c++ - 写入 SSD 上仅附加文件的最佳方式

Question

我想知道登录到 SSD 的最佳方式是什么。想想像数据库日志这样的东西，你只写追加，但你也必须 fsync() 每个事务或少数事务以确保应用程序级数据持久性。

我将提供一些关于 SSD 工作原理的背景知识，所以如果您已经知道所有这些，请略读一下，以防我对某些事情有误解。一些值得进一步阅读的好东西是 Emmanuel Goossaert 6-part guide to coding for SSDs和论文 Don't Stack your Log on my Log [pdf] .

SSD 只能在整个页面中写入和读取。页面大小因 SSD 而异，但通常是 4kb 的倍数。我的三星 EVO 840 使用 8kb 的页面大小(顺便说一句，Linus calls "unusable shit" 以他通常的多彩方式。)SSD 不能就地修改数据，它们只能写入空闲页面。因此，结合这两个限制，更新我的 EVO 上的单个字节需要读取 8kb 页面，更改字节，并将其写入新的 8kb 页面并更新 FTL 页面映射(ssd 数据结构)，以便该页面的逻辑地址正如操作系统所理解的，现在指向新的物理页面。因为文件数据在同一个删除块(可以删除的最小页面组)中也不再连续，我们也正在建立一种形式的碎片债务，这将使我们在 future 的 SSD 垃圾收集中付出代价。效率极低。

As an asside, looking at my PC filesystem: C:\WINDOWS\system32>fsutil
fsinfo ntfsinfo c: It has a 512 byte sector size and a 4kb allocation (cluster) size. Neither of which map to the SSD page size - probably not very efficient.

仅使用例如编写存在一些问题 pwrite()到内核​​页面缓存并让操作系统处理写出的内容。首先，您需要发出额外的 sync_file_range()打后打 pwrite()实际启动IO，否则它会一直等到你打电话 fsync()并引发 IO Storm 。其次 fsync() seems to block future 调用 write()在同一个文件上。最后，您无法控制内核如何将内容写入 SSD，它可能做得很好，也可能做得很差，导致大量写入放大。

由于上述原因，并且因为无论如何我都需要 AIO 来读取日志，所以我选择使用 O_DIRECT 和 O_DSYNC 写入日志并拥有完全控制权。

据我了解，O_DIRECT 要求所有写入都与扇区大小和扇区总数对齐。因此，每次我决定向日志发出附加信息时，我都需要在末尾添加一些填充以使其达到整数个扇区(如果所有写入始终是整数个扇区，它们也将正确对齐，至少在我的代码中。)好吧，那还不错。但我的问题是，将整个 SSD 页面而不是扇区四舍五入不是更好吗？大概这会消除写放大？

这可能会消耗大量空间，特别是如果一次将少量数据写入日志(例如几百字节)。这也可能是不必要的。像三星 EVO 这样的 SSD 有一个写缓存，它们不会在 fsync() 上刷新它。相反，它们依靠电容器在断电时将缓存写入 SSD。在这种情况下，也许 SSD 会做正确的事情，一次只将日志写入扇区 - 它可能不会写出最后的部分页面，直到下一个 append(s) 到达并完成它(或者除非它被强制退出)由于大量不相关的 IO 导致的缓存丢失。)由于这个问题的答案可能因设备和文件系统而异，有没有办法我可以编码这两种可能性并测试我的理论？在 Linux 上测量写入放大或更新/RMW 页面数量的某种方法？

Answer 1

我会尽量回答你的问题，因为我有同样的任务，但在 SD 卡中，它仍然是一个闪存。

简答

您只能在闪存中写入 512 字节的完整页面。鉴于闪存的写入次数很少，驱动器芯片正在缓冲/随机化以提高驱动器生命周期。

要在闪存中写入一点，您必须删除它所在的整个页面(512 字节)。因此，如果您想在某处附加或修改 1 个字节，首先必须删除它所在的整个页面。

该过程可以概括为:

将整个页面读到缓冲区

使用添加的内容修改缓冲区

删除整个页面

使用修改后的缓冲区重写整个页面

长答案

扇区(页面)基本上取决于闪存实现和闪存物理驱动程序的硬件，您无法控制。每次更改某些内容时，都必须清除并重写该页面。

您可能已经知道，如果不清除和重写整个 512 字节，就无法重写页面中的单个位。现在，闪存驱动器在扇区损坏之前的写入周期生命周期约为 100'000。为了提高生命周期，通常是物理驱动，有时系统会有写随机化算法来避免总是写同一个扇区。 (顺便说一句，永远不要在 SSD 上进行碎片整理；它没有用，充其量只会缩短使用生命周期)。

关于集群，这是在与文件系统相关的更高级别处理的，这是您可以控制的。通常在格式化新硬盘时，可以选择簇大小，在windows上是指格式化窗口的Allocation Unit Size。



据我所知，大多数文件系统都使用位于磁盘开头的索引。该索引将跟踪每个集群以及分配给它的内容。这意味着一个文件将至少占据 1 个扇区，即使它要小得多。



现在权衡较小的是您的扇区大小，较大的索引表将占用大量空间。但是如果你有很多小文件，那么你就会有更好的占用空间。

另一方面，如果你只存储大文件并且你想选择最大的扇区大小，只是略高于你的文件大小。

由于您的任务是执行日志记录，我建议您登录具有大扇区大小的单个大文件。尝试过这种类型的日志后，单个文件夹中的大量文件可能会导致问题，尤其是在您使用嵌入式设备时。

执行

现在，如果您对驱动器具有原始访问权限并想要真正优化，则可以直接写入磁盘而不使用文件系统。

在好的方面
*将为您节省相当多的磁盘空间
* 如果您的设计足够智能，将在发生故障时使磁盘容错
* 如果您在有限的系统上，将需要更少的资源

不利的一面
* 更多的工作和调试
* 驱动器不会被系统本地识别。

如果你只做日志，你不需要文件系统，你只需要一个页面的入口点来写入你的数据，这个页面会不断增加。

我在 SD 卡上完成的实现是在闪存请求时保存 100 页以存储有关写入和读取位置的信息。这被保存在一个页面中，但为了避免内存循环问题，我会在 100 个页面上以循环方法顺序写入，然后有一个算法来检查哪个是包含最新信息的最后一个。

位置存储每 5 分钟左右写入一次，这意味着在停电的情况下，我只会丢失 5 分钟的日志。在进一步写入之前，还可以从最后一个写入位置检查其他扇区是否包含有效数据。

这提供了一个非常强大的解决方案，因为它们不太可能发生表损坏。

我还建议缓冲 512 字节并逐页写入。

其他

您可能还想检查一些特定于日志的文件系统，他们可能只是为您完成这项工作: Log-structured file system