[發明專利]基于非易失性內存的用戶態文件系統設計方法及系統

有效

• 申請號: 201910838138.1
• 申請日: 2019-09-05
• 公開（公告）號: CN110659248B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 陳海波;董明凱;卜衡;易紀非;董本超
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F16/11
• 分類號: G06F16/11
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種基于非易失性內存的用戶態文件系統設計方法及系統，包括：將具有相同用戶/組和權限的文件放在同一個coffer中，整個用戶態文件系統樹由coffer組成；內核態文件系統管理模塊以coffer的粒度對整個文件系統進行管理；用戶態文件系統庫通過發起對coffer的映射請求，獲得對coffer的訪問權限；用戶態文件系統庫與內核態文件系統管理模塊通過系統調用進行交互；由內核態文件系統對整個文件系統進行整體空間管理，并將部分空間劃歸給各個用戶態文件系統庫。本發明減少系統調用造成的性能開銷，充分發揮非易失性內存的高性能。

技術領域

本發明涉及存儲技術領域，具體地，涉及一種基于非易失性內存的用戶態文件系統設計方法及系統。

背景技術

文件系統在計算機系統中對存儲資源進行管理，并將存儲資源以文件的形式提供給應用程序使用。由于磁盤、SSD等塊設備存儲的訪問需要特殊權限，且為了保證資源的隔離和控制，文件系統通常實現在內核中，是內核代碼中重要的一部分。然而內核態程序較用戶態程序更難以編碼、除錯和維護，用戶態文件系統被提出。專利文獻CN109445685A公開了一種用戶態文件系統請求的處理方法，包括：若為實際文件寫請求，則先向內核守護進程發送數據寫請求，以使得內核守護進程直接將待寫入的數據寫入數據文件中，并根據被訪問實際文件與數據文件之間的映射關系建立映射表；然后向內核守護進程發送元數據寫請求，以使得內核守護進程將所建立的映射表寫入元數據文件中；若為實際文件讀請求，則先向內核守護進程發送元數據讀請求，以使得內核守護進程從元數據文件中讀取映射表；然后向內核守護進程發送數據讀請求，以使得內核守護進程根據所讀取的映射表直接從數據文件中讀取所請求的數據。

然而由于用戶態文件系統需要FUSE等框架，其處理文件系統請求時需將請求和數據在內核空間和用戶空間之間多次傳遞，導致用戶態文件系統的性能較內核態文件系統會有巨大差距。因而長期以來用戶態文件系統僅僅被用來測試文件系統設計原型和以文件系統的接口實現一些特殊的功能。

隨著存儲技術的發展，非易失性內存已經逐步進入了商業化。非易失性內存同時具備了內存和存儲的優勢。其被插在內存總線上，提供了同傳統內存一樣的字節尋址的能力，且具有同傳統內存可比擬的低延遲和高吞吐量。同時非易失性內存具有非易失性，其中保存的數據在斷電后依然可以被保存。此外，非易失性內存的密度要大于傳統內存，單條可以達到512GB甚至更高的存儲容量。

這些獨特的特點，給非易失性內存上文件系統的設計和實現帶來了很多不同，同樣也使得用戶態文件系統的設計發生改變。由于非易失性內存可以像傳統內存一樣直接被處理器以load、store指令訪問，因而用戶態代碼可以不進入內核態就完成存儲操作。然而現有為非易失性內存設計的文件系統，均沒有給用戶態文件系統足夠的權限：在進行數據或元數據更新時，用戶態文件系統需通過系統調用，將元數據的更改交給內核中的文件系統模塊進行。在非易失性內存具有的超高性能下，這些系統調用成為了用戶態文件系統的瓶頸,使得非易失性內存的超高性能無法被充分發揮。如何進一步提升用戶態文件系統的性能，避免或減少非易失性內存上用戶態文件系統中的系統調用開銷，是一個亟待解決的技術問題。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于非易失性內存的用戶態文件系統設計方法及系統。

根據本發明提供的一種基于非易失性內存的用戶態文件系統設計方法，包括：

coffer抽象步驟：將具有相同用戶/組和權限的文件放在同一個coffer中，整個用戶態文件系統樹由coffer組成；

內核態文件系統管理模塊工作步驟：內核態文件系統管理模塊以coffer的粒度對整個文件系統進行管理；

用戶態文件系統庫工作步驟：用戶態文件系統庫通過發起對coffer的映射請求，獲得對coffer的訪問權限，從而直接管理coffer內部的任意數據和元數據，在用戶態完成文件系統所提供的各種操作；