[发明专利]基于非易失性内存的高性能文件系统设计方法

说明书

本发明提供了一种基于非易失性内存的高性能文件系统设计方法，包括：采用自校验数据结构保存文件系统中的元数据；使用非破坏性更新处理文件系统中的元数据、延迟数据结构的回收和重用，在关键路径中无缓存行刷回指令和内存屏障，只记录关键操作的持久化依赖性；后台线程在负责保障关键信息的持久化，以及对删除的数据结构的回收；使用数据校验和恢复算法对文件系统进行检查以及恢复。本发明在保证的文件系统一致性的情况下，减少缓存行刷回指令以及内存屏障的使用，以减少文件系统的使用延迟，增加其访问吞吐量，提升文件系统性能。

技术领域

本发明涉及一种文件系统设计方法，具体地，涉及一种基于非易失性内存的高性能文件系统设计方法。

背景技术

文件系统是操作系统中非常重要的一部分。程序加载以及数据存取等都需要文件系统的支持，因而文件系统性能尤其重要。传统的文件系统是基于磁盘而设计的系统，在其设计中考虑的多是如何安排磁盘读写减少寻道时间，如何充分利用内存中的页缓存(PageCache)等。随着Flash和SSD技术的发展，很多文件系统进而考虑SSD的特性。

随着非易失性内存技术，如STT-MRAM、Phase Change Memory、3D XPoint、NVDIMM等技术的发展，非易失性内存越来越成熟。其中NVDIMM技术已经被商用。非易失性内存因断电后依然能够保持其中的数据不丢失，故而被用以替代传统的磁盘或者SSD作为主要的数据存储介质。相比于磁盘或者SSD，非易失性内存直接接入到内存总线上，可以被处理器以字节粒度寻址和访问。其功耗低，有接近内存的存储速度，有些技术制成的非易失性内存甚至速度快于DRAM内存。

非易失性内存技术的出现，对文件系统的设计产生了很大的影响。在基于磁盘的文件系统中，数据会被缓存在内存缓存页中，磁盘的写入可以认为是以一个块(Block)为单位的原子写入。而在非易失性内存中，数据持久化的粒度通常为一个缓存行(Cache Line)。且在磁盘文件系统中，缓存页的刷回、剔除和获取都是软件可以控制的。而在非易失性内存的文件系统中，由于处理器缓存(CPU Cache)的存在，数据何时被写入非易失性内存并非全部由软件所决定。因而文件系统难以控制数据被持久化的顺序以及时间。而乱序的持久化会造成文件系统中数据以及元数据的不一致性，产生各种严重的问题，造成数据错乱以及数据丢失。

为了保证文件系统中数据的一致性，现有的非易失性内存文件系统均使用缓存行刷回指令(Cache Line Flush)和内存屏障指令(Memory Barrier)强制将处理器缓存中的某一行刷回到非易失性内存中，从而保证这个缓存行中的数据被持久化。然而频繁的使用缓存行刷回指令和内存屏障指令，会极大的影响程序执行的性能。不同于磁盘文件系统中，磁盘的读取是整个过程中的性能瓶颈；在非易失性内存文件系统中，由于存储介质(即非易失性内存)的访问速度极快，持久化存储已经不再是性能瓶颈，因而缓存行刷回和内存屏障等指令会极大的影响整个文件系统的性能。

因此如何针对非易失性内存的特点设计文件系统，在保证文件系统的一致性和持久性的前提下，减少缓存行刷回指令以及内存屏障的使用，以减少文件系统的使用延迟，增加其访问吞吐量，实已成为本领域亟待解决的技术问题之一。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于非易失性内存的高性能文件系统设计方法，其充分利用非易失性内存的优势和特点，减少系统调用处理过程中的缓存行刷回指令以及内存屏障，从而减少文件系统的使用延迟并增加其访问吞吐量。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于非易失性内存的高性能文件系统设计方法，其特征在于，包括：

自可校验结构：文件系统中元数据部分均自可校验，即通过读取自身数据，可判断该元数据是否完整。