[發(fā)明專利]基于非易失內(nèi)存文件系統(tǒng)的快速緩存系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110977140.4
• 申請(qǐng)日: 2021-08-24
• 公開（公告）號(hào): CN114115711B
• 公開（公告）日: 2023-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃林鵬;閆田;鄭圣安
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F3/06
• 分類號(hào): G06F3/06
• 代理公司: 上海段和段律師事務(wù)所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發(fā)明提供了一種基于非易失內(nèi)存文件系統(tǒng)的快速緩存系統(tǒng)，包括：混合內(nèi)存管理模塊：對(duì)緩存中的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)操作模塊：進(jìn)行重構(gòu)底層文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作，向應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存取；緩存替換模塊：通過動(dòng)態(tài)的緩存替換策略，對(duì)冷熱數(shù)據(jù)進(jìn)行遷移和回收。本發(fā)明的系統(tǒng)減少了發(fā)生在關(guān)鍵路徑上的非易失內(nèi)存高延遲的寫入操作，細(xì)粒度的數(shù)據(jù)塊分配策略避免了靜態(tài)分配數(shù)據(jù)塊造成的寫放大問題，動(dòng)態(tài)的緩存替換策略提高了緩存的利用率，從而提升了系統(tǒng)的整體性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及文件緩存技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于非易失內(nèi)存文件系統(tǒng)的快速緩存系統(tǒng)。

背景技術(shù)

非易失性內(nèi)存(Non-Volatile Main Memory，NVMM)在近年來得到了快速地發(fā)展，并得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。它主要包括PCM(相變存儲(chǔ)器)、STT-MRAM(自旋存儲(chǔ)器)以及英特爾與美光公司研制的3DX-Point技術(shù)。持久性內(nèi)存具有DRAM內(nèi)存不具備的非易失性和大容量，同時(shí)相比傳統(tǒng)的磁盤設(shè)備擁有更接近DRAM內(nèi)存的訪問延遲和帶寬。當(dāng)持久性內(nèi)存作為外存使用，數(shù)據(jù)無需在DRAM內(nèi)存和持久性內(nèi)存之間進(jìn)行頻繁地遷移。這種訪問模式能有效地提升系統(tǒng)的整體性能。相比固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤，持久性內(nèi)存還提供了可字節(jié)尋址的能力。與DRAM內(nèi)存類似，持久內(nèi)存可以直接連接于系統(tǒng)的內(nèi)存總線，CPU可以使用Load/Store直接訪問存儲(chǔ)在持久內(nèi)存上的數(shù)據(jù)。持久性內(nèi)存的性能特點(diǎn)改變了傳統(tǒng)的由DRAM內(nèi)存和慢速磁盤設(shè)備構(gòu)成的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。近十年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界根據(jù)持久性內(nèi)存的性能特點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于持久內(nèi)存的編程模型，文件系統(tǒng)和應(yīng)用。

持久性內(nèi)存具體的高性能，大容量以及可字節(jié)尋址的特點(diǎn)對(duì)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求。傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)都是基于DRAM內(nèi)存和磁盤設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的。它們具有較長的數(shù)據(jù)通路，對(duì)磁盤上數(shù)據(jù)的一次訪問往往要通過頁緩存(Page Cache)等多層路徑。由于持久內(nèi)存的性能接近于DRAM同時(shí)具有字節(jié)尋址的特點(diǎn)，頁緩存在基于持久內(nèi)存的文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是冗余的。現(xiàn)有的基于持久內(nèi)存的文件系統(tǒng)的研究主要分為內(nèi)核態(tài)文件系統(tǒng)和用戶態(tài)文件系統(tǒng)。

在過去十年的研究中，沒有真實(shí)的持久內(nèi)存供研究人員使用。研究人員設(shè)計(jì)的基于持久內(nèi)存文件系統(tǒng)或者其他應(yīng)用都是使用模擬環(huán)境來完成的。直到在2019年4月上市的第一款商用持久內(nèi)存—英特爾傲騰持久內(nèi)存(Intel Optane DC persistent memory)的到來，研究人員才發(fā)現(xiàn)在過去的研究中對(duì)于持久內(nèi)存的性能過于樂觀，尤其是其并發(fā)性和寫入性能。在加州大學(xué)圣地亞哥分校的一篇對(duì)英特爾傲騰持久內(nèi)存的報(bào)告中可以發(fā)現(xiàn)，持久內(nèi)存的寫入帶寬和可擴(kuò)展性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DRAM內(nèi)存。由于大多數(shù)研究者對(duì)于并發(fā)性和寫入性能過于樂觀，他們所設(shè)計(jì)的持久內(nèi)存文件系統(tǒng)的性能在真實(shí)的持久內(nèi)存環(huán)境下可能會(huì)大幅下降。

專利文獻(xiàn)CN110659315A(申請(qǐng)?zhí)枺篊N201910723095.2)公開了一種通過非易失性存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(NoSQLDB)進(jìn)行性能加速的技術(shù)。針對(duì)目前各類數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的NoSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)性能提升的要求，引入非易失存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過對(duì)NoSQLDB的文件緩存系統(tǒng)進(jìn)行加速(通過非易失存儲(chǔ))，從而提升數(shù)據(jù)讀寫效率速度并保障數(shù)據(jù)安全。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于非易失內(nèi)存文件系統(tǒng)的快速緩存系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于非易失內(nèi)存文件系統(tǒng)的快速緩存系統(tǒng)，包括：

混合內(nèi)存管理模塊：對(duì)緩存中的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；

數(shù)據(jù)操作模塊：進(jìn)行重構(gòu)底層文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作，向應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存取；

緩存替換模塊：通過動(dòng)態(tài)的緩存替換策略，對(duì)冷熱數(shù)據(jù)進(jìn)行遷移和回收。

優(yōu)選的，所述混合內(nèi)存管理模塊包括：數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)區(qū)、元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和LRU隊(duì)列；