CN103838853A - 一种基于不同存储介质的混合文件*** - Google Patents

一种基于不同存储介质的混合文件*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于不同存储介质的混合文件***，所述存储介质包括非易失的小粒度寻址的介质和非易失的大粒度寻址的介质，两种介质统一顺序编址；其中，所述非易失的小粒度寻址的介质用于存放文件***的元数据，所述非易失的大粒度寻址的介质用于存放文件***的数据；所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写。本发明将大数据量的读写和小数据量的读写按不同情况分配相应的介质上，提高了读写速度，提升了文件***的存储效率；不但充分利用了存储空间，不存在多余的冗余，而且减小了额外的I/O，进而提高了读写性能；本发明所提出的混合文件***具有高可靠性、高扩展性和高I/O速度。

Description

一种基于不同存储介质的混合文件***
技术领域
本发明属于计算机存储***技术领域，更具体地，涉及一种基于不同存储介质的混合文件***。
背景技术
在计算机存储子***中，由于不同存储介质的读写访问延时不同，在计算机体系结构中常常提供多级别的存储层次。存储容量越大的存储介质其访问时间越长。目前，通常是采用磁存储技术来实现大容量的存储，其读写延迟大，读写粒度大。文件***访问作为外设的大容量存储时，会消耗很多的时间，降低整体的性能。
为提高性能，存储领域做了很多的研究。固态盘的出现更是引起了一个浪潮。在近几年里，一系列的混合存储方案被提出。其中主流的方案有两种：如图1(a)所示，一种方案采用读写快的介质作为读写慢的介质的缓存，比如采用固态盘作为缓存，即固态盘作为磁盘的缓存，将经常访问的数据缓存在固态盘里，为提高这种存储方案中固态盘的命中率，相继出现了一系列优化缓存的策略；如图1(b)所示，另一种方案采用读写快的介质与读写慢的介质作为混合存储，以固态盘和硬盘为例，数据唯一的存储在固态盘或硬盘中，数据存在固态盘或是硬盘中的选择算法根据性能偏重点不同也有多种。所有方案中由于引进了固态盘（Solid State Disk，SSD），在读取文件数据的速度上有所改进，但对于写以及频繁修改的访问性能优化不高，特别是对于无规律的小文件更新。因为要花费大量的时间来修改元数据，还由于器件本身的因素——SSD的擦写特性，会有大量的额外写。
发明内容
为了改善现有技术中额外写的问题，提高修改元数据和更新数据的速度，本发明提出了一种新的混合存储结构，将非易失的小粒度寻址的介质与非易失的大粒度寻址的介质作为混合存储，并针对这种混合存储结构提出了新的文件***。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于不同存储介质的混合文件***，所述存储介质包括非易失的小粒度寻址的介质和非易失的大粒度寻址的介质，两种介质统一顺序编址；其中，所述非易失的小粒度寻址的介质用于存放文件***的元数据，所述非易失的大粒度寻址的介质用于存放文件***的数据；所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写。
作为本发明的进一步改进，所述两种介质统一顺序编址具体为：所述非易失的小粒度寻址的介质编址在低地址段，所述非易失的大粒度寻址的介质编址在高地址段。
具体地，所述文件***的元数据是指管理存储空间的数据结构，和文件***中文件的元数据，以及目录树结构，具体包括管理整个文件***的数据结构、管理空间分配的数据结构、文件的属性和指针、目录的属性及内容。
具体地，所述文件***的数据是指存放在数据块区的文件的内容。
作为本发明的进一步改进，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：在初始化阶段需要缓存部分的元数据，以及运行期间缓存的元数据需要替换时，采用大粒度的读；在文件***运行中，访问文件或目录的内容，采用大粒度的读。
作为本发明的进一步改进，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：在文件***运行中，对于文件或目录的查找，当需要访问的元数据量在字节数量级时，采用小粒度读。
作为本发明的进一步改进，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：在文件***运行中，当需要更新元数据时，对非易失的小粒度寻址的介质上的元数据采用小粒度的写回，其中需要更新元数据的情况包括对文件或目录的删除，或者创建，或者修改，或者重命名。
作为本发明的进一步改进，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：在文件***运行中，当需要批量更新数据时，对非易失的大粒度寻址的介质上的数据采用大粒度的写回，其中需要更新数据的情况包括对文件的删除，或者创建，或者修改。
优选地，所述非易失的小粒度寻址的介质为相变存储器，所述非易失的大粒度寻址的介质为固态盘。
具体地，若所述文件***为EXT2格式，所述文件***的元数据包括超级块、块组描述符、inode位图、数据块位图、inode表以及目录的内容。
通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明通过采用非易失的小粒度寻址的介质和非易失的大粒度寻址的介质组成混合存储介质，在非易失的小粒度寻址的介质中存放文件***的元数据，在非易失的大粒度寻址的介质中存放文件***的数据，并针对不同的情况和不同的地址范围调用不同粒度的读或写，从而将大数据量的读写和小数据量的读写按不同情况分配相应的介质上，提高了读写速度，提升了文件***的存储效率；
2、本发明将元数据存放在非易失的小粒度寻址的介质上，对于元数据的更新采用小粒度的写，从而在更新元数据时不需要对整个数据块进行写回，从而减少了写回的数据量，避免了额外写的问题；
3、本发明在文件***运行中，对于文件或目录的查找，当需要访问的元数据量在字节数量级时，采用小粒度读，从而在读取元数据时不需要对整个数据块进行读取，从而减少了额外数据量的读取；
4、由于小粒度寻址的介质其读写延迟小，减小了元数据的读写时间，提升了文件***的对元数据的读写效率；
5、总体而言，本发明提供的所述混合存储的方法与目前的方法比起来，其利用率高，并且读写速度更快，能降低I/O读写量，具有高可靠性。
附图说明
图1是现有技术中典型的混合存储架构；
图2是本发明中一种典型的基于不同存储介质的混合架构；
图3是本发明实施例中一种典型的文件***物理布局图；
图4是本发明实施例中文件***的读操作示意图；
图5是本发明实施例中文件***的写操作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，对本发明中一些名词和术语进行解释：
大粒度与小粒度：大粒度一般为页或块的大小；小粒度一般与一个元数据的结构相差不大，比如可以是128Byte，远小于页或块的大小；大粒度的读写可与非易失的大粒度寻址的介质的读写粒度相同或者大于其读写粒度，小粒度的读写与非易失的小粒度寻址的介质的读写粒度相同或是大于其读写粒度。
文件***元数据：文件***的元数据在这里指的是管理空间的数据结构和文件***中文件的元数据以及目录树结构，包括管理整个文件***的数据结构、管理空间分配的数据结构、文件的属性和指针、目录的属性及内容等；以EXT2为例，超级块、块组描述符、inode位图、数据块位图、inode表以及目录的内容都属于文件***的元数据；
文件***的数据：文件的内容；以EXT2为例，文件***的数据是存放在数据块区的文件的内容。
为改善额外写的问题，提高修改元数据和更新数据的速度，本发明中提出了一种新的混合存储结构，将非易失的小粒度寻址的介质与非易失的大粒度寻址的介质作为混合存储，并针对这种混合存储结构提出了新的文件***。
本发明提供的一种基于上述混合存储的新的文件***。在这种新的混合存储中，将元数据放在非易失的小粒度寻址的介质上，而将数据放在非易失的大粒度寻址的介质上。两种介质统一顺序编址，文件***在不同的情况下对不同的地址空间有不同的读写接口。
文件***可以调用四类读写，分别是小粒度读、小粒度写、大粒度读、大粒度写，文件***在不同的情况对不同的地址范围会调用不同粒度的读写。小粒度一般与一个元数据的结构相差不大，比如可以是128Byte，远小于页或块的大小，大粒度一般为页或块的大小。
该混合文件***的的实施方式如下：
构建过程中，对两种介质统一顺序编址，非易失的小粒度寻址的介质在低地址段，非易失的大粒度寻址的介质在高地址段；
布局中，非易失的小粒度寻址的介质的地址空间存放文件***的元数据，非易失的大粒度寻址的介质的地址空间存放文件***的数据；
文件***的元数据在这里指的是管理空间的数据结构和文件***中文件的元数据以及目录树结构，包括管理整个文件***的数据结构、管理空间分配的数据结构、文件的属性和指针、目录的属性及内容等；文件***的数据指的是文件的数据；以EXT2为例，超级块、块组描述符、inode位图、数据块位图、inode表、目录的内容都属于文件***的元数据，而文件***的数据则是存放在数据块区的文件的内容；
初始化阶段需要缓存部分的元数据，如超级块，以及运行期间缓存的元数据需要替换时，采用大粒度的读；在文件***运行中，对于文件或目录的查找，当需要访问的元数据量在字节数量级时，采用小粒度读；在文件***运行中，访问文件或目录的内容，均采用大粒度的读；
在文件***运行中，对于文件或目录的删除、创建、修改、重命名等需要更新元数据和数据时，对非易失的小粒度寻址的介质上的元数据采用小粒度的写回，对非易失的大粒度寻址的介质上的数据采用大粒度的写回。
下面以一具体示例对本发明进行详细说明：
1）、将两种介质统一编址，设这两种介质的编号分别为A、B，其中A为小粒度寻址的非易失性介质，B为大粒度寻址的非易失性介质，两种介质顺序编址，设地址为a～z，其中a～d为介质A的地址，e～z为介质B的地址，文件***会记录这两类物理地址的分界。图2是一个典型的混合存储的例子，其中非易失性小粒度寻址的介质是PCM，非易失大粒度寻址的介质是固态盘，假设PCM可以提供的大小为4K，固态盘可以提供的大小为4M，地址分配如图2；
2）、文件***布局中，非易失小粒度寻址的介质存储文件***的元数据，非易失大粒度寻址的介质存储文件的数据。文件***记录两种介质的分界，界限两边分别存放文件***的元数据和文件内容。在1）中，地址a～d存储文件***的元数据，地址e～z存储文件的真正内容。以EXT2为例，假设只有两个组，物理布局见图3。在非易失小粒度读写的介质上存放EXT2文件***的元数据，包括块组0和块组1的元数据，每个块组的元数据包括超级块、块组描述符、数据块位图、inode位图、inode表以及存储目录内容的数据块；在非易失大粒度寻址的介质上存放文件***的数据，即存放文件的内容。需要说明一点，本发明提供的方案并不局限于EXT2以及系列的文件***，采用这种方案需要对现有的文件***添加部分的数据结构和相应的读写机制；
3）、文件***中有两种粒度的读，具体大小与介质有关。对于大粒度寻址的介质而言，均采用大粒度的读；对于小粒度寻址的介质，在初始化阶段需要缓存元数据，以及运行期间缓存的元数据需要替换时，采用大粒度的读，在查找过程中，访问目录的数据时采用大粒度的读；在文件***运行中，当需要访问的元数据量在字节数量级时，采用小粒度读，如图4。比如在图2中，如果采用图3的布局，固态盘中缓存了文件的内容，在访问文件的内容时，均采用大粒度的读，比如按页读取。对于PCM中缓存的元数据，在初始化时需要导入超级块、部分组描述符和部分位图的信息，此时采用的是大粒度读，在运行过程中，如需替换这些数据，比如查找时，所在的块组描述符不在内存中，会调入该块组描述符替换掉淘汰的块组描述符的信息，此时的读取也是采用的大粒度读，在查找过程中会遍历目录的内容，也是采用大粒度的读；在运行过程中，如果只需要读取部分的内容，比如查找过程中，只需要知道特定的inode信息，此时可以采用小粒度的读；
4）、文件***中有两种粒度的写，具体的大小与介质有关。对于大粒度寻址的介质而言，均采用大粒度的写；对于小粒度寻址的介质，在文件***运行中，对于文件或目录的删除、创建、修改、重命名等需要更新元数据时，对元数据采用小粒度的写回，如图5。比如在图2中，如果采用图3的布局，固态盘中缓存了文件的内容，在更新文件的内容时，均采用大粒度的写，比如按页读取。对于PCM中缓存的元数据，在文件***运行过程中，如需修改更新这些数据，比如创建一个文件时，涉及元数据的操作包括分配inode号、分配数据块、写inode、添加目录项，这些都需要在PCM上完成，此时采用小粒写，比如可以采用按字节写，将inode位图和数据块位图中更新的bit位所在字节、更新的inode内容以及添加的目录表项写回PCM；
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于不同存储介质的混合文件***，其特征在于，所述存储介质包括非易失的小粒度寻址的介质和非易失的大粒度寻址的介质，两种介质统一顺序编址；其中，所述非易失的小粒度寻址的介质用于存放文件***的元数据，所述非易失的大粒度寻址的介质用于存放文件***的数据；所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述两种介质统一顺序编址具体为：所述非易失的小粒度寻址的介质编址在低地址段，所述非易失的大粒度寻址的介质编址在高地址段。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述文件***的元数据是指管理存储空间的数据结构，和文件***中文件的元数据，以及目录树结构，具体包括管理整个文件***的数据结构、管理空间分配的数据结构、文件的属性和指针、目录的属性及内容。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述文件***的数据是指存放在数据块区的文件的内容。
5.如权利要求1至4任一项所述的***，其特征在于，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：
在文件***初始化阶段需要缓存部分元数据时，以及运行期间缓存的元数据需要替换时，采用大粒度的读；在文件***运行中，访问文件或目录的内容，采用大粒度的读。
6.如权利要求1至4任一项所述的***，其特征在于，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：
在文件***运行中，对于文件或目录的查找，当需要访问的元数据量在字节数量级时，采用小粒度读。
7.如权利要求1至4任一项所述的***，其特征在于，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：
在文件***运行中，当需要更新元数据时，对非易失的小粒度寻址的介质上的元数据采用小粒度的写回，其中需要更新元数据的情况包括对文件或目录的删除，或者创建，或者修改，或者重命名。
8.如权利要求1至4任一项所述的***，其特征在于，所述文件***在不同的情况对不同的地址范围调用不同粒度的读或写包括：
在文件***运行中，当需要批量更新数据时，对非易失的大粒度寻址的介质上的数据采用大粒度的写回，其中需要更新数据的情况包括对文件的删除，或者创建，或者修改。
9.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述非易失的小粒度寻址的介质为相变存储器，所述非易失的大粒度寻址的介质为固态盘。
10.如权利要求1所述的***，其特征在于，若所述文件***为EXT2格式，所述文件***的元数据包括超级块、块组描述符、inode位图、数据块位图、inode表以及目录的内容。
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