随着多核的流行和数据规模的增长,计算机系统对存储吞吐量、延迟、一致性等要求也越来越高。基于闪存的固态盘凭借其并行性好、延迟低等特性逐步成为计算机系统中重要的存储器之一。开放通道固态盘（Open-Channel SSD,OCSSD）是一种主机可对闪存物理地址进行访问的固态盘,闪存转换层（Flash Translation Layer,FTL）在主机端实现。主机软件可以根据应用需求灵活地在吞吐量、延迟、持久性等方面之间作出权衡。在多核环境下,主机端FTL面临软件开销高,尾延迟长,和保障数据一致性开销高的问题。针对这些问题,论文设计新的算法并结合OCSSD特性进行优化,构建高吞吐量、低延迟、低一致性开销的OCSSD存储系统。针对现有开放通道固态盘主机端闪存转换层在多线程I/O下软件开销高的问题,提出基于离散化结构的固态盘闪存转换层性能优化技术（QBLK）,减少多线程间的竞争并提升存储性能。QBLK采用以下技术:第一,采用多写缓存结构,每个线程根据CPU编号选择缓存进行写入,进而减少线程对缓冲区的竞争带来的软件开销;第二,使用原子变量构建无锁映射表,利用CPU原语保障多线程对映射表访问的原子性,减少多线程对映射表的竞争带来的软件开销;第三,为每个CPU分配专门的内存池,减少多线程对内存池的竞争带来的软件开销;第四,以通道为单位进行物理地址管理,减少写回过程线程分配物理地址时的竞争带来的软件开销;第五,增加写回请求大小,减少I/O准备和完成带来的软件开销。多核环境下的实验结果显示,QBLK相比于现有方案PBLK提升了基准负载下78.9%的写吞吐量,187%的读吞吐量,和133.8%的读写混合吞吐量,提升了数据库负载下74.11%的每秒随机写请求数,16.17%的每秒随机读请求数,和20.22%的每秒混合读写请求数。针对多核环境下应用负载写块设备时面临的长尾延迟问题,提出基于收割线程和阶梯型空间分布的固态盘写延迟保障技术（LRKS）,减少应用的I/O延迟波动。LRKS包括基于收割线程的缓存空间分配和基于阶梯型空间分布的物理地址管理两部分内容。基于收割线程的缓存空间分配解决现有系统下垃圾回收与应用线程竞争缓存资源导致应用I/O延迟波动增加的问题,创建专门的“收割线程”对缓存资源进行分配,在系统运行过程中根据应用延迟和垃圾回收压力来决定优先处理应用还是垃圾回收请求,从而实现应用与垃圾回收I/O之间的错峰执行。由于现有系统下不同通道的空闲空间通常被均匀消耗导致垃圾回收同时触发,使设备并行性下降,应用I/O延迟增加,LRKS采用基于阶梯型空间分布的物理地址管理,使闪存通道的空闲空间数互不相同,以避免多个通道同时进入垃圾回收状态,维持缓存写回速率的稳定性,进而减少I/O延迟波动。多核环境下的实验结果显示,在高速率匀速负载测试下,LRKS相比于PBLK和QBLK分别降低了97.30%和70.60%的请求平均延迟,并分别减少了71.41%和80.25%的99.99百分位尾延迟。在突发负载下LRKS相比于PBLK和QBLK降低了I/O任务24.69%-55.64%的平均完成时间和57.19%-85.64%的99百分位完成时间。针对文件系统因约束I/O持久化顺序导致无法充分发挥闪存设备性能的问题,提出基于访问闪存带外区域的文件系统乱序I/O技术（NBStack）,在保障一致性的前提下消除文件系统对I/O请求持久化顺序的约束,提升存储性能。NBStack将闪存物理页的一部分带外区域开放给文件系统访问,并在此基础上构建无栅栏文件系统（NBFS）,允许I/O乱序持久化。为避免I/O乱序持久化破坏文件系统一致性,NBFS利用闪存带外区域将一个原子写的数据块和节点块组织成单链表,从而在掉电后识别并丢弃未完全持久化的原子写。根据应用需求不同,NBFS提供三种运行模式:“经典模式”为应用提供与F2FS的原子写语义相同的接口,应用可以不加修改直接使用并获得性能提升;“持久化模式”对经典模式的原子写进行修改以保障数据持久性,免去应用调用fsync（）的需要;“超高速模式”在经典模式基础上允许对同一文件的多个原子写并行写回以进一步提升性能,但在掉电时可能有更多数据未完成持久化。多核环境下的实验结果显示,当应用有强持久性需求时,NBStack可以将应用的每秒操作数提升1倍。当应用有弱持久性需求时,NBStack可以将应用的每秒操作数提升4倍。