[发明专利]一种基于页面访问间隔的闪存数据缓冲区置换方法

说明书

技术领域

本发明涉及闪存存储技术领域，特别涉及闪存存储系统中数据缓冲区置换方法。

背景技术

闪存具有存取速度快、功耗低、集成度高和抗震能力好等优点。近年来随着闪存技术的发展，闪存介质价格下降，闪存被广泛运用在消费电子、企业级服务器和数据中心等领域。

缓冲区是介于外存和内存之间的一个数据缓冲单元，主要用于计算机系统中低速外存和高速内存之间的速度匹配，提高计算机系统的整体性能。在闪存存储系统中，闪存数据缓冲区设计相对于传统磁盘存储系统的数据缓冲区设计有诸多不同。在磁盘中，对磁盘的读操作和写操作延迟相差不大，因此不需要区别对待缓冲区中的脏数据页和非脏数据页，仅需要考虑如何将最不常用的数据页换出缓冲区即可。然而，闪存介质的读写操作开销不一致，写操作开销往往是读操作开销的数倍。当缓冲区内的被修改过的脏数据页需要换出时，就需要将该脏数据页写回外存中；而对非脏数据页则可直接丢弃，不需要写回。因此，脏数据页的换出开销往往是非脏数据页换出开销的数倍。此外，写操作还会消耗闪存有限的擦写次数，因此频繁的写回闪存会对闪存的寿命和可靠性造成负面影响。所以，闪存数据缓冲区要区别对待脏数据页和非脏数据页的换出，考虑脏数据页换出对闪存造成的性能和寿命影响，尽量避免数据页写回操作。

针对上述问题，本发明提出新型的基于数据页访问间隔的两级闪存缓冲区置换方法，根据数据页的重用距离，区分冷热数据页，将所有数据页分为冷脏数据页、热脏数据页、冷非脏数据页和热非脏数据页，并优先换出非脏的冷数据页，在保证闪存命中率的同时，减少由于脏数据页换出而造成的闪存数据写回操作，从而减少对闪存性能和寿命的负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于页面访问间隔的闪存数据缓冲区置换方法，解决如何设计适用于闪存存储系统的数据缓冲区机制，如何根据闪存介质的存取特性，针对性的设计能够减少闪存数据缓冲区中脏数据页换出而导致的闪存写回的缓冲区置换方法。本发明通过设计基于数据页访问间隔的闪存两级缓冲区，分离冷热数据页，并通过优先换出冷的非脏数据页，减少由于脏数据页换出而造成的闪存数据写回操作，从而提高闪存系统的性能和寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明基于页面的访问间隔，将数据页分为热数据页和冷数据页，通过优先换出冷非脏数据页，在保证缓冲区命中率的同时减少由于脏数据页写回而导致的闪存写操作，从而提高闪存系统的性能和寿命。

本发明采取一种基于页面访问间隔的闪存数据缓冲区置换方法，方法的步骤包括：

步骤1：对请求的数据页，在闪存数据缓冲区中检索目标数据页；

步骤2：闪存数据缓冲区分为一级数据缓冲区和二级数据缓冲区；一级数据缓冲区和二级数据缓冲区以LRU链表形式组织数据页，每一个LRU链表结点是一个数据页数据页；将缓冲区内缓存的所有数据页分为热脏数据页、冷脏数据页、热非脏数据页、冷非脏数据页，使用不同标志位进行标记，其中热数据页数量随着一级数据缓冲区和二级数据缓冲区的相对大小动态变化，当一级数据缓冲区较大时，减少热数据页数量，当一级数据缓冲区较小时，增加热数据页数量。

步骤3：若一级数据缓冲区内的冷数据页被命中时，无论其脏或非脏，由于其访问间隔小于一级数据缓冲区的最后一个热数据页，因此，将发生冷热数据页转换；

优选地，在冷热数据页转换时，命中的冷数据页会被转换为热数据页，一级数据缓冲区尾部的热数据页会被转换为冷数据页，同时，还会将一级数据缓冲区尾部的所有冷数据页移动到二级数据缓冲区首部，这是因为这些冷数据页的访问间隔均比一级数据缓冲区尾部的热数据页要大，因此没有机会转换为热数据页；

步骤4：缓冲区内命中的数据页，无论是否脏数据页、冷热性质，均会被放到一级数据缓冲区链表首部；

步骤5：在需要进行缓冲区数据页淘汰时，优先选择二级数据缓冲区中的冷非脏数据页

步骤6：在没有冷非脏数据页时，才会选择冷脏数据页换出，此时，由于优先换出冷非脏数据页，因此可以有效减少对闪存的写回次数，同时不会对缓冲区命中率造成太大影响；

优选地，在二级缓冲区中进行冷非脏数据页淘汰时，根据LRU原则，选择最不常用的冷非脏数据页进行淘汰。

本发明的技术效果如下：