CN111008158A - 一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，通过页面重构机制以及数据温度识别机制来管理缓存区。页面重构机制把即将回写的有效数据未满一个整页大小的页与多个其他有效数据不足一个页大小的页进行页面重构后再回写至闪存，通过尽可能减少非覆盖写操作来达到减少实际写操作的目的。数据温度识别机制通过对缓存页进行温度等级标记，按预定优先级顺序回写缓存页。该闪存缓存管理方法，结合页面重构机制与数据温度识别回写机制，将多个逻辑页进行页面重构，降低了写操作数量，同时合理划分缓存区利用负载时间局部性，提高了闪存系统整体命中率。

Description

一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法

技术领域

本发明涉及存储系统技术领域，具体涉及一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法。

背景技术

闪存缓存管理算法是在不改变闪存物理特性的情况下提高闪存性能的重要技术手段。其通过对缓存中的逻辑页进行合理的写回选择，同时兼顾闪存介质的实际写入情况和垃圾回收次数，选择具有最佳性能的逻辑页进行缓存写回操作。此外，缓存命中率也是闪存缓存管理算法的重要考量标准，命中率的大小跟写入数量和读取次数紧密相关，而写入数量和读取数量都会对闪存造成较大的性能影响。闪存缓存管理算法通常是对板载缓存区进行管理，管理机制包括对缓存区划分、缓存队列重新规划、缓存节点映射粒度调整和缓存节点位置调整等方法。

页面重构机制是针对写缓存进行逻辑页管理的缓存算法，根据逻辑页实际有效数据大小对多个逻辑页进行页面重构，减少写请求数量的同时使得映射粒度进一步降低，节省更多空间，同时能够显著降低闪存实际写操作数量，提高写请求平均响应时间的同时显著降低了闪存垃圾回收数量。

数据温度识别回写机制是针对页面重构机制降低了映射粒度而提出的一种基于负载时间局部性原理的缓存管理算法，依据真实负载具有时间局部性这一特性，使得读写请求尽可能在缓存区中获得响应，极大地降低了对闪存物理介质的访问次数，提高了整体读写请求缓存命中率，从而提高闪存系统的整体性能。

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的闪存缓存替换算法的闪存系统，没有考虑到闪存实际物理特性，在进行写更新操作的同时可能触发覆盖写和非覆盖写两种代价不一样的操作，导致缓存在实际写入过程中可能发生额外的性能代价。

发明内容

本发明的目的是针对闪存在逻辑页写入过程中会产生上述现象而提出一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其技术方案主要是为每一个进入板载缓存区的逻辑页设置温度值标志位，在缓存空间不足时将满足页面重构机制条件的逻辑页进行页面重构操作并修改相应映射关系，降低写操作数量和垃圾回收数量；在不能满足页面重构机制条件时，触发数据温度识别回写机制操作，提高缓存命中率。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，该方法考虑到了写请求在下发至闪存系统时会产生非覆盖写操作的问题，提出了两种应对处理机制：页面重构机制和数据温度识别回写机制。页面重构机制将多个逻辑页进行页面重构操作以降低写操作数量和垃圾回收数量，数据温度识别回写机制利用负载的时间局部特性提高系统整体读写命中率。

该基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法过程如下：

S1、在操作系统将上层应用请求从块设备层下发至闪存板载缓存中后，数据温度识别回写机制将上层应用请求切分成页，并为每个逻辑页设置温度等级标志，同时调整逻辑页温度值；

S2、当闪存中的写缓存在空间不足时触发回写操作，页面重构机制根据缓存队列队尾页有效数据决定是否进行页面重构操作；

S3、当缓存队列队尾页不满足页面重构操作时，数据温度识别回写机制按温度等级从温度搜索区依次搜索冷、温和热逻辑页进行回写。

进一步地，步骤S1中，上层应用请求被切分成逻辑页大小后进入缓存区，逻辑页温度标志位的产生和温度变化过程如下：

S11、为缓存中的每个逻辑页建立表示温度等级的数据结构；

S12、根据缓存命中情况，为缓存中的每个逻辑页调整温度值大小。

进一步地，所述的步骤S2中，当缓存区空间不足需要清理缓存空间时，页面重构机制会优先开始工作，主要步骤如下：

S21、对于每一个即将到达缓存的上层应用请求，判断其是否命中缓存区；

S22、当上层应用请求没有命中缓存区时，实时监测缓存区是否有足够空间用于缓存上层应用请求；

S23、当缓存区可用空间不够时，触发清理缓存空间回写操作，若缓存队列队尾节点满足页面重构操作条件时，优先执行页面重构操作，将缓存中的多个逻辑页进行重构，如图1所示，将逻辑页D10与逻辑页D2进行页面重构后的重构页写回至闪存；

S24、进行页面重构操作后将修改原有映射表，添加新的映射关系，最后将重构页写回闪存，同时在缓存中清除已发生重构操作的缓存节点，如图1所示，逻辑页D2与逻辑页D10在重构后将从缓存队列中删除。

进一步地，页面重构操作后的闪存中的物理页包含了多个逻辑页数据，因此映射粒度由原来的页级映射进一步降低，映射方式由一对一映射可能变成一对多映射，因此，在服务读请求时可能需要读多个映射关系。为了提高闪存读性能，数据温度识别回写机制通过利用负载的时间局部特性，按照逻辑页中的温度标志位数值进行逻辑页温度等级划分成三个等级，分别是冷逻辑页、温逻辑页和热逻辑页，同时将缓存区逻辑拆分为温度搜索区和非搜索区，按照预先设置的优先级进行回写操作。数据温度识别回写机制操作步骤如下：

S31、当缓存队列队尾节点不满足页面重构操作时，将触发数据温度识别回写机制进行缓存回写操作，此时数据温度识别回写机制将缓存区逻辑拆分为温度搜索区和非搜索区；

S32、按照缓存中每个逻辑页的温度值，在温度搜索区中按照优先级(冷逻辑页>温逻辑页>热逻辑页)从缓存队列队尾节点开始往前搜索第一个冷逻辑页或温逻辑页或热逻辑页，如图2所示，缓存队列队尾逻辑页D10是热逻辑页，将从D10开始往前搜索，搜索到逻辑页D8是冷逻辑页，交换逻辑页D10和逻辑页D8，再将D8写回至闪存介质；

S33、当搜索结束后，将搜索到的缓存节点与缓存队列队尾节点进行交换后再写回闪存，最后清除已写回的缓存节点并修改相应映射关系。

进一步地，所述的板载缓存是由厂商内置的DRAM易失性内存，用于缓存写请求。

进一步地，所述的缓存队列节点是指写请求经过切分成若干个一个逻辑页大小的逻辑页，逻辑页大小与闪存中的物理页大小相同，通常是4KB，每个缓存节点对应一个逻辑页，缓存队列用于缓存写请求以及服务读写请求是否缓存命中情况。

进一步地，经过页面重构操作后的页将保留原有映射关系的同时增加新的映射关系，逻辑页与物理页由一对一映射转换成一对多映射。

该基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，结合页面重构机制与数据温度识别回写机制，将多个逻辑页进行页面重构，降低了写操作数量，同时合理划分缓存区利用负载时间局部性，提高了闪存系统整体命中率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明尽可能避免了闪存发生写更新操作时可能触发的非覆盖写操作，降低了写更新代价。

(2)本发明在LRU算法的基础上结合闪存的物理特性提出页面重构机制，将有效数据不足整页大小的逻辑页进行页面重构操作，降低了页面映射粒度，显著降低了写操作数量，提高了闪存系统的写性能。

(3)本发明在页面重构机制的基础上提出了利用负载时间局部特性的数据温度识别回写机制，提高了闪存系统的整体命中率。

附图说明

图1是本发明公开的一种基于页面重构与数据温度识别缓存方法中的页面重构的算法结构图；

图2是本发明公开的一种基于页面重构与数据温度识别缓存方法中的数据温度识别的算法结构图；

图3是本发明公开的基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法的系统架构图。

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和图2所示，本实施例公开了一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，应用在闪存系统中，针对闪存页在回写过程中可能发生的非覆盖写问题进行了页面重构操作提高写响应性能。同时，针对页面重构操作可能产生的读性能问题采用了数据温度识别策略进行压降读响应时间。同时对这种闪存缓存管理方法进行垃圾回收数量测试，从多角度评估本发明对闪存系统的性能影响。

本发明在闪存板载缓存中为每个逻辑页设置了一个数据结构，该数据结构用于表示温度标志位，为每个逻辑页温度值进行动态调整，将页面重构机制与数据温度识别回写机制相结合，主要分为三个步骤：

1)逻辑页温度设置。修改逻辑页数据结构，新增整型温度标志位，默认值设置为0。板载缓存中的每一个逻辑页都维持着这个温度值标志位，在缓存发生命中时，将该逻辑页温度值自增1，在温度值到达2后停止自增。逻辑页温度值分为三个等级，0表示冷逻辑页，1表示温逻辑页，2表示热逻辑页。

2)触发页面重构操作。当板载缓存空间足够时，写请求直接写入缓存中；当板载缓存空间不足时，需要触发缓存回写操作。首先启动页面重构机制，检测缓存队列中队尾节点逻辑页中的有效数据是否满了一个整页大小，整页大小通常为4KB，如果不满足，则从缓存队列队尾开始从后往前开始检索每个逻辑页，直到检索到能够与队尾逻辑页进行页面重构成整页大小的逻辑页或者检索到队首。检索成功则触发页面重构操作，将检索到的逻辑页和队尾逻辑页重构之后写回至闪存，然后将该逻辑页和队尾逻辑页从缓存队列中清除，最后修改相应的映射表，此时完成页面重构机制。

3)触发数据温度识别操作。当页面重构机制中检索逻辑页失败时，停止执行页面重构机制，转而执行数据温度识别回写机制。该算法将板载缓存逻辑划分为温度搜索区和非搜索区，搜索区与缓存队列队尾临接，非搜索区与缓存队列队首临接。首先，该算法会先判断队尾逻辑页是否是冷逻辑页，如果是，则直接将队尾逻辑页回写至闪存；如果否，则在温度搜索区中从缓存队列队尾节点往前开始搜索冷逻辑页，如果搜索到了冷逻辑页则将该冷逻辑页与队尾逻辑页置换位置并回写至闪存；如果否，说明此时缓存队列搜索区中已经不存在冷逻辑页，此时应当从队尾逻辑页开始往前搜索第一个温逻辑页，然后与队尾节点交换位置并回写志闪存；如果缓存队列温度搜索区中不存在冷逻辑页和温逻辑页时，说明此时温度搜索区中都是热数据，此时，直接回写缓存队列队尾逻辑页志闪存，每次发生回写操作都需修改相应映射表，此时执行数据温度识别回写机制完毕。

综上所述，本实施例提出的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法是在闪存板载缓存中的LRU缓存队列中，结合闪存写更新操作物理特性，引入页面重构机制与数据温度识别回写机制，将多个逻辑页进行重构操作降低写操作数量的同时利用负载的时间局部特性提高缓存命中率，提高读写性能以及降低了垃圾回收数量，进而提高闪存寿命。

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 (8)

1.一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，在SSD缓存队列中的数据将会按照预先设置的页面重构机制和数据温度识别回写机制进行回写操作，其特征在于，所述的闪存缓存管理方法包括以下步骤：

S1、在操作系统将上层应用请求从块设备层下发至闪存板载缓存中后，数据温度识别回写机制将上层应用请求切分成页，并为每个逻辑页设置温度等级标志，同时调整逻辑页温度值；

S2、当闪存中的写缓存在空间不足时触发回写操作，页面重构机制根据缓存队列队尾页有效数据决定是否进行页面重构操作；

S3、当缓存队列队尾页不满足页面重构操作时，数据温度识别回写机制按温度等级从温度搜索区依次搜索冷、温和热逻辑页进行回写。

2.根据权利要求1所述的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其特征在于，所述的步骤S1中，上层应用请求被切分成逻辑页大小后进入缓存区，逻辑页温度标志位的产生和温度变化过程如下：

S11、为缓存中的每个逻辑页建立表示温度等级的数据结构；

S12、根据缓存命中情况，为缓存中的每个逻辑页调整温度值大小。

3.根据权利要求1所述的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其特征在于，所述的步骤S2过程如下：

S21、对于每一个即将到达缓存的上层应用请求，判断其是否命中缓存区；

S22、当上层应用请求没有命中缓存区时，实时监测缓存区是否有足够空间用于缓存上层应用请求；

S23、当缓存区可用空间不够时，触发清理缓存空间回写操作，若缓存队列队尾节点满足页面重构操作条件时，优先执行页面重构操作，将缓存中的多个逻辑页进行重构；

S24、进行页面重构操作后将修改原有映射表，添加新的映射关系，最后将重构页写回闪存，同时在缓存中清除已发生重构操作的缓存节点。

4.根据权利要求1所述的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其特征在于，所述的数据温度识别回写机制通过利用负载的时间局部特性，按照逻辑页中的温度标志位数值进行逻辑页温度等级划分成三个等级，分别是冷逻辑页、温逻辑页和热逻辑页，同时将缓存区逻辑拆分为温度搜索区和非搜索区，按照预先设置的优先级进行回写操作，其中，所述的优先级如下：冷逻辑页>温逻辑页>热逻辑页。

5.根据权利要求4所述的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其特征在于，所述的步骤S3过程如下：

S31、当缓存队列队尾节点不满足页面重构操作时，将触发数据温度识别回写机制进行缓存回写操作，此时数据温度识别回写机制将缓存区逻辑拆分为温度搜索区和非搜索区；

S32、按照缓存中每个逻辑页的温度值，在温度搜索区中按照优先级从缓存队列队尾节点开始往前搜索第一个冷逻辑页或温逻辑页或热逻辑页；

S33、当搜索结束后，将搜索到的缓存节点与缓存队列队尾节点进行交换后再写回闪存，最后清除已写回的缓存节点并修改相应映射关系。

6.根据权利要求1所述的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其特征在于，所述的板载缓存是由厂商内置的DRAM易失性内存，用于缓存写请求。

7.根据权利要求1所述的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其特征在于，所述的缓存队列节点是指写请求经过切分成若干个一个逻辑页大小的逻辑页，逻辑页大小与闪存中的物理页大小相同，每个缓存节点对应一个逻辑页，缓存队列用于缓存写请求以及服务读写请求是否缓存命中情况。

8.根据权利要求1所述的一种基于页面重构与数据温度识别的闪存缓存管理方法，其特征在于，经过页面重构操作后的页将保留原有映射关系的同时增加新的映射关系，逻辑页与物理页由一对一映射转换成一对多映射。

Images