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1、题目：题目：固态盘中缓存管理算法固态盘中缓存管理算法题目：固态盘中缓存管理算法目目录背景知识背景知识12固态盘中缓存管理算法固态盘中缓存管理算法3总结与展望总结与展望目录背景知识12固态盘中缓存管理算法3总结与展望一、背景知识一、背景知识1 1、SSDSSD优点优点2 2、SSDSSD特性特性写前擦除（写前擦除（erase-before-wirte）、读写不写不对称称、寿命限制寿命限制 闪存（存（Flash）作）作为一种新型的存一种新型的存储介介质，具有体，具有体积小、重量小、重量轻、非易失、高、非易失、高速、高抗震、低功耗等速、高抗震、低功耗等优良特性。基于良特性。基于闪存的固存的固态硬硬盘
2、（Solid State Disk，SSD），成成为传统磁磁盘的替代品的替代品。一、背景知识1、SSD优点2、SSD特性写前擦除（erase一、背景知识一、背景知识3 3、SSDSSD缓存缓存一、背景知识3、SSD缓存一、背景知识一、背景知识4 4、基于、基于FlashFlash特性的特性的SSDSSD缓存缓存映射关系区映射关系区缓存数据区缓存数据区元数据区元数据区（ECC 校验信校验信息，位图等，所息，位图等，所占空间不到占空间不到5%）SSDSSD的的缓存管理由于存管理由于SSDSSD的的缓存构成，存构成，设计的的缓存管理算存管理算法主要法主要针对映射关系区和映射关系区和缓存数据区。存数据
3、区。一、背景知识4、基于Flash特性的SSD缓存元数据区（EC二、固态盘中缓存管理算法二、固态盘中缓存管理算法1 1、减少缓存的写操作减少缓存的写操作的算法的算法2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效率，减少擦除操作的算法3 3、综合考虑、综合考虑闪存读写闪存读写开销开销的的替换替换算法算法4 4、自适应动态缓存管理算法、自适应动态缓存管理算法二、固态盘中缓存管理算法1、减少缓存的写操作的算法2、提高写1 1、减少缓存的写操作减少缓存的写操作的算法的算法 CFLRU算法算法:利用闪存利用闪存读写读写的不对称性的不对称性，它的它的LRU列表分为两个部分：列表分为两个部分：Workin
4、g Region和和Clean-First Region。CFDC算法算法:CFDC是是对CFLRU的的Clean-First Region中的数据中的数据页进行行重新重新组织来提升来提升CFLRU算法的算法的执行效率行效率1、减少缓存的写操作的算法 CFLRU算法:利2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效率，减少擦除操作的算法随机写有如下问题。缩短SSD的寿命。增加的擦除操作，随机写使得SSD的擦穿比顺序写要快的多。垃圾回收开销大。随机写更可能引发垃圾回收从而导致垃圾回收的开销大相较于顺序写。内部碎片。如果到来的写请求是离散的分布在逻辑块地址空间，所有的物理闪存将成碎片的。减少并行
5、性。对顺序写来说，分段和交叉能够提高其性能，但是随机写很难利用这点。随机写极大的限制了随机写极大的限制了SSD在在I/O密集程序当中的应用密集程序当中的应用2、提高写效率，减少擦除操作的算法随机写有如下问题。随机写极2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效率，减少擦除操作的算法CBMCBM算法算法:SSD的合作的合作缓存管理存管理CBM应用在用在SSD中中2、提高写效率，减少擦除操作的算法CBM算法:SSD的合作2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效率，减少擦除操作的算法CBM概述概述2、提高写效率，减少擦除操作的算法CBM概述2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效
6、率，减少擦除操作的算法 块受受欢迎表（迎表（BPL）2、提高写效率，减少擦除操作的算法 块受欢迎表（BPL）2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效率，减少擦除操作的算法合并刷新增加合并刷新增加顺序写并且减少垃圾回收开序写并且减少垃圾回收开销2、提高写效率，减少擦除操作的算法合并刷新增加顺序写并且减少2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效率，减少擦除操作的算法基于基于阈值迁移。迁移。灰色部分表示一个灰色部分表示一个块被找到并迁移到被找到并迁移到块区区2、提高写效率，减少擦除操作的算法基于阈值迁移。2 2、提高写效率，减少擦除操作的算法、提高写效率，减少擦除操作的算法BPLRU
7、算法。算法。BPLRU算法维持了一个块级的算法维持了一个块级的LRU列列表。它使用表。它使用SSD的内部的内部RAM作为缓存，把随机写变为作为缓存，把随机写变为顺序写以提高写效率，减少擦除操作。顺序写以提高写效率，减少擦除操作。2、提高写效率，减少擦除操作的算法BPLRU算法。BPLRU3 3、综合考虑、综合考虑闪存读写闪存读写开销开销的的替换替换算法算法ACR:一种一种闪存存存存储设备的自适的自适应开开销小的小的缓存管理算法存管理算法保守方案积极方案混合方案3、综合考虑闪存读写开销的替换算法ACR:一种闪存存储设备的4 4、自适应动态缓存管理算法、自适应动态缓存管理算法1 1、动态内存分区调
8、整算法、动态内存分区调整算法2 2、动态阈值调整算法、动态阈值调整算法 在服务不同负载的读写请求过程中，通过调用这两个模块，自适应地调整提前写回闪存阵列的数据量以及内存中数据缓存区域和映射关系区域的大小比例。4、自适应动态缓存管理算法1、动态内存分区调整算法动态内存分区调整模块动态内存分区调整模块P PM M 映射表区不命中导致的额外开销映射表区不命中导致的额外开销P PB B 数据缓冲区不命中导致的额外开销数据缓冲区不命中导致的额外开销DynamicH方案：DynamicG方案：情况情况说明说明此时映射表空间过大，将其空间减1，同时增加数据缓存区空间1此时映射表空间小，将其空间加1，同时减少
9、数据缓存区空间1此时缓存比例平衡，缓存区空间比例不变动态内存分区调整模块PM 映射表区不命中导致的额外开销Dyn动态阈值调整模块动态阈值调整模块提前写回操作中数据缓冲区组成结构提前写回操作中数据缓冲区组成结构 所有结点均以LRU双向队列排序；数据被写回的结点保留在LRU队列中，同时标记为写回；写回的LRU头结点是最先被提前写回的结点，尾结点通常是刚刚被提前写回的结点。动态阈值调整模块提前写回操作中数据缓冲区组成结构 所有n命中正常区域命中正常区域写8，命中正常区域调整LRU队列，将8插入正常结点头部动态阈值调整模块动态阈值调整模块命中正常区域写8，命中正常区域调整LRU队列，将8插入正常结n命
10、中写回区域命中写回区域写13，命中写回区调整LRU队列，将13插入正常结点头写回结点过多，写回结点过多，DAT=DAT-1DAT=DAT-1动态阈值调整模块动态阈值调整模块命中写回区域写13，命中写回区调整LRU队列，将13插入正常u未命中数据缓冲区且已写回区域0写7，未命中数据缓冲区调整LRU队列，将7插入正常结点头部动态阈值调整模块动态阈值调整模块未命中数据缓冲区且已写回区域0写7，未命中数据缓冲区调整Lu未命中数据缓冲区且已写回区域=0写5，没有命中数据缓冲区调整LRU队列，将5插入正常结点头部写回结点过少，写回结点过少，DAT=DAT+1DAT=DAT+1动态阈值调整模块动态阈值调整模
11、块未命中数据缓冲区且已写回区域=0写5，没有命中数据缓冲区调整三、总结与展望三、总结与展望 总结：总结：SSDSSD的缓存研究都是根据其的缓存研究都是根据其FlashFlash特性特性来设计。来设计。SSDSSD的缓的缓存研究对提高存研究对提高SSDSSD的寿命和性能有着决定性的作用，的寿命和性能有着决定性的作用，自适应的自适应的buffer managementbuffer management适用于通用设备；适用于通用设备；软件定义软件定义的的buffer buffer managementmanagement则对今后的研究和使用有很大的用途则对今后的研究和使用有很大的用途。三、总结与展望 总结：SSD的缓存研究都是根据其Flash特谢谢大家！
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