[发明专利]基于持久性内存的用户层异步IO方法与系统

说明书

本发明公开了基于持久性内存的用户层异步IO方法与系统，方法包括：应用程序发起读I/O请求；通过用户级ucontext纤程对所述读I/O请求进行第一处理后，将所述读I/O请求传入内核层进行第二处理；由所述内核层对所述读I/O请求进行第三处理后，将所述读I/O请求发送至硬件层进行第四处理；根据所述读I/O请求，通过所述硬件层的读操作获取文件数据。本发明能够降低开销成本并提高吞吐量，兼容性好且延迟低，可广泛应用于计算机技术领域。

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其是基于持久性内存的用户层异步IO方法与系统。

背景技术

新型硬件技术持久性内存(PM，Persistent Memory)是近十年来研究者的研究热点，例如相变存储器(PCM，phase change memory)、自旋转移转矩磁阻存储器(STT-MRAM)、非易失性双列直插式内存模块(NVDIMM，Non-volatile dual in-line memory module)、傲腾内存(Intel Optane Memory)等。持久性内存技术凭借独特的字节可寻址特性、接近DRAM的延迟、非易失性等特点对传统操作系统的I/O子系统产生了巨大的影响。传统的文件系统不再适合持久性内存设备，而如何为持久性内存设备提供定制型文件系统，充分发挥其字节可寻址特性，减缓文件系统带来的软件开销成为当下研究的重点及难点。

在持久性内存的浪潮下，应用程序可以直接通过CPU的load/store指令直接访问非易失性数据，绕过Page Cache和块层，减少软件层面的开销。通过将PM与传统DRAM一起置于内存总线上，形成混合内存架构，可以缓解当前DRAM无法满足高性能系统对存储性能、能耗等方面的需求。在混合架构的应用程序直接访问(APP Direct)模式下，特殊的应用程序以及操作系统可以精准识别持久性内存以及传统DRAM，在合适的场景选择恰当的内存访问方式。当系统有数据持久性和内存扩充需求时，可以显式地选择持久性内存，保证数据的非易失性；当系统需要低延迟访问数据以及数据仅具有暂时性存储需求时，即可利用传统的DRAM内存设备进行存储。

在PM系统上，访问其内部的非易失性数据通常有两种方式：非文件系统方式以及文件系统方式。常见的非文件系统访问方式，即PMDK机制。PMDK通过利用libpmem等用户库在PM设备上进行数据操作，比如：创建、读写、访问控制和删除等。此方式性能显著，因为其不仅避免了传统文件系统读写数据时需要进行的多次内核态和用户态之间的切换，还可以通过单指令多数据拷贝方式代替传统DMA拷贝，不经过CPU Cache中转。虽然PMDK技术建立在用户层，但是其基于外部程序库的访问方式却是其设计缺点：因为在用户使用过程中，程序需要调用其特有的接口以达到访问PM数据的效果，所以，需要修改现有的应用程序，存在技术门槛。而且，PMDK需要建立在支持DAX(Direct Access)特性的文件系统中。其虽然搭建在用户层，但适用场景却依然离不开特定文件系统，因此可移植性能差。

与非文件系统访问方式相反，当用户使用文件系统方式进行文件读写操作时，应用程序直接通过标准的POSIX接口就可以访问PM设备，不需要修改应用程序的原有接口。并且，和传统基于外存设备的文件系统相比，优化了读写粒度(字节可寻址，而不是传统的块寻址)，显著提升了读写性能。