基于非易失内存设备的数据读写性能优化方法研究

In a traditional computer architecture, non-volatile data is usually stored in the slow secondary storage, not only causing a performance bottleneck on the data path, but also narrowing the room for improving the whole system. With SCM, a novel non-volatile memory device, we plan to propose a set of techniques to overcome this handicap in the environment of hybrid memory (SCM/DRAM). At first we will devise a heritable programming framework, trying to build the backward-compatible interface as well as the efficient data path between user-application and SCM. Then, we will design a policy for sharing the SCM, relieving the performance disturbance when multiple user-processes access the SCM concurrently. Finally, we will propose a technique for data migration between SCM and DRAM, further enhancing the space and time efficiency of non-volatile data.

传统计算机体系结构下，非易失数据存放在诸如磁盘等访问速度较慢的外存设备之中，不仅引起了应用程序与非易失数据之间的交互性能瓶颈，也限制了其潜在的性能优化空间。通过借助新型内存、也即存储级内存（SCM, Storage Class Memory）的非易失特性和高效写入性，本课题拟在基于动态随机存取内存（DRAM, Dynamic Random Access Memory）和SCM的混合内存架构下，提出一套非易失数据读写性能优化技术，以突破传统方法的性能瓶颈，具体工作是：（1）研究具备可继承性的SCM设备编程环境，实现应用程序访问SCM设备的高效数据通道，同时保留用户以往对非易失数据的编程习惯；（2）研究SCM内存的资源共享策略，缓解由于多进程对SCM资源竞争所带来的读写性能干扰；（3）研究混合存储架构下的非易失数据迁移策略，进一步改进应用程序与非易失数据交互的时空效率。

非易失内存设备因为其同时具备字节寻址、非易失、高速读写以及低功耗等特性，使其具备了统一传统内外存的潜力。本项目对非易失内存的基础软件进行了研究和开发，并将其应用在了部分典型系统软件之中，取得了较好的性能和数据一致性表现，并有10余篇对应的高质量论文得到了发表或录用，也申请了4项国家发明专利和2项软件著作版权，完成了项目的既定目标。.详细而言，首先，基于现有开源软件，项目组对非易失内存的基础运行软件和驱动框架进行了较为深入的研究，并对其进行了二次开发，实现了一套可以在模拟环境下运行的原型系统，也向上层导出了清晰的接口，同时具备了较好的性能，并提供了一致性的机制保护；.其次，基于上述的基础软件，项目组将非易失内存设备融合进了具体的系统软件之中，包括：传统关系型数据库、基于内存对象的缓存系统、适用于虚拟化环境的文件系统和基于虚拟化环境的I/O调度系统等等，并设计了相应的策略和机制，以对其特定的性能瓶颈进行了改进，包括：文件读写性能、CPU消耗以及内存消耗等等；.最后，项目组对上述系统软件进行了详细的测试，并对实验数据进行了深入分析，结果表明，项目的工作可以为这些系统软件带来较好的性能提升，并保证了其运行结果的正确行。.本项目的研究成果可以应用在当前的数据中心、云计算及大数据基础设施领域，为其对现阶段不断出现的高速存储硬件提供一定的应对思路，具备较好的指导和参考意义。