[發明專利]基于預留空間的固態盤陣列的垃圾回收方法

在審

• 申請號: 201710673442.6
• 申請日: 2017-08-09
• 公開（公告）號: CN107451069A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 吳素貞;劉癸新;朱偉東;毛波;張偉韋
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G06F12/02
• 分類號: G06F12/02
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應森,張凡忠

技術領域

本發明涉及計算機數據存儲方法，尤其是涉及基于預留空間的固態盤陣列的垃圾回收方法。

背景技術

基于閃存的固態盤是一種半導體存儲介質，具有經久耐用、防震抗摔、無噪音、功耗低、工作溫度范圍大、隨機小讀性能高等優點；但是固態盤的容量價格比低，而且具有隨機小寫性能低、寫前必須擦除和介質擦除次數有限等缺點。

基于閃存的固態盤包含3種基本操作：讀、寫和擦除。讀和寫都是以頁為單位進行操作；擦除以塊為單位進行操作。其中，一個塊(塊大小通常是128～256KB)一般包含64個頁(頁大小通常是2～16KB)，因此擦除操作的處理時間比讀寫操作處理時間大若干個數量級。若某個頁已經存儲有效數據，則無法對該頁直接進行覆蓋寫操作，因此固態盤處理寫請求時不支持原地更新，而是采用異地更新的方法，也就是將原數據頁的數據置為無效，將新數據寫入到其他空閑頁中。

因為基于閃存的固態盤采用異地更新的機制，隨著系統的運行，固態盤中的空閑塊越來越少，無效塊越來越多，因此基于閃存的固態盤需要擦除這些包含無效數據頁的塊來獲得新的空閑塊，該操作稱為“垃圾回收”。固態盤的垃圾回收過程是：

(1)選取待回收的塊，將其上的有效數據復制到空閑塊中；

(2)更新地址映射信息；

(3)擦除待回收塊并將它們加入到空閑塊列表中。由此可知，垃圾回收操作會花費大量的時間。除此之外，在垃圾回收過程中，該固態盤的芯片無法處理來自用戶的讀寫請求，此時該芯片接收到的讀寫請求都將被掛起等待，直到垃圾回收操作完成才能被處理。因此，垃圾回收操作的效率直接影響了固態盤存儲系統的性能，該問題已經成為存儲研究熱點之一。

另一方面，固態盤除了應用于桌面機外，也逐漸應用于服務器和企業級數據存儲系統之中。在企業級數據存儲系統中，單個固態盤顯然無法滿足服務對存儲系統容量、性能和可靠性的要求。因此，將磁盤陣列(Redundant Array of Independent Disks，簡稱為RAID)算法應用到固態盤存儲系統中，構建大容量、高性能和高可靠的存儲系統非常有必要。本發明中，將固態盤陣列簡稱為RAIS(Redundant Array of Independent SSDs)；由于不同級別的磁盤簡稱為RAID0、RAID10、RAID5等。

類似于磁盤陣列，固態盤陣列系統的性能會受到陣列中性能最差的成員盤的影響。因此，單個固態盤垃圾回收操作所引起的性能降低將使得固態盤陣列表現出嚴重的性能波動。若固態盤陣列的成員盤采用本地非協作的垃圾回收策略，固態盤陣列的性能將會出現嚴重的性能波動。若采用全局垃圾回收策略，垃圾回收操作引起的固態盤陣列性能波動可以得到一定程度的減輕。而其原因是，全局垃圾回收策略，會觸發其他未達到垃圾回收狀態的盤的垃圾回收狀態，降低了性能降級。但是采用全局垃圾回收策略之后，固態盤陣列在垃圾回收過程中停止響應用戶讀寫請求，整個固態盤陣列存儲系統無法對外服務，這對需要7×24小時穩定提供服務的應用來說是無法接受的。

參考文獻：

[1]Youngjae Kim,Sarp Oral,Galen M.Shipman,Junghee Lee,David Dillow,Feiyi Wang,Harmonia:A Globally Coordinated Garbage Collector for Arrays of Solid-state Drives,Proceedings of the 27th IEEE Symposium on Massive Storage Systems and Technologies(MSST 2011).Pages 1-12.Denver,Colorado,May 23-27,2011。

[2]吳素貞,陳曉熹,毛波.GC-RAIS：一種基于垃圾回收感知的固態盤陣列.計算機研究與發展.50(1):60-68,2013。

發明內容

本發明針對RAIS5等冗余固態盤陣列，提供用于減輕垃圾回收操作對固態盤陣列系統性能波動的負面影響的一種基于預留空間的固態盤陣列的垃圾回收方法。

本發明包括以下步驟：

1)初始化步驟；

2)垃圾回收步驟；

3)垃圾回收階段請求處理步驟；

4)數據回收步驟，當對應的固態盤的垃圾回收操作完成之后，數據回收模塊掃描重定向數據映射表；

5)數據回收階段請求處理步驟；

6)結束步驟。

在步驟1)中，所述初始化步驟的具體方法如下：