【摘要】：目前,新興的非易失內(nèi)存(Non-volatile Memory,NVM)正在逐步走入人們的視野。由于這類存儲(chǔ)技術(shù)同時(shí)具備了低延遲、持久化、大容量和字節(jié)可尋址的特性,數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以運(yùn)行在只有NVM的存儲(chǔ)架構(gòu)上。在這種環(huán)境下,一些新奇的無(wú)日志存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。由于不再需要重做日志,這些系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生后即時(shí)地恢復(fù)。然而,在現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)中,這些系統(tǒng)為了確保NVM上數(shù)據(jù)的一致性需要進(jìn)行大量的同步操作,嚴(yán)重影響了正常執(zhí)行時(shí)的系統(tǒng)性能。本文的研究?jī)?nèi)容如下:1)本文綜述了 NVM存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù),包括NVM的基本概念、NVM的編程接口和數(shù)據(jù)同步、基于NVM的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等方面。2)本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于NVM單一存儲(chǔ)架構(gòu)的高性能即時(shí)恢復(fù)存儲(chǔ)引擎FIRSE(Fast and Instantly Recoverable Storage Engine)。FIRSE 的核心設(shè)計(jì)理念是,將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分為必須確保一致性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和可以通過(guò)重啟時(shí)恢復(fù)的可重建數(shù)據(jù),在日常操作中只確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的一致性,從而減少數(shù)據(jù)同步的次數(shù);另一方面,通過(guò)異步的恢復(fù)機(jī)制使得系統(tǒng)可以即時(shí)地恢復(fù)。3)本文對(duì)FIRSE與另兩種具有代表性的持久化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整的性能評(píng)估,既包括獨(dú)立的性能評(píng)估,也包括將三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集成至高性能內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)Redis中的端到端的性能評(píng)估。評(píng)估結(jié)果表明,FIRSE在大多數(shù)工作負(fù)荷下吞吐率表現(xiàn)良好。即時(shí)恢復(fù)是FIRSE最突出的特點(diǎn),在恢復(fù)時(shí)間上相比于其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)縮短了 3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,FIRSE在NVM資源使用量和寫(xiě)磨損方面也均好于其他兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP333
【圖文】：

僅使得ＮＶＭ有足夠的帶寬供ＣＰＵ訪問(wèn)，而且在體系結(jié)構(gòu)特性上也與普通內(nèi)存逡逑維持一致（比如ＮＵＭＡ訪問(wèn)，Ｃａｃｈｅ—致性）。因此，應(yīng)用開(kāi)發(fā)者可以簡(jiǎn)單地逡逑將ＮＶＭ抽象為一塊具有持久化能力的內(nèi)存，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。圖２．１逡逑展現(xiàn)了邋ＮＶＭ在體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵路徑。逡逑１１逡逑

對(duì)ＮＶＭ優(yōu)化的文件系統(tǒng)——ＤＡＸ文件系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)文件系統(tǒng)，ＤＡＸ文件逡逑系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是，文件上的讀寫(xiě)操作直接作用于底層的ＮＶＭ設(shè)備，而沒(méi)有逡逑任何介入其中的軟件緩存。ＤＡＸ文件系統(tǒng)的工作原理如圖２．２所示。應(yīng)用程序逡逑對(duì)ＮＶＭ上的文件建立內(nèi)存映射時(shí)，ＤＡＸ文件系統(tǒng)通過(guò)ＮＶＭ設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序逡逑得到該文件對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊的物理地址，并通過(guò)內(nèi)存管理單元將進(jìn)程的一部分虛擬逡逑地址映射到文件的物理地址上。之后，應(yīng)用程序?qū)υ撎摂M地址空間上的訪問(wèn)會(huì)逡逑直接作用在ＮＶＭ上。另外，應(yīng)用程序通常會(huì)使用一個(gè)用戶態(tài)的ＮＶＭ庫(kù)來(lái)簡(jiǎn)逡逑化ＮＹＭ編程。逡逑Ｕｓｅｒ邋Ｓｐａｃｅ邐Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ逡逑ｍｍａｐ邐ｒｅａｄ／ｗｒｉｔｅ逡逑ＮＶＭ邋Ｌｉｂ逡逑Ｖ

逑本文在最新的工業(yè)級(jí)ＮＶＭ上比較了普通寫(xiě)操作和確保一致性的寫(xiě)操作的逡逑性能。圖２．３是兩種操作所對(duì)應(yīng)的吞吐率。確保一致性的寫(xiě)操作每寫(xiě)入１６字節(jié)逡逑后都使用ｓｙｎｃ原語(yǔ)進(jìn)行同步。本文在不同大小的ＮＶＭ空間上測(cè)試了這兩種操逡逑作的性能，其性能差距可達(dá)６５－５２１倍！逡逑１２０００邋－邋＞邋１邋■—■■■．．＿■■邐—＾ 邋Ｎｏｒｍａｌ－Ｗｒｉｔｅ逡逑ｎ．邐Ｗｒｉｔｅ－ｗｉｔｈ－Ｓｙｎｃ逡逑畫(huà)．＼逡逑＾邋８０００邋－邐＼逡逑Ｉ邐＼逡逑１邐＼逡逑Ｓ邋４０００邋－邐＼逡逑２０００邋■邐Ｘ邐邐逡逑0邋？邋念邐金邐＆邐■＊邐■＊．邐邐邐－－Ａ逡逑Ｉ邐４邐１６邐６４邐２５６邐１０２４逡逑ｂｌｏｃｋｓｉｚｅ邋＜ＭｉＢ）逡逑圖２．３邋ＮＶＭ上普通寫(xiě)操作和確保一致性的寫(xiě)操作的性能比較逡逑２．３存儲(chǔ)引擎的持久化逡逑２．３．１持久化存儲(chǔ)引擎逡逑關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)滿足ＡＣＩＤ的事務(wù)［２（）］來(lái)簡(jiǎn)化上層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，這個(gè)思想同逡逑樣可以應(yīng)用在存儲(chǔ)引擎上。一般的

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