浪潮存儲的緩存工作原理

由此可知，衡量緩存管理的優(yōu)劣有兩個指標：一是緩存命中率，命中率高，性能就高，否則反之；二是有效緩存的比率，有效緩存是指真正會被訪問到的緩存項，如果有效緩存的比率偏低，則相當部分磁盤帶寬會被浪費到讀取無用緩存上，而且無用緩存會間接導致系統(tǒng)緩存緊張，最后可能會嚴重影響性能。

現(xiàn)在我們清楚了緩存的工作原理及性能指標，那么為了充分發(fā)揮緩存的作用，僅僅依靠“暫存剛剛訪問過的數(shù)據(jù)”是遠遠不夠的，還要通過使用數(shù)據(jù)預讀算法——盡可能把將要使用的數(shù)據(jù)預先從內存中取到緩存里。那么關鍵問題來了，一是如何更精準的判斷哪些數(shù)據(jù)是應用程序將要使用的數(shù)據(jù)？二是當緩存寫滿時，如何判斷哪些數(shù)據(jù)被淘汰？這就是浪潮存儲緩存預讀算法的精髓所在。接下來我們就來深入剖析浪潮存儲緩存預讀的工作原理。

一方面，浪潮存儲基于緩存預讀，可精準判斷數(shù)據(jù)熱度。浪潮存儲的緩存預讀算法，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的I/O模式，通過智能分析、預判將要訪問的數(shù)據(jù)，提前將這些數(shù)據(jù)預讀到緩存中，提升緩存命中率，降低I/O訪問時延。這里主要有兩個關鍵技術要點：

　　浪潮存儲的智能緩存預讀算法

一是自適應緩存預讀策略。讀I/O分為隨機讀和順序讀兩大類，為了保證預讀命中率，針對不同的I/O模式采用不同的預讀算法。對于順序讀根據(jù)區(qū)域地址進行順序預讀，對于隨機讀根據(jù)區(qū)域熱度進行預讀。根據(jù)不同的讀I/O模式兩種預讀策略動態(tài)調整，不僅可以保證很高的預讀命中率，同時有效率/覆蓋率也很好。

因為順序讀是最簡單而普遍的，而隨機讀在內核來說也確實是難以預測的。內核通過驗證如下兩個條件來判定是否順序讀：該區(qū)域內容被第一次讀，并且讀的是首部；當前的讀請求與前一個讀請求在區(qū)域內的位置是連續(xù)的；如果不滿足上述順序性條件，就判定為隨機讀。預讀策略根據(jù)讀I/O模式不同動態(tài)調整。

二是預讀粒度動態(tài)調整。當確定了要進行順序預讀時，就需要決定合適的預讀粒度。預讀粒度太小的話，達不到應有的性能提升效果;預讀太多，又有可能載入太多程序不需要的內容，造成資源浪費。為此，浪潮存儲可根據(jù)實際的需求動態(tài)調整預讀數(shù)據(jù)內容的粒度，從而提高緩存的有效率。如果緩存命中率提高，后續(xù)的預讀粒度將逐次倍增，直到系統(tǒng)的最佳預讀大小；隨著緩存命中率降低，后續(xù)預讀粒度將逐漸減小，直到系統(tǒng)的最佳預讀大小。

另一方面，浪潮存儲基于緩存替換算法 實現(xiàn)低訪問數(shù)據(jù)下移。當緩存滿了怎么辦？不得覆蓋掉一個，覆蓋掉哪一個？這就是替換算法要解決的。浪潮存儲的緩存替換算法是基于預讀數(shù)據(jù)的命中率，結合數(shù)據(jù)的訪問熱度，淘汰最近最少用的那一塊，從而提升預讀數(shù)據(jù)的有效性，保證預讀持續(xù)、高效的正向性能提升。

浪潮存儲的設計思路是，如果一個數(shù)據(jù)在最近一段時間沒有被訪問到，那么在將來它被訪問的可能性也很小。也就是說，當限定的空間已存滿數(shù)據(jù)時，應當把最久沒有被訪問到的數(shù)據(jù)淘汰。具體實現(xiàn)算法如下：

硬件緩存每一行都有一個計數(shù)器，用來記錄被使用次數(shù)。

　　計數(shù)器變化規(guī)則：

　　? 每組4行時，計數(shù)器有兩位，計數(shù)值越小則說明越被常用

　　? 命中時被訪問行的計數(shù)置0，比其低的計數(shù)器加1，其余不變

　　? 未命中且該組未滿時，新行計數(shù)器置為0，其余全加1

　　? 未命中且該組已滿時，計數(shù)值為3的那一行中的主存塊被淘汰，新行計數(shù)器置為0，其余全加1

說到這里，估計大家還是沒有看懂，為了更加直觀的展示算法原理，我們舉個例子：

　　智能緩存替換算法原理

　　現(xiàn)在有四個格子，但是有 5 個不一樣的塊要進來，緩存替換過程如下：。

　　1 來，沒有命中，1 進入緩存。計數(shù)器為 0

　　2 來，沒有命中，2 進入緩存。2 計數(shù)器 0,1計數(shù)器為 1（對應第三條）

　　3 來同上

　　4 來同上

　　1 又來，命中，1 的計數(shù)器變?yōu)?0。其余加1。

　　2 又來，命中，2 的計數(shù)器變?yōu)?0。其余加1。

　　5 來了，但是現(xiàn)在 Cache 滿了。去掉哪一個呢？計數(shù)器最大的那個！

　　…

特征數(shù)據(jù)識別：基于“逐字節(jié)”比對實現(xiàn)去重

根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)特征建立數(shù)據(jù)特征表單，當新的數(shù)據(jù)請求與表單中的特征匹配時，說明該部分數(shù)據(jù)已經落盤，這部分數(shù)據(jù)可以避免重復寫入。特征匹配采用近似匹配的策略，存在兩份不同數(shù)據(jù)的特征一致的情況，為了確保用戶的數(shù)據(jù)安全，每份不同的數(shù)據(jù)都能一字不落的存放起來，浪潮存儲還對特征匹配的數(shù)據(jù)需要進行“逐字節(jié)”比較，為了降低逐字節(jié)比較時的訪盤時延，系統(tǒng)會智能感知特征數(shù)據(jù)的訪問熱度，將頻繁訪問的熱點特征數(shù)據(jù)提取到內存中，保證系統(tǒng)時延最低。

　　浪潮存儲的特征數(shù)據(jù)識別算法

總結一下，浪潮存儲的智能I/O感知，通過自適應緩存預讀算法對歷史數(shù)據(jù)I/O模式進行分析、判斷識別，對其提前讀取到緩存，從而達到緩存最高命中率。當緩存寫滿時，通過獨特的替換算法將使用最少數(shù)據(jù)的淘汰，將緩存發(fā)揮出其最大的價值，從而提升存儲整體I/O性能；通過特征數(shù)據(jù)識別和逐字節(jié)的比較，在確保數(shù)據(jù)安全的前提下減少數(shù)據(jù)落盤，從而提高存儲的性能及空間使用率。

——END——

關注存儲半導體產業(yè)，歡迎添加下方微信，加入數(shù)據(jù)存儲交流群！

zhangnn