[发明专利]基于多阶段加锁的闪存转换层混合垃圾回收方法

说明书

本发明提出一种基于多阶段加锁的闪存转换层混合垃圾回收方法，结合了主动回收及被动回收，保证了各种I/O负载下的垃圾回收效率。包括主动回收线程、I/O请求处理线程、请求队列；在NAND Flash启动之后，主动回收线程与I/O请求处理线程随闪存转换层初始化并开始运行，请求队列用于接收操作系统派发的I/O请求，并在上一个I/O操作完成后将队头的I/O请求出队，然后提交给I/O请求处理线程；主动回收线程会按照设定的条件不定期检查NAND Flash块的使用情况，在检测到空闲块比例较低时开始进行主动垃圾回收；被动垃圾回收是I/O请求处理线程的一部分，保证了设备有足够的空间来服务I/O请求。

技术领域

本发明属于计算机科学技术领域，尤其涉及一种基于多阶段加锁的闪存转换层混合垃圾回收方法。

背景技术

基于NAND Flash的存储设备内部结构设计与机械磁盘完全不同。NAND Flash不能直接对原来位置的数据进行修改，而要寻找一块空闲区域，然后再将新的数据写入，并将原来的数据置为无效，这种更新方式称之为“异地更新”。原来无效的块需要经过擦除操作之后才能继续使用。NAND Flash的闪存转换层一个重要的功能便是垃圾回收，负责选择合适的块并在合适的时机擦除。NAND Flash中每个块的擦除次数有限，当擦除超过一定次数，这个块便不能使用，垃圾回收方法需要在回收时决定对那些块进行擦除，因此垃圾回收方法选择待回收块对NAND Flash的寿命影响十分明显。当要对一个块进行擦除操作时，需要寻找空闲页将待回块中所有的有效页写入空闲页，然后才能进行擦除操作，这称之为NANDFlash的“数据迁移”，待回收块中有效页越多，擦除前需要进行迁移的页面越多，因此在选择块回收时，要同时考虑块中有效页的比例以及块的擦除次数。

垃圾回收分为主动回收和被动回收，被动回收是指当NAND Flash进行写操作时，发现没有可用的空闲页，此时需要进行垃圾回收，完成之后再继续之前的写入操作，被动回收比较高效，一般情况下，如果NAND Flash没有空闲页可用时，会存在大量的无效块，但是被动回收对I/O请求的阻塞比较严重，尤其是在负载较重时，写入操作可能会频繁触发被动垃圾回收。主动回收是指有一个独立的线程或任务定时检测NAND Flash中空闲空间的比例，当发现空闲块的比例较低时，便会开始进行回收，主动回收的触发条件非常重要，目前也有很多相关研究，但这些研究都没有很好地设计精确的触发时机，并且没有利用NANDFlash的空闲时间进行回收。在NAND Flash中，擦除是非常耗时的一个操作，远远超过读取和写入操作的平均时间，目前大多数主动回收方法会在回收期间阻塞I/O请求，导致I/O请求的响应时间大大增加。

发明内容

为了解决上述提出的问题，本发明针对目前主动垃圾回收没有利用空闲时间回收、触发时机不精确以及会阻塞上层I/O请求的问题和单一的被动垃圾回收在负载较重时对I/O性能影响较大的问题进行了深入研究，提出了一种基于多阶段加锁的闪存转换层混合垃圾回收方法。该方法结合了主动回收和被动回收，可以保证在多种负载下垃圾回收的高效性，利用NAND Flash的空闲时间进行回收，减少了对I/O请求的影响，设计了多阈值的触发条件，使得垃圾回收的时机更准确，同时还通过将主动回收划分为多个阶段并进行多阶段加锁的方法，减轻了垃圾回收的阻塞。

本发明的技术方案是：

1.一种基于多阶段加锁的闪存转换层混合垃圾回收方法，其特征在于，结合了主动回收和被动回收，包括主动回收线程、I/O请求处理线程、请求队列；在NAND Flash启动之后，主动回收线程与I/O请求处理线程随闪存转换层初始化并开始运行，请求队列用于接收操作系统派发的I/O请求，并在上一个I/O操作完成后将队头的I/O请求出队，然后提交给I/O请求处理线程；主动回收线程会按照设定的条件不定期检查NAND Flash块的使用情况，在检测到空闲块比例较低时开始进行主动垃圾回收；被动垃圾回收是I/O请求处理线程的一部分，在写负载较重，无效块产生的速度非常快，主动垃圾回收来不及进行的情况下，被动垃圾回收保证了设备仍然有足够的空间来服务I/O请求。