面向键值存储的大容量写缓存技术研究

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兼具通用性、可靠性以及高性能等优点的键值存储在当今数据中心中广泛应用。现有的键值存储系统多基于日志结构合并树构建。然而,日志结构合并树的合并操作引入了较为严重的读写放大及性能波动问题。观察到现有的基于日志结构合并树的键值存储系统未能有效使用大容量写缓存,因此针对此问题展开深入研究。以改善写放大与写停顿为最终目标,提出了基于写缓存管理优化的键值存储系统FlushKV。FlushKV具备以下特点:(1)以垂直分区的多层有序结构组织写缓存,并在内存中回收过期数据,使其能够高效利用大容量写缓存,从而减少外存设备数据写入总量;(2)综合考虑数据的热度、键值范围等数据特征,以水平分组的结构重新组织L0层,设计了全新的自启发式刷新策略Tiny_Flush以及新的L0层与L1层的合并策略,以减少L0层的合并次数与合并开销;(3)设计了刷新操作和外存组件不同层级之间合并操作的优先级调度策略,以合理分配IO带宽,减少合并操作导致的写停顿;(4)为写前日志数据构建了索引结构,基于NVM(Non-Volatile Memory,非易失性内存)实现了键值对级的写前日志管理,以回收过期的写前日志数据并减少写操作关键路径上的开销。基于原型的实验结果表明,FlushKV在大容量的写缓存下仍具备较为优秀的性能,并能够有效地缓解性能波动。当键值对为16B、值为1KB的典型配置时,在不同的写缓存大小下,FlushKV的随机写性能可达到Level DB的2.05~3.57倍,写放大也相应降低了28.51%~56.69%;与此同时,当写缓存为256MB时,在不同键值对大小的工作负载下,FlushKV的随机写性能达到Level DB的1.58~2.94倍,写放大也相应减少了43.55%~59.54%。
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