摘  要： 針對閃存固態(tài)盤語義缺失特性，提出了一種帶有語義感知的交換區(qū)空間分配方案，減少了交換系統(tǒng)中Trim命令的使用次數(shù)，進(jìn)而減少內(nèi)存交換系統(tǒng)中的時間開銷，提高程序運(yùn)行的性能。
關(guān)鍵詞： 交換系統(tǒng)；閃存固態(tài)盤；語義缺失；Trim命令；空間分配

　閃存作為一種新型非易失性存儲介質(zhì)，以其低延遲、低功耗、輕重量和抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。近年來，隨著閃存固態(tài)盤容量增加和價(jià)格下降，其應(yīng)用逐步走向個人計(jì)算機(jī)和企業(yè)服務(wù)器市場[2-4]。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，隨著應(yīng)用程序規(guī)模的擴(kuò)大，對內(nèi)存占用需求的快速增大，如何擴(kuò)大系統(tǒng)中可用內(nèi)存空間正受到極大的關(guān)注，其中在閃存固態(tài)盤上建立交換區(qū)已成為研究熱點(diǎn)。
本文基于閃存固態(tài)盤的自身特點(diǎn)和內(nèi)存交換系統(tǒng)的具體應(yīng)用場景，提出一種帶有語義感知的內(nèi)存交換區(qū)空間分配方案，使交換系統(tǒng)減少Trim[5]命令（也稱discard命令）的使用，進(jìn)而節(jié)省Trim命令引入的時間開銷，提高系統(tǒng)性能。
1 相關(guān)工作
　近些年，越來越多的研究關(guān)注于使用閃存固態(tài)盤作為交換區(qū)，以降低內(nèi)存與交換區(qū)的I/O延遲，提高系統(tǒng)性能。參考文獻(xiàn)[6]在使用閃存固態(tài)盤作為交換區(qū)的環(huán)境下提出壓縮交換頁面以提高系統(tǒng)性能，延長閃存壽命的方法。參考文獻(xiàn)[7]提出一種基于日志方式的換出和塊對齊方式換入的交換系統(tǒng)，以便提高閃存的垃圾回收性能和減少閃存擦除操作次數(shù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能。參考文獻(xiàn)[8]中混合使用傳統(tǒng)磁盤和閃存固態(tài)盤作為內(nèi)存交換區(qū)，充分發(fā)揮閃存和硬盤的特性以提供大容量、低價(jià)位、高性能的內(nèi)存空間。然而，這些系統(tǒng)主要著眼于交換頁面的數(shù)量或交換頁面內(nèi)容的分析，對內(nèi)存交換系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，很少關(guān)注交換區(qū)空間分配的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[9]指出內(nèi)存交換系統(tǒng)中帶有語義傳遞功能的Trim命令為系統(tǒng)引入了較大的時間開銷，在此基礎(chǔ)上，本文提出一種帶有語義感知的交換區(qū)空間分配方案，減少Trim命令的使用，以提高程序運(yùn)行性能。
2 以閃存固態(tài)盤為交換區(qū)的空間分配
2.1 閃存固態(tài)盤的語義缺失
　閃存固態(tài)盤主要由閃存芯片和閃存控制器兩部分構(gòu)成。與傳統(tǒng)磁盤相比，閃存介質(zhì)在性能和硬件屬性上有很多優(yōu)勢，同時在實(shí)際應(yīng)用中存在一些缺陷：首先閃存介質(zhì)重寫閃存頁前必須擦除閃存頁所在的閃存塊；其次閃存塊擦除次數(shù)有限，若擦除操作達(dá)到上限，閃存塊可能損壞，影響閃存的使用壽命。由此可知，在傳統(tǒng)磁盤中應(yīng)用廣泛的原位重寫操作不適用閃存。為使閃存固態(tài)盤能像磁盤一樣普遍地應(yīng)用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，Intel提出閃存轉(zhuǎn)換層FTL（Flash Translation Layer）技術(shù)[10]，把閃存固態(tài)盤模擬成類似磁盤的塊設(shè)備，封裝在閃存控制器中，統(tǒng)一了閃存固態(tài)盤與傳統(tǒng)磁盤的軟件接口。閃存固態(tài)盤的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　圖1中FTL主要包含地址映射、垃圾回收、磨損均衡等模塊。地址映射模塊中，將軟件系統(tǒng)讀寫請求的邏輯地址通過映射表和閃存固態(tài)盤的物理地址一一對應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)原位更新某邏輯地址上的數(shù)據(jù)時，先通過映射表檢索邏輯地址對應(yīng)的物理地址，標(biāo)記此物理地址的數(shù)據(jù)無效，并把數(shù)據(jù)寫入閃存固態(tài)盤的其他物理位置，在映射表中使邏輯地址與新的物理地址對應(yīng)，進(jìn)而避免重寫閃存頁前擦除閃存塊操作。當(dāng)閃存控制器啟動垃圾回收機(jī)制，擦除無效數(shù)據(jù)較多的閃存塊，由于閃存塊的擦除次數(shù)有限，磨損均衡模塊會采取均衡策略，使擦除操作盡量均勻地分配在閃存介質(zhì)上。
　由上述分析可知，閃存控制器封裝了閃存介質(zhì)特性，使軟件系統(tǒng)能夠以相同于磁盤的方法操作閃存固態(tài)盤。軟件系統(tǒng)向閃存固態(tài)盤發(fā)出的讀寫請求經(jīng)過FTL的地址映射后，對閃存介質(zhì)的操作請求已喪失軟件系統(tǒng)操作的語義，因此，閃存固態(tài)盤無法感知軟件系統(tǒng)操作的相關(guān)含義，形成一種語義缺失的現(xiàn)象。例如文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的刪除操作，在文件系統(tǒng)中的刪除操作只標(biāo)記對應(yīng)元數(shù)據(jù)無效，即代表數(shù)據(jù)已經(jīng)刪除，而閃存固態(tài)盤不知道元數(shù)據(jù)對應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)頁面已經(jīng)無效，直到這些數(shù)據(jù)頁面對應(yīng)的邏輯頁面再次收到寫數(shù)據(jù)請求時，閃存固態(tài)盤才能感知這些數(shù)據(jù)無效，這種因語義缺失導(dǎo)致了垃圾回收操作的延遲，影響閃存固態(tài)盤的存儲效率。
2.2 Trim命令的時間消耗評估
　閃存固態(tài)盤的應(yīng)用越來越普遍，針對其語義缺失的不足，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入Trim命令通知閃存固態(tài)盤無效數(shù)據(jù)的位置，使閃存固態(tài)盤感知上層軟件系統(tǒng)的語義操作。從Linux 2.6.29開始，針對閃存固態(tài)盤為交換區(qū)，在交換區(qū)空間分配方案中引入Trim命令，以便閃存固態(tài)盤回收交換區(qū)中無效頁面。其中，交換區(qū)空間由swap_map計(jì)數(shù)器數(shù)組進(jìn)行分配管理，每個計(jì)數(shù)器值對應(yīng)一個頁槽（page slot）使用狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)存將暫時不用的非映射頁換出到交換區(qū)時，需要在swap_map中快速檢索空閑頁槽存儲換出頁面，頁槽為占用狀態(tài)；當(dāng)內(nèi)存需要已換出到交換區(qū)中的頁面時，再把該頁面從交換區(qū)中調(diào)入內(nèi)存，此時頁槽為空閑狀態(tài)，交換區(qū)空間分配如圖2所示。

　圖2中，空白格代表頁槽為空閑狀態(tài)，陰影小格代表頁槽為占用狀態(tài)，內(nèi)存交換系統(tǒng)以簇集的形式分配交換區(qū)空間，一個空閑簇集包含256個連續(xù)空閑頁槽，當(dāng)空閑簇集中的空閑頁槽全部分配后，從此簇集的最后一個頁槽后開始掃描swap_map，來檢索空閑簇集。Trim命令是在檢索到空閑簇集后使用，其作用是通知閃存固態(tài)盤256個空閑頁槽對應(yīng)的頁面無效。其中每個頁槽對應(yīng)4 KB的交換區(qū)空間，那么256個頁槽對應(yīng)1 MB的交換區(qū)空間，也就是Trim命令的作用區(qū)間是1 MB。本文分別對不同作用區(qū)間的Trim命令進(jìn)行測試，其時間開銷如圖3所示。

　圖3中橫坐標(biāo)代表換出到閃存固態(tài)盤的頁面數(shù)量，W代表數(shù)量單位為萬頁，其測試結(jié)果是在系統(tǒng)中運(yùn)行應(yīng)用程序ImageMagic使內(nèi)存換出大量頁面到交換區(qū)中，在交換區(qū)空間分配時向閃存固態(tài)盤發(fā)送Trim命令，進(jìn)而跟蹤測試不同作用區(qū)間的Trim命令時間開銷。由圖3可推出兩個結(jié)論：
?。?）Trim命令平均耗時隨著閃存固態(tài)盤寫入的頁面數(shù)量增加而增大，當(dāng)頁面數(shù)量達(dá)到一定值時，Trim命令平均耗時趨于平穩(wěn)。整體來看，幾種不同作用區(qū)間的Trim命令平均耗時在1 ms~14 ms之間，表明Trim命令為系統(tǒng)引入毫秒級別的時間開銷；
?。?）不同作用區(qū)間的Trim命令時間開銷不同，隨著作用區(qū)間增大，其平均時間開銷減小。
2.3 交換區(qū)空間分配方案的設(shè)計(jì)與分析
　內(nèi)存交換系統(tǒng)使用閃存固態(tài)盤作為交換區(qū)時，鑒于閃存固態(tài)盤語義缺失且語義傳遞的Trim命令耗時較多，本文設(shè)計(jì)一種帶有語義感知的交換區(qū)空間分配方案，其交換區(qū)空間分配規(guī)則如下：
?。?）合并Trim命令：在swap_map中，掃描16個連續(xù)空閑簇集（1簇集=256 slot）后，向閃存固態(tài)盤發(fā)送Trim命令，使得Trim命令的作用區(qū)間為16 MB。
?。?）語義感知：系統(tǒng)使用完空閑簇集后，掃描swap_map，從已經(jīng)寫入數(shù)據(jù)的頁槽中檢索1個空閑簇集，若沒有檢索到，則從上一個Trim命令的作用區(qū)間后掃描swap_map，檢索16個連續(xù)空閑簇集，發(fā)送Trim命令。
?。?）邊界對齊：在檢索1個空閑簇集時，采用邊界對齊的方式，使檢索到的空閑簇集的邊界為256的倍數(shù)。
　第一條規(guī)則分析如下：Trim命令作用區(qū)間由1 MB增加到16 MB，首先減少了Trim命令的使用次數(shù)；其次由2.2章節(jié)可知，作用區(qū)間越大，Trim命令平均耗時越少，16 MB作用區(qū)間的Trim平均時間消耗較少，但是本方　案沒有使用作用區(qū)間更大的Trim命令，是因?yàn)門rim命令的作用是通知閃存固態(tài)盤無效頁面的位置，促進(jìn)閃存固態(tài)盤垃圾回收進(jìn)行閃存塊擦除操作，一次發(fā)送無效頁面的數(shù)量較多，可能促使閃存固態(tài)盤擦除較多的閃存塊，若機(jī)器關(guān)機(jī)或重啟，擦除的閃存塊會再次被擦除，造成擦除冗余，而閃存塊的擦除次數(shù)直接影響閃存固態(tài)盤的壽命。
　第二條規(guī)則分析如下：由2.1章節(jié)論述可知，重寫邏輯頁面相當(dāng)于告訴閃存固態(tài)盤該邏輯頁面對應(yīng)的物理頁面無效，swap_map數(shù)組索引閃存固態(tài)盤的邏輯頁面，重寫數(shù)組中的空閑頁槽，即是通知閃存固態(tài)盤此頁槽對應(yīng)的物理頁面無效。該規(guī)則利用閃存轉(zhuǎn)換層原位重寫操作使閃存固態(tài)盤感知無效頁面，在內(nèi)存交換系統(tǒng)中盡量減少Trim命令的使用，進(jìn)而使交換區(qū)空間分配帶有語義感知功能。
　第三條規(guī)則分析如下：邊界對齊的設(shè)計(jì)是利用程序運(yùn)行的局部性原理，內(nèi)存換出相鄰的頁面，很可能屬于同一進(jìn)程的頁面，當(dāng)進(jìn)程被調(diào)用時，同時換入這些相鄰的頁面，使這些頁面在交換區(qū)中對應(yīng)的頁槽狀態(tài)變?yōu)榭臻e，邊界對齊的分配方法促使這些空閑頁槽對應(yīng)的頁面盡可能集中分布同一閃存塊中，提高閃存固態(tài)盤垃圾回收效率。
3 測試與分析
3.1 測試環(huán)境與負(fù)載

　系統(tǒng)的硬件環(huán)境為Intel（R）Xeon（R）E5420，主頻為2.5 GHz的四核CPU，設(shè)置物理內(nèi)存為1 GB，分別使用傳統(tǒng)磁盤和閃存固態(tài)盤作為系統(tǒng)的交換區(qū)進(jìn)行測試，設(shè)置交換區(qū)大小為2 GB，并選取圖像處理ImageMagick、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用Postgresql、科學(xué)計(jì)算Matlab以及程序開發(fā)eclipse四種類型的應(yīng)用程序?qū)粨Q區(qū)分配方案進(jìn)行測試分析。其測試負(fù)載如下：
　（1）ImageMagick：同時放大10張4.5 MB的圖片；
?。?）Postgresql：模擬600個客戶端對數(shù)據(jù)庫Postgresql進(jìn)行壓力測試，每個客戶端執(zhí)行300個的事務(wù)；
?。?）Matlab：使用雙線性插值法對一張4.5 MB的圖片放大4倍；
?。?）eclipse：使用AES算法對260 MB的壓縮包進(jìn)行加密運(yùn)算。
　以上四個應(yīng)用程序的負(fù)載所需要的內(nèi)存空間均大于1 GB，在1 GB物理內(nèi)存的系統(tǒng)下分別單獨(dú)運(yùn)行四個應(yīng)用程序，系統(tǒng)均會產(chǎn)生一定數(shù)量的交換操作。在linux2.6.34.13系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)帶有語義感知的交換區(qū)分配方案，在內(nèi)核態(tài)統(tǒng)計(jì)四種應(yīng)用程序換出頁面頻率，在用戶態(tài)統(tǒng)計(jì)程序運(yùn)行時間，進(jìn)而測試內(nèi)存交換區(qū)空間分配方案的性能。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　在實(shí)驗(yàn)中，首先分別使用傳統(tǒng)磁盤和閃存固態(tài)盤作為交換區(qū)，測試四種應(yīng)用程序，觀察不同硬盤對系統(tǒng)性能的影響，如圖4所示。然后以閃存固態(tài)盤為交換區(qū)，對比四種應(yīng)用程序在不同的交換區(qū)分配方案下的運(yùn)行時間，測試交換區(qū)分配方案提高系統(tǒng)性能的效果，如圖5所示。圖4和圖5中Postgresql應(yīng)用程序運(yùn)行時間單位為分鐘（min），其他三個應(yīng)用程序運(yùn)行時間單位為秒（s）。

　由圖4可知，使用閃存固態(tài)盤作為交換區(qū)，相較于傳統(tǒng)磁盤，四種典型的應(yīng)用程序運(yùn)行性能都有所提高，其中ImageMagick性能提高4倍，Postgresql性能提高4.7%。由圖5可知，使用本文提出的帶有語意感知的交換區(qū)分配方案可以進(jìn)一步提高程序運(yùn)行性能，ImageMagick、Postgresql、matlab和eclipse在運(yùn)行的過程中提高性能的比值分別為34.6%、3.2%、6.6%和14.2%。對比圖4和圖5，不難發(fā)現(xiàn)在圖4中性能提高較多的應(yīng)用程序在圖5中性能提高比例也較大，說明性能提高的比例與應(yīng)用程序本身性質(zhì)有關(guān)。為體現(xiàn)交換區(qū)分配方案對哪類應(yīng)用程序有更好的性能提高，本文對四種應(yīng)用程序特性進(jìn)行分析，在圖6中給出了以閃存固態(tài)盤為交換區(qū)時，四種應(yīng)用程序運(yùn)行時對閃存固態(tài)盤的寫請求頻率。

　圖6中四種應(yīng)用程序運(yùn)行時對閃存固態(tài)盤寫請求頻率不同，寫請求頻率高的應(yīng)用程序在圖5中性能提高比例也高，寫請求頻率低的應(yīng)用程序性能提高也低，結(jié)合圖5和圖6結(jié)果分析可知，對交換區(qū)寫請求的頻率高低直接影響帶有語義感知的交換區(qū)分配方案的作用效果，寫請求頻率越高的應(yīng)用程序性能提高比例越大，即在較短的時間內(nèi)換出到交換區(qū)的頁面數(shù)量較多的應(yīng)用程序，其運(yùn)行性能提高比例較大。
　本文主要研究使用固態(tài)盤上建立交換區(qū)，提出一種語義感知的交換區(qū)空間分配方案。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，該交換區(qū)分配方案自帶語義理解功能，減少語義傳遞功能的Trim命令使用，進(jìn)而節(jié)約時間開銷，提高程序運(yùn)行性能。在進(jìn)一步工作中，使用閃存固態(tài)盤為交換區(qū)，將著重研究通過壓縮交換頁面或重復(fù)數(shù)據(jù)刪除等技術(shù)減少閃存固態(tài)盤中的寫操作，以延長閃存固態(tài)盤的壽命，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。
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