內(nèi)存之后,下一代存儲(chǔ)技術(shù)怎么用?

隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)性能的不懈追求，高性能存儲(chǔ)開始探索向內(nèi)存通道的遷移。在這樣的情況下， NVDIMM 技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生了。

NVDIMM (Non-Volatile Dual In-Line Memory Module) 是一種可以隨機(jī)訪問的，非易失性內(nèi)存， 又被稱作PMem (Persistent Memory)。在之前的微信文章中，我們介紹了NVDIMM幾種硬件上的實(shí)現(xiàn)方式，以及為了支持和優(yōu)化性能所做的硬件上的改變。今天，我們來討論一下為了充分發(fā)揮NVDIMM的性能，軟件方面做了哪些支持。有些人可能會(huì)有疑問， 為什么用起來這么麻煩？既然是持久性內(nèi)存，不是應(yīng)該關(guān)機(jī)什么樣， 開機(jī)什么樣， 就可以了嗎？ 其實(shí)目前來看， 這種想法還不會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。 因?yàn)槌?a href="http://wenjunhu.com/tags/dram/" target="_blank">DRAM是易失性的，比如 cache，寄存器這種也是易失性的。僅僅把內(nèi)存做成持久性的也不能達(dá)成這樣的目的。另一個(gè)問題是， memory leak。如果發(fā)生了內(nèi)存泄漏， 重啟一下就好了。 那如果是持久性內(nèi)存的泄漏呢？這也是一個(gè)很棘手的問題。Pmem有些方面類似于內(nèi)存，也有些方面類似于存儲(chǔ)。但是，通常上我們不會(huì)認(rèn)為Pmem能夠替代內(nèi)存或存儲(chǔ)。其實(shí)，可以把它看作是一種補(bǔ)充，填補(bǔ)了內(nèi)存和存儲(chǔ)之間巨大的差異。

SPDK 在 17.10 中開始引入對(duì)于Pmem的支持。Pmem在SPDK的bdev層暴露為一個(gè)塊設(shè)備， 使用快設(shè)備接口和上層進(jìn)行通信。如圖（1）所示。

圖(1)

從圖中我們可以看到libpmemblk 把塊操作轉(zhuǎn)換成了字節(jié)操作。它是怎么做到的呢？ 在介紹libpmemblk 和 它背后的PMDK之前， 我們了解一下基礎(chǔ)知識(shí)。

mmap和DAX

首先，我們來看傳統(tǒng)的I/O方式， 即緩存I/O (Buffered I/O). 大多數(shù)操作系統(tǒng)默認(rèn)的IO操作方式都是緩存IO。該機(jī)制使IO數(shù)據(jù)緩存在操作系統(tǒng)的page cache 中， 也就是說， 數(shù)據(jù)會(huì)被先拷貝到操作系統(tǒng)的內(nèi)核空間的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從內(nèi)核空間的緩沖區(qū)拷貝到指定的用戶地址空間。

圖(2)

在Linux 中， 這種訪問文件的方式就是通過read/write 系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)，如圖(2)。接下來， 我們比較一下內(nèi)存映射IO mmap().

接下來， 我們比較一下內(nèi)存映射IO mmap().

圖(3)

通過mmap獲得了對(duì)應(yīng)文件的一個(gè)指針，然后就像操作內(nèi)存一樣進(jìn)行賦值或者做memcpy/strcpy. 這種我們稱之為load/store操作（這種操作一般需要msync、fsync來落盤）。

mmap因?yàn)榻⒘宋募接脩艨臻g的映射關(guān)系， 可以看作是把文件直接拷貝到用戶空間，減少了一次數(shù)據(jù)拷貝。但是， mmap依然需要依靠page cache。

圖(4)

講完了mmap, 那么DAX是什么呢？DAX即direct access，這個(gè)特性是基于mmap的。而DAX的區(qū)別在于完全不需要page cache. 直接對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備訪問。 所以它就是為了NVDIMM而生的。應(yīng)用對(duì)于mmap的文件操作， 是直接同步到NVDIMM上的。DAX目前在XFS, EXT4, Windows的 NTFS 上都已經(jīng)支持。需要注意的是， 使用這個(gè)模式， 要對(duì)應(yīng)用程序或者文件系統(tǒng)進(jìn)行修改。

圖(5)

NVM Programming Model

NVM Programming Model 大致定義了三種使用方式。

圖(6)

最左邊Management 主要是通過driver提供的API對(duì)NVDIMM進(jìn)行管理， 比如查看容量信息， 健康狀態(tài)， 固件版本， 固件升級(jí)， 模式配置等等。

中間， 作為存儲(chǔ)快設(shè)備使用， 使用支持NVDIMM driver 的文件系統(tǒng)和內(nèi)核， 應(yīng)用程序不用做任何修改，通過標(biāo)準(zhǔn)文件接口訪問NVDIMM。

第三種， 基于文件系統(tǒng)的DAX特性，通過load/store操作，不需要page cache, 同步落盤。沒有系統(tǒng)調(diào)用， 沒有中斷。這也是NVM Programming Model 的核心， 能夠充分釋放NVDIMM的性能優(yōu)勢(shì)。但它的缺點(diǎn)在于，應(yīng)用程序可能需要做一下改變。

PMDK

libpmemblk 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)駐留在pmem中的同樣大小的塊的數(shù)組。里面每個(gè)塊對(duì)于突然掉電，程序崩潰等情況依然保持原子事務(wù)性。libpmemblk是基于libpmem庫的。

libpmem是PMDK中提供的一個(gè)更底層的庫, 尤其是對(duì)于flush的支持。它能夠追蹤每次對(duì)pmem的store操作，并保證數(shù)據(jù)落盤為持久性數(shù)據(jù)。

除此以外， PMDK 還提供了其他編程庫， 比如libpmemobj, libpmemlog, libvmmalloc 等。感興趣的同學(xué)可以訪問http://pmem.io/pmdk/ 獲取更多信息。

SPDK實(shí)戰(zhàn)

bdevperf測(cè)模擬NVDIMM性能

(1) 創(chuàng)建一個(gè)虛擬的Pmem bdev

./configure --with-pmdk

make

PMDK 已經(jīng)在一些新的Linux發(fā)行版中被引入。如果configure出錯(cuò)，請(qǐng)到https://github.com/pmem/pmdk 自行安裝PMDK庫。

接下來， 我們可以通過SPDK RPC命令來建立一個(gè)pmem_pool。

rpc.py create_pmem_pool /path/to/pmem_pool

這里假設(shè)我們沒有一個(gè)真正的NVDIMM做測(cè)試， 所以pmem_pool的路徑就隨便選擇一個(gè)就好。比如：

rpc.py create_pmem_pool /mnt/pmem 128 4096

我們也可以用pmem_pool_info來獲取創(chuàng)建pmem_pool的信息：

rpc.py pmem_pool_info /path/to/pmem_pool

或者，刪除剛創(chuàng)建的pmem_pool:

rpc.py delete_pmem_pool /path/to/pmem_pool

然后， 我們?cè)谖覀儎?chuàng)建的pmem_pool上， 建立一個(gè)bdev塊設(shè)備：

rpc.py construct_pmem_bdev /path/to/pmem_pool -n pmem_bdev_name

(2) 更新配置文件

更改/path/to/spdk/test/bdev/bdev.conf.in， 只保留Pmem配置的部分。

[Pmem]

Blk

Example:

[Pmem]

Blk /mnt/pmem-pool pmem-bdev

(3) bdevperf 測(cè)試

./bdevperf -c ../bdev.conf.in -q -t -w -o

Example command:

./bdevperf -c ../bdev.conf.in -q 128 -t 100 -w write -o 4096

./bdevperf -c ../bdev.conf.in -q 1 -t 100 -w randwrite -o 4096

結(jié)語

至此， 對(duì)于NVDIMM硬件和軟件上的不同， 大家都有了一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)。Intel 在2018年5月發(fā)布了基于3D XPoint? 技術(shù)的Intel? Optane? DC Persistent Memory， 引發(fā)了NVDIMM爆點(diǎn)。如果你對(duì)NVDIMM的用法很感興趣，或者對(duì)于NVDIMM的應(yīng)用有好的想法， 歡迎通過私信或者在評(píng)論區(qū)評(píng)論交流。希望大家繼續(xù)關(guān)注NVDIMM和SPDK技術(shù)。