CN110456987A - 一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法。由于传统的能耗节省策略采用超时切换策略，没有进行精确的代价评估，同时没有考虑自适应页模式下带来的影响，因此本发明提出一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，在自适应页模式下，对随机的超级页、原始页读写请求命中情况进行判断，通过聚合单元将命中的请求进行聚合操作，以便能够延长磁盘休眠状态的时间。将聚合后的请求序列提交给能耗管理单元，进行能耗节省预估，若状态切换所节省的能量值能够抵消状态切换所耗费的能量值，才进行状态切换。随后，能耗管理单元将预估结果反馈给磁盘系统，磁盘立即由全功率的活跃状态切换至低功率的休眠状态，实现节能目的。

Description

一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法

技术领域

本发明涉及磁盘能耗管理技术领域，具体涉及一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法。

背景技术

磁盘能耗状态迁移是磁盘在工作状态常用的技术手段。磁盘主要有两个组件会影响磁盘的整体能耗，一是驱动盘片高速旋转以及磁头移动的12V主轴电机，另一个则是为模数转换器以及伺服控制供电的5V电源。由于磁盘的机械特性，现代磁盘一般有三种功耗状态：活跃状态(Active)、空闲状态(Idle)以及待机休眠状态(Standby)。

磁盘在活跃状态工作时，此时盘片的旋转速度最快，磁盘功率最大，达到17W至20W。当无读写磁盘请求或请求未到达磁盘时，磁盘由活跃状态转换为空闲状态。此时虽然盘片仍然旋转，但内部电子元件只有部分供电并且磁头停放在某个位置不会移动。当磁盘为空闲状态，此时有请求到达，则磁盘由空闲状态又转换为活跃状态，进行数据读写。

磁盘的多能级状态决定了有效的磁盘能耗节省方式。应用程序的读写请求频繁到达磁盘时，操作系统将磁盘切换到正常工作的活跃状态；而当读写请求到达磁盘较少或无请求到达磁盘时，操作系统将磁盘调整为待机休眠状态，以达到节省磁盘能耗的目的。通常处于休眠状态的磁盘，磁头保持静止，但盘片仍保持低速旋转，其目的是当下一次有请求到达磁盘时，能够快速反应，降低请求等待时间。而处于能级状态中间的空闲状态则在两种状态中起到了缓冲左右，作为一种过渡状态存在。

现有的磁盘能耗节省策略可分为四类：超时切换策略、基于应用程序的动态预测策略、随机策略、应用感知的状态切换策略。超时切换策略较为简单，实现方便，因此已经在多种系统中广泛应用。基于应用程序的动态预测策略，其思想主要是对应用程序的一系列读写请求进行动态预测，判断哪些数据在未来会被再次访问。随机策略的缺点在于需要对读写请求进行离线预处理，并且由于数据访问的随机性其预测准确度波动也很大。应用感知的能耗管理策略，其优点是对数据访问的预测准确度较高，缺点是需要对现有的应用程序进行大量的改动，这对于推广应用不切实际。本发明采用动态预测瞬时切换策略，进行磁盘状态的转换，节省磁盘能耗。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中存在如下的一些技术问题：传统的磁盘能耗节省策略并没有考虑自适应页模式下的能耗管理，导致自适应页模式下的磁盘按传统方法会浪费大量能耗。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，其技术方案主要是对基于自适应页的磁盘节能系统进行重新设计，增加了页面读写请求的聚合操作步骤和能耗管理预估步骤，从而节省磁盘能耗。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，所述的磁盘节能方法包括：

S1、原始页合并为超级页步骤，根据原始页地址，将地址连续且页面个数满足要求的原始页合并为超级页；

S2、聚合步骤，对于包含超级页和原始页的随机读写请求，通过遍历筛选出缓存命中的读写请求，并对其进行标记，将命中的读写请求进行聚合，然后统一进行响应处理；

S3、预估步骤，根据聚合操作的结果，计算出磁盘状态切换所节省的能量值，简称“节省值”，同时计算出由于磁盘状态切换所耗费的能量值，简称“耗费值”。然后将二者进行对比，若节省值大于耗费值，则表明磁盘状态的迁移能够节能，进而将磁盘状态切换至低功耗状态，其中，所述的磁盘状态包括活跃状态、空闲状态以及待机休眠状态。

进一步地，所述的步骤S1、原始页合并为超级页的步骤包括：

S11、由操作系统确定原始页的大小，例如大小为4K，其地址顺序按照应用程序的初始页面顺序排列；

S12、根据应用程序的负载情况动态确定超级页的大小，例如当超级页的大小设置为2M时，当检测到存在512个地址连续的原始页时，则将这512个连续的原始页合并为一个超级页；

S13、将原始页合并为超级页，增大缓存的平均页面大小，使缓存的命中率提高，从而使连续命中的页面增多，节省大量的磁盘能耗。

进一步地，所述的步骤S2、聚合步骤包括：

S21、对于随机的超级页和原始页读写请求，根据是否命中将页面读写请求分为两组，一组为命中的请求，另一组为未命中请求；

S22、对命中的请求进行处理，根据命中页面是否为超级页对其进行标记，若页请求命中且该页为超级页，则将该超级页放置在命中的页集合中，并标记该页为超级页；否则，将命中的原始页放置在该集合中，并作相应标记；

S23、得到聚合操作后的页面请求序列，将结果输入到能耗管理单元中进行后续操作。

进一步地，所述的步骤S3、预估步骤包括：

S31、将经过聚合操作的页面请求序列按序对集合进行遍历，并计算磁盘状态切换所节省的能量值，即“节省值”，以及磁盘状态切换所耗费的能量值，即“耗费值”；

S32、对节省值与耗费值进行比较判断，当磁盘状态切换的节省值大于耗费值时，才进行磁盘状态的迁移，否则磁盘状态不发生改变。

进一步地，磁盘并非切换到待机状态就一定能节省能耗，只有长时间没有请求到达的待机状态才能获得较大收益。基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法能够提高缓存的命中率，通过聚合操作让读写请求连续命中，使应用程序的读写请求能够长时间不访问磁盘，进而使磁盘状态切换到待机休眠状态。

本发明公开的一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，增加了预估判断，加入了少量计算，有一定的时间开销。但是，相较于简单的超时切换策略，少了对磁盘子系统切换时间阈值的等待，预估结束后就立即切换状态，节省了更多的磁盘能耗和等待时间。同时，引入的计算量并不大，时间延迟基本可以忽略不计，且并不影响应用程序的正常执行。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明设计了一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，有效地将自适应页机制与磁盘能耗节省相结合，极大地节省了传统磁盘的能耗。

(2)本发明在自适应页模式下，对随机的超级页、原始页读写请求进行聚合操作，提升磁盘缓存命中率的同时延长了磁盘切换至低功率状态的时间，节省了磁盘能耗。

(3)本发明实现了磁盘能耗的预估管理，通过对磁盘状态切换的开销进行准确评估，确定是否进行磁盘状态的切换，使磁盘能够有效地节省额外的能量消耗。

附图说明

图1是本发明实施例中公开的基于自适应页管理的磁盘能耗管理设计图；

图2是本发明实施例中关于原始页合并为超级页的示意图；

图3是本发明实施例中关于磁盘能耗状态转换图。

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3所示，本实施例公开了一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，该方法通过将命中的读写请求进行聚合操作，延长了磁盘休眠状态的时间，并对能耗节省进行准确的评估，实现磁盘能耗的节省。

本发明将磁盘能耗节省与自适应页管理相结合，利用自适应页的特点，节省磁盘能耗，其步骤如下：

1)原始页合并为超级页步骤。如图2所示，原始页的大小由操作系统确定，例如大小为4K，其地址顺序按照应用程序的初始页面顺序排列。超级页的大小可以根据应用程序的负载情况动态确定，例如当超级页的大小设置为2M时，当检测到存在512个地址连续的原始页时，则将这512个连续的原始页合并为一个超级页。

2)聚合步骤。随机超级页和原始页读写请求的聚合阶段用于将命中的读写请求进行合并，延长磁盘切换至低功率状态的时间。首先，对于随机的超级页和原始页读写请求，根据它们是否命中将页面请求分为两组，一组为命中的请求，另一组为未命中请求。然后，对命中的请求进行处理，根据是否为超级页对其进行标记。若页请求命中且该页为超级页，则将该超级页放置在命中的页集合中，并标记该页为超级页；否则，将命中的原始页放置在集合中，并作相应标记。

3)预估步骤。首先将聚合操作得到的页面序列按序对集合进行遍历，并计算能耗节省值，包括状态切换所节省的能量值，即“节省值”以及状态切换所耗费的能量值，即“耗费值”。随后，对节省值与耗费值进行比较判断，当磁盘状态切换的节省值大于耗费值时，才进行磁盘状态的迁移，否则磁盘状态不发生改变。

磁盘并非切换到待机状态就一定能节省能耗，只有长时间没有请求到达时的待机状态才是值得的。基于自适应页的磁盘缓存系统能够提高缓存的命中率，从而让读写请求连续命中，使应用程序的读写请求能够长时间不访问磁盘，进而使磁盘状态切换到待机休眠状态，节省磁盘能耗。因此，为了对磁盘能耗进行精确管理还需要对一段时间的读写请求进行能耗评估，只有当节省的能耗大于切换状态所消耗的能耗时，才进行磁盘能耗状态的切换，从而节省能耗。

能耗节省预估步骤用于对能耗节省情况进行比较判断，决定是否进行能耗状态的迁移。通过能耗管理单元对节省的能量值进行计算并评估，判断是否应该将磁盘状态进行切换，若状态切换所耗费的能量值较低则立即进行相应切换，否则保持该状态。此步骤能准确评估磁盘能耗状态切换是否能节省能量，并统计出各状态持续时间，以及切换状态的开销等。

本实施例的关键主要在于两个方面，一是针对访问请求的聚合，二是对于磁盘能耗状态迁移的预估。在聚合步骤，要使结果准确，不能采取抽样的方法，只能对命中与否的情况进行标记，然后进行聚合操作。而对于能耗状态迁移预估阶段，需要对状态切换所节省能量和状态切换所耗费能量进行提前预估处理，否则可能会导致得不偿失的情况出现。

综上所述，本实施例提出的基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法就是在自适应页模式下，对随机的超级页、原始页读写请求命中情况进行判断，通过聚合步骤将命中的请求进行聚合操作，以便能够延长磁盘休眠状态的时间。将聚合后的请求序列提交给能耗管理单元，进行能耗节省预估，若状态切换所节省能量值能够抵消状态切换所耗费能量值，才进行状态的切换。随后，能耗管理单元将预估结果反馈给磁盘系统，磁盘立即由全功率的活跃状态切换至低功率的休眠状态，实现节能目的。

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 (4)

1.一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，其特征在于，所述的磁盘节能方法包括：

S1、原始页合并为超级页步骤，根据原始页地址，将地址连续且页面个数满足要求的原始页合并为超级页；

S2、聚合步骤，对于包含超级页和原始页的随机读写请求，通过遍历筛选出缓存命中的读写请求，并对其进行标记，将命中的读写请求进行聚合，然后统一进行响应处理；

S3、预估步骤，根据聚合操作的结果，计算出磁盘状态切换所节省的能量值，简称“节省值”，同时计算出由于磁盘状态切换所耗费的能量值，简称“耗费值”，然后将二者进行对比，若节省值大于耗费值，则表明磁盘状态的迁移能够节能，进而将磁盘状态切换至低功耗状态，其中，所述的磁盘状态包括活跃状态、空闲状态以及待机休眠状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，其特征在于，所述的S1、原始页合并为超级页的步骤包括：

S11、根据操作系统确定原始页的大小；

S12、根据应用程序的负载情况动态确定超级页的大小；

S13、将原始页合并为超级页，增大缓存的平均页面大小，使缓存的命中率提高。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，其特征在于，所述的S2、聚合步骤包括：

S21、对于随机的超级页和原始页读写请求，根据是否命中将页面读写请求分为两组，一组为命中的请求，另一组为未命中请求；

S22、对命中的请求进行处理，根据命中页面是否为超级页对其进行标记，若页请求命中且该页为超级页，则将该超级页放置在命中的页集合中，并标记该页为超级页；否则，将命中的原始页放置在该集合中，并作相应标记；

S23、得到聚合操作后的页面请求序列，将结果输入到能耗管理单元中进行后续操作。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应页管理的数据存储磁盘节能方法，其特征在于，所述的S3、预估步骤包括：

S31、将经过聚合操作的页面请求序列按序对集合进行遍历，并计算磁盘状态切换所节省的能量值，即“节省值”，以及磁盘状态切换所耗费的能量值，即“耗费值”；

S32、对节省值与耗费值进行比较判断，当磁盘状态切换的节省值大于耗费值时，将磁盘状态切换至低功耗状态，否则磁盘状态不发生改变。