面向闪存存储系统的缓存置换及垃圾回收算法研究

发布时间：2020-09-15 16:37

　　闪存是一种纯电子数据存储设备,具有体积小、访问存取速度快、能耗低、抗震性强等特点,成为替代或部分替代机械硬盘的存储介质之一。但是闪存表现出与机械硬盘完全不一致的物理特性,如读写速度不一致及擦除次数有限等特性,目前针对机械硬盘设计和优化的缓存置换算法无法直接应用于闪存存储系统;同时,闪存具有异地更新的特性,而且进行回收无效页操作时必须触发垃圾回收机制,但是现有的垃圾回收算法仍存在不足。基于以上两个问题本文拟针对闪存存储系统的缓存置换及垃圾回收算法进行研究,具体研究内容如下:(1)本文提出一种新的面向闪存数据库的缓冲区置换算法CF-ARC,该算法引入了一种新的页面替换机制,在原有缓冲区链表中加入一个新的镜像区,用于保存刚被驱逐出缓冲区的页号信息。同时将缓存中的页面分为干净页和脏页两类,当缓冲区容量满时优先驱逐干净页,通过镜像区与缓冲区的动态调节机制,部分解决了CF-LRU算法中的工作区范围不好界定的缺陷;(2)为解决CF-ARC算法优先驱逐热干净页而带来的驱逐代价大的问题,本文在上述算法基础上优化后提出H-ARC算法。将缓冲区分细分成冷区和热区,并专门设定两个镜像区链表用于保存被驱逐的闪存页页号信息及相关页面的参数值,优先将访问频度低的干净页替换出缓冲区,使得热页能继续留在缓冲区从而提高了页面的命中率。当缓冲区满时,通过镜像区与缓冲区的动态调节机制,一定程度上避免了干净页刚进入缓冲区便被驱逐的问题,通过实验分析发现在多数情况下该算法具有比其它置换算法更高的性能。(3)现有的闪存转换层垃圾回收算法在触发垃圾回收操作时存在缺陷,当面临相同的函数值时难以进行最优的牺牲块选择。本文提出一种新的优化策略,用于解决在大容量闪存中容易碰到牺牲块选择困境的情形,实验表明新的策略能获得较好的回收性能,保证了闪存芯片的使用寿命。
【学位单位】：福建师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

链表,数据结构,情形

图１．邋１邋ＡＲＣ链表数据结构及初始情形逡逑．：逡逑

状态图,链表,页面,状态

两次及以上。当一个己经在ＬＦＵ的页面再次访问时，它将被放置在ＬＦＵ链表的开始逡逑端（最常用的）。最后，那些真正经常访问的页面将长久地保存在缓存中，而不经逡逑常访问的页面将移到链表的后面，并最终被逐出，如图１．３所示。逡逑ＬＲＵ逦｜￣邋Ｉ￣邋Ｑ邋ｒｊ邋０邋１逦１＂邋！｜邋Ｔｈｅ邋Ｃａｃｈｅ逡逑＜——Ｇｈｏｓｔ邋Ｌｉｓｔ（Ｇ１）——Ｈ邋＜逦ＬＲＵ（Ｔ１）ｖ／Ｖ｜－＞逦＜逦ＬＦＵ（１２）逦？逦＜——Ｇｈｏｓｔ邋ＬＦＵ（Ｇ２）——？逡逑ｐｉ逡逑图１．邋３邋ＡＲＣ链表再次读取Ｐｌ后状态逡逑假设ＬＲＵ链表容量己满如图１．４所示：为了写入新的页面，需要将ＬＲＵ链表中逡逑最近最少使用的页面淘汰出去，操作发生时，镜像区执行操作。首先将所驱逐页面逡逑的信息放置在Ｇ１区，因此页面不再被缓存直接引用，故将其释放；其次新的数据页逡逑进入缓冲区，旧的页面再次被放入Ｇ１区，随着越来越多的页面被淘汰，ＬＲＵ镜像区逡逑的页面信息也将逐渐向尾部移动叩。在稍后的时间，当ＬＲＵ镜像区容量达到上限时，逡逑页面信息也将被从Ｇ１区移除。逡逑－１９－逡逑

状态图,链表,状态,页面

Ｐ２首先会被放入到ＬＲＵ链表的ＭＲＵ端。逡逑研宄另一不同的页Ｐ１，也把它放在缓存链表Ｔ１中，显然，他将被放置在最近逡逑使用链表Ｈ的ＭＲＵ位置，同时将页ｐ２向左移动一个位置，结果如图１．邋２所示；逡逑ＬＲＵ逦｜￣逦｜逦Ｔｈｅ邋Ｃａｃｈｅ逦ＭＲＵ逡逑＜邋Ｇｈｏｓｔ邋Ｌｉｓｔ邋（Ｇ１）邋Ｎ邋＼４逦ＬＲＵ（Ｔ１）逦＾逦ＬＦＵ（Ｔ２）逦＞邋＜逦＜３ｈｏｓｔ邋ＬＦＵ（Ｇ２）—邋？逡逑Ｐ２邋Ｐ１逡逑图１．邋２邋ＡＲＣ链表读取ＰＩ后状态逡逑当我们再次读取ｐｌ时，依据ＡＲＣ算法原理，此时这个页面在缓存中将会被移到逡逑ＬＦＵ链表中，因为此时该页已被读取两次。所有的页面进入ＬＦＵ链表必须访问至少逡逑两次及以上。当一个己经在ＬＦＵ的页面再次访问时，它将被放置在ＬＦＵ链表的开始逡逑端（最常用的）。最后，那些真正经常访问的页面将长久地保存在缓存中，而不经逡逑常访问的页面将移到链表的后面，并最终被逐出，如图１．３所示。逡逑ＬＲＵ逦｜￣邋Ｉ￣邋Ｑ邋ｒｊ邋０邋１逦１＂邋！｜邋Ｔｈｅ邋Ｃａｃｈｅ逡逑＜——Ｇｈｏｓｔ邋Ｌｉｓｔ（Ｇ１）——Ｈ邋＜逦ＬＲＵ（Ｔ１）ｖ／Ｖ｜－＞逦＜逦ＬＦＵ（１２）逦？逦＜——Ｇｈｏｓｔ邋ＬＦＵ（Ｇ２）——？逡逑ｐｉ逡逑图１．邋３邋ＡＲＣ链表再次读取Ｐｌ后状态逡逑假设ＬＲＵ链表容量己满如图１．４所示：为了写入新的页面，需要将ＬＲＵ链表中逡逑最近最少使用的页面淘汰出去，操作发生时，镜像区执行操作。首先将所驱逐页面逡逑的信息放置在Ｇ１区

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