每天进步一点点——关于SSD写入放大问题

转载请说明出处：http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/29812433

1. 关于SSD的写入放大

    之前在SSD(Solid State Drive)上设计并实现缓存系统用于存储数据块时遇到了一些问题，比方在磁盘写满后，假设老化掉一些最久未使用的数据块后。继续大量写入新的数据，随着时间的推移。写入速度变得比刚開始时慢了很多。为了弄清楚为什么会出现这种情况，于是在网上搜索了一些关于SSD的资料，原来这种情况是因为SSD硬件设计本身决定的，终于映射到应用程序上该中现象称为写入放大现象(WA:
Write amplification)。WA是闪存及SSD相关的一个极为重要的属性。这个术语在2008年被Intel公司和SiliconSystems公司（于2009 年被西部数据收购）第一次提出并在公开稿件里使用。以下简单解说一下为什么会出现这样的情况以及是如何一个过程。

    SSD的设计全然不同于传统的机械磁盘。其是一个完整的电子设备，没有传统机械盘的读写磁头。因此，在读写数据的时候由于少了磁头在磁道之间的寻道过程所以SSD能提供较高的IOPS性能。也正由于其少了磁头的调度，所以SSD还能降低电量的使用，在数据中心中使用对企业来说是很故意的。

    SSD与传统磁盘相比其有了非常大的性能优势，以及较多的长处，可是事物总是有两面性的。其也自身也存在一些问题，写入在SSD中的数据是不能够直接更新的，仅仅能通过扇区覆盖重写。在覆盖重写之前须要先擦除，并且擦除操作又是不能在扇区上做的。仅仅能在磁盘的块上来完毕，擦除块之前须要将原有的还有效的数据先读出，然后在与新来的数据一起写入，这些反复的操作不单会添加写入的数据量
，还会降低闪存的寿命，更吃光闪存的可用带宽而间接影响随机写入性能。

    举个最简单的样例：当要写入一个4KB的数据时，最坏的情况是一个块里已经没有干净空间了。但有无效的数据能够擦除，所以主控就把全部的数据读到缓存。擦除块，缓存里 更新整个块的数据，再把新数据写回去。这个操作带来的写入放大就是: 实际写4K的数据。造成了整个块（共512KB）的写入操作，那就是放大了128倍。同一时候还带来了原本仅仅须要简单一步写入4KB的操作变成：闪存读取(512KB)→缓存改（4KB）→闪存擦除（512KB）→闪存写入（512KB）。共四步操作。造成延迟大大添加。速度变慢。所以说WA是影响SSD随机写入性能和寿命的关键因素。以100%随机4KB来写入，眼下的大多数SSD主控，在最坏的情况下WA能够达到100以上。假设是100%持续的从低LBA写入到高LBA的话，WA能够做到1，实际使用中写入放大会介于这两者之间。SSD的详细操作过程例如以下：

2. 写入放大的解决的方法

    在实际操作中我们非常难全然解决掉SSD写入放大的问题，仅仅能通过某些方法来更有效的降低放大的倍数。一个非常easy的办法就是将一块大的SSD硬盘仅仅使用其的一部分容量，比方128GB你仅仅是用64GB，那么最坏的情况就是写入放大能降低约3倍。

当然这样的方法有点过于浪费资源了。另外还能够在写数据时採用顺序写入。当SSD被顺序写入时，其写入放大一般为1，但某些因素会影响到该值。

    除了上面的方法外，现阶段公认的比較好的方法是TRIM。

TRIM位于操作系统层。操作系统使用TRIM命令来通知SSD某个page的数据不须要了。则能够回收。

支持TRIM的操作系统和以往的主要差别是删除一个Page的操作不同。

在磁盘时期，删除一个page之后在文件系统的记录信息里将该page的标志位设置为可用，可是并没有将数据删除。使用SSD且支持TRIM的操作系统，在删除一个page时。会同一时候通知SSD这个page的数据不须要了，SSD内部有一个空暇时刻的垃圾收集进程，在空暇时刻SSD会将一些空暇的数据集中到一起，然后一起Erase。

这样每次写操作。就在已经Erase好了的Page上写入新的数据。

3. 总结

    尽管其存在写入放大的问题，可是这并没有让我们拒绝使用它。用其来做缓存加速已在非常多项目中得到使用，尤其是在数据库缓存项目中，在这些项目中SSD高效的读性能得到了充分的利用。

随着Facebook的开源项目Flash
Cache的公布。以及Facebook内部的大量使用，Flash Cache已经成为了一个比較成熟的技术方案，这使得很多其它的公司选择了SSD来做存储或者缓存。

參考

[1] http://jfwang213.iteye.com/blog/1562263

[2] http://www.pceva.com.cn/topic/crucialssd/index-6_7.html

[3] http://bbs.pceva.com.cn/thread-3653-1-1.html