閃存數(shù)據(jù)管理研究綜述

陳玉標，李建中，高 宏

（哈爾濱工業(yè)大學 海量數(shù)據(jù)計算研究中心，哈爾濱 150001）

0 引 言

近些年，處理器和傳統(tǒng)磁盤之間的性能代溝越來越大，外存儲器的性能成為很多外存索引和算法的瓶頸。加之大數(shù)據(jù)時代的到來，使得該瓶頸缺點愈加明顯。隨著閃存和固態(tài)盤的出現(xiàn)，大大縮減處理器和外存存儲器之間的代溝。由于閃存和固態(tài)盤的存儲機理完全不同于磁盤，很多基于磁盤的優(yōu)化研究不再有效。因而，近年來閃存存儲設(shè)備已經(jīng)引起大家強烈的興趣和廣泛研究，基于閃存和固態(tài)盤的數(shù)據(jù)管理也成為一個熱門的研究領(lǐng)域。

早些年，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的索引和算法主要是針對磁盤的I／O 特性進行設(shè)計和優(yōu)化。由于閃存介質(zhì)和磁盤存儲的原理完全不同，因而擁有完全不同的I／O 特性。磁盤又叫機械硬盤，其以磁作為存儲介質(zhì)，因而包含讀寫磁介質(zhì)的磁頭和驅(qū)動磁頭的轉(zhuǎn)動裝置。當讀寫數(shù)據(jù)時，需要先將磁頭指向讀寫的目標地址，這個過程叫做尋道，即通過轉(zhuǎn)動盤片和移動磁頭來定位數(shù)據(jù)在磁盤中的位置。然后，讀取該位置的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫進該位置。根據(jù)上述磁盤讀寫的過程很容易看出，磁盤讀寫對于順序讀寫性能會比較好。當遇到隨機讀寫時，大量的時間花費在尋道過程中，從而導(dǎo)致隨機讀寫帶寬極劇下降。閃存作為一種半導(dǎo)體電子設(shè)備，其內(nèi)部不包含任何機械部件，完全靠電路控制來進行數(shù)據(jù)讀寫操作，避免了磁盤的缺點。因而，之前基于磁盤I／O 特點做的優(yōu)化工作不再有效，在閃存固態(tài)盤上需要被重新設(shè)計和研究。相對于磁盤，閃存擁有以下特點：

（1）讀寫延遲低：閃存是純粹的電子器件，內(nèi)部所有操作都是由電路實現(xiàn)。因而閃存讀寫延遲很低，且讀寫延遲和尋址的位置無關(guān)。因而，對于閃存沒有緩存的芯片，順序讀寫和隨機讀寫延遲相同。

（2）讀寫單元頁：頁是閃存芯片操作的最小物理讀寫單元。所有上層的大塊讀寫最終在閃存芯片層面都會分解成頁物理單元進行操作。閃存內(nèi)一個塊中包含很多頁，但頁的寫并不是隨意的。已經(jīng)寫過的頁是不能進行寫的，寫前必須進行擦除操作；有些MLC、TLC、QLC 多層結(jié)構(gòu)的閃存芯片，要求上層頁寫過之后，才能寫下層頁；而另外一些閃存芯片寫塊中，必須前序的頁都寫過才能進行下一個位置頁的寫入等。當然，由于真實的閃存設(shè)備上層都會配置一個FTL（閃存翻譯層），通過異步讀寫，重新映射的方法，可以完全對用戶隱藏這些限制。

（3）讀寫不對稱：閃存設(shè)備的存儲單元的寫操作采用ISPP 技術(shù)，不斷對存儲單元進行加電壓來進行充電，直到達到指定電位。因而，該過程很費時。而讀過程，只需要獲取存儲單元的電位大小即可，因而很迅速。因而，閃存的讀操作和寫操作之間的延遲相差會比較大，這就是閃存的讀寫不對稱。

（4）寫前擦除機制：由于閃存存儲單元的寫操作是一個充電過程，且充的是電子。因而，即將被寫的存儲單元為了確保寫入成功，在此之前必須釋放所有電子。閃存引入一個批量的放電操作，叫做擦除。擦除的延遲很高，如果按照磁盤的更新方式，對所有數(shù)據(jù)進行“就地更新”，那么就會對已經(jīng)寫過的數(shù)據(jù)頁進行寫。由于寫前擦除機制，延遲會非常大。為了優(yōu)化寫操作，閃存引入“異地更新”策略。即每次對數(shù)據(jù)頁進行修改重寫，都會尋找一個新的空白頁進行寫入操作。其會在閃存上設(shè)計一個閃存翻譯層（FTL），實時保持虛擬地址到物理地址的映射。這樣看來，對于上層用戶來說，寫的還是同一虛擬地址頁，但實際寫的是不同的物理地址。

（5）擦除粒度大：閃存為擦除的單元稱為塊，塊要比頁大很多。如圖1 所示，1 塊（block）包含256頁（page）。即這里擦除一塊就會對塊內(nèi)256 頁進行擦除。擦除之后的頁都是待寫頁。如果塊內(nèi)已經(jīng)被寫頁，又有寫操作需求，就還需要重新對整個塊進行擦除。每個塊都有自己的壽命，擦除次數(shù)是有限制的。超過次數(shù)限制的塊，塊內(nèi)數(shù)據(jù)就會降低安全性。

圖1 閃存包結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The architecture of flash package

閃存的特點中有些是優(yōu)點，有些是缺點和限制。目前，基于閃存的數(shù)據(jù)管理技術(shù)已經(jīng)取得了不錯的進展，其整體的思路都是想辦法去發(fā)揮閃存的優(yōu)勢（如隨機讀），盡量避免其缺點（如時間成本高和壽命縮減的擦除操作）。為此本文將按照閃存上數(shù)據(jù)管理各個研究方向分別進行歸納整理。

1 閃存存儲系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)時代到來，對于存儲系統(tǒng)的要求越來越高。對于這些存儲系統(tǒng)，性能和耗能這兩項指標都至關(guān)重要。由于閃存和固態(tài)盤性能高且耗能低，因而被考慮應(yīng)用于存儲系統(tǒng)平臺。FAWN［1］是一個key－value 存儲系統(tǒng)，其用一些低能耗的處理器和低能耗的閃存設(shè)備搭配，來平衡計算和I／O 能力，使得整體分布式數(shù)據(jù)處理平臺耗能變低。內(nèi)存很珍貴，且成本耗能非常高，于是在Google Fusion Tables［2］系統(tǒng)中，動態(tài)配置固態(tài)盤作為內(nèi)存的拓展。為了更充分地開發(fā)閃存存儲的性能，Gordon［3］實現(xiàn)了一種新的flash 翻譯層，其能針對數(shù)據(jù)密集型工作負載和大型閃存存儲數(shù)組，充分發(fā)揮閃存性能。這些存儲系統(tǒng)平臺都是直接利用閃存低能耗和高讀寫帶寬的特點直接對其進行優(yōu)化。

2 閃存文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)作為上層應(yīng)用和底層存儲之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于其優(yōu)化具有重要意義。早前，有放棄索引結(jié)構(gòu)的極端方式。如，Pilot［4］直接通過一個64 位的UID 來進行數(shù)據(jù)訪問和定位，其明顯的缺點就是對于代價更高的寫操作表現(xiàn)會非常差。

2.1 日志結(jié)構(gòu)

主流文件系統(tǒng)，從磁盤開始主要采用日志結(jié)構(gòu)。日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)主要分為兩種類型：一種是日記方式［5－8］，另外一種是日志方式［9］。日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)對于隨機寫性能表現(xiàn)良好，但隨機寫在閃存存儲器上依然是個痛點，因而基于日志結(jié)構(gòu)的閃存文件系統(tǒng)也應(yīng)運而生。其中基于日記方式的文件系統(tǒng)有JFTL［10］和JFFS［11］。JFFS 直接在閃存上根據(jù)閃存特性，建立最簡單的日記系統(tǒng)；而JFTL 將日記系統(tǒng)建立在FTL 上，為保證數(shù)據(jù)一致性，將會同時修改在閃存日記區(qū)域和數(shù)據(jù)區(qū)域記錄。由于閃存塊的壽命有限，壞塊對于閃存的性能和可靠性影響比較大，因而如何去保證閃存塊內(nèi)的磨損均衡至關(guān)重要。SFS［12］通過記錄塊的使用情況，并采用對冷熱數(shù)據(jù)分組的辦法來實現(xiàn)磨損均衡的目的。F2FS［13］雖也采用冷熱數(shù)據(jù)分組的方式，但其會根據(jù)文件和數(shù)據(jù)的類型來進行分組，以避免粒度小、頻繁而代價高昂的元數(shù)據(jù)寫操作。

2.2 對象存儲和其它

除此之外，考慮數(shù)據(jù)特點，為了解決和處理數(shù)據(jù)的離散單元問題，基于對象存儲的閃存文件系統(tǒng)的OFSS［14］應(yīng)運而生，其主要考慮將存儲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和閃存存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相適應(yīng)?？紤]到閃存讀寫不對稱特點，ReconFS［15］嘗試去設(shè)計持久性的目錄樹來平衡讀寫的性能。針對固態(tài)盤內(nèi)部并行性，ParaFS［16］在固態(tài)盤內(nèi)部各個環(huán)節(jié)，利用加速內(nèi)部并行性來提高文件系統(tǒng)性能。

2.3 開源項目

目前，最主流的開源項目是Yaffs［17］和JFFS［11］，被廣泛應(yīng)用和采納的文件系統(tǒng)，都已被閃嵌入到Linux 內(nèi)核中，對于閃存文件系統(tǒng)的開發(fā)學習具有重要推動作用。

3 閃存轉(zhuǎn)換層

閃存翻譯層（FTL）是固態(tài)盤內(nèi)部最核心的組件，主要負責邏輯地址到物理地址的映射、垃圾回收、磨損均衡、斷電恢復(fù)等。通過實現(xiàn)上述功能，其隱藏了固態(tài)盤內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，讓用戶可以像磁盤一樣使用固態(tài)盤。由于FTL 的表現(xiàn)直接影響著整個固態(tài)盤的數(shù)據(jù)和性能，因此FTL 作為固態(tài)盤企業(yè)的核心資產(chǎn)，屬于商業(yè)機密，但在學術(shù)界對FTL 進行了詳細的研究。

3.1 同質(zhì)固態(tài)盤FT

按照映射單元，可以將FTL 分為：頁級別FTL、塊級別FTL、混合FTL 和變長映射FTL 4 種類型。頁級別FTL 能將請求的邏輯頁面映射到閃存空間中的任何物理頁面。因此，該映射機制很靈活，具有很高的閃存頁面利用率。其代表性工作在文獻［18－20］中有所體現(xiàn)。塊級別FTL 是將請求的邏輯塊映射到閃存空間中的任意物理塊。頁尋址是塊地址加上偏移量來獲得，這樣做的優(yōu)點是映射表會小很多，占用更少的內(nèi)存，減少固態(tài)盤的制作成本；缺點是會造成閃存空間的浪費，以及垃圾回收代價增加。其代表性工作在文獻［21－22］中有所體現(xiàn)?；旌系腇TL，結(jié)合頁級別映射和塊級別映射的優(yōu)點，使得FTL即具備頁級別映射靈活性的特點，又具備塊級別映射表小的優(yōu)點。實現(xiàn)方式是將固態(tài)盤內(nèi)的塊分為數(shù)據(jù)塊和日志塊兩類，數(shù)據(jù)塊采用塊映射保存數(shù)據(jù)，日志塊采用頁映射保存更新信息。由于日志塊占整體固態(tài)盤的比例很低，因而頁映射表很小。LAST［23］、BAST［24］、A－SAST［25］、SAST［26］、SuperBlock－FTL［27］均采用混合FTL 設(shè)計。

無論頁級別映射或塊級別映射，均是定長映射。而對于多媒體場景，大部分訪問是大批量順序?qū)懖僮?，定長映射會帶來映射表的冗余。因而文獻［28］提出一種變長的映射機制，來實現(xiàn)映射粒度的動態(tài)調(diào)整。這種映射的缺點，就是FTL 的邏輯地址到物理地址翻譯速度會很慢。

3.2 混合固態(tài)盤FTL

一般情況下，默認固態(tài)盤內(nèi)部閃存介質(zhì)是單一的。例如：閃存均采用MLC 固態(tài)盤，面向同類型閃存的FTL 統(tǒng)稱為同質(zhì)固態(tài)盤FTL。SLC與MLC、TLC、QLC 相比，優(yōu)點是讀寫速度快、能耗低，缺點是數(shù)據(jù)密度低和單價高。為了合理的利用其特點，對應(yīng)多類型閃存介質(zhì)的FTL 稱為混合固態(tài)盤FTL。實際上MLC、TLC 和QLC 可以通過更改設(shè)置讓其當作SLC 使用。因而，混合固態(tài)盤可以分為兩種類型，一種稱為硬劃分固態(tài)盤，即固態(tài)盤內(nèi)部同時包含SLC和其它多層閃存介質(zhì)；另外一種稱為軟劃分固態(tài)盤，即雖然固態(tài)盤內(nèi)部只有一種閃存介質(zhì)，但是可以通過更改設(shè)置，讓固態(tài)盤內(nèi)部的多層閃存的一部分當作SLC使用。硬化分的FTL算法有CFTL［29］、ComboFTL［30］和DPAFTL［31］等。CFTL、ComboFTL和DPAFTL 將冷熱數(shù)據(jù)分別存儲在MLC 和SLC 上，用來優(yōu)化整體性能。軟劃分固態(tài)盤有TLC－FTL［32］、HFTL［33］。冷熱數(shù)據(jù)一般是按照訪問頻數(shù)來進行分類，而TLC－FTL 和HFTL 是采用訪問數(shù)據(jù)的大小進行分類，其在固態(tài)盤內(nèi)部維護一個SLC 的環(huán)形緩沖區(qū)，當有較小的寫到來時，就將其放進改寫區(qū)域，通過維護一個熱數(shù)據(jù)識別方法來控制SLC 到非SLC區(qū)域數(shù)據(jù)的遷移。

3.3 雙模式FTL

固態(tài)盤的FTL 要同時兼顧讀寫操作的性能，但一些應(yīng)用只有讀操作或者寫操作。文獻［34］首次提出雙模式FTL 的概念。雙模式FTL 一般包括兩種模式：一是支持隨機讀操作、順序讀操作，禁止隨機寫操作但支持順序?qū)懖僮鳎転殡S機讀、順序讀和順序?qū)懱峁┳顑?yōu)的性能保證；二是支持隨機寫操作，但不能保證提供最優(yōu)的性能。根據(jù)不同的應(yīng)用場景可以設(shè)置FTL模式，來實現(xiàn)固態(tài)盤性能的最大化。

3.4 內(nèi)部并行性加速

為了利用固態(tài)盤內(nèi)部并行性來加速固態(tài)盤內(nèi)部的讀寫操作，基于DFTL 改進的Parallel－DFT［35］被提出。其提出了一個創(chuàng)新的IO 調(diào)度策略，與DFTL一起工作以打破DFTL 數(shù)據(jù)訪問地址轉(zhuǎn)換操作的耦合，并行地安排DFTL 地址轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)訪問操作，允許固態(tài)盤使其閃存訪問通道資源，兩種類型的操作都是完全并行的。

4 閃存數(shù)據(jù)庫日志

閃存數(shù)據(jù)庫的管理通常采用頁管理，有時候也會采用日志管理的方式［36］。由于閃存的更新都是異步更新，因而如果能跳過FTL在固態(tài)盤內(nèi)部進行優(yōu)化，便可以將所有更新過程中的歷史物理頁直接當作日志記錄。這種方式對于寫操作性能優(yōu)秀，但是讀成本代價很高。大部分情況下，閃存數(shù)據(jù)庫的日志主要用于系統(tǒng)恢復(fù)［37］。但也有一些直接在閃存上通過日志的方式建立索引結(jié)構(gòu)，比如：B樹［38－39］。

5 閃存數(shù)據(jù)庫緩沖區(qū)

在內(nèi)存中設(shè)置緩沖區(qū)，將經(jīng)常被訪問或最有可能即將被訪問的數(shù)據(jù)放進緩沖區(qū)中，可以明顯地減少I／O，提升系統(tǒng)整體的性能表現(xiàn)。因而對于閃存緩沖區(qū)的優(yōu)化具有重要意義。

5.1 經(jīng)典緩沖策略

早期的緩沖區(qū)研究工作，主要考慮閃存讀寫不對稱的特點進行優(yōu)化［40－42］。緩沖區(qū)維護能減少I／O的基本原理，是操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)訪問的空間局域性和時間局部性，其是超越存儲介質(zhì)特性的存在，因而很多閃存固態(tài)盤上的緩沖區(qū)維護算法繼承了磁盤緩沖區(qū)的策略。如：CFLRU［43］、LRU－WSR［44］和CCFLRU［45］就是繼承經(jīng)典的LRU 緩沖區(qū)策略改進的算法。而LIRS［46］不僅考慮LRU 策略的時間臨近性，還加入了訪問頻數(shù)來加入緩沖區(qū)的維護策略。LIRS－WSR［47］想著重優(yōu)化減少寫操作，維護臟頁頻數(shù)，并對頻數(shù)進行排序，通過延遲頻數(shù)高的逐出策略盡可能少的進行寫操作。

5.2 自適應(yīng)緩沖區(qū)

上述這些緩沖區(qū)算法都是基于寫代價比讀代價高的特點進行設(shè)計，但不同閃存設(shè)備的讀寫代價比往往不同。因而，能夠自動適應(yīng)不同類型閃存的緩沖區(qū)維護算法就變的非常必要。CASE［48］通過動態(tài)維護干凈頁鏈表和臟頁鏈表長度，來自適應(yīng)獲取不同讀寫代價比閃存設(shè)備的最佳配置。ACR［49］和CRAW－C［50］也依據(jù)該思路進行優(yōu)化。不同的是，ACR 不僅能自適應(yīng)不同的閃存環(huán)境，還能自適應(yīng)不同的讀寫訪問模式，而CRAW－C 是針對壓縮的文件系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計。

5.3 寫合并緩沖區(qū)

頻繁細粒度的寫除了延遲代價高之外，還會造成閃存固態(tài)盤內(nèi)部的垃圾回收。垃圾回收成本很高，會造成大量的塊合并和擦除操作。為了減少塊擦除操作的次數(shù)，F(xiàn)AB［51］和BPLRU［52］采用塊作為緩沖區(qū)的替換單元來達到此目的。另外，基于已有的CFLRU，加入寫聚集的策略，CFLRU 的優(yōu)化版本CFDC［53］被提出。

6 閃存數(shù)據(jù)索引

索引是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中最重要的組織工具，優(yōu)秀的索引能大大提升數(shù)據(jù)訪問的性能。下面將介紹閃存上具有代表性的幾個重要索引結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究。

6.1 B－樹優(yōu)化

B 樹和B＋樹在更新結(jié)構(gòu)時，會涉及大量的更新。一般情況下該索引存儲在文件中，和閃存介質(zhì)之間隔著一個FTL 層，其結(jié)果便是更新的寫放大極其嚴重。因而，文獻［54－56］直接在閃存介質(zhì)上基于日志的思想建立一個B 樹，這樣就能讓B 樹很好的支持頻繁且細粒度的更新操作。B 樹能夠有效的支持隨機查詢，但是對于順序查詢效果較差。因而，實際數(shù)據(jù)管理工具采用的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往往是B＋樹。對于閃存B＋樹的優(yōu)化，文獻［57］主要考慮很好的利用固態(tài)盤內(nèi)部的內(nèi)存資源，一部分內(nèi)存緩存B＋樹頁子結(jié)點，另外一部分緩存更新請求，對更新操作采用延遲滿足的策略來實現(xiàn)B＋樹更新過程較少的寫操作。

6.2 μ 樹優(yōu)化

傳統(tǒng)的B 樹和B＋樹每個結(jié)點的扇出都是相同的，而μ 樹［58］采用一種從根結(jié)點往下，每一層扇出以2 為倍數(shù)遞增式增加的方式，將一棵樹存儲到閃存的一頁上。當樹內(nèi)有更改時，直接再存儲一頁。這樣做的情況下，在小數(shù)據(jù)規(guī)模維護時，任何一次更新最多對于索引只更新1 頁。優(yōu)點是能夠減少更新時寫的頁數(shù)量，缺點是同樣的數(shù)據(jù)需要的索引存儲空間會增大。相比之下，在更新比較頻繁的情況下，該索引表現(xiàn)會非常優(yōu)秀。

6.3 FD 樹優(yōu)化

基于B＋樹，F(xiàn)D 樹［59］采用和LSM 樹類似的思想，將其作為頭部索引，在其下方加了兩層有序段。其每一層都有一定的容量，容量階梯式增加，當上一層滿時與下一層合并。這樣能有效減少隨機寫帶來的寫放大。LA－tree［60］采取了類似的惰性更新的思想，區(qū)別是其通過一個級聯(lián)的緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)內(nèi)優(yōu)化合并更新操作，來減少更新帶來的寫代價。

6.4 哈希索引優(yōu)化

哈希索引也是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中一個重要的索引結(jié)構(gòu)，很多基本操作都需要基于該索引完成。但是，哈希索引對于閃存介質(zhì)而言具有天然的不適應(yīng)性。因為其更新位置均是隨機的，且哈希更新細粒度的操作居多，因而會帶來巨大的寫放大效果。對于插入更新操作，SAL－HASH［61］采用和LSM 樹類似的思路，通過多層合并，盡量減少隨機寫帶來的寫放大。MicroHash［62］主要的優(yōu)化思路是消除時間和能耗代價高昂的隨機刪除操作，通過索引和數(shù)據(jù)的調(diào)整，讓刪除以塊的形式進行，以達到對哈希索引的性能和能耗進行的優(yōu)化。

7 閃存數(shù)據(jù)庫查詢處理

查詢過程的優(yōu)化和存儲模式是直接相關(guān)的，因而這里將先介紹閃存數(shù)據(jù)庫的頁存儲模式，然后介紹基于該存儲模式的經(jīng)典的連接研究工作。

7.1 頁存儲模式

閃存頁數(shù)據(jù)的存儲主要有3 種模式：NSM（行式數(shù)據(jù)存儲）、DSM（列式數(shù)據(jù)存儲）、PAX（混合數(shù)據(jù)存儲）。PAX 實際上就是在NSM 頁內(nèi)部采用類似于DSM 的組織方式。連接操作往往只需要讀取、輸出和連接列相關(guān)的屬性值，不需要處理所有的列屬性值。連接操作是樹查詢中的核心算法，閃存連接算法RARE－join［63］基于PAX 存儲模式，其只選擇和查詢結(jié)果相關(guān)的列屬性，減少中間結(jié)果的生成來加速整個連接過程。缺點是相對于NSM 和DSM，PAX 維護成本較高。

7.2 連接算法優(yōu)化

傳統(tǒng)的連接算法，基于磁盤主要考慮的是減少代價很高的隨機讀寫，增加順序讀寫的比例。但是這種優(yōu)化在支持快速隨機讀寫的閃存上并沒有明顯的優(yōu)化效果。因而，基于PAX 存儲模式的Digest－Join［64］嘗試發(fā)揮閃存的快速隨機讀寫，來加速連接操作執(zhí)行。Digest－Join 分為兩個階段，第一階段生成摘要表，第二階段通過隨機讀來連接。難點是第二階段最小化頁的讀數(shù)據(jù)量的NP 復(fù)雜度“頁抓取問題”。Digest－Join 采取啟發(fā)式的方法來解決該問題。SubJoin［65］根據(jù)連接列進行排序形成連接子表，然后進行連接。SubJoin 對于每個子表連接中的屬性進行DSM 列存儲，需要連接的屬性數(shù)據(jù)均從原始數(shù)據(jù)中獲取。這樣做，就是用順序?qū)懱娲S機讀操作，從固態(tài)盤的性能角度看，性能上有所提升。

8 混合存儲系統(tǒng)

固態(tài)盤雖然具有很好的性能優(yōu)勢，但其價格依然相對比較高，且固態(tài)盤壽命有限。數(shù)據(jù)訪問往往具有時間局部性和空間局部性，因而一種思路就是將固態(tài)盤作為內(nèi)存和磁盤之間緩存。固態(tài)盤能有效的支持隨機讀寫，且相對于磁盤讀寫帶寬高很多，磁盤順序讀寫帶寬表現(xiàn)良好，因而另外一種思路就是結(jié)合兩者的優(yōu)點，將數(shù)據(jù)合理地分配在兩種存儲介質(zhì)上，以實現(xiàn)存儲系統(tǒng)的提升。

文獻［66－67］嘗試將固態(tài)盤作為內(nèi)存和磁盤之間的擴展緩存，來改善存儲系統(tǒng)整體的I／O 性能表現(xiàn)。文獻［68］以延長固態(tài)盤壽命為目的，結(jié)合磁盤順序?qū)懶阅鼙憩F(xiàn)良好的特點，將磁盤作為固態(tài)盤的寫緩存，這樣就能對寫操作進行進一步的處理合并，減少數(shù)據(jù)最終寫到固態(tài)盤的寫放大，減少寫帶來的擦除操作，達到延長固態(tài)盤壽命的目的。實際數(shù)據(jù)管理中，不同數(shù)據(jù)訪問的模式存在不同特點，有些數(shù)據(jù)會被經(jīng)常訪問，有些訪問頻數(shù)比較少，有些數(shù)據(jù)是更新密集型，有些是讀密集型等等。如果能識別出這些數(shù)據(jù)，能夠合理的分配到固態(tài)盤和磁盤上，就能讓存儲系統(tǒng)的整體性能接近純固態(tài)盤的存儲性能。I－CASH［69］嘗試識別出寫密集的數(shù)據(jù)，并將其修改成以日志的方式存儲在磁盤上，以減少固態(tài)盤的寫操作。對于磁盤固態(tài)盤混合存儲的環(huán)境，Hystor［70］設(shè)法尋找出影響整體性能關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，將其放置到性能更優(yōu)異的固態(tài)盤上，以提高整體存儲系統(tǒng)的性能。

9 結(jié)束語

本文首先對閃存的特性進行描述，然后分別對閃存數(shù)據(jù)管理各領(lǐng)域的研究情況進行了詳細的介紹，分別指出基于閃存各類算法的優(yōu)化思路。概括來看，這些優(yōu)化思想主要分為4 大類：第一類，使用閃存的優(yōu)良特點直接進行優(yōu)化；第二類，用成本更低的讀操作代替成本更高的寫操作；第三類，通過日志的策略，將寫操作順序化，以減少寫放大；第四類，通過懶惰執(zhí)行合并操作，以減少對閃存的寫放大?？偟膩碚f，目前幾乎所有的研究工作都主要是通過上述4 種思路，對閃存上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進行優(yōu)化。