摘 要

新型的非易失存储材料，有着接近内存的性能和具有非易失性的特点，研究人员将其集成到内存层级，称为持久性内存。软件基于持久性内存设计有着一个关键的挑战，就是如何保证原子持久性下仍具有较高的性能。软件保证原子持久性的常用方法是日志，然而日志会带来写放大的问题。本文提出了新的设计LAD，通过利用具有持久性的内存控制器，将事务的更新数据暂存在持久性内存控制器的请求队列中，当提交的时候，再将该队列数据提交到持久性内存中。LAD采用硬件来保证原子持久性，避免使用日志方法，减少了额外的写请求。本文实验部分展示出LAD对比日志方法的性能提升，对轻量事务的负载吞吐量提升较明显，与传统日志方法相比红黑树每事务中写请求减少了25%、吞吐量提升了10.8%，哈希表每事务写请求减少了50%、吞吐量提升了25.3%，随机数据交换每事务写请求减少了40%，吞吐量提升了16.8%，对重量事务的负载由于内存控制器空间限制提升不明显，与传统日志方法相比redis每事务写请求减少了26%，性能提升了1.2%

关键词：持久性内存；事务；日志；原子持久性

Abstract

Emerging non-volatile memory has the characteristics of near memory performance and non-volatile. Researchers integrated it into memory hierarchy, called persistent memory (PM). A key challenge for PM-aware software is to maintain high performance while achieving atomic durability. The commonly used method of software to ensure atomic durability is logging, but logging will bring the problem of write amplification. In this paper, we propose a new design LAD. By using the battery-backed memory controller which has a persistent queue space, LAD temporarily store the update data of transactions in the request queue of the memory controller, and then submit those in queue data to the persistent memory when committing. LAD uses hardware to ensure atomic durability, avoid using logging, and thus without additional write requests. In the experiment section of this paper, we show the performance improvement of LAD compared with logging method. LAD get significant improvement in lightweight transaction workload. Compared to logging method, LAD reduces 25% writes per-transaction and improves 10.8% throughput in RB-tree，reduces 50% writes per-transaction and improves 25.3% throughput in hashtable, and reduces 40% writes per-transaction and improves 16.8% throughput in random swap two entries in queue workload. LAD preform not that good in heavy transaction workload like redis which just get 1.2% improvement in throughput.

Key Words：Persistent memory; Transaction; Logging; Atomic Durability

目录

第一章 绪论 3

1.1研究背景及意义 3

1.1.1非易失内存NVM 3

1.1.2存储架构中的NVM 4

1.1.3持久性内存 4

1.2国内外研究现状 5

1.2.1内存索引的数据一致性研究 5

1.2.2持久性事务的一致性研究 6

1.3本文研究内容和组织架构 6

第二章 背景技术及问题分析 8

2.1原子持久性 8

2.2软件日志方法 8

2.3硬件版本控制方法 9

2.4分布式持久性内存控制器 10

第三章 无日志持久性LAD (Logless Atomic Durability)机制设计 11

3.1总体设计 11

3.2分布式提交协议 11

3.3推测性缓存溢出处理 13

3.4故障与恢复 13

3.5可编程性与并发控制 13

第四章 无日志持久性实现 15

4.1指令集与操作系统扩展 15

4.2 LAD控制器：一级数据缓存扩展 15

4.3内存控制器扩展 16

4.4 LAD协议 16

4.5运作流程 17

4.6故障与恢复 19

第五章 实验 20

5.1实验设计 20

5.1.1系统参数 20

5.1.2实验过程 21

5.2实验结果和分析 22

总结 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

随着大数据时代的来临，计算机所要进行的计算量越来越大，速度要求越来越快。目前操作系统基于传统的硬件进行计算时，中央处理器（CPU）首先从内存加载所需的数据，然后在CPU内进行计算，再将计算结果存储回内存，以此循环进行任务所需的计算。传统的内存主要采用动态随机存储器DRAM（Dynamic RAM），由于物理特性，DRAM在断电时会导致其存储数据全部丢失。因此，为了在计算机发生故障时，数据仍然能存在则需要将数据存储到外部存储。外部存储一般采用具有大容量，可持久化存储特性的磁盘或闪存，但无论磁盘或闪存其性能都与DRAM有着较大的差距。近年来，新型的非易失存储NVM（Non-volatile Memory）设备逐渐商业化，不仅具有非易失特性，且其性能相比磁盘或闪存提升巨大，达到了接近DRAM的水平。将NVM应用到传统计算机上仍具有不少挑战，由于目前无论操作系统或是应用程序，都是基于易失性内存DRAM设计的，它们在发生断电或故障时，默认内存是易失的，因此会进行重新初始化，在进行内存访问时，也没有考虑持久性保障。本章首先介绍NVM的背景及意义，然后介绍国内外相关研究现状，接着简单介绍本文的研究内容，最后给出本文的组织结构。

1.1研究背景及意义