对比

访问类型 机械硬盘（HDD） 固态硬盘（SSD）
随机读 慢 非常快
随机写 慢 快
顺序写 快 非常快
耐用性（重复擦写） 非常好 差

读写原理

  1. CPU Cache用的SRAM是用一个电容来存放一个比特的数据
    • 对于SSD硬盘，由一个电容加上一个电压计组合在一起，就可以记录一个或多个比特
  2. 分类
    • SLC：Single-Level Cell
    • MLC：Multi-Level Cell
    • TLC：Triple-Level Cell
    • QLC：Quad-Level Cell
  3. QLC
    • 想要表示15个不同的电压，充电和读取的时候，对精度的要求就会更高，这会导致充电和读取的时候更慢
    • QLC的SSD的读写速度要比SLC慢上好几倍

PE擦写问题

  1. 控制电路
    • 常用的是SATA或者PCI Express接口，里面有一个很重要的模块：FTL（Flash-Translation Layer），即内存转换层
    • FTL是SSD的核心模块，SSD性能的好坏很大程度上取决于FTL的算法好不好
  2. 实际的IO设备
    • 新的大容量SSD都是3D封装的，即由很多裸片（Die）叠在一起（跟HDD有点类似）
    • 一个裸片上可以放多个平面（Plane），一个平面上的存储容量大概在GB级别
    • 一个平面上面，会划分成多个块（Block），通常大小在几百KB到几MB不等（AeroSpike为128KB）
    • 一个块里面，还会区分很多个页（Page），通常大小为4KB
  3. 对于SSD，数据的写入叫作Program
    • 写入不能像HDD那样，通过覆写（Overwrite）来进行，而是先进行擦除（Erase），然后再写入
  4. SSD读取和写入的基本单位：页（Page，4KB）
  5. SSD擦除的基本单位：块（Block）
    • SSD的使用寿命，就是每一块的擦除次数
    • SLC：10W次；MLC：1W次；TLC、QLC：几K次

读写的生命周期

  1. 颜色
    • 白色：该页从未写入过数据
    • 绿色：写入的是有效的数据
    • 红色：在操作系统看来，数据是已经被删除了
  2. 一开始，所有块的每一页都是白色的，随着往里面写数据，某些页变成了绿色
  3. 然后，删除一些文件，有些页就变成了红色，但这些红色的页并不能再次写入数据
    • 因为SSD不能单独擦除一个页，必须一次性擦除整个块
  4. 如果某个块的数据一次性全部标红，就可以把整个块擦除
  5. 随着红色页越来越多，已经没有了白色页去写入数据了，就要进行垃圾回收了
    • 找一个红色页最多的块，把里面绿色页挪到另一个块里面，然后把整个块擦除，变成白色，就可以重新写入数据了
    • 垃圾回收不能太主动和太频繁，因为SSD的擦除次数是有限的
  6. SSD的容量是无法完全用满的，因此厂商会预留一部分空间，专门用来做垃圾回收的
    • 这部分空间叫作预留空间（Over Provisioning），一般SSD的预留空间都在**7%-15%**左右
  7. SSD特别适合读多写少的应用
    • 适合做系统盘，但不适合做下载盘和数据盘
  8. 使用了SSD的系统盘，就不能用磁盘碎片整理
    • 一旦主动去运行磁盘碎片整理，就会发生一次块的擦除，对应块的寿命就减少一些

磨损均衡

  1. 在操作系统上，并没有SSD上各个块已经擦写的情况和寿命，因此它对待SSD和HDD并没有什么区别
  2. 均匀磨损（Wear-Leveling）：让SSD各个块的擦除次数，均匀分摊到各个块上，实现方式：FTL（即内存转换层）
  3. 在FTL里，存放了逻辑块地址（Logical Block Address，LBA）到物理块地址（Physical Block Address，PBA）的映射
  4. 操作系统访问的硬盘地址，其实都是逻辑地址，只有通过FTL转换后，才会变成实际的物理地址，找到对应的块进行访问
    • 操作系统本身不需要去考虑块的磨损程度，只要和操作HDD一样来读写数据即可
  5. 操作系统所有对于SSD的读写请求，都要经过FTL
    • FTL里面有逻辑块对应的物理块，因此FTL能够记录下来，每个物理块被擦写的次数
    • 如果一个物理块被擦写的次数多了，FTL就可以将这个物理块，『挪到』一个擦写次数少的物理块上
    • 但逻辑块不需要变，操作系统也不需要知道这个变化

TRIM

  1. 操作系统不去关心底层的硬件是什么，使用SSD时会有一个问题，即操作系统的逻辑层和SSD的逻辑层的块状态是不匹配的
  2. 在操作系统里面删除一个文件，其实并没有真的在物理层去删除这个文件
    • 只是在文件系统层面，把对应的inode里面的元信息清理掉，代表这个inode还可以继续使用，可以写入新的数据
    • 此时，实际物理层对应的存储空间，在操作系统里面被标记成可以写入
    • 因此，日常的文件删除，都只是操作系统层面的逻辑删除
      • 可以通过各种恢复软件，把数据找回来
      • 如果想要把数据删除干净，需要用到『文件粉碎』的功能
  3. 上述逻辑在HDD是没有问题的，因为文件被标记成可以写入，后续的写入可以直接覆写这个位置
  4. 在使用SSD时，操作系统对于文件的删除，SSD其实并不知道！！
    • 导致：为了磨损均衡，很多时候都在搬运很多已经删除了的数据 – 写入放大
    • 产生很多不必要的数据读写和擦除，既消耗了SSD性能，也缩短了SSD的使用寿命
  5. 为此，操作系统（Linux、Windows、MacOS）和SSD的主控芯片，都支持TRIM命令
    • TRIM命令：在文件被删除的时候，让操作系统通知SSD，对应的逻辑块已经被标记成已删除

写入放大

  1. TRIM命令的发明，反映了使用SSD的一个问题：SSD容易越用越慢
  2. 当SSD的存储空间被占用得越来越多，每一次写入新数据，都可能没有足够的空白
    • 不得不去进行垃圾回收，合并一些块里面的页，然后在擦除一些块，才能匀出一些空间来
  3. 在应用层或者操作系统层面来看，可能只是写入一个4KB或者4MB的数据
    • 但实际通过FTL后，可以需要搬运8MB、16MB甚至更多的数据
  4. 写入放大 = 实际内存写入的数据量 / 系统通过FTL写入的数据量
  5. 写入放大的倍数越多，意味着实际SSD性能就会越差，会远远比不上实际SSD硬盘标称的指标
    • 解决方案：在后台定时进行垃圾回收，在硬盘比较空闲的时候，就进行垃圾回收，而不是等待实际数据写入的时候

AeroSpike

  1. AeroSpike是专门针对SSD特性设计的Key-Value数据库
  2. AeroSpike操作SSD，并没有通过操作系统的文件系统，而是直接操作SSD里面的块和页
    • 对于KV数据库来说，操作系统里面的文件系统，相当于多了一层间接层，只会降低性能
  3. 读写数据的优化
    • 在写入数据的时候，AeroSpike尽可能去写一个较大的数据块，而不是频繁地去写很多小的数据块
      • 这样，SSD不太容易频繁出现磁盘碎片
      • 另外，一次性写入一个大的数据块，更容易利用好顺序写入的性能优势
      • AeroSpike写入的数据块，是128KB，远比一个页的4KB要大得多
    • 在读取数据的时候，AeroSpike可以读取512 Bytes这样的小数据
      • 因为SSD的随机读性能很好，也不像写入数据那样有擦除寿命的问题
      • 很多时候读取的数据需要在网络上传输，如果一次性读出比较大的数据，就可能会导致网络带宽不够用
  4. AeroSpike是一个对响应时间要求很高的实时KV数据库，如果出现严重的写放大效应，会导致写入数据的响应时间大幅度变长
    • 持续进行磁盘碎片整理
      • 采用高水位算法：一旦一个物理块里面的数据碎片超过50%，就把这个物理块搬运压缩，然后进行数据擦除
    • AeroSpike给出最佳实践
      • 为了保障数据库的性能，只用到SSD标定容量的50%
      • 人为地给SSD预留50%的预留空间，以确保SSD的写放大效应尽可能小，不会影响数据库的访问性能

参考资料

深入浅出计算机组成原理