CN110321079A - 一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法 - Google Patents

一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法。传统基于LRU的磁盘缓存并不能识别缓存中内容相同的重复数据块，使得缓存中存在一定的冗余数据，同时传统磁盘缓存都是基于固定的页面大小，而页面大小也是影响缓存命中率的重要因素，最佳的页面大小能够最大化缓存命中率。本发明提出一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，在磁盘缓存中引入混合页机制，保留基页的同时，增加巨页，并自适应调整巨页的大小以使命中率最大化。同时监测基页、巨页的冷热程度，将重复率高的冷巨页拆分为基页或将拆分后的热基页重构为巨页，实现基页、巨页的动态转换。利用重复数据删除技术对基页、巨页分别进行去重处理，使命中率最大化的同时保持去重率。

Description

一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法
技术领域
本发明涉及混合页机制下的磁盘缓存技术领域，具体涉及一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法。
背景技术
重复数据删除技术是消除缓存冗余数据的主要技术手段。其通过对缓存空间进行去重检测，筛选出完全相同的数据块并进行删除操作，在缓存中只保留唯一的副本，从而消除缓存中的冗余数据，节省缓存空间。去重技术按照去重粒度可分为字节级去重、块级去重和文件级去重，其中字节级去重主要是利用Delta编码来识别重复数据，而块级和文件级则主要是利用哈希算法(如MD5和SHA-1)来识别相应的重复数据块。去重过程主要包括数据块切分、指纹计算和数据块检索，首先将数据按照固定大小分割为数据块，并为每个数据块计算指纹，然后将指纹作为关键字进行Hash比对，若匹配成功则为重复数据块，最后进行去重操作。
混合页机制能够增大缓存页面大小，使得相同大小的TLB能够存放更多的页，映射到更多的内存空间，极大地提高了TLB的命中率。同时混合页机制能够自适应地调整缓存中的页面大小，从而使缓存命中率达到最大。页面大小是由处理器体系架构决定的，传统的系统架构通常只具有统一的页面大小，例如为4K大小。随着计算机的发展，现在的体系结构大多都能很好地支持多种页面大小，为混合页机制引入磁盘缓存系统提供了硬件条件。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：传统基于LRU替换算法的磁盘缓存系统，并不能有效识别缓存中的重复数据，导致缓存中存在大量冗余数据。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的缺陷，提出一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其技术方案主要是在磁盘缓存中引入混合页机制，监测基页和巨页的冷热程度，动态调整巨页的页面大小，并分别对其进行去重操作，在保持较高去重率的情况下提高缓存的命中率。
本发明的技术目的通过以下技术方案实现：
一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，在磁盘缓存中引入混合页机制，保留基页同时增加巨页，并自适应调整巨页的大小提高缓存的命中率。
该基于混合页面的磁盘缓存去重方法过程如下：
S1、磁盘在进行数据的读写时，巨页产生器从应用程序中读入初始页面地址，将连续的基页进行合并，生成相应巨页；
S2、页面监视器对磁盘缓存中基页和巨页的访问频率(冷热程度)进行实时监测，若巨页的访问频率较低，则将巨页拆分为若干个连续的基页，若基页的访问频率变高，则又将连续基页重构为巨页；
S3、将调整后的基页和巨页分别进行去重操作，采用固定分块的重复数据删除方法，利用MD5算法对数据块进行指纹计算，识别出重复的数据块，在缓存中只保留唯一的数据块。
进一步地，所述的应用程序中读入的初始页面地址是固定的，应用程序开始工作时，巨页产生的步骤如下：
S11、巨页产生器从应用程序中读入初始页面地址；
S12、检测初始页面地址是否连续，若存在固定数量的连续初始页，则将其合并为巨页；
S13、对合并的巨页相应字段进行填充，保证巨页字段的完整性。
进一步地，所述的步骤S2中，当巨页产生后，磁盘缓存中同时保留基页和巨页，页面监视器开始工作，主要步骤如下：
S21、对基页和巨页的访问频率(冷热程度)进行实时检测；
S22、当所检测的页为巨页，并且该页的访问频率较低时(为冷巨页)，则将该巨页拆分为若干个连续的基页，并对每个拆分后基页的各个字段进行相应内容的填充，而当该页的访问频率较高时(为热巨页)时，则保留不进行操作；
S23、当所检测的页为拆分后的基页，并且该页的访问频率由低变高时(变成热页)，则又将拆分后的连续基页进行重构操作，合并为巨页。
进一步地，当拆分和重构后，缓存中的巨页重复率低且扩大了缓存的平均页面大小，而缓存中的基页重复率较高进行去重的效果更好。因此，需要对基页和巨页分别进行重复数据删除操作，进一步减少缓存的冗余数据，扩大缓存的有效容量。为了方便有效地对缓存数据进行管理，系统维护了两个缓存链表，分别是数据缓存链表和元数据缓存链表。其中数据缓存链表用以保存去重后的唯一数据块，而元数据缓存则用以保存页的访问顺序。基页和巨页的去重操作步骤如下：
S31、采用固定分块的重复数据删除方法，利用MD5算法对数据块进行指纹计算，相应指纹对应于页面的hash值；
S32、对基页和巨页中的重复数据块进行指纹比对，若两个数据块的指纹完全相同，则认为这两个数据块完全一致，为重复的数据块，否则为唯一数据块；
S33、当识别到重复数据块后，指纹索引计数器开始累加，以统计相同数据块出现的次数，对于多次出现的相同数据块，将其指向数据缓存链表中相应的唯一数据块；当检测的数据块为唯一数据块时，将其添加到数据缓存链表，并对其相应的元数据缓存链表进行添加。
其中，巨页由连续的基页组成，并且内部对每个基页都进行了编号。基页地址在转换过程中并未变化，因此对于组成巨页的每个基页，可以通过编号计算出页内偏移量，然后利用巨页起始地址得到巨页内部每个基页的地址。
其中，在基页与巨页之间进行动态转换，基页大小由操作系统所决定，巨页大小需要根据实际的应用负载进行调整，而巨页、基页之间的转换则需要实时地监测页面的冷热程度。
该基于混合页面的磁盘缓存去重方法，将混合页机制与重复数据删除技术有效地结合，加入混合页机制后，去重难度将进一步增加，巨页、基页都需要进行去重操作才能最大限度节省缓存空间。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明改变了传统基于LRU替换算法的磁盘缓存系统，将数据缓存与元数据缓存分离，并有效对其进行重新组织与管理，使磁盘缓存能有效识别到重复的数据块。
(2)本发明将混合页机制引入到磁盘缓存系统中，通过巨页产生器和页面监视器实现了巨页和基页的动态转换，扩大了磁盘缓存的平均页面大小，提高了磁盘缓存的命中率。
(3)本发明将混合页与重复数据删除技术相结合，通过对巨页和基页进行去重操作，在最大化命中率的同时保持了较高的去重率，极大地提高了磁盘缓存的有效容量。
附图说明
图1为本发明基于混合页磁盘缓存系统架构图；
图2为本发明基于混合页磁盘缓存系统详细设计图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例
如图1、图2所示，本实施例公开了一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，该方法为了避免扩大缓存页面提高命中率而减少了去重率的问题，在缓存中同时保留基页和巨页，并对其冷热程度进行实时监测，将重复率高的冷巨页拆分为基页提高去重率，或将拆分后的热基页重构为巨页扩大缓存平均页面大小以提高命中率。
本发明在传统磁盘缓存中引入混合页机制，并将混合页机制与重复数据删除技术相结合，主要分为四个步骤：
1)巨页生成。巨页产生器根据应用程序的初始页面地址，将连续的基页进行合并，生成相应巨页。巨页的大小是统一的，主要根据应用程序负载情况动态确定，例如当巨页大小设置为2M时,一个巨页是由512个地址连续的4k大小基页合并而成，若存在超过512个连续的基页则进行合并，否则保持原有基页。
2)基页和巨页的动态转换。页面监视器检测巨页和基页的冷热程度，并决定是否将巨页进行拆分或将已拆分的基页进行重构。巨页产生器将处理结果传递给页面监视器，监视程序开始工作，检测巨页和基页的冷热程度。将那些访问频率低的冷巨页拆分为基页，这样有利于对拆分的巨页进行去重操作，提高去重率。同时，当这些拆分的巨页变热时，再对其进行重构操作，以提高缓存命中率和访问延迟。
3)巨页大小自适应调整。若该页为巨页，则对组成该巨页的所有基页进行遍历，统计这些页的命中情况；若为基页，则无需遍历，直接统计该基页命中情况。之后根据命中数据，计算缓存命中率，并将该命中率与最大命中率进行比较。若该命中率就是最大命中率，则程序结束；否则继续调整巨页大小，使之成倍数增加。最终得到最佳的巨页大小。
4)基页和巨页的去重操作。采用固定分块的重复数据删除方法，利用MD5算法对数据块进行指纹计算，相应指纹对应于页面的hash值。对于巨页和基页两种不同的页面信息，为了进一步提高缓存整体的去重率，使去重达到最好的效果，将其分别进行去重操作。当巨页、基页的拆分和重构操作完成后，去重工作开始执行。数据缓存与元数据缓存通过指纹索引有效联系，当识别到重复数据块后，指纹索引计数器开始累加，以统计相同数据块出现的次数。对于多次出现的相同数据块，将其指向数据缓存中相应的唯一数据块，实现磁盘缓存的去重。
综上所述，本实施例提出的基于混合页面的磁盘缓存去重方法就是在基于LRU替换算法的传统磁盘缓存中引入混合页机制，通过自适应调整巨页的大小，使缓存页面大小达到最佳值，从而使缓存命中率最大化。同时，利用重复数据删除技术对磁盘缓存进行去重操作，在缓存中只保留唯一数据块，节省磁盘缓存，提高缓存利用率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其特征在于，所述的磁盘缓存去重方法包括以下步骤：
S1、磁盘在进行数据的读写时，巨页产生器从应用程序中读入初始页面地址，将连续的基页进行合并，生成相应巨页；
S2、页面监视器对磁盘缓存中基页和巨页的访问频率进行实时监测，若巨页的访问频率较低，则将巨页拆分为若干个连续的基页，若基页的访问频率变高，则又将连续基页重构为巨页；
S3、将调整后的基页和巨页分别进行去重操作，采用固定分块的重复数据删除方法，利用MD5算法对数据块进行指纹计算，识别出重复的数据块，在缓存中只保留唯一的数据块。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其特征在于，所述的应用程序中读入的初始页面地址是固定的，应用程序开始工作时，巨页产生的步骤如下：
S11、巨页产生器从应用程序中读入初始页面地址；
S12、检测初始页面地址是否连续，若存在固定数量的连续初始页，则将其合并为巨页；
S13、对合并的巨页相应字段进行填充，保证巨页字段的完整性。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其特征在于，所述的步骤S2过程如下：
S21、对基页和巨页的访问频率进行实时检测；
S22、当所检测的页为巨页，并且该页的访问频率较低时，则将该巨页拆分为若干个连续的基页，并对每个拆分后基页的各个字段进行相应内容的填充，而当该页的访问频率较高时时，则保留不进行操作；
S23、当所检测的页为拆分后的基页，并且该页的访问频率由低变高时，则又将拆分后的连续基页进行重构操作，合并为巨页。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其特征在于，所述的步骤S3中基页和巨页的去重操作过程如下：
S31、采用固定分块的重复数据删除方法，利用MD5算法对数据块进行指纹计算，相应指纹对应于页面的hash值；
S32、对基页和巨页中的重复数据块进行指纹比对，若两个数据块的指纹完全相同，则认为这两个数据块完全一致，为重复的数据块，否则为唯一数据块；
S33、当识别到重复数据块后，指纹索引计数器开始累加，以统计相同数据块出现的次数，对于多次出现的相同数据块，将其指向数据缓存链表中相应的唯一数据块；当检测的数据块为唯一数据块时，将其添加到数据缓存链表，并对其相应的元数据缓存链表进行添加。
5.根据权利要求4所述的一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其特征在于，所述的数据缓存链表用以保存去重后的唯一数据块，所述的元数据缓存则用以保存页的访问顺序。
6.根据权利要求1所述的一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其特征在于，所述的巨页由连续的基页组成，并且内部对每个基页都进行编号，基页地址在转换过程中并未变化，对于组成巨页的每个基页，可通过编号计算出页内偏移量，然后利用巨页起始地址得到巨页内部每个基页的地址。
7.根据权利要求1所述的一种基于混合页面的磁盘缓存去重方法，其特征在于，在基页与巨页之间进行动态转换，基页大小由操作系统所决定，巨页大小需要根据实际的应用负载进行调整，而巨页、基页之间的转换需要实时地监测页面的访问频率。
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