新型非易失性存儲(chǔ)介質(zhì),諸如閃存(flash)、相變內(nèi)存(phase-change memory, PCM)、可變電阻式內(nèi)存(ReRAM)等,可同時(shí)提供傳統(tǒng)硬盤等外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)持久化能力和接近動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問內(nèi)存(DRAM)等內(nèi)部存儲(chǔ)器的存取性能。非易失性內(nèi)存介質(zhì)及其軟硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成持久性內(nèi)存(persistent memory)系統(tǒng),可以融合傳統(tǒng)易失性內(nèi)部存儲(chǔ)和非易失性外部存儲(chǔ)的優(yōu)良特性,提升上層應(yīng)用軟件和系統(tǒng)整體的性能。持久性內(nèi)存系統(tǒng)使得內(nèi)存數(shù)據(jù)在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)依然得以保留。該特性在減少傳統(tǒng)持久化機(jī)制帶來的性能損耗方面作用顯著,但于此同時(shí),也使得發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)的數(shù)據(jù)一致性(crash consistency)問題尤為突出。而為保證故障時(shí)的數(shù)據(jù)一致性,往往需要對(duì)上層應(yīng)用程序訪問內(nèi)存的接口加以限制。因此,數(shù)據(jù)一致性機(jī)制及其應(yīng)用程序接口方式在持久性內(nèi)存系統(tǒng)性能、易用性及兩者間的平衡等方面扮演著非常重要的角色。從應(yīng)用層到系統(tǒng)層,再到硬件層,持久性內(nèi)存提供接口的形式主要包括文件系統(tǒng)、事務(wù)性內(nèi)存和硬件接口等。本論文研究了持久性內(nèi)存系統(tǒng)在文件系統(tǒng)、事務(wù)性內(nèi)存和軟件透明三種主要數(shù)據(jù)存取接口方式下,如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高效的故障時(shí)數(shù)據(jù)一致性保證機(jī)制的問題。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和研究成果包括：·文件系統(tǒng)接口下的多版本緩存事務(wù)技術(shù)。將原子性事務(wù)(atomic transaction)機(jī)制引入到操作系統(tǒng)頁緩存中,解決由動(dòng)態(tài)內(nèi)存和非易失性內(nèi)存構(gòu)成的持久性內(nèi)存系統(tǒng)的故障時(shí)數(shù)據(jù)一致性問題。將該技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)系統(tǒng)環(huán)境,在新的持久性內(nèi)存系統(tǒng)假設(shè)下,改進(jìn)現(xiàn)有手機(jī)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì),提出優(yōu)化手機(jī)能耗和應(yīng)用響應(yīng)的新指標(biāo)及相應(yīng)的三組新算法。實(shí)際測試表明,該技術(shù)可使現(xiàn)有安卓平臺(tái)上應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間和能耗分別下降51.6%和35.8%�！な聞�(wù)性內(nèi)存接口下的小緩沖區(qū)組技術(shù)。根據(jù)NVM Express接口和固態(tài)硬盤的新特性,為事務(wù)性內(nèi)存設(shè)計(jì)了一種高效的一致性持久化機(jī)制,為持久性內(nèi)存提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方式。該系統(tǒng)采用的快照隔離技術(shù)可以使實(shí)時(shí)分析等只讀負(fù)載不受持久化開銷的影響；小緩沖區(qū)組(small buffer array)的設(shè)計(jì),在保證故障時(shí)數(shù)據(jù)一致性的同時(shí),可顯著降低組提交(group commit)中提交者相互等待的時(shí)間,兼得理想的吞吐量和延遲。實(shí)驗(yàn)測評(píng)中,該設(shè)計(jì)在讀寫混合的負(fù)載下,可比最優(yōu)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的性能提高32.5%�！ぼ浖该鹘涌谙碌碾p模式檢查點(diǎn)生成技術(shù)。提出支持對(duì)軟件透明的故障時(shí)數(shù)據(jù)一致性的混合持久性內(nèi)存設(shè)計(jì)方法,通過雙模式檢查點(diǎn)生成技術(shù)高效地生成一致的可恢復(fù)的檢查點(diǎn)。該方法同時(shí)在緩存塊粒度和操作系統(tǒng)頁粒度上產(chǎn)生檢查點(diǎn),可使軟件執(zhí)行與產(chǎn)生檢查點(diǎn)的延遲重合,實(shí)現(xiàn)的停滯時(shí)間比頁粒度的檢查點(diǎn)生成機(jī)制減少了86.2%；同時(shí)實(shí)現(xiàn)可行的存儲(chǔ)空間占用,是塊粒度檢查點(diǎn)生成機(jī)制所需存儲(chǔ)空間的26%。·軟件透明的數(shù)據(jù)一致性協(xié)議及其形式化證明。雙模式檢查點(diǎn)生成技術(shù),對(duì)數(shù)據(jù)一致性保證提出了新的挑戰(zhàn)。多個(gè)數(shù)據(jù)版本的隔離和維護(hù),在程序執(zhí)行和生成檢查點(diǎn)過程重合的情況下變得尤為復(fù)雜。為此提出并利用狀態(tài)機(jī)模型表達(dá)了故障時(shí)數(shù)據(jù)一致性協(xié)議；對(duì)代碼級(jí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了符號(hào)抽象,利用不變式和數(shù)學(xué)歸納法對(duì)故障時(shí)數(shù)據(jù)一致性協(xié)議的正確性進(jìn)行了形式化證明。
【學(xué)位單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TP333
【部分圖文】：

原理１當(dāng)前手機(jī)內(nèi)存ＤＲＡＭ的容量足夠支持應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。逡逑手機(jī)內(nèi)存ＤＲＡＭ的容量經(jīng)歷了快速的增長（自２０１０年Ｗ來８倍增長，從逡逑５１２邋ＭＢ至。４邋ＧＢ，女口圖３．１所示），當(dāng)前標(biāo)配已達(dá)至。２邋ＧＢ或更多。而該ＤＲＡＭ大小逡逑已經(jīng)可Ｗ支持在桌面電腦上運(yùn)行Ｗｉｎｄｏｗｓ邋ＸＰ系統(tǒng)。盡管手機(jī)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量需求逡逑也在增長，但其增長率相對(duì)較低。我們Ｗ網(wǎng)頁請(qǐng)求的大小為例，其自２０１０年Ｗ來逡逑的同期增長率僅為９４％心４］。此外，手機(jī)環(huán)境下限于屏幕大小，用戶通常只使用一逡逑①對(duì)于管理諸如無法重現(xiàn)的照片等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的應(yīng)用，依然可Ｗ通過簡單配置選項(xiàng)使用常規(guī)的文件系統(tǒng)功能。逡逑１４逡逑

對(duì)于相同的數(shù)據(jù)刷出量，被覆寫的數(shù)據(jù)較多，也就是節(jié)約的能耗較多。（３）基于逡逑上面兩個(gè)定義，我們描繪５上的ｅ曲線來表現(xiàn)增加數(shù)據(jù)滯后量帶來的能量效率的逡逑變化。如圖３．２所示，不同應(yīng)用的ｅ曲線呈現(xiàn)不同的形狀，反映出對(duì)于不同應(yīng)用最逡逑佳刷出時(shí)間會(huì)有所不同（亦適用于不同用戶）。理想狀況下，應(yīng)用的內(nèi)存數(shù)據(jù)應(yīng)該逡逑在ｅ曲線達(dá)到峰值時(shí)進(jìn)行刷出，寫入閃存。逡逑１００邋邐１邐Ｊ邐Ｊ邐■！邐叫逡逑９。r2．．．＼邐盧ｒ＾逡逑ｇ邋８０邋薩一邐／邐■逡逑＾邐７０邋Ｉ邐／邐邐＼邐－逡逑！邐Ｆａｃｅｂａｏｋ：邋０－１１．４ＭＢ＼＾邐逡逑Ｔｗｉｔｔｓｒ！邋０－１５６．２ＭＢ邐—逡逑６０邐／邐Ａｎｇｒｙ團(tuán)ｒｄｓ：邋０－６．９ＭＢ邋邐－逡逑ＧｏｏｇｌｅＭａｐｓ：邋０－１７５．８ＭＢ邋邐逡逑Ｂｒｏｗｓｅｒ：邋０－９．ＳＭＢ邋邐逡逑５０邋邐￣＇邐＇邐＇邐＇邐逡逑０邐２０邐４０邐６０邐８０邐１００逡逑數(shù)據(jù)滯后量（統(tǒng)一化）逡逑圖３．２不同形狀的ｅ曲線表明特定于應(yīng)用的Ｉ／Ｏ模式。圖中數(shù)據(jù)滯后量的范圍統(tǒng)一到０．逡逑至１００，實(shí)際數(shù)值標(biāo)記在應(yīng)用名稱旁。逡逑３．２．２系統(tǒng)架構(gòu)逡逑ＭｏｂｉＦＳ主要由五個(gè)模塊構(gòu)成：（１）頁緩存，負(fù)責(zé)在內(nèi)存中存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)；（２）逡逑寫日志，負(fù)責(zé)維護(hù)寫操作的歷史，由按序排列的許多記錄項(xiàng)構(gòu)成，每個(gè)記錄項(xiàng)會(huì)逡逑引用一個(gè)頁緩存中的物理頁；（３）事務(wù)，寫日志中的若干記錄項(xiàng)歸并為一組，它逡逑們的一致性不受覆寫和重排序等優(yōu)化的影響；（４）檢查點(diǎn)生成器（ｃｈｅｃｋｐｏｉｎｔｅｒ），逡逑負(fù)責(zé)調(diào)用底層閃存管理組件Ｗ原子性方式完成事務(wù)的持久化；（５）策略引擎

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