[发明专利]一种内容感知型计算机缓存管理系统及方法

说明书

本发明公开了一种内容感知型计算机缓存管理系统及方法，包括元数据管理模块和数据块管理模块。元数据管理模块包括：源地址映射索引，源地址管理，指纹索引，唯一数据块缓存地址管理。数据块管理模块负责缓存内数据块的维护。本发明改变传统的基于LRU算法缓存系统的元数据组织，通过结合重复数据删除技术，使缓存系统具有内容感知能力，通过识别并删除缓存中相同内容的冗余数据块，提高缓存系统的利用率，扩大缓存数据块映射数据量，提高缓存命中率，减少对下层存储设备的访问，减少平均I/O时延，提升系统整体性能。

技术领域

本发明涉及计算机缓存系统优化的技术领域，具体涉及一种内容感知型计算机缓存管理系统及方法。

背景技术

缓存(cache)机制是利用数据访问的时间局部性和空间局部性来提高计算机整体性能的重要途径。在计算机中，缓存机制在硬件层(CPU与内存间的各级缓存、磁盘缓存)、系统层(文件系统的buffer cache、块层的bcache)和应用层(应用系统内部缓存)中都大量使用。缓存作为速度差异设备的中间“桥梁”，对其数据的有效组织和管理将影响到各层设备的性能。例如，对文件系统cache的有效管理，将影响内存管理系统和文件系统的性能。

现代计算机系统设计中，存储系统的设计，特别是缓存的设计是一项重要的工作，而缓存设计的重点是如何对缓存内数据进行有效的组织和缓存替换算法的选择。最近最少使用算法(least recently used algorithm，LRU)基于其实现简单、开销小和效果较好等优点，在过去的几十年里其在缓存替换算法中一直占据着首要地位。然而，传统的基于LRU算法的缓存系统中，基于地址的映射无法感知缓存数据块内容，对地址不同但内容相同的数据块的缓存，导致缓存系统的空间浪费。

因此，为了有效利用缓存空间资源，提高缓存空间使用率和缓存命中率，需要一种内容感知型计算机缓存管理系统及方法，感知并删除缓存中内容相同的冗余数据块，提高缓存利用率，扩大缓存数据块映射数量，提升缓存系统命中率，减少下层存储设备的访问。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种内容感知型计算机缓存管理系统及方法，感知缓存数据块内容，避免存储源地址相同但内容相同的数据块，提高缓存利用率和命中率，减少下层存储设备访问。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种内容感知型计算机缓存管理系统，该缓存管理系统包括：元数据管理模块和数据块管理模块。其中元数据管理模块包括：源地址映射索引单元、源地址管理单元、指纹索引单元、唯一数据块缓存地址管理单元，上述各单元顺序连接，其中，

所述的源地址映射索引单元，负责请求到达缓存管理系统时，利用散列表映射，快速判断在源地址管理中是否存在请求源地址节点；

所述的源地址管理单元，通过双向链表把数据块源地址在缓存中按LRU次序进行组织排列，其按访问次序记录了给定数量范围内的数据块源地址和指纹信息，当新的访问请求到达时按照LRU算法规则对排列顺序进行调整；

所述的指纹索引单元，对去重后唯一数据块指纹进行索引，写请求数据块到达时候，将计算后的指纹散列至指纹索引单元中，判断当前写入数据块是否在缓存管理系统中已存储，若是，则只增加索引而不进行冗余存储；

所述的唯一数据块缓存地址管理单元，对所述的源地址管理单元中存储的数据块进行索引，通过LRU算法按照数据块访问顺序对数据块进行组织记录，以方便进行缓存数据块剔除时，快速发现存在在缓存中适合剔除的数据。缓存数据块经过数据去重后源地址与数据块变为多对一的映射关系，唯一数据块缓存地址管理单元的LRU队列，与源地址管理中的LRU队列保持相对一致的关系。

所述的数据块管理模块，该模块负载数据块的统一存储。

进一步地，所述的源地址映射索引单元中数据组织形式如下：