CN1148658C - 利用高速缓存器管理raid存储系统的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一台计算机系统包括一台运行着应用程序的主计算机，这些应用程序从存储系统中请求数据对象。这个存储系统有一个存储设备，例如磁盘存储设备，和一个高速缓冲存储器。被主计算机频繁使用的数据对象被存储在高速缓冲存储器中。数据对象也被存储在逻辑上按照数据对象的段和段的组排列的存储设备上。高速缓冲存储器逻辑上被分成一个段高速缓冲器和一个组高速缓冲器。小粒度特征的数据，即段，被存储在这个段高速缓冲器中。

Description

利用高速缓存器管理RAID存储系统的方法和系统
技术领域
本发明涉及具有直接存取存储设备例如磁盘存储器和高速缓存存储器的存储系统。具体地说，本发明是关于一种方法和一个系统的，该系统通过减少主计算机和信道对存储系统的数据存取的等待时间而提供了增强的性能。
背景技术
一个普通的计算机系统包括一个主计算机和一个直接存取存储设备(DASD)，例如一个或多个磁盘。在主计算机上运行的应用程序访问DASD上的寻址单元来读写数据。这种存取过程被称为磁盘输入/输出(I/O)操作。由于主计算机的运行速度比DASD的运行速度要高得多，因此，I/O磁盘操作导致正在运行的应用程序等待I/O操作被执行完成。其结果是抑制了主计算机的吞吐量。为了避免这种情况的发生，利用独立的高速缓存存储器来存储被应用程序最频繁使用的数据。
存储系统管理器被用来管理I/O磁盘操作和对高速缓冲存储器的存取。通常，数据被组织成数据对象，例如记录。当正在运行的应用程序要求存取一条记录时，存储系统管理器首先在高速缓冲存储器中查找这条记录。如果在高速缓冲存储器中查找到这条所要求的记录(即“命中”)，那么可快速地存取这条记录而不必去执行耗费时间的磁盘I/O操作。如果在高速缓冲存储器中没有查找到这条所要求的记录(即“未命中”)，那么存储系统管理器需要执行一个磁盘I/O操作以便从DASD中获得这条所要求的记录并将其写到高速缓冲存储器中。
通常，存储系统管理器使用一种最近最少使用(LRU)的技术管理高速缓冲存储器中的记录存储。LRU技术使用一个由多个控制块组成的链或队列。每一个控制块标识出(a)一条记录的地址，(b)一个用来标识该链中下一条相邻记录的地址的前向链指针，(c)一个用来标识该链中前一条记录的地址的后向指针。存储系统管理器维护用来标识LRU记录的第一定位指针，例如链的首端。存储系统管理器也维护用来标识最近最常使用(MRU)的记录的第二定位指针，例如链的尾端。
每当高速缓冲器被命中时，被命中记录的控制块被从队列中取出，然后作为MRU记录被排列在LRU链的尾端。每当高速缓冲器未被命中时，LRU控制块被从该链的首端取出。最近被请求的记录被从DASD中升级到高速缓冲存储器中的一个指定的地址。利用被升级的记录及指定的地址的标识符来修改从队列中被取出的控制块，并将其作为MRU控制块排列在LRU链的尾部。
在设计存储系统的高速缓冲存储器中，大部分的注意力都被集中于提高被请求的数据记录在高速缓冲存储器中会被找到的概率。例如，专利号为5,717,893的美国专利描述了一个被分成一个全局高速缓冲器和大量的本地高速缓冲器的高速缓冲存储器，每个本地高速缓冲器被分配来存储一种指定类型的数据记录。各种类型的数据记录被从本地高速缓冲器中或从磁盘存储系统中降级到全局高速缓冲器中。根据LRU算法，一条LRU数据记录被从全局高速缓冲器中降级到数据类型与这条被取出的LRU记录的数据类型相匹配的本地高速缓冲器中。当本地高速缓冲器存储满了时，LRU记录被降级到存储系统中。由于设计时采用了给较常使用的数据记录类型分配较多的高速缓冲器的分配方案，因此提高了高速缓冲器的命中率。而且也具有允许逻辑地和动态地调整分配大小的特征，以便能够针对较常使用的数据类型增加高速缓冲器的大小，同时针对不常使用的数据类型减小高速缓冲器的大小。
其它现有的技术方案通过消除高速缓冲器中的数据记录的重复来增加高速缓冲器的命中率。这类典型的方案在专利号为5,802,572和5,627,990的美国专利中被描述。
DASD系统通过利用在出现故障的情况下确保数据恢复的几何结构中所配置的多个小存储模块而已得到改进。
这些已被改进的系统通常被称为廉价(或独立)冗余阵列磁盘机(RAID)。在这样的一些几何结构中，一个数据对象被分成数据部分，而每一个数据部分被存储在这些磁盘中的不同的一个磁盘上。在一个已知为RAID 4级的几何结构中，这些磁盘中的一个磁盘专门被用来存储这些数据部分的奇偶校验部分。该奇偶校验部分在出现故障时被用来重新生成数据部分。对于写操作，这个几何结构要求两个不同的写访问，一个写访问是对存储数据部分的磁盘的写访问，另一个是对存储奇偶校验部分的磁盘的写访问。
在另一个已知为RAID 5级的几何结构中，这些磁盘被分割以在阵列中的现用磁盘组上分配数据信息和奇偶校验信息。每个被分割的部分通常被称为一个数据条。一个数据条的奇偶校验信息通常被存放在一个磁盘上，数据被存放在该数据条的其余的磁盘上。包含奇偶校验信息的磁盘随数据条的不同而各不相同。这就允许并行地管理多个数据条，从而使得大的数据块能够升级或降级。
上面所提到的增加高速缓冲器命中率的方案针对相当小的数据对象，例如页、表等。它们并不采用RAID系统的功能来处理大得多的数据对象，例如包含许多较小的页对象的数据条。
因此，需要一个具有已被提高高速缓冲命中概率的高速缓冲存储器。特别是需要一个采用RAID存储设备的数据条存取功能的高速缓冲存储器。
发明内容
本发明使用一台运行着应用程序的主计算机，这些应用程序从存储系统中请求数据对象。这个存储系统有一个存储设备，例如磁盘存储设备，和一个高速缓冲存储器。被主计算机频繁使用的数据对象被存储在高速缓冲存储器中。数据对象也可被存储在逻辑上按数据的段和段的分组被排列的存储设备上。高速缓冲存储器逻辑上被分成第一高速缓冲器和第二高速缓冲器。
本发明的方法利用第一高速缓冲器存储具有小的粒度的段，利用第二高速缓冲器存储具有大的粒度的段的分组。当主计算机请求存取数据时，本发明的方法判断被请求的数据是否被存储在第一高速缓冲器。如果被请求的数据没有被存储在第一高速缓冲器中，那么本发明的方法判断被请求的数据是否被存储在第二高速缓冲器中。如果被请求的数据没有被存储在第二高速缓冲器中，那么被存储在存储设备中的一个段的分组被访问，在这些段的某一个段中包含了被请求的数据。接着，这个段的分组被存储在第二高速缓冲器中，而包含了被请求数据的第一段被存储在第一高速缓冲器中。然后，从第一高速缓冲器中存取被请求的数据。
如果本方法判断出被请求的数据被存储在第二高速缓冲器中而不是在第一高速缓冲器中，那么包含了被请求数据的段的一个副本被传送给第一高速缓冲器。
本方法利用不同的LRU方法管理来自第一高速缓冲器中的最近最少使用的段的降级以及来自第二高速缓冲器中的段的分组的降级，为没有被存储在第一高速缓冲器和第二高速缓冲器中的被请求的数据分配存储空间。
将高速缓冲存储器分成第一高速缓冲器和第二高速缓冲器以及在第一高速缓冲器中存储段和在第二高速缓冲器中存储组是本发明的一个重要特征。该特征利用了一个请求组中的一个数据对象的应用程序也会需要在同一个组中但不必是在同一个段中的其他数据对象的这种可能性。
本发明还提供了一个位于主计算机和存储设备之间的数据路径上的多粒度高速缓冲存储器系统，所述多粒度高速缓冲存储器系统包括：一个逻辑上被分为第一高速缓冲器和第二高速缓冲器的高速缓冲存储器；以及一个用来处理来自所述主计算机的用于数据存取的请求的多粒度管理器，所述多粒度管理器执行一个过程，该过程包括：(a)响应于来自所述主计算机的存取数据的请求，判断所述被请求的数据是否被存储在所述第一高速缓冲器中，如果所述被请求的数据没有被存储在所述第一高速缓冲器中，那么判断所述被请求的数据是否被存储在所述第二高速缓冲器中；(b)如果所述被请求的数据没有被存储在所述第二高速缓冲器中，那么存取被存储在所述存储设备中的段的一个组，在所述段的这个组中的第一段包含所述被请求的数据；(c)在所述第二高速缓冲器中存储所述段的这个组，在所述第一高速缓冲器中存储包含了所述被请求的数据的所述第一段；以及(d)如果步骤(a)判断出所述被请求的数据被存储在所述第一高速缓冲器中，或者当步骤(c)已经在所述第一高速缓冲器中存储了所述第一段时，那么从所述第一高速缓冲器中存取所述被请求的数据。
本发明的高速缓冲存储器系统利用了一个包含上面所描述的有关本发明的方法的过程的多粒度高速缓冲器管理程序。
按照本发明，存储器媒质控制高速缓冲存储器执行上面所描述的本发明的方法的过程。
本发明的其他更多的目的、优点及特征将根据后附的图并参照下列的详细描述得到理解，其中相同的参考字符表示相同的结构构件，以及
附图说明
图1是按照本发明的包括一个多粒度高速缓冲存储器的一个计算机系统的方框图；
图2是按照本发明的一个多粒度的程序的读过程的流程图；以及
图3～图5是按照本发明描绘一个多粒度的程序的写过程的流程图。
具体实施方式
参照图1，图中给出了一个计算机系统10。计算机系统10包括一个主计算机12和一个存储系统14。存储系统14包括一个主适配器16、一个存储设备18和一个按照本发明的多粒度高速缓冲存储器30。多粒度高速缓冲存储器30与主适配器16一同被耦合在主计算机12和存储设备18之间的一条数据路径上。
主计算机12通常包含了一个或多个运行应用程序的处理器。这些处理器可以并行地运行一个单独的应用程序、或在不同时间运行不同的应用程序、或并发地运行应用程序、或按照由此任意组合的方式运行应用程序。这些应用程序使用构成逻辑数据结构的数据对象。一个逻辑数据结构通常可以是例如页或表等的一条记录。为了存储的目的，多个数据对象逻辑上被安排在一个段中，多个段逻辑上被安排在一个组中。
在一个RAID-5阵列的首选实施例中，一个组对应着一个数据条(即，有时在该领域也被称为一个阵列柱面)，一个段对应着一个数据条的一个盘(即，有时在该领域也被称为一个阵列道)。然而，本发明认为对象的逻辑数据结构、段和组可以用一种灵活的方式被定义。同样，熟知本领域的那些人将会认为对应于这些逻辑数据结构的其他的物理布局是可行的。
主适配器16适当地可以是一个在存储系统14和主计算机12之间用来交换数据记录的具有发送和接收功能的传统设备。
存储设备18适当地可以是一个具有多个磁盘19的磁盘存储设备。最好地，存储设备18使用RAID存储方案中的磁盘19，以便多粒度高速缓冲存储器30能够利用RAID的功能并发地管理相当大(一个或多个粒面)的数据块。
根据本发明，高速缓冲存储器30包括一个多粒度管理器36。按照本发明的方法，管理器36逻辑上将高速缓冲存储器30分成第一高速缓冲器32和第二高速缓冲器34。管理器36对来自主计算机12的数据存取请求作出响应以产生一个较低粒度的数据结构，例如被存储在第一高速缓冲器32中的段。管理器36对来自主计算机12的数据存取请求作出响应以产生一个较高粒度的数据结构，例如被存储在第二高速缓冲器34中的组。第一高速缓冲器32和第二高速缓冲器34既可以被设计成高速缓冲存储器30的物理区域，也可以被设计成高速缓冲存储器30的逻辑区域。
逻辑上将高速缓冲存储30分成第一高速缓冲器32和第二高速缓冲器34、以及在第一高速缓冲器32中存储段和在第二高速缓冲器34中存储组是本发明的一个重要特征。它利用了一个请求组中数据对象的应用也需要在同一个组中但不必要在同一个段中的其它数据对象的可能性。预计高速缓冲器未命中率将会减少到原来的1/4。
管理器36包括一个段的LRU列表35和用传统的LRU方法来管理第一高速缓冲器32的段的LRU列表35的第一高速缓冲器管理器37。管理器36也包括一个组的LRU列表38和一个用传统的LRU方法来管理第二高速缓冲器32的组的LRU列表38的组管理器39。管理器36还包括一个读过程50、一个段的写过程60和一个组的写过程80。
参照图2，当主计算机12针对读操作请求一个数据存取操作时，读过程50便开始了。步骤51判断被请求的数据是否在段的LRU列表35中。如果被请求的数据是在段的LRU列表35中，那么步骤57将被请求的数据的一个副本从第一高速缓冲器32中传送到主计算机12。
如果被请求的数据不在段的LRU列表35中(第一高速缓冲器未命中)，那么步骤52判断被请求的数据是否在组的LRU列表38中。如果被请求的数据是在组的LRU列表38中，那么步骤54将包含了被请求的数据的该段的一个副本从第二高速缓冲器34中升级到第一高速缓冲器32中。步骤54也与第一高速缓冲器管理器37一同来修改段的LRU列表35，以在该列表的MRU部分中包括该升级段的地址。然后，步骤57将被请求的数据的一个副本传送到主计算机12中。
如果被请求的数据不在组的LRU列表38中(第二高速缓冲器未被命中)，步骤55将包含了被请求的数据的一个组的副本从磁盘存储设备18中升级到第二高速缓冲器34中。步骤55也与第二高速缓冲器管理器一同来修改组的LRU列表38，以在该列表的MRU部分中包括该升级组的地址。然后，步骤54按照上面所描述的将包含了被请求的数据的这个段从第二高速缓冲器34升级到第一高速缓冲器32中。然后，步骤57将被请求的记录的一个副本传送到主计算机12。
参照图3和图4，段的写过程60包括图3所示的一个同步过程61和图4所示的一个异步过程70。首先，参照图3，当主计算机12针对写操作请求一个数据存取操作时，同步过程61便开始了。步骤62判断被请求的数据是否已经存在于段的LRU列表35中。如果已经存在，那么步骤64将这个被写的数据传送到段的LRU高速缓冲器32中，以便修改这个已经存在的数据。步骤64也修改段的LRU列表35。步骤64也将这个段的一个段等待标志设置为0。
如果步骤62判断出这个被请求的数据不存在于段的LRU列表35中，那么步骤63在第一高速缓冲器32中分配一个地址。然后，除去被写的这个数据不对以前存在的版本进行修改外，步骤64按照上面所描述的步骤被执行。
参照图4，异步过程70通常是处于睡眠状态，当在第一高速缓冲器32中有一个被修改的段需要被降级到第二高速缓冲器34和/或磁盘存储设备18中时，由步骤71唤醒它。当步骤71判断出有降级任务需要被执行时，步骤72在段的LRU列表35中查找下一个被修改的段。步骤73判断这个段是否在组的LRU列表38中。如果不在，步骤74判断段的等待标志是否被设置为0。如果已被设置为0，那么步骤77将段的等待标志设置为1。此时，如果异步过程70已经完成了对它当前的工作的扫描任务，那么异步过程70要么进到段的LRU列表35中的下一个被修改的段，要么进入短时间的睡眠状态。这样提供了一个在存储到磁盘存储设备18中之前允许对段进行其它的修改的等待特征。
然后，步骤71再次唤醒异步过程70并重复执行步骤72～74。现在步骤74将判断出段的等待标志没有被设置为0。然后，步骤76将把被修改的段降级到磁盘存储设备18中。此时，如果异步过程70已经完成了它当前的工作的扫描任务，那么异步过程70要么进到段的LRU列表35中的下一个被修改的段，要么进入短时间的睡眠状态。
如果步骤73判断出被修改的段是在组的LRU列表38中，那么步骤75将被修改的段传送到第二高速缓冲器34中；以便修改已存在的组。步骤75也修改组的LRU列表38。步骤75也将这个组的组等待标志设置为0。然后，异步过程70进入其睡眠状态。
参照图5，组的写过程80也是一个异步过程，当有组的降级工作要被执行时，在步骤81唤醒它。当组的写过程80被步骤81唤醒时，步骤82在组的LRU列表38中查找下一个被修改的组。步骤83判断该组的等待标志是否被设置为0。如果为0，那么，步骤84将该组的等待标志设置为1。然后，组的写过程80进入短时间的睡眠状态。这样提供了一个在存储到磁盘存储设备18中之前允许对组进行其它的修改的等待特征。
然后，步骤81再次唤醒组的写过程80，并重复执行步骤82和83。现在步骤83将判断出组的等待标志没有被设置为0。此时，步骤85将把被修改的组降级到磁盘存储设备18中。然后，组的写过程80进入睡眠状态。
本发明已被参照着其首选格式进行了具体描述，很明显，在不背离本发明的精神及范围的情况下，对它进行各种改变和修改是可能的。

Claims (14)

1.一种用来管理高速缓冲存储器的方法，该高速缓冲存储器逻辑上被分成第一高速缓冲器和第二高速缓冲器，所述高速缓冲存储器被放置在主计算机和存储设备之间的数据路径上，所述方法包括：
(a)响应于来自所述主计算机的存取数据的请求，判断所述被请求的数据是否被存储在所述第一高速缓冲器中，如果所述被请求的数据没有被存储在所述第一高速缓冲器中，那么判断所述被请求的数据是否被存储在所述第二高速缓冲器中；
(b)如果所述被请求的数据没有被存储在所述第二高速缓冲器中，那么存取被存储在所述存储设备中的段的一个组，在所述段的这个组中的第一段包含所述被请求的数据；
(c)在所述第二高速缓冲器中存储所述段的这个组，在所述第一高速缓冲器中存储包含了所述被请求的数据的所述第一段；以及
(d)如果步骤(a)判断出所述被请求的数据被存储在所述第一高速缓冲器中，或者当步骤(c)已经在所述第一高速缓冲器中存储了所述第一段时，那么从所述第一高速缓冲器中存取所述被请求的数据。
2.权利要求1的方法，还包括：
(e)如果步骤(a)判断出被请求的数据被存储在所述第二高速缓冲器中而不是被存储在所述第一高速缓冲器中，那么在所述第二高速缓冲器中存取包含了所述被请求的数据的第二段，并在所述第一高速缓冲器中存储所述第二段；以及
(f)当步骤(e)已经在所述第一高速缓冲器中存储了所述第二段时，从所述第一高速缓冲器中存取所述被请求的数据。
3.权利要求2的方法，还包括：
(g)如果步骤(a)判断出被请求的数据没有被存储在所述第一高速缓冲器中，那么按照一个最近最少使用的方法，把最近最少使用的段从所述第一高速缓冲器降级；以及
(h)如果步骤(a)判断出被请求的数据没有被存储在所述第二高速缓冲器中，那么按照一个最近最少使用的方法，把最近最少使用的所述段的这个组从所述第二高速缓冲器降级。
4.权利要求3的方法，还包括：
(i)维护被步骤(g)所使用的所述第一高速缓冲器的第一最近最少使用的列表；以及
(j)维护被步骤(h)所使用的所述第二高速缓冲器的第二最近最少使用的列表。
5.权利要求2的方法，还包括：
(g)如果所述存取请求是一个用来写所述被请求的数据的被修改的版本的请求，那么将所述被修改的版本传送到所述第一高速缓冲器中；以及
(h)通过所述第二高速缓冲器直接地或间接地从所述第一高速缓冲器中将所述被修改的版本的一个副本传送到所述存储设备中。
6.权利要求5的方法，其中如果所述被请求的数据不在所述第二高速缓冲器中，那么步骤(h)采用直接地方式传送，而如果所述被请求的数据是在所述第二高速缓冲器中，那么步骤(h)采用间接地方式传送。
7.权利要求6的方法，其中所述存储设备是一个RAID存储设备，以及其中所述每一个段是一个逻辑阵列道，和所述每一个组是一个逻辑阵列柱面。
8.一个位于主计算机和存储设备之间的数据路径上的多粒度高速缓冲存储器系统，所述多粒度高速缓冲存储器系统包括：
一个逻辑上被分为第一高速缓冲器和第二高速缓冲器的高速缓冲存储器；以及
一个用来处理来自所述主计算机的用于数据存取的请求的多粒度管理器，所述多粒度管理器执行一个过程，该过程包括：
(a)响应于来自所述主计算机的存取数据的请求，判断所述被请求的数据是否被存储在所述第一高速缓冲器中，如果所述被请求的数据没有被存储在所述第一高速缓冲器中，那么判断所述被请求的数据是否被存储在所述第二高速缓冲器中；
(b)如果所述被请求的数据没有被存储在所述第二高速缓冲器中，那么存取被存储在所述存储设备中的段的一个组，在所述段的这个组中的第一段包含所述被请求的数据；
(c)在所述第二高速缓冲器中存储所述段的这个组，在所述第一高速缓冲器中存储包含了所述被请求的数据的所述第一段；以及
(d)如果步骤(a)判断出所述被请求的数据被存储在所述第一高速缓冲器中，或者当步骤(c)已经在所述第一高速缓冲器中存储了所述第一段时，那么从所述第一高速缓冲器中存取所述被请求的数据。
9.权利要求8多粒度高速缓冲存储器系统，其中所述过程还包括：
(e)如果步骤(a)判断出被请求的数据被存储在所述第二高速缓冲器中而不是被存储在所述第一高速缓冲器中，那么在所述第二高速缓冲器中存取包含了所述被请求的数据的第二段，并在所述第一高速缓冲器中存储所述第二段；以及
(f)当步骤(e)已经在所述第一高速缓冲器中存储了所述第二段时，从所述第一高速缓冲器中存取所述被请求的数据。
10.权利要求9多粒度高速缓冲存储器系统，其中所述过程还包括：
(g)如果步骤(a)判断出被请求的数据没有被存储在所述第一高速缓冲器中，那么按照一个最近最少使用的方法，把最近最少使用的段从所述第一高速缓冲器降级；以及
(h)如果步骤(a)判断出被请求的数据没有被存储在所述第二高速缓冲器中，那么按照一个最近最少使用的方法，把最近最少使用的所述段的这个组从所述第二高速缓冲器降级。
11.权利要求10多粒度高速缓冲存储器系统，其中所述过程还包括：
(i)维护被步骤(g)所使用的所述第一高速缓冲器的第一最近最少使用的列表；以及
(j)维护被步骤(h)所使用的所述第二高速缓冲器的第二最近最少使用的列表。
12.权利要求9多粒度高速缓冲存储器系统，其中所述过程还包括：
(g)如果所述存取请求是一个用来写所述被请求的数据的被修改的版本的请求，那么将所述被修改的版本传送到所述第一高速缓冲器中；以及
(h)通过所述第二高速缓冲器直接地或间接地从所述第一高速缓冲器中将所述被修改的版本的一个副本传送到所述存储设备中。
13.权利要求12多粒度高速缓冲存储器系统，其中如果所请求的数据不在所述第二高速缓冲器中，那么步骤(h)采用直接地方式传送，而如果所述被请求的数据是在所述第二高速缓冲器中，那么步骤(h)采用间接地方式传送。
14.权利要求13多粒度高速缓冲存储器系统，其中所述存储设备是一个RAID存储设备，以及其中所述每一个段是一个逻辑阵列道，和所述每一个组是一个逻辑阵列柱面。
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