闪存缓冲区的管理算法与仿真平台研究

摘要

闪存是一种电可擦除可编程只读存储器。闪存具有访问速度快、能耗低、适用环境广和体积小等优点，因此被广泛地应用于移动设备。近年来，随着价格的不断下降，闪存越来越多地被应用于企业级数据存储系统之中。
　　对于数据管理技术而言，具有独特物理特性的闪存带来了许多新的挑战，例如闪存缓冲区管理、闪存存储管理、数据索引等。其中闪存缓冲区管理能够有效提升闪存的存取性能和寿命，近年来成为了闪存数据管理研究领域的一个热点。
　　由于闪存读写不对称和不支持异位的特性，设计闪存缓冲区管理算法时若只注重于提高缓冲区的命中率而没有考虑其存储特性，闪存的存取开销将会非常大。目前经典的闪存缓冲区管理算法对于闪存存取性能有了一定的改进，然而置换策略普遍比较单一。从闪存的特性出发，研究健壮有效的缓冲区管理策略对于提升闪存的存取性能和寿命具有重要意义。
　　本文首先介绍了闪存的存储特性，并对当前面向闪存的经典缓冲区置换算法进行了介绍和对比，然后分析总结了面向闪存的缓冲区管理算法的关键策略，最后提出了多队列的缓冲区置换算法和通用的闪存缓冲区仿真平台。具体而言，本文的主要工作有:
　　1.提出了面向闪存缓冲区管理的多队列置换算法FMQ。FMQ算法优先置换干净的页面和脏的冷数据块，减少IO代价;保证热数据能在缓冲区获得一定的生命周期;队列内部使用LRU链表管理，能够得益于数据的局部性。在保证相对较高的缓冲命中率的同时，FMQ算法减少了闪存的写入和擦除次数，从而提升了闪存的整体存取性能和寿命。
　　2.当前主流的闪存设备仿真平台主要是针对FTL地址映射算法研究的，而且内置算法较少。因此，本文根据研究者的需要提出了一个可扩展、可重用的的闪存缓冲区仿真平台FBSim，配置上灵活简单，并且内置了多种缓冲区管理算法和FTL算法，具有较高的实用性。
　　3.结合实际应用，分析多个场景中缓冲区管理策略侧重点，并将多队列置换算法灵活应用在其中，通过FBSim平台进行性能评估实验验证。

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 本文的主要工作

1．3 论文的组织结构

第2章 闪存缓冲区管理相关工作

2．1 闪存相关特性

2．2 固态硬盘及闪存转换层

2．3 FTL地址映射算法

2．4 缓冲区区替换算法

2．5 本章小结

第3章 基于多队列的缓冲区置换算法

3．1 引言

3．2 多队列的闪存缓冲区置换算法

3．3 多队列置换算法实现

3．4 实验与分析

3．5 本章小结

第4章 闪存缓冲区仿真平台FBSim

4．1 研究动机

4．2 FBSim仿真平台设计与实现

4．3 实验与分析

4．4 本章小结

第5章 多队列置换算法应用研究

5．1 文件系统

5．2 数据库OLTP应用

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文的总结

6．2 未来工作的展望

参考文献

致谢