【摘要】：近年來(lái),隨著信息技術(shù)的普及,大量的數(shù)據(jù)在源源不斷的產(chǎn)生、處理和存儲(chǔ),因此,龐大的需求對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的要求也越來(lái)越高。非易失性?xún)?nèi)存作為新興的存儲(chǔ)技術(shù),以其高訪問(wèn)速度、高存儲(chǔ)密度、可字節(jié)尋址和非易失性等優(yōu)點(diǎn)被視為潛力巨大的存儲(chǔ)技術(shù)。從嵌入式系統(tǒng)到普通計(jì)算機(jī)到大型的數(shù)據(jù)中心,非易失性?xún)?nèi)存正在被越來(lái)越多的部署成單一型或者混合型的存儲(chǔ)系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中,不同的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)產(chǎn)生大量的小粒度數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)的頻繁更新和分散分布對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的讀寫(xiě)壽命和訪問(wèn)性能帶來(lái)巨大的考驗(yàn)。非易失性?xún)?nèi)存(Non-Volatile Memory,NVM)作為新興的存儲(chǔ)技術(shù),在進(jìn)行應(yīng)用時(shí)需要面對(duì)以下兩個(gè)問(wèn)題:(1)NVM的存儲(chǔ)單元存在寫(xiě)耐受度低的缺點(diǎn),使其難以承受頻繁的小粒度數(shù)據(jù)更新操作。(2)傳統(tǒng)的內(nèi)存管理技術(shù)沒(méi)有考慮到數(shù)據(jù)更新操作帶來(lái)的讀寫(xiě)壽命問(wèn)題。(3)傳統(tǒng)的存儲(chǔ)管理技術(shù)并沒(méi)有考慮到混合型存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn),不能很好地結(jié)合傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮NVM的性能。因此,本文的研究目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于NVM,特別是具備混合型存儲(chǔ)介質(zhì)如混合DRAM和NVM,一個(gè)帶磨損均衡的小粒度內(nèi)存管理機(jī)制,提供高效的內(nèi)存訪問(wèn)效率,同時(shí)能針對(duì)小粒度數(shù)據(jù)的內(nèi)存分配進(jìn)行磨損均衡的優(yōu)化,延長(zhǎng)NVM的使用壽命。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)小粒度數(shù)據(jù)的高效內(nèi)存管理。小粒度數(shù)據(jù)在內(nèi)存中分布分散而訪問(wèn)頻率高,因此以緩存行(大小為64Byte)為最小的基本內(nèi)存單元,同時(shí)將頁(yè)內(nèi)的存儲(chǔ)空間按照基本單元?jiǎng)澐?采用頁(yè)內(nèi)元數(shù)據(jù)的方式來(lái)進(jìn)行管理。(2)小粒度內(nèi)存空間的磨損均衡策略。小粒度數(shù)據(jù)的更新頻繁,加入復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)機(jī)制來(lái)進(jìn)行磨損均衡的優(yōu)化勢(shì)必會(huì)影響系統(tǒng)效率。本文提出順序?qū)懖呗詮姆峙錂C(jī)制上解決內(nèi)存基礎(chǔ)單元的磨損均衡問(wèn)題。同時(shí)引入DRAM組合混合內(nèi)存系統(tǒng),不僅能降低使用成本,并且能利用DRAM來(lái)分擔(dān)部分?jǐn)?shù)據(jù)的寫(xiě)磨損問(wèn)題。本文通過(guò)在DRAM中生成頁(yè)內(nèi)元數(shù)據(jù)和頁(yè)級(jí)管理數(shù)據(jù)臨時(shí)數(shù)據(jù),并采用條件持久化的機(jī)制更新到NVM中,進(jìn)一步解決了元數(shù)據(jù)區(qū)的磨損問(wèn)題。(3)頁(yè)內(nèi)空閑單元元數(shù)據(jù)計(jì)算算法。由于頁(yè)內(nèi)元數(shù)據(jù)占用的空間需要盡量小,因此采用結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的位圖來(lái)進(jìn)行空間的管理。但是由于位圖的遍歷是很消耗系統(tǒng)資源的操作,因此本文設(shè)計(jì)了分片計(jì)算算法來(lái)進(jìn)行高效的位圖數(shù)據(jù)處理。(4)持久化機(jī)制。由于配置NVM,故系統(tǒng)的斷電可恢復(fù)性是一項(xiàng)重要指標(biāo),而DRAM的數(shù)據(jù)在刷回到NVM的過(guò)程中,如果發(fā)生斷電,就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的不一致性的問(wèn)題。因此,采用寫(xiě)日志的方法進(jìn)行處理,來(lái)維護(hù)一致性。(5)多線程優(yōu)化。單線程的內(nèi)存分配機(jī)制在面臨多線程的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生資源的搶占,造成系統(tǒng)性能的浪費(fèi)。因此采用線程局部資源的方式,讓每個(gè)線程擁有一個(gè)局部資源緩沖區(qū),就能減少資源競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題,提高多線程的性能。本文根據(jù)提出的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的帶磨損均衡的小粒度內(nèi)存分配器(Wear-leveling Aware Fine-grained Allocator,WAFA)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與基于NVM的分配管理機(jī)制NVMalloc和nvm_malloc相比,WAFA中頁(yè)面的總寫(xiě)入次數(shù)僅僅只達(dá)到兩者的81.1%和40.1%。對(duì)于每個(gè)基本存儲(chǔ)器單元的寫(xiě)入次數(shù),WAFA的變化系數(shù)分別比NVMalloc和malloc小69.4%和97.3%。同時(shí),WAFA可以比glibc malloc提高9.6%的系統(tǒng)性能。
【圖文】：

圖 1.1 內(nèi)存頁(yè)磨損次數(shù)對(duì)比Figure 1.1 Comparison of the times of memory page wear的研究一個(gè)適應(yīng)于小粒度內(nèi)存分配的內(nèi)存管理機(jī)制度分配的效率，減少內(nèi)存浪費(fèi)，可以提升整個(gè)系統(tǒng)度分配的磨損均衡效果，使得 NVM 的壽命更長(zhǎng)，，化機(jī)制，并解決斷電帶來(lái)的一致性的問(wèn)題。研究?jī)?nèi)容 的性能特點(diǎn)、各類(lèi)內(nèi)存管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、NV及對(duì)本課題的研究意義的分析，下面對(duì)本論文中的分析可知，本文致力于改進(jìn)基于 NVM 的小粒度內(nèi)存

(a) 基準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)集 (b) Memcache 數(shù)據(jù)集 (c)YCSB 數(shù)據(jù)集圖 5.1 不同測(cè)試數(shù)據(jù)集下的總寫(xiě)次數(shù)對(duì)比Figure 5.1 Comparison of the total write counts of pages using different workloads.① 內(nèi)存頁(yè)的磨損計(jì)數(shù)從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的角度來(lái)看，因?yàn)轫?yè)是操作系統(tǒng)的基本單位，頁(yè)面的寫(xiě)次數(shù)是頁(yè)面內(nèi)存儲(chǔ)單元的最大寫(xiě)入次數(shù)。由于頁(yè)面內(nèi)的存儲(chǔ)單元在按照順序進(jìn)行分配時(shí)，并未回頭重復(fù)對(duì)某一內(nèi)存單元進(jìn)行重復(fù)寫(xiě)，因此這一順序中寫(xiě)可以合并為一次寫(xiě)。無(wú)論分配器有沒(méi)有對(duì)順序進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，但實(shí)際中都會(huì)有一定的順序性，而 WAFA 則進(jìn)行了強(qiáng)化的順序。在實(shí)驗(yàn)中，本文合并頁(yè)內(nèi)的順序性操作作為一次寫(xiě)，添加入總寫(xiě)入次數(shù)。較少的頁(yè)面的總寫(xiě)入次數(shù)意味著更好的磨損平衡。圖 5.1（a）顯示了使用基本測(cè)試數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試時(shí)不同分配器的頁(yè)面總磨損計(jì)數(shù)。橫坐標(biāo)“Free ratio”是指不同數(shù)據(jù)集擁有的內(nèi)存釋放比率。從圖中可以看出，WAFA 相對(duì)于 NVMalloc 和 nvm_malloc 分別減少了 18.1%和 3.8%。對(duì)于所有內(nèi)存分配器，隨著空閑比率的增加，頁(yè)面的總寫(xiě)入次數(shù)會(huì)減少。這
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP333

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 洪津津,石教英;LINUX中的Slab分配器[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究;2000年11期

本文編號(hào)：2633852