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(jì)和實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)，人們對(duì)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(lái)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(diǎn)，具有取代磁盤等塊設(shè)備，成為新一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的潛力。然而，傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)是針對(duì)慢速塊設(shè)備而設(shè)計(jì)的，文件讀寫流程需要經(jīng)過多個(gè)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(shì)。為此，已經(jīng)有多個(gè)面向NVM存儲(chǔ)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)共同的特點(diǎn)，即文件訪問時(shí)會(huì)經(jīng)過內(nèi)核軟件棧，例如虛擬文件系統(tǒng)（VFS）。這將會(huì)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(lái)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(huì)產(chǎn)生巨大的開銷；FUSE在文件操作時(shí)會(huì)多次

3、的在內(nèi)核空間和用戶空間互相切換，則會(huì)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(diǎn)，并提出一種真正的用戶態(tài)內(nèi)存文件系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為UMFS（User-space in-Memory File System）。UMFS文件系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　?、僦苯永糜脩暨M(jìn)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(shí)間內(nèi)完成，文件大小并不會(huì)對(duì)打開操作時(shí)間造

4、成影響。
　　②用戶態(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(shí)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。
　　③設(shè)計(jì)一個(gè)與POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容的函數(shù)庫(kù)。UMFS把文件系統(tǒng)的操作封裝在函數(shù)庫(kù)中，函數(shù)庫(kù)中的操作是在用戶空間完成的，例如讀寫操作。利用與POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容的函數(shù)庫(kù)，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(gè)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(shí)映射到不同進(jìn)程的虛擬地址空間，在保證一致性的同時(shí)提供進(jìn)程間的同步機(jī)制。
　　本文還對(duì)提出的文件系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并與當(dāng)前最先進(jìn)的3種內(nèi)存文件系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，包括SIMFS，NOVA和EXT4-DAX。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)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(shí)，UM