步骤3.2：计算待分配内存块所属级别，判断线程空间内待分配内存所属级别是否存在空闲内存块，若存在，则直接分配，若不存在，则需要加锁向全局空间申请；
步骤3.3：判断该线程所属CPU节点，优先从本地CPU核心所在内存分配，若无可用内存，则从远端CPU节点内存分配；
步骤3.4：定义空闲块个数阈值；
步骤3.5：计算线程空间内各个级别空闲块个数是否达到空闲阈值，若达到阈值，则将空闲块回收至全局空间；若未达到阈值且处于释放状态，则继续添加至线程空间，以供下次分配使用。
本发明依据待分配内存块的大小，将其划分为小粒度、中粒度和大粒度内存块，针对待分配内存块的粒度不同分别使用不同粒度的方法进行分配，通过使用线程空间与全局空间相结合的方式依据内存块的使用状态对线程空间中内存块进行动态调整，减小线程空间中分配与释放操作的延迟，提高系统在多核间的扩展性。
实现本发明目的的装置如下：
一种新型非易失性内存管理系统，包括粒度分类装置、小中粒度分配装置、大粒度分配装置和线程空间与全局空间动态调整装置。粒度分类装置用于将待分配内存块划分为小中粒度和大粒度。小中粒度分配装置用于满足小中粒度内存块的分配，包括内存块级别索引模块、内存块释放管理模块和内存块磨损管理模块，其中内存块级别索引模块用于计算待分配内存块所属级别并建立级别索引，从某级别中分配空闲内存块；内存块释放管理模块用于决定在内存块释放后的位置，是继续在线程空间还是释放至全局空间；内存块磨损管理模块用于记录各级别中各内存块的被分配次数，为内存块磨损均衡作基础。大粒度分配装置用于满足大粒度内存块的分配，包括系统调用模块，该模块调用系统函数满足大粒度内存块的请求。线程空间与全局空间动态调整装置主要用于当线程空间空闲内存不足时向全局空间申请，或线程空间中内存块达到阈值时释放回全局空间，达到磨损均衡的目的，其次每个线程空间相互独立，线程空间内的操作不需要加锁，提高了多线程间可扩展性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.将待分配内存进行多粒度的划分，对内存提供了更精细化的管理，缓解了内存的占用高的问题；
2.使用多粒度多级别的索引方式可以获得更高的查询效率，提高非易失性内存的分配与释放效率；
3.将线程空间和全局空间相结合对内存块进行动态调整的方式，降低了线程内的分配延迟，提高了系统在多核间的扩展性。
4.在游戏和数据库系统场景中，有效解决了内存占用高和多核扩展性差的问题。
本发明的应用场景包括生活场景和计算机领域场景。生活场景包括游戏系统，当游戏运行时，会存在对计算机内存占用较高的问题。如果没有做好内存管理，游戏会出现卡顿或闪退等影响用户体验的情况，主要原因有：一方面，游戏本身运行线程较多，内存管理单位粒度过大；另一方面，被释放的内存没有被及时回收且不能重新被分配，则出现内存泄漏的问题，此时需要不断向操作系统申请，导致游戏内存占用升高。计算机领域场景包括数据库系统，非易失性内存管理作为一种基础组件，一定程度上影响着上层应用的性能，比如数据库系统的读写性能。传统内存管理系统不能充分发挥计算机多个CPU多核的特性，存在多线程下的扩展性弱的问题。本发明则构建一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法对解决游戏和数据库场景下内存占用高和多线程扩展差的问题具有现实意义。
附图说明
图1为本发明的总体系统结构图；
图2位本发明中总体系统装置图；
图3为本发明中非易失性内存分配流程图；
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，下面结合附图和具体实施案例对本发明进一步说明，须指出的是，所描述出的实施案例旨在便于对本发明的理解，而对其没有任何先定要求。
本发明的方法主要包括以下几部分，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。
实施例1
如图1所示为本发明的系统总体设计结构图，本发明为一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法，包括以下步骤：
步骤1)依据待分配内存块的大小，将其划分为小粒度、中粒度和大粒度内存块；
步骤2)针对待分配内存块的粒度不同分别使用小粒度、中粒度和大粒度方法进行分配；
步骤3)使用线程空间与全局空间相结合的方式依据内存块的使用状态对线程空间中内存块进行动态调整。
本方法应用于实际的非易失性内存分配管理中，提高内存分配与释放的速度和多核间可扩展性。本发明的系统结构如图1所示，具体的运行步骤如下。
步骤1：定义小粒度、中粒度和大粒度的界限范围，作为划分待分配内存块的依据，其中小粒度为64Bytes到64KB，中粒度为64KB到4MB，大粒度为大于4MB；
步骤2：获取待分配内存块大小S，判断它所属粒度；
步骤3：当S在64Bytes至64KB之间时，该内存块为小粒度，当S在64KB至4MB之间时，该内存块为中粒度，否则为大粒度；
步骤4：定义小粒度、中粒度和大粒度分配方法；
步骤5：将小粒度内存块进一步划分为不同的级别，分别包括间隔为8B的第1级别为64B、第2级别为72B，直到第25级别为256B；间隔为16B的第1级别为272B、第2级别为288B，直到第16级别为512B；间隔为512B的第1级别为1024B、第2级别为1536B，直到第127级别为65536B，用数组存储每一种级别的头指针，同一级别块之间使用双链表连接，并将索引信息存储于DRAM，进一步判断待分配内存块所属级别，直接从该级别的双链表中分配；
步骤6：将中粒度内存块进一步划分为不同的级别，包括间隔为64KB的第1级别为128KB、第2级别为192KB，直至第63级别为4096KB，用数组存储每一种级别的头指针，同一级别块之间使用双链表连接，并将索引信息存储于DRAM，进一步判断待分配内存块所属级别，直接从该级别的双链表中分配；
步骤7：定义大粒度的分配方法是直接利用系统调用函数从操作系统申请所需内存块；
步骤8：如待分配内存块为小粒度，计算该内存块所属级别，则在DRAM数组中查找是否存在它所属级别，若存在，直接从该级别的双链表中分配，若不存在，则需要向非易失性内存申请4KB空间，初始化该级别后再分配；
步骤9：如待分配内存块为中粒度，计算该内存块所属级别，则在DRAM数组中查找是否存在它所属级别，若存在，直接从该级别的双链表中分配，若不存在，则需要向非易失性内存申请64KB空间，初始化该级别后再分配；
步骤10：将内存空间划分为线程空间和全局空间，线程空间为某一线程私有，全局空间为所有线程共享；
步骤11：计算待分配内存块所属级别，判断线程空间内待分配内存所属级别是否存在空闲内存块，若存在，则直接分配，若不存在，则需要加锁向全局空间申请；
步骤12：判断该线程所属CPU节点，优先从本地CPU核心所在内存分配，若无可用内存，则从远端CPU节点内存分配；
步骤13：定义空闲块个数阈值；
步骤14：计算线程空间内各个级别空闲块个数是否达到空闲阈值，若达到阈值，则将空闲块回收至全局空间；若未达到阈值且处于释放状态，则继续添加至线程空间，以供下次分配使用。
实施例2
如图2所示，一种新型非易失性内存管理系统，包括粒度分类装置、小中粒度分配装置、大粒度分配装置和线程空间与全局空间动态调整装置。粒度分类装置用于将待分配内存块划分为小中粒度和大粒度。小中粒度分配装置用于满足小中粒度内存块的分配，包括内存块级别索引模块、内存块释放管理模块和内存块磨损管理模块，其中内存块级别索引模块用于计算待分配内存块所属级别并建立级别索引，从某级别中分配空闲内存块；内存块释放管理模块用于决定在内存块释放后的位置，是继续在线程空间还是释放至全局空间；内存块磨损管理模块用于记录各级别中各内存块的被分配次数，为内存块磨损均衡作基础。大粒度分配装置用于满足大粒度内存块的分配，包括系统调用模块，该模块调用系统函数满足大粒度内存块的请求。线程空间与全局空间动态调整装置主要用于当线程空间空闲内存不足时向全局空间申请，或线程空间中内存块达到阈值时释放回全局空间，达到磨损均衡的目的，其次每个线程空间相互独立，线程空间内的操作不需要加锁，提高了多线程间可扩展性。
实施例3
如图3所示，一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法的具体执行流程如下：
步骤1：获取待分配内存块的大小；
步骤2：使用粒度分类方法，判断待分配内存块所属粒度；
步骤3：若为大粒度内存块，则利用调用系统函数分配内存块，结束分配，若为小、中粒度内存块，则计算该内存块对应的级别；
步骤4：判断该级别是否存在空闲块，若存在则直接分配空闲块，结束分配，若不存在空闲块，则需要从全局空间中申请block或者chunk，并初始化该级别，分配空闲块，结束分配。
综上，本发明的一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理系统及方法，依据待分配内存块的大小，将其划分为小粒度、中粒度和大粒度内存块，针对待分配内存块的粒度不同分别使用小粒度、中粒度和大粒度方法进行分配，使用线程空间与全局空间相结合的方式依据内存块的使用状态对线程空间中内存块进行动态调整，并给出了新型非易失性内存管理系统的结构，介绍了主要模块的功能。本发明具有如下优点：将待分配内存进行多粒度的划分，对内存提供了更精细化的管理，缓解了内存的占用高的问题。将线程空间和全局空间相结合对内存块进行动态调整的方式，降低了线程内的分配延迟，提高了系统在多核间的扩展性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)依据待分配内存块的大小，将其划分为小粒度、中粒度和大粒度内存块；
步骤2)针对待分配内存块的粒度不同分别使用小粒度、中粒度和大粒度方法进行分配；
步骤3)使用线程空间与全局空间相结合的方式依据内存块的使用状态对线程空间中内存块进行动态调整。
2.根据权利要求1所述的一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法，其特征在于，所述步骤1)具体步骤如下：
步骤1.1：定义小粒度、中粒度和大粒度的界限范围，作为划分待分配内存块的依据，其中小粒度为64Bytes到64KB，中粒度为64KB到4MB，大粒度为大于4MB；
步骤1.2：获取待分配内存块大小S，判断它所属粒度；
步骤1.3：当S在64Bytes至64KB之间时，该内存块为小粒度，当S在64KB至4MB之间时，该内存块为中粒度，否则为大粒度。
3.根据权利要求1所述的一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法，其特征在于，所述步骤2)，具体步骤如下：
步骤2.1：定义小粒度、中粒度和大粒度分配方法；
步骤2.2：将小粒度内存块进一步划分为不同的级别，分别包括间隔为8B的第1级别为64B、第2级别为72B，直到第25级别为256B；间隔为16B的第1级别为272B、第2级别为288B，直到第16级别为512B；间隔为512B的第1级别为1024B、第2级别为1536B，直到第127级别为65536B，用数组存储每一种级别的头指针，同一级别块之间使用双链表连接，并将索引信息存储于DRAM，进一步判断待分配内存块所属级别，直接从该级别的双链表中分配；
步骤2.3：将中粒度内存块进一步划分为不同的级别，包括间隔为64KB的第1级别为128KB、第2级别为192KB，直至第63级别为4096KB，用数组存储每一种级别的头指针，同一级别块之间使用双链表连接，并将索引信息存储于DRAM，进一步判断待分配内存块所属级别，直接从该级别的双链表中分配；
步骤2.4：定义大粒度的分配方法是直接利用系统调用函数从操作系统申请所需内存块；
步骤2.5：如待分配内存块为小粒度，计算该内存块所属级别，则在DRAM数组中查找是否存在它所属级别，若存在，直接从该级别的双链表中分配，若不存在，则需要向非易失性内存申请4KB空间，初始化该级别后再分配；
步骤2.6：如待分配内存块为中粒度，计算该内存块所属级别，则在DRAM数组中查找是否存在它所属级别，若存在，直接从该级别的双链表中分配，若不存在，则需要向非易失性内存申请64KB空间，初始化该级别后再分配。
4.根据权利要求1所述的一种多粒度多核可扩展的非易失性内存管理方法，其特征在于，所述步骤3)，具体步骤如下：
步骤3.1：将内存空间划分为线程空间和全局空间，线程空间为某一线程私有，全局空间为所有线程共享；
步骤3.2：计算待分配内存块所属级别，判断线程空间内待分配内存所属级别是否存在空闲内存块，若存在，则直接分配，若不存在，则需要加锁向全局空间申请；
步骤3.3：判断该线程所属CPU节点，优先从本地CPU核心所在内存分配，若无可用内存，则从远端CPU节点内存分配；
步骤3.4：定义空闲块个数阈值；
步骤3.5：计算线程空间内各个级别空闲块个数是否达到空闲阈值，若达到阈值，则将空闲块回收至全局空间；若未达到阈值且处于释放状态，则继续添加至线程空间，以供下次分配使用。
5.一种新型非易失性内存管理系统，其特征在于，包括粒度分类装置、小中粒度分配装置、大粒度分配装置和线程空间与全局空间动态调整装置；
粒度分类装置用于将待分配内存块划分为小中粒度和大粒度；
小中粒度分配装置用于满足小中粒度内存块的分配，包括内存块级别索引模块、内存块释放管理模块和内存块磨损管理模块，其中内存块级别索引模块用于计算待分配内存块所属级别并建立级别索引，从某级别中分配空闲内存块；内存块释放管理模块用于决定在内存块释放后的位置，是继续在线程空间还是释放至全局空间；内存块磨损管理模块用于记录各级别中各内存块的被分配次数，为内存块磨损均衡作基础；
大粒度分配装置用于满足大粒度内存块的分配，包括系统调用模块，该模块调用系统函数满足大粒度内存块的请求。线程空间与全局空间动态调整装置主要用于当线程空间空闲内存不足时向全局空间申请，或线程空间中内存块达到阈值时释放回全局空间。
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