CN111190543A - 一种线程间共享nvdimm存储资源的存储方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法及系统，该方法包括建立共享NVDIMM存储空间规划模型，其中，建立共享NVDIMM存储空间规划模型包括：S1.定义NVDIMM共享域；S2.设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则；S3.设置共享域导出规则；本发明方法采用规划NVDIMM存储资源的方式，通过定义共享域、元数据信息回写、共享域导出等规则，达到降低存储系统的读写延迟，减少系统异常宕机或非计划断电情况下的数据丢失量，缩短系统异常宕机或非计划断电情况下的系统恢复时间。

Description

一种线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机数据处理技术领域，具体而言，为一种线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法及系统。
背景技术
进入二十一世纪以来，随着电子商务、大数据和云计算等应用和基于互联网的基础设施的大规模普及，产生了大量数据，由此也对存储这些数据的存储系统提出了多目标需求，例如：能够满足高IOPS(每秒读写次数)、低延迟、高带宽等性能需求，同时也能够满足高可靠和高可用以及大容量可扩展等易用性需求，为了满足这些需求，在存储系统的设计中有两个主要的技术发展方向：以存储介质、存储部件和计算部件的性能和容量提升为主的发展方向；以高效、易用的存储软件为主的发展方向。
在存储系统实现过程中，除用户数据是存储系统需要确保高效、安全可靠保存的关键数据之外，对于描述用户数据的元数据信息更需要准确高效的存储，因为元数据中记录着用户数据在存储系统中的位置位置及相互关系等重要关系信息，元数据信息相比于用户数据而言，数据量相对较小，通常以字节级进行访问，而对于现代的大容量磁盘、ssd等必需以至少以扇区(512字节)或4K字节为最小访问单位的存储介质而言，元数据的存储往往带来大量的小IO开销及写放大效应，在计算机系统中通常使用的易失内存能够满足字节访问的需求，但不能满足非易失性要求。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法及系统，利于提高存储系统的可靠性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，包括建立共享NVDIMM存储空间规划模型，其中，建立共享NVDIMM存储空间规划模型包括：
S1.定义NVDIMM共享域；
S2.设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则；
S3.设置共享域导出规则。
进一步的，上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法中，所述S1.定义NVDIMM共享域，包括
获取NVDIMM的一段连续的地址空间，所述连续的地址空间由位于头部的共享域描述信息区和其后连续排列的数据IO块组成；其中共享域描述信息区记录当前所在系统的ID、共享域状态标识、共享域中数据IO块数量、被使用的数据IO块记数和空闲数据IO块记数、共享域当前使用者记数以及共享域中数据IO块起始位置信息中的一种或多种；共享域中还包括标识数据IO块空闲/占用状态的位图和相对应的保存至底层存储的地址信息表，以及数据IO块使用者的标识表。
进一步的，上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法中，所述设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则，包括：
S21.设置基础规则；
S22.设置操作规则。
进一步的，上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法中，所述设置基础规则包括
NVDIMM接收到使用者的线程或进程传输的元数据，暂存在NVDIMM的数据IO块中，当达到预设量或时间达到预设阈值时，回写到底层存储中。
进一步的，上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法中，所述S22.设置操作规则，包括
使用者的线程或进程执行保存操作并产生新的元数据时，首先在NVDIMM的数据IO块上分配一块空闲的存储单元用于保存所述元数据信息；
向底层存储发起数据写操作，待数据写完成后，使用者的线程或进程将相应的元数据信息保存到所述空闲的存储单元中；当达到数据IO块回写条件时，使用者的线程或进程拷贝数据IO块中的元数据信息到IO结构中，或直接将数据IO块作为IO结构的组成部分链接O到其中；
向底层存储发起元数据写IO，写到底层存储的相应存储单元中，当元数据写IO完成后，使用者的线程或进程通过主动查询获取到元数据写IO完成的信息，或由底层存储主动回调给使用者的线程或进程，使用者的线程或进程依据完成信息修改NVDIMM共享域描述区中相应的记数信息及位图信息。
进一步的，上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法中，所述S3.设置共享域导出规则，包括
如果建立的所述模型在操作系统内核态使用，则所述NVDIMM通过mmap动态映射到确定的内核地址空间，在内核线程之间共享；如果在操作系统用户态使用，则通过mmap操作将所述NVDIMM分段映射到不同的进程地址空间中，在同一进程的线程之间共享。
进一步的，上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法中，还包括S4.设置共享域初始化规则：
所述NVDIMM共享域首次使用时，设置共享域描述区中相关的信息初始值，最后设置系统ID；
系统ID有效，则认定共享域包含的信息有效；
系统ID无效，则进行初始化。
进一步的，上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法中，还包括S5.设置系统正常卸载规则：
建立的NVDIMM存储空间规划模型使用过程中，如果异常断电，则操作系统再次正常启动时由相应的使用者根据自身的标识在所述NVDIMM共享域的标识表中查询属于自己管理的数据IO块。
本发明还提供了一种实施上述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法的系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法采用规划NVDIMM存储资源的方式，通过定义共享域、元数据信息回写、共享域导出等规则，达到降低存储系统的读写延迟，减少系统异常宕机或非计划断电情况下的数据丢失量，缩短系统异常宕机或非计划断电情况下的系统恢复时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明方法中，线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的示意图；
图2为本发明方法中，NVDIMM共享域的定义示意图；
图3为本发明方法中，设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则是示意图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本发明提供了一种线程间共享NVDIMM(非易失性双列直插式内存模块，non-volatile dual in-line memory module)存储资源的存储方法，包括建立共享NVDIMM存储空间规划模型，其中，建立共享NVDIMM存储空间规划模型包括：
S1.定义NVDIMM共享域；
S2.设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则；
S3.设置共享域导出规则。
本发明方法采用规划NVDIMM存储资源的方式，通过定义共享域以及元数据信息回写方法，达到降低存储系统的读写延迟，减少系统异常宕机或非计划断电情况下的数据丢失量，缩短系统异常宕机或非计划断电情况下的系统恢复时间。
具体的，所述建立共享NVDIMM存储空间规划模型，包括
S1.定义NVDIMM共享域；以及
S2.设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则；；
本发明方法中，NVDIMM为非易失双在线存储模组，本发明基于NVDIMM进行规划模型建立和内部空间定义，其中
所述NVDIMM共享域：获取NVDIMM的一段连续的地址空间，由位于头部的共享域描述信息区和其后连续排列的数据IO块组成；其中共享域描述信息区记录当前所在系统的ID、共享域状态标识、共享域中数据IO块数量、被使用的数据IO块记数和空闲数据IO块记数、共享域当前使用者记数以及共享域中数据IO块起始位置(相对于共享域首地址的偏移地址)，共享域还包括标识数据IO块空闲/占用状态的位图和相对应的保存至底层存储的地址信息表，以及数据IO块使用者的标识表。
本发明给出的一个具体实施例中，如图2所示的：NVDIMM共享域包括：记录系统标识ID或共享域状态标识等的描述区201，记录共享域中数据IO块(其单位为512B的倍数，默认为4KB)数量、被使用的数据IO块记数和空闲数据IO块记数、共享域当前使用者记数以及共享域中数据IO块起始位置等的第二区202，记录数据IO块空闲/占用状态的位图和相对应的保存至底层存储的地址信息表以及记录使用者(线程或进程)的标识表的第三区203，还包括记录包含相邻无缝隙排布的数据IO块的区域20X。
系统标识ID(系统ID)用于区分当前的NVDIMM存储部件是否属于当前所在系统的ID，由当前系统定义，并通过读取相关配置文件获取或由系统命令设定，例如UUID或其他特定字符串等，该ID被记录在共享域的描述信息区的指定位置，操作系统正常启动后，通过读取指定位置对当前NVDIMM进行识别，如果没有该标识则认为此NVDIMM存储部件尚未进行初始化，可以根据策略由程序确定是自动初始化还是等待管理员操作指令。
所述设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则中，如图1所示的，包括S21.设置基础规则：
NVDIMM 101接收到使用者102(其实质即作为使用者的线程或进程)传输的元数据，暂存在NVDIMM 101的数据IO块中，当达到一定量或时间达到一定阈值时，回写到底层存储103中。
所述设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则；中，还包括S22.设置操作规则：
如图3所示的，至少包括对一个数据IO块3011，一次IO中保存相应元数据的存储单元3011x以及一个数据IO块回写到底层存储303上相应的存储单元303x的规则设置；其中存储单元即每次数据写所需要的元数据存储空间，通常为字节级固定大小；所述元数据为用于描述用户数据及其索引信息的数据，例如用户数据的存储位置、大小、访问权限等。
使用者(其实质即作为使用者的线程或进程，下同)要保存用户数据时，如果确定此次保存操作会产生新的元数据，那么首先在NVDIMM 301的数据IO块3011上分配(即经过进程3021)一块空闲的存储单元3011x用于保存元数据信息，然后向底层存储303发起用户数据写操作，待用户数据写完成后，使用者302将相应的元数据信息保存(即经过进程3022)到存储单元3011x中，当达到数据IO块3011回写条件(即步骤S11.中数据IO块暂存数据达到预设量或时间达到预设阈值时，回写到底层存储中)时，使用者302拷贝(即进程3023)数据IO块3011中的元数据信息到IO结构中，或直接将数据IO块3011作为IO结构的组成部分链接O(即经过进程3023)到其中，然后向底层存储303发起(即经过进程3024)元数据写IO，写到底层存储303的相应存储单元303x中，当元数据写IO完成后，使用者302通过主动查询(即进程3025)获取到元数据写IO完成的信息，或由底层存储303主动回调(即进程3031)给使用者302，使用者302依据完成信息修改(即进程3026)NVDIMM共享域描述区3010中相应的记数信息及位图等信息。
本发明方法通过定义NVDIMM共享域及执行规则，降低存储系统的读写延迟。
本发明还包括S3.设置共享域导出规则：
如果本发明方法建立的模型在操作系统内核态使用，那么NVDIMM通过mmap(内存映射文件的方法)操作动态映射到确定的内核地址空间，在内核线程之间共享；如果在操作系统用户态使用，那么通过mmap操作将NVDIMM分段映射到不同的进程地址空间中，在同一进程的线程之间共享；以此降低共享存储资源实现的复杂度，很好地适应于用户态和内核态的命名空间管理特点，避免不必要的冲突和竞争。
本发明方法还包括S4.设置共享域初始化规则
NVDIMM共享域首次使用时(未设置系统ID)，由使用者设置共享域描述区中相关的信息的初始值，最后设置系统ID。系统ID有效(与预期配置的系统ID比较来确定有效性)，则认定共享域包含的信息有效；
系统ID无效则进行初始化，系统ID有效则检查共享域的状态，如果状态标识为正常状态，则共享域为正常加载，当前共享域中所有数据IO块均已保存到底层存储中。
对所有NVDIMM进行初始化，导出所有共享域，系统ID有效，但共享域的状态为非正常，则需要分析使用者标识表，扫描被使用的数据IO块，确定其使用者，并相关联。
本发明方法还包括S5.设置系统正常卸载规则
在建立的NVDIMM存储空间规划模型使用过程中，如果使用者正常退出，那么其使用的NVDIMM内存也应该被正常回写并释放，如果为异常断电，那么操作系统再次正常启动时由相应的使用者根据自身的标识在本发明NVDIMM共享域的标识表中查询属于自己管理的数据IO块，以此减少系统异常宕机或非计划断电情况下的数据丢失量，缩短系统异常宕机或非计划断电情况下的系统恢复时间。
本发明还提供了一种实施本发明上述方法的系统，基于计算机(PC机硬件设备)，通过程序代码实施本发明上述方法，具体的实现原理和步骤与本发明上述关于方法的描述相同，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：包括建立共享NVDIMM存储空间规划模型，其中，建立共享NVDIMM存储空间规划模型包括：
S1.定义NVDIMM共享域；
S2.设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则；
S3.设置共享域导出规则。
2.根据权利要求2所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：所述S1.定义NVDIMM共享域，包括
获取NVDIMM的一段连续的地址空间，所述连续的地址空间由位于头部的共享域描述信息区和其后连续排列的数据IO块组成；其中共享域描述信息区记录当前所在系统的ID、共享域状态标识、共享域中数据IO块数量、被使用的数据IO块记数和空闲数据IO块记数、共享域当前使用者记数以及共享域中数据IO块起始位置信息中的一种或多种；共享域中还包括标识数据IO块空闲/占用状态的位图和相对应的保存至底层存储的地址信息表，以及数据IO块使用者的标识表。
3.根据权利要求2所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：所述设置线程在NVDIMM共享域和底层存储之间的执行规则，包括：
S21.设置基础规则；
S22.设置操作规则。
4.根据权利要求3所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：所述设置基础规则包括
NVDIMM接收到使用者的线程或进程传输的元数据，暂存在NVDIMM的数据IO块中，当达到预设量或时间达到预设阈值时，回写到底层存储中。
5.根据权利要求4所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：所述S22.设置操作规则，包括
使用者的线程或进程执行保存操作并产生新的元数据时，首先在NVDIMM的数据IO块上分配一块空闲的存储单元用于保存所述元数据信息；
向底层存储发起数据写操作，待数据写完成后，使用者的线程或进程将相应的元数据信息保存到所述空闲的存储单元中；当达到数据IO块回写条件时，使用者的线程或进程拷贝数据IO块中的元数据信息到IO结构中，或直接将数据IO块作为IO结构的组成部分链接O到其中；
向底层存储发起元数据写IO，写到底层存储的相应存储单元中，当元数据写IO完成后，使用者的线程或进程通过主动查询获取到元数据写IO完成的信息，或由底层存储主动回调给使用者的线程或进程，使用者的线程或进程依据完成信息修改NVDIMM共享域描述区中相应的记数信息及位图信息。
6.根据权利要求5所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：所述S3.设置共享域导出规则，包括
如果建立的所述模型在操作系统内核态使用，则所述NVDIMM通过mmap动态映射到确定的内核地址空间，在内核线程之间共享；如果在操作系统用户态使用，则通过mmap操作将所述NVDIMM分段映射到不同的进程地址空间中，在同一进程的线程之间共享。
7.根据权利要求6所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：还包括S4.设置共享域初始化规则：
所述NVDIMM共享域首次使用时，设置共享域描述区中相关的信息初始值，最后设置系统ID；
系统ID有效，则认定共享域包含的信息有效；
系统ID无效，则进行初始化。
8.根据权利要求7所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法，其特征在于：还包括S5.设置系统正常卸载规则：
建立的NVDIMM存储空间规划模型使用过程中，如果异常断电，则操作系统再次正常启动时由相应的使用者根据自身的标识在所述NVDIMM共享域的标识表中查询属于自己管理的数据IO块。
9.一种实施权利要求1-8任一项所述的线程间共享NVDIMM存储资源的存储方法的系统。
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