[发明专利]面向固态硬盘文件系统的数据页缓存方法

说明书

技术领域

本发明涉及文件系统缓存机制，特指面向固态硬盘的文件系统数据页的缓存管理方法。

背景技术

当前处理器性能一直按照摩尔定律在飞速提高，相对而言，以机械磁盘为主的存储系统性能提高却缓慢得多，计算性能和存储性能之间的差距越来越大，存储系统的I/O性能瓶颈问题日益突出。磁盘作为当前主流的外部存储设备是提高整个计算机系统性能的一个瓶颈所在，因为它的读写访问速度和内存相比一般都要相差3个数量级，在磁盘上读取数据会影响整个应用的运行速度。目前，基于Flash的固态硬盘在I/O性能上有很大的上升空间，有很大的研究潜力，和磁盘相比固态硬盘有很多明显的优点：很小的读延迟，快速随机读写访问，低功耗，可靠性高等，所以固态硬盘比传统磁盘的应用前景更加广阔，并且随着固态存储制造工艺会越来越成熟，性能会越来越高的，这些都可能促使固态硬盘会逐步取代目前的磁盘。

在存储系统中使用固态硬盘虽然能够提供比传统机械磁盘更高的读写访问性能，但是由于操作系统在软件设计和优化中假定的存储系统不是固态硬盘，使得操作系统没有完全发挥固态硬盘本身的优势，固态硬盘的性能没有达到最理想的状态。提高存储系统性能的一般方法是使用文件系统缓存，内存作为缓存位于文件系统和存储设备之间，能减少从文件系统到存储的读和写请求数目，提高存储I/O性能。缓存的性能直接影响文件系统的性能，必须高效地维护缓存。当缓存中没有空闲空间时，为了满足接下来的读写缓存请求必须按照某种机制置换出一些数据，这就牵涉到缓存的数据页置换机制。大部分的传统的数据页置换方法主要关注的缓存的命中率，因为命中率越高，减少读写次数越多，磁盘读写请求开销差不多，进行置换时内存中的读写数据不区别看待。

文件系统的缓存都是通过一个用于缓存数据页的缓冲链表来实现的，目前面向固态硬盘文件系统的数据页缓存方法为CFLRU(干净页优先最近最少使用，Clean First LRU)法和LRU-WSR(最近最少使用写操作冲排序，LRU-Write Sequebce Recordering)法这两种方法：

如图1所示，CFLRU法将缓冲链表分为工作区和干净优先区，根据数据页的访问状态将数据页分为干净页和脏页。工作区缓存最近使用的数据页，干净页基本上都位于这个区域，所以大部分的缓冲命中在这个区域；干净优先区是进行页置换的区域，干净优先区的大小(包含缓存页的数目)用窗口大小W来衡量，窗口大小W是固定不变的。在干净优先区选择待置换页时，则在干净优先区的窗口大小W范围内从表尾向表头方向遍历直到选中了一个干净页，那么这个干净页就是待置换页，然后将待置换页进行置换写回。本图中D表示脏页，C表示干净页，P1为表头端的数据页，P8为表尾端的数据页，从图中可以可见P7为窗口大小W范围内从表尾向表头方向的第一个干净页，因此此时P7为待置换页。

如图2所示，LRU-WSR法结合数据页的访问频率，对缓冲链表的数据页采用冷热标志对脏页根据访问频率进行简单分类：干净页C、热脏页HD和冷脏页CD。P1为表头端的数据页，P7为表尾端的数据页，LRU-WSR法的置换过程如下：先从表尾端选择一个数据页作为候选页，若候选页是干净页，那么不考虑冷热标志就选择它来置换。若候选页是脏页，必须先要检查它的冷热标志：如果它的冷热标志被设置，则选择这个脏页作为待置换页进行置换写回；如果冷热标志没有被设置，说明冷热标志为热，然后将数据页移动至表头，同时设置冷热标志。相当于一个脏页被给了二次机会，同时会从表尾端的选择另一个候选页进行再次判断，设置了脏页的冷热标志被在此引用时会被清除的，同时移动到表头，图中可知P7是干净页，因此此时P7会被选择作为待置换页进行置换。

但是在Flash存储系统中，读和写开销完全不对称，写的访问时间一般都是读的10倍以上，而上述方法均没有考虑固态硬盘的读写不对称性，无法发挥固态硬盘的特性，不能有效发挥软件管理高速缓存的优势，缓存利用率不高，无法很好缓解存储的I/O性能瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可充分利用固态硬盘特性、有效缓解外部存储的性能瓶颈、提高系统存储处理性能，I/O性能好、缓存页置换代价低、开销小、命中率高的面向固态硬盘文件系统的数据页缓存方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面向固态硬盘文件系统的数据页缓存方法，其实施步骤如下：

1)在高速缓存中建立用于缓存数据页的缓冲链表；