面向多核的NVM內(nèi)存計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、長(zhǎng)期以來，存儲(chǔ)一直都是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能瓶頸之一。人們總希望獲得低延時(shí)，高可靠，低能耗，持久化的存儲(chǔ)設(shè)備。而新型非易失型存儲(chǔ)器（NVM， Non Volatile Memory）的出現(xiàn)，則使人們看到了希望。由于這些存儲(chǔ)器具備可持久化，低讀寫延時(shí)，低能耗，支持字節(jié)尋址等多種優(yōu)勢(shì)，因而吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。由于NVM的讀寫延遲與DRAM相當(dāng)，因此，NVM可以直接連入CPU內(nèi)存子系統(tǒng)中，與DRAM共同編址。從軟件使用的角度來看，目前主要

2、有兩種方式使用NVM。一種是將NVM作為外設(shè)，通過接口或文件系統(tǒng)的方式進(jìn)行管理和使用。另一種是當(dāng)作持久化內(nèi)存使用，CPU利用load/store類指令進(jìn)行訪問。顯然，第一種方式會(huì)頻繁陷入內(nèi)核，從而導(dǎo)致過大的時(shí)間開銷。因此第二種使用方式更加高效。即將NVM當(dāng)作持久化內(nèi)存使用，并映射到用戶進(jìn)程地址空間形成持久化堆，以便應(yīng)用程序存儲(chǔ)與訪問持久化數(shù)據(jù)。本課題就是在持久化內(nèi)存應(yīng)用場(chǎng)景下開展研究的。
　　由于NVM的持久化特性，傳統(tǒng)的內(nèi)存管理

3、方法與內(nèi)存操作方法并不適用于持久化內(nèi)存管理。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　首先，所有在持久化內(nèi)存上的修改都會(huì)長(zhǎng)期生效，因此無論是內(nèi)存管理還是NVM對(duì)象操作，在進(jìn)行修改時(shí)都必須滿足ACID，傳統(tǒng)內(nèi)存管理并無此需求。其次，與傳統(tǒng)內(nèi)存的管理與使用一樣，NVM也亟待一種面向多核，高效率的內(nèi)存管理和對(duì)象并發(fā)更新機(jī)制。然而，NVM對(duì)象更加持久，因此NVM資源更加珍貴，長(zhǎng)期運(yùn)行的NVM內(nèi)存管理系統(tǒng)面臨前所未有的降低碎片需求。并且，因?yàn)镹VM內(nèi)

4、存的持久性，任何NVM錯(cuò)誤都可能是永久的，而傳統(tǒng)內(nèi)存管理機(jī)制并無此方面的考慮。最后，NVM的寫壽命較短，亟待一種方案能夠最大限度延長(zhǎng)NVM使用壽命。
　　針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向多核的NVM內(nèi)存計(jì)算平臺(tái)。該內(nèi)存計(jì)算平臺(tái)建立了內(nèi)存管理機(jī)制，并在其上建立了事務(wù)化的對(duì)象存儲(chǔ)機(jī)制，對(duì)外提供面向?qū)ο蟮氖聞?wù)編程接口。具體而言，該計(jì)算平臺(tái)的主要研究工作包括：
　　1.針對(duì)映射到用戶地址空間的NVM資源，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套提供事

5、務(wù)保障、面向多核的內(nèi)存管理模塊。
　　2.基于NVM內(nèi)存管理模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)在線內(nèi)存碎片整理的算法。該算法構(gòu)建線段樹跟蹤持久化內(nèi)存分配和釋放操作，并通過增量移動(dòng)持久化對(duì)象實(shí)現(xiàn)碎片整理。
　　3.針對(duì)NVM對(duì)象的事務(wù)性與安全性需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于智能指針與名字服務(wù)的編程模型，隔離了NVM操作與業(yè)務(wù)代碼，降低了開發(fā)難度。
　　4.基于上述NVM編程模型與NVM內(nèi)存管理機(jī)制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種滿足ACID要求的

6、軟件事務(wù)存儲(chǔ)機(jī)制，并為上層提供了事務(wù)接口。
　　5.下層驅(qū)動(dòng)提供了頁面置換算法以提高效率與延長(zhǎng)NVM壽命，但是其需要精確的訪問統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)基于智能指針，實(shí)現(xiàn)了一套精確的內(nèi)存訪問統(tǒng)計(jì)機(jī)制，并且可以向內(nèi)核反饋頁面訪問狀況。
　　最后，本文對(duì)面向多核的NVM內(nèi)存計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行了功能測(cè)試與性能測(cè)試。在功能測(cè)試中，NVM的事務(wù)性、動(dòng)態(tài)碎片整理機(jī)制和NVM對(duì)象操作都通過了測(cè)試。在性能測(cè)試中，本文基于上述的NVM內(nèi)存計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種