基于非易失性內(nèi)存的用戶態(tài)內(nèi)存文件系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn).pdf_第1頁
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文檔簡介

1、隨著大數(shù)據(jù)時代到來,人們對于數(shù)據(jù)處理的性能和功耗都提出了更高的要求。近年來發(fā)展出的新型非易失性內(nèi)存(NVM),擁有可持久化的數(shù)據(jù)、讀寫速度快、低功耗、按字節(jié)尋址等優(yōu)點,具有取代磁盤等塊設(shè)備,成為新一代數(shù)據(jù)存儲的潛力。然而,傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)是針對慢速塊設(shè)備而設(shè)計的,文件讀寫流程需要經(jīng)過多個軟件層次,產(chǎn)生極大開銷,因此并不能充分發(fā)揮NVM的優(yōu)勢。為此,已經(jīng)有多個面向NVM存儲介質(zhì)的內(nèi)存文件系統(tǒng)。內(nèi)存文件系統(tǒng)的讀寫方式和塊設(shè)備文件系統(tǒng)有很大不同

2、,性能也遠遠超過傳統(tǒng)塊設(shè)備文件系統(tǒng)。
  但是現(xiàn)有內(nèi)存文件系統(tǒng)都有一個共同的特點,即文件訪問時會經(jīng)過內(nèi)核軟件棧,例如虛擬文件系統(tǒng)(VFS)。這將會產(chǎn)生大量的狀態(tài)切換和訪問軟件層次的開銷并降低文件讀寫性能。為避免內(nèi)核軟件棧的開銷,文件系統(tǒng)使用內(nèi)存映射技術(shù)(MMAP)和FUSE(File System In User Space)來提供在用戶空間訪問文件。但是MMAP把文件數(shù)據(jù)映射到用戶空間會產(chǎn)生巨大的開銷;FUSE在文件操作時會多次

3、的在內(nèi)核空間和用戶空間互相切換,則會承受多次的內(nèi)核軟件棧的開銷。
  為此,本文分析MMAP技術(shù)和FUSE技術(shù)的優(yōu)缺點,并提出一種真正的用戶態(tài)內(nèi)存文件系統(tǒng),簡稱為UMFS(User-space in-Memory File System)。UMFS文件系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容如下:
 ?、僦苯永糜脩暨M程的虛擬地址讀寫文件。通過打開操作,文件數(shù)據(jù)能夠在用戶空間被直接訪問。打開操作能夠在常數(shù)時間內(nèi)完成,文件大小并不會對打開操作時間造

4、成影響。
 ?、谟脩魬B(tài)文件操作流程。傳統(tǒng)的內(nèi)存文件系統(tǒng)存在于內(nèi)核空間,應(yīng)用程序訪問文件數(shù)據(jù)需要把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。與傳統(tǒng)文件系統(tǒng)相比,UMFS訪問數(shù)據(jù)時省略大量的內(nèi)核態(tài)流程,減少內(nèi)核態(tài)開銷,提升性能。
 ?、墼O(shè)計一個與POSIX標準兼容的函數(shù)庫。UMFS把文件系統(tǒng)的操作封裝在函數(shù)庫中,函數(shù)庫中的操作是在用戶空間完成的,例如讀寫操作。利用與POSIX標準兼容的函數(shù)庫,現(xiàn)有應(yīng)用程序不需要修改就可以直接使用UMFS。<

5、br> ?、芪募到y(tǒng)的寫一致性。UMFS提供一個用戶態(tài)的日志用于保證寫操作的數(shù)據(jù)一致性。該日志持久化存放在非易失性內(nèi)存中,可以同時映射到不同進程的虛擬地址空間,在保證一致性的同時提供進程間的同步機制。
  本文還對提出的文件系統(tǒng)進行驗證實驗,并與當前最先進的3種內(nèi)存文件系統(tǒng)進行對比,包括SIMFS,NOVA和EXT4-DAX。實驗結(jié)果表明本文設(shè)計的用戶態(tài)文件系統(tǒng)UMFS的吞吐量高于其他幾種內(nèi)存文件系統(tǒng)。例如單線程順序讀文件時,UM

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