基于磨损感知的多非易失性内存空间管理机制的研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zero_alan
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近年来,随着云计算、大数据、人工智能、智慧城市、智慧交通、自动驾驶等技术的快速发展,引起数字资源的大规模扩张,从而要求底层信息系统的存储能力和计算能力的提高来支持这些技术的性能要求。传统的存储系统通常采用磁盘作为底层持久化存储设备,然而由于磁盘与内存之间巨大的性能鸿沟,导致基于磁盘存储系统的性能受限。新兴的非易失性内存技术(Non-Volatile Memory,简称NVM)具有许多优点,比如接近内存的访问速度,可字节寻址,持久性存储和低功耗等,被认为是下一代持久化存储器。现代计算机系统通常具有多个内存接口,多个内存设备可以采用共享地址总线的方式对外提供统一的存储接口。然而由于非易失性内存写入耐久度有限的缺点,通常采用非易失性内存硬件磨损均衡技术提升单个的非易失性内存使用寿命。然而在多个非易失性内存组成的系统中,多个非易失性内存上写入数据的分布可能存在巨大的差异,减少存储系统的有效使用寿命。本文探讨对多个非易失性内存组成的存储系统的使用寿命和性能的优化。本文通过对现有的基于非易失性的内存文件系统进行研究,展示了写入数据的分布在多个非易失性内存上的巨大差异。从而说明简单的在多个非易失性内存组成的存储系统中引入现有的管理策略会导致系统使用寿命的不可靠,同时也说明现有的基于硬件的磨损均衡技术对多个非易失性内存组成的系统使用寿命的无效性。基于以上挑战和机遇,本文针对多个非易失性内存组成的存储系统提出了一种磨损感知选择分配的内存空间管理机制。该内存管理策略是一种面向文件系统层的多非易失性内存条间的磨损均衡技术,其主要思想为在文件系统层面通过磨损计数器感知各个非易失性内存的写入次数的差异,通过最少使用优先分配的分配策略达到非易失性内存的条间磨损均衡,进而延长存储系统整体使用寿命。同时,考虑到应用程序可能存在各种各样的访问模式,本文提出了三种适用于不同工作负载环境的空闲空间分配策略,非易失性内存最少使用优先,CPU私有非易失性内存计数器最少使用优先,CPU私有非易失性内存分配链表最少使用优先。本文在现有内存文件系统中实现了提出的内存管理策略并进行了实验对比。实验结果表明,在磨损均衡方面,提出的内存管理策略的条间磨损均衡较原始的分配策略有显著的提升;在整体使用寿命方法,提出的内存管理策略较原始的策略平均延长了存储系统使用寿命2.5倍左右;在性能方面,本文在不同并发度的环境中进行了实验测试,实验结果表示,三种分配策略适用于不同并发程度的工作负载,且在并发环境中的写入性能最大提升了15%。同时通过实验结果,我们总结得到一个决策表,该决策表用于指导我们在不同的工作负载环境采用不同的分配策略。
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