發(fā)布時間：2018-11-15 12:54

【摘要】：長期以來,存儲一直都是整個計算機(jī)系統(tǒng)的性能瓶頸之一。人們總希望獲得低延時,高可靠,低能耗,持久化的存儲設(shè)備。而新型非易失型存儲器(NVM,Non Volatile Memory)的出現(xiàn),則使人們看到了希望。由于這些存儲器具備可持久化,低讀寫延時,低能耗,支持字節(jié)尋址等多種優(yōu)勢,因而吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。由于NVM的讀寫延遲與DRAM相當(dāng),因此,NVM可以直接連入CPU內(nèi)存子系統(tǒng)中,與DRAM共同編址。從軟件使用的角度來看,目前主要有兩種方式使用NVM。一種是將NVM作為外設(shè),通過接口或文件系統(tǒng)的方式進(jìn)行管理和使用。另一種是當(dāng)作持久化內(nèi)存使用,CPU利用load/store類指令進(jìn)行訪問。顯然,第一種方式會頻繁陷入內(nèi)核,從而導(dǎo)致過大的時間開銷。因此第二種使用方式更加高效。即將NVM當(dāng)作持久化內(nèi)存使用,并映射到用戶進(jìn)程地址空間形成持久化堆,以便應(yīng)用程序存儲與訪問持久化數(shù)據(jù)。本課題就是在持久化內(nèi)存應(yīng)用場景下開展研究的。由于NVM的持久化特性,傳統(tǒng)的內(nèi)存管理方法與內(nèi)存操作方法并不適用于持久化內(nèi)存管理。這主要表現(xiàn)在以下幾個方面:首先,所有在持久化內(nèi)存上的修改都會長期生效,因此無論是內(nèi)存管理還是NVM對象操作,在進(jìn)行修改時都必須滿足ACID,傳統(tǒng)內(nèi)存管理并無此需求。其次,與傳統(tǒng)內(nèi)存的管理與使用一樣,NVM也亟待一種面向多核,高效率的內(nèi)存管理和對象并發(fā)更新機(jī)制。然而,NVM對象更加持久,因此NVM資源更加珍貴,長期運行的NVM內(nèi)存管理系統(tǒng)面臨前所未有的降低碎片需求。并且,因為NVM內(nèi)存的持久性,任何NVM錯誤都可能是永久的,而傳統(tǒng)內(nèi)存管理機(jī)制并無此方面的考慮。最后,NVM的寫壽命較短,亟待一種方案能夠最大限度延長NVM使用壽命。針對上述問題,本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種面向多核的NVM內(nèi)存計算平臺。該內(nèi)存計算平臺建立了內(nèi)存管理機(jī)制,并在其上建立了事務(wù)化的對象存儲機(jī)制,對外提供面向?qū)ο蟮氖聞?wù)編程接口。具體而言,該計算平臺的主要研究工作包括:1.針對映射到用戶地址空間的NVM資源,設(shè)計并實現(xiàn)了一套提供事務(wù)保障、面向多核的內(nèi)存管理模塊。2.基于NVM內(nèi)存管理模塊,設(shè)計并實現(xiàn)了一種實時在線內(nèi)存碎片整理的算法。該算法構(gòu)建線段樹跟蹤持久化內(nèi)存分配和釋放操作,并通過增量移動持久化對象實現(xiàn)碎片整理。3.針對NVM對象的事務(wù)性與安全性需求,設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于智能指針與名字服務(wù)的編程模型,隔離了NVM操作與業(yè)務(wù)代碼,降低了開發(fā)難度。4.基于上述NVM編程模型與NVM內(nèi)存管理機(jī)制,設(shè)計并實現(xiàn)了一種滿足ACID要求的軟件事務(wù)存儲機(jī)制,并為上層提供了事務(wù)接口。5.下層驅(qū)動提供了頁面置換算法以提高效率與延長NVM壽命,但是其需要精確的訪問統(tǒng)計數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)基于智能指針,實現(xiàn)了一套精確的內(nèi)存訪問統(tǒng)計機(jī)制,并且可以向內(nèi)核反饋頁面訪問狀況。最后,本文對面向多核的NVM內(nèi)存計算平臺進(jìn)行了功能測試與性能測試。在功能測試中,NVM的事務(wù)性、動態(tài)碎片整理機(jī)制和NVM對象操作都通過了測試。在性能測試中,本文基于上述的NVM內(nèi)存計算平臺,實現(xiàn)了一種持久化K/V存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)與redis進(jìn)行了對比測試。測試結(jié)果表明,單線程下該持久化K/V存儲系統(tǒng)的隨機(jī)讀寫吞吐率較Redis高40%,多線程下該持久化K/V存儲系統(tǒng)的隨機(jī)讀寫吞吐率較Redis高近十倍。
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【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP333

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 張乎興;基于M5的混合型內(nèi)存系統(tǒng)仿真及其應(yīng)用[D];上海交通大學(xué);2012年

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本文編號：2333362