[發明專利]一種基于頁面訪問間隔的閃存數據緩沖區置換方法

在審

• 申請號: 201710517337.3
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107341112A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 張興軍;周權彪;董小社;梁寧靜;蔡毅;武旭瑞;劉云飛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F12/02
• 分類號: G06F12/02;G06F12/123
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 王艾華

技術領域

本發明涉及閃存存儲技術領域，特別涉及閃存存儲系統中數據緩沖區置換方法。

背景技術

閃存具有存取速度快、功耗低、集成度高和抗震能力好等優點。近年來隨著閃存技術的發展，閃存介質價格下降，閃存被廣泛運用在消費電子、企業級服務器和數據中心等領域。

緩沖區是介于外存和內存之間的一個數據緩沖單元，主要用于計算機系統中低速外存和高速內存之間的速度匹配，提高計算機系統的整體性能。在閃存存儲系統中，閃存數據緩沖區設計相對于傳統磁盤存儲系統的數據緩沖區設計有諸多不同。在磁盤中，對磁盤的讀操作和寫操作延遲相差不大，因此不需要區別對待緩沖區中的臟數據頁和非臟數據頁，僅需要考慮如何將最不常用的數據頁換出緩沖區即可。然而，閃存介質的讀寫操作開銷不一致，寫操作開銷往往是讀操作開銷的數倍。當緩沖區內的被修改過的臟數據頁需要換出時，就需要將該臟數據頁寫回外存中；而對非臟數據頁則可直接丟棄，不需要寫回。因此，臟數據頁的換出開銷往往是非臟數據頁換出開銷的數倍。此外，寫操作還會消耗閃存有限的擦寫次數，因此頻繁的寫回閃存會對閃存的壽命和可靠性造成負面影響。所以，閃存數據緩沖區要區別對待臟數據頁和非臟數據頁的換出，考慮臟數據頁換出對閃存造成的性能和壽命影響，盡量避免數據頁寫回操作。

針對上述問題，本發明提出新型的基于數據頁訪問間隔的兩級閃存緩沖區置換方法，根據數據頁的重用距離，區分冷熱數據頁，將所有數據頁分為冷臟數據頁、熱臟數據頁、冷非臟數據頁和熱非臟數據頁，并優先換出非臟的冷數據頁，在保證閃存命中率的同時，減少由于臟數據頁換出而造成的閃存數據寫回操作，從而減少對閃存性能和壽命的負面影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于頁面訪問間隔的閃存數據緩沖區置換方法，解決如何設計適用于閃存存儲系統的數據緩沖區機制，如何根據閃存介質的存取特性，針對性的設計能夠減少閃存數據緩沖區中臟數據頁換出而導致的閃存寫回的緩沖區置換方法。本發明通過設計基于數據頁訪問間隔的閃存兩級緩沖區，分離冷熱數據頁，并通過優先換出冷的非臟數據頁，減少由于臟數據頁換出而造成的閃存數據寫回操作，從而提高閃存系統的性能和壽命。

本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明基于頁面的訪問間隔，將數據頁分為熱數據頁和冷數據頁，通過優先換出冷非臟數據頁，在保證緩沖區命中率的同時減少由于臟數據頁寫回而導致的閃存寫操作，從而提高閃存系統的性能和壽命。

本發明采取一種基于頁面訪問間隔的閃存數據緩沖區置換方法，方法的步驟包括：

步驟1：對請求的數據頁，在閃存數據緩沖區中檢索目標數據頁；

步驟2：閃存數據緩沖區分為一級數據緩沖區和二級數據緩沖區；一級數據緩沖區和二級數據緩沖區以LRU鏈表形式組織數據頁，每一個LRU鏈表結點是一個數據頁數據頁；將緩沖區內緩存的所有數據頁分為熱臟數據頁、冷臟數據頁、熱非臟數據頁、冷非臟數據頁，使用不同標志位進行標記，其中熱數據頁數量隨著一級數據緩沖區和二級數據緩沖區的相對大小動態變化，當一級數據緩沖區較大時，減少熱數據頁數量，當一級數據緩沖區較小時，增加熱數據頁數量。

步驟3：若一級數據緩沖區內的冷數據頁被命中時，無論其臟或非臟，由于其訪問間隔小于一級數據緩沖區的最后一個熱數據頁，因此，將發生冷熱數據頁轉換；

優選地，在冷熱數據頁轉換時，命中的冷數據頁會被轉換為熱數據頁，一級數據緩沖區尾部的熱數據頁會被轉換為冷數據頁，同時，還會將一級數據緩沖區尾部的所有冷數據頁移動到二級數據緩沖區首部，這是因為這些冷數據頁的訪問間隔均比一級數據緩沖區尾部的熱數據頁要大，因此沒有機會轉換為熱數據頁；

步驟4：緩沖區內命中的數據頁，無論是否臟數據頁、冷熱性質，均會被放到一級數據緩沖區鏈表首部；

步驟5：在需要進行緩沖區數據頁淘汰時，優先選擇二級數據緩沖區中的冷非臟數據頁

步驟6：在沒有冷非臟數據頁時，才會選擇冷臟數據頁換出，此時，由于優先換出冷非臟數據頁，因此可以有效減少對閃存的寫回次數，同時不會對緩沖區命中率造成太大影響；

優選地，在二級緩沖區中進行冷非臟數據頁淘汰時，根據LRU原則，選擇最不常用的冷非臟數據頁進行淘汰。

本發明的技術效果如下：