非易失内存文件系统PMFS的性能优化设计与实现

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随着互联网的飞速发展,数据呈爆炸式增长,各种应用场景对存储系统的容量,延时,带宽等方面的诉求进一步提升。可字节寻址的非易失存储介质技术的成熟,如相变存储器,3D XPoint等,使数据可以在内存级别持久化,这种新的存储架构,为打造下一代的存储系统提供了契机。由于这类新型存储介质本身的读写延时非常低,系统软件开销成为了决定整个持久化内存系统性能的主要因素。PMFS是一个专门为持久化内存所设计的文件系统,它通过绕开页高速缓存,通用块层和块设备驱动来减少系统软件开销。本文通过对PMFS进行测试,发现了PMFS在特定负载下的性能瓶颈并进行了优化,本文的主要工作如下:1)测试对比了PMFS和传统磁盘文件系统EXT4在不同负载下的性能差异,虽然PMFS在连续读写和随机读写方面都有较大的性能优势,但是在一些实际应用的负载下,PMFS和EXT4性能接近。2)PMFS中每个目录操作(打开,创建或删除)都会遍历目录下的所有目录项,导致了随文件数增长而线性增长的目录项查找开销。通过进一步测试发现,在特定类型负载下,这种开销成为了整个文件系统的瓶颈。为解决该问题,本文在PMFS中增加了持久化的目录项索引来加速目录操作。基于单目录下100K文件的负载,该优化使得文件创建速度提高了12x,带宽增加了27.3%。3)通过测设发现,在多核处理器的系统上,随着并发线程数的增加,PMFS的锁竞争问题更加严重,导致追加写性能急剧下降。针对这一问题,分析了PMFS的分配器在多核系统中的缺陷,设计了一种对空闲资源分组管理的策略,解决了并发追加写时的性能瓶颈。实验结果表明,在8个线程并发操作时,PMFS追加写时的带宽提升了145%。
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