[发明专利]一种面向NAND闪存的缓冲区管理方法

说明书

本发明公开了一种面向NAND闪存的缓冲区管理方法，把数据库缓冲区分成冷干净链表、冷脏链表和混合链表，冷干净链表、冷脏链表和混合链表按整体访问顺序进行编号；在整体逻辑上，把缓冲区看成一个按访问顺序组织的单链表，并提出时间窗口概念，覆盖最近一段时间内访问的数据页；当发生缓冲替换时，按冷干净链表、冷脏链表和混合链表的优先顺序，检查链表尾部指向的数据页是否在时间窗口内；如果在，则查找下一个链表；如果不在，则直接替换。本发明获得较大命中率同时，减小闪存写操作次数，从而获得更大的缓存收益，提高存储系统的整体性能。

技术领域

本发明属于计算机存储设备的缓存技术领域，具体涉及一种面向NAND闪存的缓冲区管理方法。

背景技术

缓冲区替换算法用于优化IO操作和减少对磁盘的访问次数，广泛应用于操作系统、数据块和网络服务器中。计算机存储设备的缓存模块能够优化I/O顺序，减少对存储设备的访问次数，一种良好的缓冲区管理方法能够获得更高的命中率，能够在整体上提高存储系统的性能。

闪存是一种非易失性存储设备，固态硬盘(SSD)以其体积小、重量轻、抗冲击、速度快、可靠性高等优点被广泛应用于移动设备和个人电脑中。与传统的磁盘不同，NAND闪存是一种一次性写入和批量擦除的存储介质，NAND闪存有三种基本操作，即读、写和擦除操作，其中读和写操作以数据页为单位进行操作，擦除操作是以块为单位进行操作，在写前要进行擦除操作导致了NAND闪存具有读写代价不对称性。因此面向闪存的缓冲区替换算法需要依据闪存的读写特性进行设计，考虑读写代价不对称性才能获得最佳的缓存收益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向NAND闪存的缓冲区管理方法，在尽量减少脏数据页写回操作的同时，利用局部性原理，保持高命中率，在读写代价和缓存收益中取得权衡，获得最大缓存收益。

本发明采用以下技术方案：

一种面向NAND闪存的缓冲区管理方法，把闪存缓冲区分成页单位的三个逻辑存储区域，并分别用链表结构进行组织管理，三个存储区域对应的链表分别为冷干净链表、冷脏链表和混合链表，三个链表中数据页以访问时间标记值作为逻辑编号；在整体逻辑上，把缓冲区的组织结构作为一个按逻辑编号顺序组织的LRU单链表；在此基础上提出时间窗口概念，时间窗口代表当前系统访问时间至前面某一时刻的一个时间向量，覆盖距离当前访问时间最近的数据页；当发生缓冲替换时，按冷干净链表、冷脏链表和混合链表的优先顺序，检查链表尾部指向的数据页是否在时间窗口内，选择不在时间窗口内的数据页进行缓存替换。

具体的，包括以下步骤：

S1、设置系统计数器，表示系统访问数据页的次数或系统的访问时间，其初始值为0；

S2、采用最近最少使用原则将闪存缓冲区的冷干净链表、冷脏链表和混合链表进行组织；设置缓冲区时间窗口大小表示最近访问的数据页范围；

S3、当上层应用发出对固态硬盘数据的读写操作请求时，首先将系统计数器值加1，代表系统访问数据页次数加1或系统访问时间加1，并在闪存缓冲区中检查请求数据是否存在；若存在，则调整数据页位置，并更新数据页访问时间以及中冷热标记和脏标记，然后将数据返回给上层应用，结束；若闪存缓冲区中不存在请求的数据，则执行步骤S4；

S4、检查缓冲区是否还有空闲空间容纳新的数据页，若缓冲区有空余空间，执行步骤S5；若缓冲区没有空余空间，则执行步骤S6；

S5、从固态硬盘中读取请求数据，并根据当前的请求类型，把该数据页插入冷干净链表的MRU端或冷脏链表的MRU端，同时设置该数据页相应的脏标记为0或1，把该数据页的冷热标识值置1，代表该数据页为冷数据页，把当前系统计数器值赋值给该数据页的访问时间标记值，然后把数据返回给上层应用，结束；