石 偉 汪東升，2

1（清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 北京 100084）2（清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌） 北京 100084）（shiwei09＠m(xù)ails．tsinghua．edu．cn）

基于非易失存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)綜述

石 偉1汪東升1，2

1（清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 北京 100084）2（清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌） 北京 100084）（shiwei09＠m(xù)ails．tsinghua．edu．cn）

隨著非易失存儲(chǔ)器的出現(xiàn)和廣泛使用，存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)正在發(fā)生根本改變．傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與文件系統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)大多基于磁盤(pán)設(shè)備，設(shè)計(jì)之初并未考慮非易失存儲(chǔ)器特性．為了充分利用非易失存儲(chǔ)器特性，縮小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的I?O性能與CPU處理性能之間的差距，基于非易失存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)．首先討論了軟件層事務(wù)處理技術(shù)的現(xiàn)狀，分別介紹了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與文件系統(tǒng)事務(wù)處理常用技術(shù)；然后依據(jù)閃存和相變內(nèi)存進(jìn)行劃分，對(duì)現(xiàn)有基于非易失存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)進(jìn)行了討論；最后給出了基于非易失存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)研究展望．在基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)相關(guān)研究中，首先分析了使用傳統(tǒng)設(shè)備接口閃存設(shè)備加速事務(wù)處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后重點(diǎn)分析了基于專用事務(wù)接口的事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)研究，并對(duì)基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)不同研究進(jìn)行了比較．在基于相變內(nèi)存的事務(wù)存儲(chǔ)相關(guān)研究中，分別分析并比較了相變內(nèi)存在主存環(huán)境和外存環(huán)境提供事務(wù)處理的技術(shù)，重點(diǎn)討論了日志與緩存融合技術(shù)、細(xì)粒度日志技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題．

非易失性存儲(chǔ)器；閃存；相變存儲(chǔ)器；事務(wù)處理；事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)；I?O棧

Fig．1 Current states of development of RRAM，MRAM and PCM［21］．圖1 RRAM，MRAM，PCM目前發(fā)展?fàn)顟B(tài)

事務(wù)作為一個(gè)抽象概念，最早在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中被提出［1－3］，表示具有原子性（atomicity）、一致性（consistency）、隔離性（isolation）和持久性（durability），也即ACID特性的一組數(shù)據(jù)庫(kù)操作．這一抽象概念主要用于保證數(shù)據(jù)庫(kù)正常工作時(shí)對(duì)共享存儲(chǔ)資源的隔離性以及異常崩潰后的數(shù)據(jù)正確性．為了在系統(tǒng)或進(jìn)程崩潰等異常情況下保證事務(wù)特性，Mohan等人［4］提出了ARIES算法，使用了寫(xiě)前日志（write－ahead logging，WAL）方法將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)．文件系統(tǒng)相比數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)事務(wù)的概念進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只保證異常情況發(fā)生后恢復(fù)數(shù)據(jù)的一致性，采用的技術(shù)一般包括日志（journaling）［56］、影子頁(yè)（shadow paging）［7］以及軟更新（soft update）［8］技術(shù)．此外，事務(wù)概念也被擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和編譯領(lǐng)域以解決多核共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下并行程序內(nèi)存訪問(wèn)隔離性等問(wèn)題［9－10］．

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和文件系統(tǒng)中的事務(wù)處理技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，出現(xiàn)了很多在特定場(chǎng)景下的高效事務(wù)機(jī)制保證算法；另一方面，由于底層存儲(chǔ)介質(zhì)從磁帶、軟盤(pán)到磁盤(pán)的不斷發(fā)展，事務(wù)處理技術(shù)也不斷地被改進(jìn)以適應(yīng)底層存儲(chǔ)設(shè)備的變化．

近年來(lái)，隨著以閃存為主的非易失存儲(chǔ)器（nonvolatile memory，NVM）芯片存儲(chǔ)密度的提升與價(jià)格的下降，具有不同設(shè)備接口、基于非易失性存儲(chǔ)器的高性能存儲(chǔ)設(shè)備層出不窮．除了已經(jīng)量產(chǎn)的閃存之外，目前即將投入量產(chǎn)以及仍處于實(shí)驗(yàn)階段的新型非易失存儲(chǔ)介質(zhì)還包括相變存儲(chǔ)器（phase change memory，PCM）［1115］、阻變存儲(chǔ)器（resistive RAM，RRAM或ReRAM）［16－18］及磁存儲(chǔ)器（magnetic RAM，MRAM）［19－20］等．圖1是研究機(jī)構(gòu)Gartner在2013年半導(dǎo)體與電子研究報(bào)告中給出的幾種新型非易失存儲(chǔ)器目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)．從圖1可以看出，相變存儲(chǔ)器目前即將量產(chǎn)，但阻變存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)器根據(jù)其調(diào)研距離實(shí)用化還有大約5～10年的時(shí)間．這些非易失存儲(chǔ)器正在從根本上改變由磁介質(zhì)構(gòu)成的傳統(tǒng)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步縮小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的I?O性能與CPU處理性能之間的差距．本文中討論的非易失存儲(chǔ)器主要包括目前已經(jīng)量產(chǎn)并被廣泛使用的閃存存儲(chǔ)器以及即將量產(chǎn)的相變存儲(chǔ)器．

對(duì)于包括閃存和相變內(nèi)存在內(nèi)的非易失存儲(chǔ)介質(zhì)，其自身存儲(chǔ)特性以及構(gòu)成存儲(chǔ)設(shè)備后內(nèi)部工作機(jī)制與傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備存在本質(zhì)差異．例如閃存具有異地更新（out－of－place update）特性、相變內(nèi)存具有字節(jié)尋址（byte－addressed）特性，而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與文件系統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)大部分基于磁盤(pán)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，并沒(méi)有充分利用這些特性，這導(dǎo)致現(xiàn)有的軟件層事務(wù)處理技術(shù)運(yùn)行在非易失存儲(chǔ)設(shè)備上時(shí)會(huì)造成重復(fù)設(shè)計(jì)、性能較低以及寫(xiě)放大（write amplification）等問(wèn)題．

本文首先對(duì)傳統(tǒng)軟件層事務(wù)處理技術(shù)進(jìn)行了介紹；接著，依據(jù)已被廣泛使用的閃存和即將量產(chǎn)的相變內(nèi)存進(jìn)行劃分，對(duì)基于新型非易失存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)行了討論；最后給出了非易失存儲(chǔ)器在事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中應(yīng)用的研究展望．

1 軟件層事務(wù)處理技術(shù)現(xiàn)狀

軟件層事務(wù)處理技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)，由于這類技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)I?O棧的不同層，其技術(shù)細(xì)節(jié)不盡相同，按照應(yīng)用場(chǎng)景的不同可以分為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)以及文件系統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)．其中，文件系統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)一般只保證一致性和持久性，對(duì)原子性和隔離性不做強(qiáng)制要求．

1．1 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)

1．1．1 ARIES

在傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)通常包含若干條SQL語(yǔ)句，這些SQL語(yǔ)句經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯層的翻譯之后，表現(xiàn)為對(duì)底層大量數(shù)據(jù)塊的讀取和寫(xiě)入操作．事務(wù)處理技術(shù)正是保證這些底層塊設(shè)備數(shù)據(jù)塊的變化，要么全部體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，要么由于事務(wù)被中止（abort）或回滾（rollback）而在數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有體現(xiàn)，而不存在只修改了部分?jǐn)?shù)據(jù)塊的中間狀態(tài)．通常，數(shù)據(jù)庫(kù)中的事務(wù)處理機(jī)制由存儲(chǔ)引擎負(fù)責(zé)．

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)引擎正常運(yùn)行時(shí)，為上層提供事務(wù)支持并不困難．但是，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)崩潰甚至主機(jī)斷電時(shí)，由于系統(tǒng)緩存甚至磁盤(pán)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)丟失，底層存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)信息在崩潰后的狀態(tài)并不確定．要保證系統(tǒng)崩潰后恢復(fù)的數(shù)據(jù)仍然滿足事務(wù)的ACID特性，需要在系統(tǒng)崩潰后數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)進(jìn)行大量的額外工作．

IBM的研究人員Mohan等人［4］提出了ARIES（algorithm for recovery and isolation exploiting semantics）恢復(fù)算法，用以在異常情況保證數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)機(jī)制．ARIES使用單獨(dú)劃分的一塊磁盤(pán)區(qū)域作為日志區(qū)域，在將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)之前，首先將新數(shù)據(jù)以及舊數(shù)據(jù)一并寫(xiě)入到日志區(qū)域中，并使用事務(wù)標(biāo)識(shí)加上標(biāo)簽．當(dāng)日志區(qū)域大小達(dá)到某一閾值或每隔一定時(shí)間后，日志區(qū)域中的數(shù)據(jù)塊被刷入到數(shù)據(jù)庫(kù)中并設(shè)置檢查點(diǎn)（checkpoint），檢查點(diǎn)信息中包含當(dāng)前系統(tǒng)中運(yùn)行的事務(wù)狀態(tài)．

如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)異常崩潰后，恢復(fù)分3步進(jìn)行：分析（analysis）、重做（redo）和撤銷（undo）．首先對(duì)檢查點(diǎn)后的日志區(qū)域進(jìn)行分析，結(jié)合檢查點(diǎn)信息，得到系統(tǒng)崩潰時(shí)系統(tǒng)中所有事務(wù)的狀態(tài)；第2步重做操作將所有可能的在系統(tǒng)崩潰時(shí)還未寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)塊重新寫(xiě)入；最后，使用日志中存有的舊數(shù)據(jù)覆蓋未提交事務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行撤銷操作．通過(guò)這種寫(xiě)前日志（WAL）的方法，ARIES保證在異常情況發(fā)生后可以根據(jù)日志及檢查點(diǎn)信息將數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到滿足事務(wù)語(yǔ)義的狀態(tài)．

Fig．2 The three passes of ARIES restart［22］．圖2 ARIES重啟后恢復(fù)的3步工作

使用ARIES算法保證事務(wù)語(yǔ)義時(shí)，數(shù)據(jù)在寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)之前，需先寫(xiě)入到日志區(qū)域中，造成了額外的寫(xiě)操作．在性能上，雖然ARIES造成了重復(fù)寫(xiě)入，但是由于將原先對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的隨機(jī)寫(xiě)轉(zhuǎn)化為了對(duì)日志區(qū)域的連續(xù)寫(xiě)入，同時(shí)檢查點(diǎn)寫(xiě)入在后臺(tái)進(jìn)行．由于磁盤(pán)設(shè)備隨機(jī)I?O性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于連續(xù)I?O性能，所以對(duì)于磁盤(pán)設(shè)備，ARIES雖然存在額外寫(xiě)但卻帶來(lái)了性能提升．在目前主流數(shù)據(jù)庫(kù)中，MySQL InnoDB存儲(chǔ)引擎［23］、PostgreSQL［24］、SQL Server［25］以及Oracle［26］均采用類似ARIES的事務(wù)處理機(jī)制．

1．1．2 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中的事務(wù)處理技術(shù)

隨著移動(dòng)設(shè)備的流行，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)在各種移動(dòng)端應(yīng)用中廣泛流行．相比傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)更加輕量，同時(shí)處于文件系統(tǒng)層之上．

如圖3所示，在目前應(yīng)用最為廣泛的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite中，使用2種不同的日志模式保證數(shù)據(jù)處理的事務(wù)性．一種稱為回滾模式（rollback mode），另一種稱為寫(xiě)前日志模式（WAL mode）．

由于處于文件系統(tǒng)層之上，這2種日志模式均使用文件系統(tǒng)提供的fsync調(diào)用，并假設(shè)fsync具有原子性．圖3還詳細(xì)說(shuō)明了SQLite的2種事務(wù)處理模式的具體流程，在回滾模式下，SQLite對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行修改時(shí)，首先創(chuàng)建一個(gè)回滾文件，然后將數(shù)據(jù)庫(kù)文件被修改部分舊數(shù)據(jù)先寫(xiě)入回滾文件，繼而對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行修改，最后刪除回滾文件．寫(xiě)前日志模式則與ARIES非常相似，不同的是，這里寫(xiě)前日志是以文件的形式而不是磁盤(pán)區(qū)域的形式存在．

1．2 文件系統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)

文件系統(tǒng)在系統(tǒng)I?O棧中處于核心的位置，向上負(fù)責(zé)處理應(yīng)用層的各種系統(tǒng)調(diào)用，向下負(fù)責(zé)管理底層塊設(shè)備．通常情況下，由于單個(gè)文件系統(tǒng)調(diào)用涉及到對(duì)許多底層數(shù)據(jù)塊的操作，在系統(tǒng)崩潰等異常情況下操作可能會(huì)被中斷．文件系統(tǒng)同一時(shí)刻可能處理著大量并發(fā)的文件系統(tǒng)調(diào)用，所以異常情況可能會(huì)造成大量文件系統(tǒng)調(diào)用處于未完成的狀態(tài)，這會(huì)給文件系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的一致性問(wèn)題．

為了解決文件系統(tǒng)在系統(tǒng)崩潰等異常情況下的一致性問(wèn)題，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)事務(wù)概念被引入到文件系統(tǒng)中并被進(jìn)行了簡(jiǎn)化．文件系統(tǒng)將一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用封裝成一個(gè)事務(wù)，但是由于文件系統(tǒng)并不需要強(qiáng)制保證原子性和隔離性，所以文件系統(tǒng)中事務(wù)是一種弱事務(wù)．為了實(shí)現(xiàn)這種弱事務(wù)，目前主流文件系統(tǒng)使用的方法大致可以分為3類：日志、影子頁(yè)和軟更新．

1．2．1 日志

日志（journaling）借鑒了ARIES算法中的寫(xiě)前日志（WAL），同樣也在底層塊設(shè)備上使用單獨(dú)的區(qū)域作為日志區(qū)域，為了避免覆蓋舊數(shù)據(jù)，先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到日志區(qū)域，而后再將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到文件系統(tǒng)中．與寫(xiě)前日志不同的是，文件系統(tǒng)日志通常提供不同的日志級(jí)別，以Ext3文件系統(tǒng)為例，可以選擇日志級(jí)別為寫(xiě)回（writeback）、順序（ordered）和數(shù)據(jù)（data），由弱到強(qiáng)分別表示不作任何日志、只對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行日志以及對(duì)元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行日志，缺省選項(xiàng)為順序．當(dāng)日志級(jí)別為順序時(shí)，可以保證元數(shù)據(jù)一致性；而選擇日志級(jí)別為數(shù)據(jù)時(shí)，可以保證數(shù)據(jù)的版本一致性．使用日志技術(shù)的文件系統(tǒng)包括Ext3?4［6］，NTFS［28］，ReiserFS［28］，XFS［5］等．

Fig．3 SQLite journal modes［27］．圖3 SQLite不同日志模式

1．2．2 影子頁(yè)

影子頁(yè)是虛擬視圖技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)，采用了對(duì)數(shù)據(jù)異地更新之后更新元數(shù)據(jù)的策略．文件系統(tǒng)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)，并不直接對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行本地更新（in－place update），而是將新數(shù)據(jù)寫(xiě)入到別的地方，即避免數(shù)據(jù)覆蓋．除了新寫(xiě)入的數(shù)據(jù)之外，與新數(shù)據(jù)相關(guān)的文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)也需要修改，由于文件系統(tǒng)在塊設(shè)備上是一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，所以由底向上一層層地異地寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)，直到修改樹(shù)根部分最后一個(gè)指針數(shù)據(jù)塊，完成對(duì)新數(shù)據(jù)的寫(xiě)入．由于在寫(xiě)入最后一個(gè)指針數(shù)據(jù)塊之前，文件系統(tǒng)并沒(méi)有任何的改變，而寫(xiě)入之后，則本次寫(xiě)操作完成．使用影子頁(yè)技術(shù)的文件系統(tǒng)包括ZFS［29］和Brtfs［30］等．

1．2．3 軟更新

軟更新首先分析文件系統(tǒng)調(diào)用涉及到的所有數(shù)據(jù)塊之間的依賴關(guān)系，而后將數(shù)據(jù)塊按照一定順序?qū)懭耄@個(gè)順序可以保證異常中斷后已經(jīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)或者元數(shù)據(jù)與文件系統(tǒng)其他元數(shù)據(jù)一致．在具體實(shí)現(xiàn)中，為了保證這一點(diǎn)，在涉及到依賴沖突時(shí)，需要進(jìn)行回滾（roll back）或者前滾（roll forward）操作．在Unix的快速文件系統(tǒng)（FFS）中實(shí)現(xiàn)軟更新時(shí)，可以將性能提升到內(nèi)存文件系統(tǒng)的級(jí)別［8，31］．但是在文件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)軟更新嚴(yán)格的順序規(guī)則非常困難，目前使用軟更新技術(shù)的有FreeBSD的UFS［32］文件系統(tǒng)．

1．2．4 其他技術(shù)

近年來(lái)，在文件系統(tǒng)事務(wù)處理研究中出現(xiàn)了很多新技術(shù)．紐約大學(xué)的Spillane等人［33］提出了一種事務(wù)型文件系統(tǒng)Valor，向上層直接提供強(qiáng)事務(wù)原語(yǔ)．在具體實(shí)現(xiàn)中，Valor使用了類寫(xiě)前日志技術(shù)避免對(duì)舊數(shù)據(jù)的覆蓋寫(xiě)，在虛擬文件系統(tǒng)（virtual file system，VFS）中加入了事務(wù)鎖機(jī)制，保證了文件系統(tǒng)調(diào)用之間的隔離性．使用Valor提供的接口，上層軟件可以在文件系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的ACID事務(wù)邏輯．此外，威斯康辛大學(xué)的Wisdom小組的研究人員提出了基于反向指針的文件系統(tǒng)NoFS［34］以及快速恢復(fù)文件系統(tǒng)一致性的算法Ffsck［35］．NoFS在傳統(tǒng)文件系統(tǒng)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中加入反向指針，包括目錄樹(shù)i節(jié)點(diǎn)（inode）之間的反向指針以及數(shù)據(jù)塊與i節(jié)點(diǎn)之間的反向指針．當(dāng)文件系統(tǒng)操作由于系統(tǒng)崩潰或斷電等原因被中斷后，NoFS可以通過(guò)正常的文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊指針以及額外的反向指針對(duì)文件系統(tǒng)一致性進(jìn)行驗(yàn)證，并恢復(fù)到一致?tīng)顟B(tài)．Ffsck則通過(guò)在文件系統(tǒng)所管理的底層塊設(shè)備上設(shè)置新的間接區(qū)域（indirect region）存放文件間接塊（indirect blocks）以及目錄數(shù)據(jù)塊，恢復(fù)時(shí)順序讀取間接區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行驗(yàn)證，從而提高了恢復(fù)速度．

1．3 小 結(jié)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，事務(wù)處理機(jī)制負(fù)責(zé)事務(wù)間的數(shù)據(jù)隔離，并保證對(duì)舊數(shù)據(jù)的保護(hù)．當(dāng)斷電、系統(tǒng)崩潰或進(jìn)程崩潰等異常狀態(tài)發(fā)生后，事務(wù)處理機(jī)制需要中止未完成的事務(wù)，使用原先的舊數(shù)據(jù)清除沒(méi)有完成的事務(wù)，從而在底層存儲(chǔ)設(shè)備中將被故障中斷的事務(wù)狀態(tài)清理干凈．

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要采用基于寫(xiě)前日志的技術(shù)，首先將新數(shù)據(jù)寫(xiě)入到日志區(qū)域中，避免了對(duì)舊數(shù)據(jù)的覆蓋，當(dāng)事務(wù)提交后，再次寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中．這樣的設(shè)計(jì)可以將隨機(jī)寫(xiě)入轉(zhuǎn)換為對(duì)日志區(qū)域的順序?qū)?，?duì)于磁盤(pán)友好，但由于接近1∶1的額外的寫(xiě)操作，對(duì)閃存設(shè)備卻會(huì)造成壽命問(wèn)題．

與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)相比，文件系統(tǒng)本身并不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)隔離，而是由操作系統(tǒng)提供的文件鎖機(jī)制提供隔離性．文件系統(tǒng)主要保證在斷電或者系統(tǒng)崩潰等異常狀態(tài)后的數(shù)據(jù)一致性，現(xiàn)有的文件系統(tǒng)主要采用的是日志、影子頁(yè)和軟更新等技術(shù)．日志和影子頁(yè)技術(shù)避免了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋寫(xiě)，軟更新則使用復(fù)雜的依賴性保證數(shù)據(jù)一致性．日志技術(shù)也在一定程度上造成了對(duì)底層設(shè)備的重復(fù)寫(xiě)入．

2 基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)

由閃存芯片組成的固態(tài)硬盤(pán)（solid－state drive，SSD）等閃存設(shè)備由于內(nèi)部并行性等原因使得其I?O性能無(wú)論是帶寬還是延遲相比磁盤(pán)都有顯著地提升．為了兼容已有系統(tǒng)，固態(tài)硬盤(pán)大多采用傳統(tǒng)磁盤(pán)設(shè)備接口，但是在內(nèi)部工作原理上，閃存設(shè)備與磁盤(pán)設(shè)備有本質(zhì)區(qū)別，傳統(tǒng)的設(shè)備接口限制了閃存設(shè)備特性在事務(wù)處理技術(shù)上的發(fā)揮．

本節(jié)從2方面介紹基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)，首先介紹的是使用傳統(tǒng)接口的閃存設(shè)備進(jìn)行事務(wù)處理加速技術(shù)；接著介紹打破接口限制、擴(kuò)展現(xiàn)有設(shè)備接口，利用軟硬件協(xié)同的閃存事務(wù)處理系統(tǒng)．

2．1 閃存設(shè)備特性

閃存作為一種持久化的可擦除編程存儲(chǔ)器，主要分為NOR閃存與NAND閃存．NOR閃存存儲(chǔ)單元使用NOR邏輯門，支持字節(jié)粒度的讀寫(xiě)以及片上執(zhí)行（execute on chip），程序可以在NOR閃存芯片內(nèi)執(zhí)行；NAND閃存則使用NAND邏輯門作為存儲(chǔ)單元并支持以頁(yè)（page）為單位的讀寫(xiě)．與NOR閃存相比，NAND閃存具有存儲(chǔ)密度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用在存儲(chǔ)領(lǐng)域．NAND閃存根據(jù)單元存儲(chǔ)密度不同被分為SLC（single－level cell），MLC（multi－level cell）和TLC（triple－level cell）閃存［36－37］．下文中所討論的閃存如無(wú)特殊說(shuō)明，均為NAND閃存．

NAND閃存的編程為單向編程，當(dāng)電子被注入到存儲(chǔ)單元后，即表示從狀態(tài)“1”寫(xiě)為狀態(tài)“0”，但不支持從狀態(tài)“0”寫(xiě)為狀態(tài)“1”．NAND閃存在重新寫(xiě)入一個(gè)頁(yè)面之前，需要進(jìn)行擦除（erase）操作．與讀、寫(xiě)不同的是，NAND閃存擦除單位為塊（block）．通常，閃存頁(yè)的大小為4KB或更大，而閃存塊包含256個(gè)或更多閃存頁(yè)．每個(gè)閃存頁(yè)除了數(shù)據(jù)區(qū)之外，根據(jù)頁(yè)空間大小還包含64～256B不等的頁(yè)帶外區(qū)域（out－of－band area，OOB）用于存放ECC、邏輯頁(yè)地址等信息．閃存的各個(gè)操作之間延遲相差較大，單個(gè)頁(yè)讀操作平均延遲為25μs，寫(xiě)操作平均延遲為200μs，但是擦除操作的平均延遲長(zhǎng)達(dá)1．5ms［38］．此外NAND閃存擦除操作有限，SLC閃存可擦寫(xiě)100 000次左右，MLC可擦寫(xiě)約10 000次，但TLC僅可擦寫(xiě)約1 000次［39－40］．

為避免擦除操作造成的延遲并使擦除操作對(duì)上層透明從而兼容傳統(tǒng)設(shè)備接口，閃存采用異地更新（out－of－place update）的策略對(duì)頁(yè)面進(jìn)行重寫(xiě)，并引入了一層重定向（indirection）向上層軟件提供統(tǒng)一的邏輯地址空間．當(dāng)對(duì)某個(gè)邏輯頁(yè)重新寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，首先分配一個(gè)空白物理頁(yè)并寫(xiě)入數(shù)據(jù)，之后邏輯頁(yè)被映射到新寫(xiě)入的物理頁(yè)，原先所指向的物理頁(yè)被標(biāo)記為無(wú)效頁(yè)面，并被定期地進(jìn)行垃圾回收（garbage collection，GC）．在閃存設(shè)備中，管理邏輯地址到物理地址映射的這一層重定向被稱為閃存轉(zhuǎn)換層（flash translation layer，F(xiàn)TL）．除了地址映射，閃存轉(zhuǎn)換層還負(fù)責(zé)垃圾回收以及磨損均衡等機(jī)制．根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，閃存轉(zhuǎn)換層可以被實(shí)現(xiàn)在閃存設(shè)備固件中，也可以被實(shí)現(xiàn)在閃存設(shè)備驅(qū)動(dòng)中．

對(duì)于事務(wù)處理，得益于閃存設(shè)備本身的高性能，使用傳統(tǒng)接口的閃存設(shè)備可得到一定程度的性能提升，但是這并沒(méi)有發(fā)揮出閃存設(shè)備全部的能力．目前主流的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與文件系統(tǒng)是基于磁盤(pán)塊設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化的，而閃存設(shè)備由于內(nèi)部閃存轉(zhuǎn)換層的存在，在內(nèi)部機(jī)制上與磁盤(pán)設(shè)備完全不同，這使得針對(duì)磁盤(pán)設(shè)計(jì)的事務(wù)存儲(chǔ)技術(shù)沒(méi)有充分利用閃存設(shè)備的特點(diǎn)．現(xiàn)有在基于傳統(tǒng)接口閃存設(shè)備上構(gòu)建的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)存在的不足主要體現(xiàn)在以下3方面：

1）設(shè)計(jì)冗余

事務(wù)處理中的寫(xiě)前日志技術(shù)及虛擬視圖技術(shù)本質(zhì)上是為了保護(hù)活動(dòng)事務(wù)原有數(shù)據(jù)不被覆蓋，這樣在事務(wù)主動(dòng)撤銷或者由于錯(cuò)誤造成的回滾時(shí)可以將所修改的數(shù)據(jù)恢復(fù)到原有狀態(tài)．而閃存設(shè)備的異地更新特性與軟件層事務(wù)處理機(jī)制保護(hù)舊數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)有異曲同工之處．這樣，異地更新這一設(shè)計(jì)同時(shí)出現(xiàn)在了閃存轉(zhuǎn)換層以及軟件層事務(wù)處理技術(shù)中．雖然這2處異地更新的目地和效果均不相同，但2處異地更新存在設(shè)計(jì)上的冗余，增加了數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)的開(kāi)銷，同時(shí)也可能造成性能優(yōu)化策略存在沖突．

2）策略沖突

與設(shè)計(jì)冗余相比，策略沖突造成的問(wèn)題更加嚴(yán)重．以日志文件系統(tǒng)為例，在寫(xiě)文件之前，首先將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)與修改的文件元數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)設(shè)備日志區(qū)域中，這種基于磁盤(pán)設(shè)計(jì)的寫(xiě)入策略無(wú)形中增加了一倍以上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入量，會(huì)對(duì)閃存設(shè)備壽命造成損害．

3）協(xié)同缺失

傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備接口相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有協(xié)同分工的能力．閃存設(shè)備內(nèi)部具有一定的處理能力，邏輯較復(fù)雜，由于傳統(tǒng)設(shè)備接口的限制，閃存設(shè)備內(nèi)部特性完全對(duì)上層系統(tǒng)透明．內(nèi)部透明性使得閃存設(shè)備可以替換磁盤(pán)設(shè)備并兼容遺留系統(tǒng)軟件，但同時(shí)也完全杜絕了軟硬件協(xié)同分工的可能性，將全部工作集中在軟件層，沒(méi)有充分利用設(shè)備性能進(jìn)行協(xié)同處理．

傳統(tǒng)接口閃存設(shè)備使用包括SATA，SAS等在內(nèi)的現(xiàn)有磁盤(pán)接口，事務(wù)處理機(jī)制中簡(jiǎn)單使用傳統(tǒng)接口閃存設(shè)備替換磁盤(pán)不能充分發(fā)揮閃存設(shè)備異地更新的特性，因而研究人員對(duì)現(xiàn)有閃存設(shè)備接口進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了擴(kuò)展接口閃存設(shè)備用于事務(wù)處理．?dāng)U展接口閃存設(shè)備在內(nèi)部將閃存異地更新特性與事務(wù)處理技術(shù)相整合，并以接口的形式對(duì)軟件層開(kāi)放，軟件層可以直接使用由設(shè)備提供的事務(wù)處理接口進(jìn)行事務(wù)處理，從而利用軟硬件協(xié)同的方式提升事務(wù)處理系統(tǒng)的整體性能．

接下來(lái)的2小節(jié)中，首先將介紹相對(duì)簡(jiǎn)單的基于傳統(tǒng)接口的閃存設(shè)備事務(wù)處理相關(guān)研究，接著重點(diǎn)介紹需要對(duì)設(shè)備接口進(jìn)行擴(kuò)充的基于專用事務(wù)接口的事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)．

2．2 基于傳統(tǒng)接口的閃存設(shè)備事務(wù)處理

基于傳統(tǒng)接口的閃存設(shè)備，包括USB閃存盤(pán)以及SATA，SAS固態(tài)硬盤(pán)相比磁盤(pán)具有較好的I?O性能．在傳統(tǒng)事務(wù)處理技術(shù)中，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（data buffer）在內(nèi)存中緩存最近被數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的塊設(shè)備數(shù)據(jù)，日志緩沖區(qū)（log buffer）在內(nèi)存中緩存事務(wù)產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)．對(duì)于這2個(gè)緩沖區(qū)，都可以使用閃存設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化以加速事務(wù)處理．

2．2．1 基于USB閃存盤(pán)的FlashLogging［41］

Intel的研究人員提出的FlashLogging技術(shù)，使用了大量USB閃存盤(pán)并發(fā)處理日志I?O請(qǐng)求，提高了同步日志處理的性能，從而提高了系統(tǒng)的事務(wù)處理能力．

FlashLogging使用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)存中的日志緩沖作為生產(chǎn)者，不同的USB閃存設(shè)備作為消費(fèi)者．任意時(shí)刻內(nèi)存日志緩沖區(qū)需要寫(xiě)入日志數(shù)據(jù)時(shí)，只要在系統(tǒng)掛載的USB閃存盤(pán)中找到空閑的寫(xiě)入，繼而再將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到磁盤(pán)中．由于多個(gè)閃存盤(pán)提高了日志寫(xiě)入的并發(fā)性，從而提高了事務(wù)吞吐．但是在恢復(fù)時(shí)，F(xiàn)lashLogging需要掃描所有的USB閃存盤(pán)，所以恢復(fù)代價(jià)也較大．

2．2．2 混合存儲(chǔ)事務(wù)處理

雖然閃存設(shè)備具有較高性能，但是相比磁盤(pán)成本也較高，混合存儲(chǔ)事務(wù)處理技術(shù)的研究目的在于充分發(fā)揮閃存設(shè)備的高性能與磁盤(pán)設(shè)備的大容量，做到高效融合．滑鐵盧大學(xué)的研究人員提出了使用磁盤(pán)（hard disk drive，HDD）和SSD的混合型存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)MySQL InnoDB存儲(chǔ)引擎事務(wù)處理機(jī)制進(jìn)行加速的設(shè)計(jì)［42］，并在此基礎(chǔ)上提出了基于讀寫(xiě)代價(jià)的數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)調(diào)整算法，將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)讀寫(xiě)代價(jià)分別存放于HDD和SSD中，以獲得盡可能多的性能收益．

圖4是混合存儲(chǔ)系統(tǒng)事務(wù)處理的結(jié)構(gòu)圖，由于數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)被寫(xiě)回到SSD之后再讀取比寫(xiě)回HDD再讀取的成本要低，但是SSD的空間相對(duì)較小，所以將性能收益更高的數(shù)據(jù)放置在SSD上可以更加有效地提升整體性能．為了衡量緩沖區(qū)中的每個(gè)頁(yè)p存放到SSD上的潛在性能收益B（p），緩沖區(qū)調(diào)整算法采用了下列公式進(jìn)行量化：

其中，r（p）和w（p）分別代表頁(yè)p曾經(jīng)被寫(xiě)和讀的次數(shù)，RD和RS分別代表硬盤(pán)和SSD的讀該頁(yè)需要的時(shí)間，而WD和WS分別代表硬盤(pán)和SSD寫(xiě)該頁(yè)需要的時(shí)間．由于硬盤(pán)讀寫(xiě)時(shí)間與工作負(fù)載相關(guān)，所以采用了平均值代替．

Fig．4 Hybrid storage system for DBMS［42］．圖4 混合存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

上述方法應(yīng)用于混合存儲(chǔ)系統(tǒng)可以有效地提升數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的事務(wù)處理性能，同時(shí)有效利用了磁盤(pán)的大容量．但是由于其本質(zhì)上是將讀寫(xiě)次數(shù)較多的頁(yè)緩存于固態(tài)硬盤(pán)中，從一定程度上將會(huì)造成閃存設(shè)備的寫(xiě)磨損加劇．

2．2．3 多用戶環(huán)境的固態(tài)硬盤(pán)事務(wù)處理

威斯康辛大學(xué)和NEC公司研究人員對(duì)多租戶（multi－tenant）環(huán)境下使用固態(tài)硬盤(pán)事務(wù)處理的3種不同設(shè)計(jì)進(jìn)行了性能測(cè)試［43］．與磁盤(pán)設(shè)備不同的是，當(dāng)使用固態(tài)硬盤(pán)作為介質(zhì)時(shí)，使用虛擬化技術(shù)提供多租戶的用例事務(wù)處理性能沒(méi)有明顯下降．

由于虛擬化技術(shù)提供多租戶的用例環(huán)境下，每個(gè)虛擬機(jī)均有其各自的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)，這時(shí)不管日志I?O還是數(shù)據(jù)I?O均為隨機(jī)讀寫(xiě)，在磁盤(pán)環(huán)境下，隨機(jī)讀寫(xiě)相比非虛擬化單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及非虛擬化多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的日志順序I?O均有較大的性能損失；固態(tài)硬盤(pán)環(huán)境下隨機(jī)I?O與順序I?O的性能相差沒(méi)有磁盤(pán)那么大，因此，基于閃存固態(tài)硬盤(pán)和虛擬化技術(shù)的多租戶事務(wù)處理設(shè)計(jì)可以提供良好的性能．這也證明了在云計(jì)算環(huán)境下，基于隔離虛擬機(jī)的多租戶事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)使用閃存設(shè)備處理更具有優(yōu)勢(shì)．

2．3 擴(kuò)展現(xiàn)有設(shè)備接口的事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)

使用基于傳統(tǒng)接口的閃存設(shè)備固然可以提高事務(wù)處理的性能，但是仍然沒(méi)有充分發(fā)揮閃存的優(yōu)勢(shì)．為了將閃存自身的異地更新特性應(yīng)用于事務(wù)處理技術(shù)中，現(xiàn)有閃存設(shè)備的接口必須得到擴(kuò)展，從而可以將一部分的工作交給硬件，通過(guò)軟硬件協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)更加高效的事務(wù)處理．

這類研究，從接口類型來(lái)看，可以分為提供數(shù)據(jù)庫(kù)的ACID事務(wù)接口，或提供日志文件系統(tǒng)的一致性接口．從提交協(xié)議上來(lái)看，可以分為鏈?zhǔn)教峤粎f(xié)議、滑動(dòng)窗口以及依據(jù)事務(wù)拓?fù)潢P(guān)系的有向無(wú)環(huán)式提交協(xié)議．雖然具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)各異，但是所有研究都致力于提供更高效的閃存設(shè)備事務(wù)處理以及更快速的恢復(fù)．

2．3．1 基于閃存設(shè)備FTL的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

Park等人［44］提出的AtomicWriteFTL是最早使用閃存設(shè)備異地更新特性提供事務(wù)支持的研究．AtomicWriteFTL提供了額外的設(shè)備接口：Atomic－WriteStart（）和AtomicWriteCommit（），分別用于開(kāi)始一個(gè)事務(wù)以及提交一個(gè)事務(wù)，并修改了FAT文件系統(tǒng)使用這2個(gè)接口．當(dāng)FAT文件系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)調(diào)用時(shí)需要同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行修改時(shí)，就使用上述設(shè)備接口進(jìn)行處理．AtomicWrite－Start（）被調(diào)用時(shí)，生成一個(gè)隨機(jī)的事務(wù)id，并存放到每個(gè)頁(yè)的OOB區(qū)域中．AtomicWriteCommit（）被調(diào)用時(shí)，一個(gè)提交記錄被寫(xiě)入持久化層中．

AtomicWriteFTL由于研究時(shí)間較早，并未考慮大容量閃存設(shè)備的恢復(fù)以及對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)的支持等問(wèn)題．同時(shí)該工作直接修改了FAT文件系統(tǒng)，而沒(méi)有修改系統(tǒng)塊設(shè)備緩存，這使得要使用設(shè)備提供的事務(wù)接口就必須將文件系統(tǒng)以同步的方式掛載，也造成了性能問(wèn)題．

在AtomicWriteFTL的基礎(chǔ)上，韓國(guó)成均館大學(xué)和首爾大學(xué)的研究人員提出了一個(gè)事務(wù)型閃存轉(zhuǎn)換層X(jué)－FTL［27］，并以移動(dòng)設(shè)備上大量應(yīng)用的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)軟件SQLite作為上層應(yīng)用進(jìn)行接口設(shè)計(jì)．在外部設(shè)備接口上，如表1所示，X－FTL修改了SATA接口的讀寫(xiě)命令，增加了一個(gè)代表事務(wù)標(biāo)識(shí)的參數(shù)；此外還新增加了commit和abort命令．

如圖5所示，與傳統(tǒng)閃存轉(zhuǎn)換層相比，X－FTL新增了事務(wù)頁(yè)映射表（transactional page mapping table，X－L2P）用于存放未提交事務(wù)中的邏輯頁(yè)的映射信息，并在事務(wù)提交后將事務(wù)頁(yè)映射表信息寫(xiě)入到閃存轉(zhuǎn)換層地址映射表中．與AtomicWriteFTL相比，X－FTL沒(méi)有使用閃存頁(yè)OOB區(qū)域而是在閃存設(shè)備中開(kāi)辟新的區(qū)域存放未提交的事務(wù)頁(yè)映射信息．

Table 1 X－FTL Extended SATA Interface［27］表1 X－FTL擴(kuò)展SATA接口

Fig．5 X－FTL architecture：a FTL for transactional atomicity［27］．圖5 X－FTL體系結(jié)構(gòu)：一種提供事務(wù)原子性的FTL

在X－FTL中，雖然數(shù)據(jù)頁(yè)本身并沒(méi)有被寫(xiě)入2次，但是對(duì)于X－L2P表中的映射信息仍然被寫(xiě)入了2次．AtomicWriteFTL與X－FTL都是在現(xiàn)有閃存轉(zhuǎn)換層基礎(chǔ)上增加新的模塊，而不需要對(duì)現(xiàn)有FTL做任何的變動(dòng)．

國(guó)內(nèi)中國(guó)人民大學(xué)的研究人員提出的MixSL［45］同樣也是一種基于現(xiàn)有MLC閃存設(shè)備FTL的事務(wù)提交模型．與X－FTL類似，MixSL在內(nèi)存中使用一個(gè)Transaction Table用以追蹤事務(wù)狀態(tài)，同時(shí)使用一個(gè)Δ－Mapping Table存放事務(wù)中新增的映射信息．當(dāng)故障恢復(fù)時(shí)，MixSL掃描日志數(shù)據(jù)頁(yè)OOB區(qū)域存放的事務(wù)信息丟棄掉未完成的數(shù)據(jù)頁(yè)．

2．3．2 基于鏈?zhǔn)教峤粎f(xié)議的TxFlash［46］

微軟的研究人員提出了基于鏈表的事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)TxFlash以及其提交協(xié)議簡(jiǎn)單環(huán)狀提交（simple cyclic commit，SCC）和反向指針環(huán)狀提交（back pointer cyclic commit，BPCC）［46］．TxFlash利用閃存頁(yè)OOB存放事務(wù)中下一個(gè)頁(yè)的物理地址作為單向鏈表指針，事務(wù)的最后一頁(yè)的OOB區(qū)域中存放事務(wù)首頁(yè)的物理地址，因此一個(gè)事務(wù)中的數(shù)據(jù)頁(yè)形成了環(huán)．異常發(fā)生后，恢復(fù)時(shí)首先掃描所有的頁(yè)，如果某些頁(yè)根據(jù)其OOB中的指針構(gòu)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，那么表示該事務(wù)已經(jīng)提交，否則表示未提交并丟棄該事務(wù)所有的頁(yè)．由于閃存垃圾回收操作可能會(huì)破壞這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)，為了區(qū)分破壞的環(huán)狀結(jié)構(gòu)是由垃圾回收還是未提交事務(wù)造成的，SCC協(xié)議在寫(xiě)入數(shù)據(jù)頁(yè)時(shí)強(qiáng)制擦除該數(shù)據(jù)頁(yè)之前的未提交版本以及其所依賴的頁(yè)，但是引入的擦除操作會(huì)影響整體寫(xiě)入性能，因此在SCC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了BPCC協(xié)議，BPCC中每個(gè)頁(yè)除了有指向下一頁(yè)的指針之外，還包含該邏輯頁(yè)上一個(gè)已提交版本的地址作為反向指針．這樣如果某個(gè)頁(yè)既沒(méi)有反向指針指入，又處于一個(gè)被破壞的環(huán)狀鏈表中，則這一個(gè)頁(yè)屬于某個(gè)未提交事務(wù)，需要被垃圾回收．

TxFlash的2種提交協(xié)議SCC和BPCC對(duì)頁(yè)面擦除時(shí)機(jī)存在限制，同時(shí)具有較大開(kāi)銷．為了解決該問(wèn)題，浸會(huì)大學(xué)和南洋理工大學(xué)的研究人員在TxFlash的基礎(chǔ)上提出了Flag Commit協(xié)議［47］．Flag Commit協(xié)議基于SLC閃存支持指針的原地修改，在擦除已提交事務(wù)中的頁(yè)面時(shí)，原地修改OOB區(qū)域內(nèi)的指針即可與未提交事務(wù)相區(qū)分，從而避免了SCC和BPCC由于指針依賴說(shuō)帶來(lái)的額外擦除開(kāi)銷，但Flag Commit協(xié)議僅限于SLC閃存，而無(wú)法應(yīng)用于常用的MLC閃存中．

此外，TxFlash的恢復(fù)基于全盤(pán)掃描，離線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，印度理工學(xué)院的研究人員提出了一種基于TxFlash的提交協(xié)議QRCC（quick recovery cyclic commit）［48］，將每個(gè)事務(wù)的首頁(yè)存放在閃存設(shè)備的一個(gè)順序結(jié)構(gòu)中．這樣在恢復(fù)時(shí)，只需要依據(jù)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行事務(wù)狀態(tài)檢查，從而實(shí)現(xiàn)了TxFlash的恢復(fù)加速．

2．3．3 對(duì)FTL進(jìn)行修改的事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)

除了基于已有FTL設(shè)計(jì)事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)之外，俄亥俄州立大學(xué)以及FusionIO公司的研究人員合作，對(duì)FTL層進(jìn)行了修改，提出了Atomic－Write［49］的設(shè)計(jì)，直接由FTL層提供事務(wù)支持，并在FusionIO公司的產(chǎn)品中被廣泛使用［50］．與三星、Intel等公司基于設(shè)備的（device－based）固態(tài)硬盤(pán)（SSD）等不同的是，F(xiàn)usionIO面向企業(yè)提供基于主機(jī)的（host－based）固態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)（solid state storage，SSS），由軟件層提供閃存轉(zhuǎn)換層、磨損均衡和垃圾回收等功能．與AtomicWriteFTL和X－FTL相比，Atomic－Write對(duì)上層提供的專用事務(wù)處理接口相似，但直接修改基于日志FTL以實(shí)現(xiàn)這些接口，圖6是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：

Fig．6 Implementing Atomic－Write within a log based FTL［49］．圖6 在基于日志FTL中實(shí)現(xiàn)Atomic－Write

為了將增加事務(wù)處理對(duì)系統(tǒng)性能的影響控制在最小范圍，Atomic－Write在閃存轉(zhuǎn)換層的映射信息中增加了一位，當(dāng)這一位為“1”時(shí)，表示當(dāng)前頁(yè)是一個(gè)事務(wù)的最后一頁(yè)．同時(shí)，每個(gè)時(shí)刻最多有一個(gè)正在寫(xiě)入的原子寫(xiě)．在系統(tǒng)崩潰等異常情況后，由后向前掃描映射信息日志，在遇到第一個(gè)標(biāo)志位為“1”的映射信息之前，丟棄到所有的標(biāo)志位為“0”的映射信息，也即丟棄掉最后一個(gè)未完成的原子寫(xiě)．Atomic－Write實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是日志FTL，同時(shí)為了支持事務(wù)處理僅額外寫(xiě)入了1b信息，在不涉及到并發(fā)性的前提下性能較優(yōu)．但是同一時(shí)刻，Atomic－Write最多只有一個(gè)寫(xiě)入中的事務(wù)，限制了底層閃存設(shè)備的并發(fā)性．FusionIO將這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在其商業(yè)產(chǎn)品Atomic Series的ioMemory中，同時(shí)提供MySQL InnoDB存儲(chǔ)引擎擴(kuò)展以使用這些事務(wù)處理接口．

2．3．4 基于滑動(dòng)窗口的LightTx［51］

在事務(wù)處理機(jī)制中，事務(wù)的隔離性一般由軟件層的鎖機(jī)制負(fù)責(zé)，如果由設(shè)備層提供，設(shè)備層一般只能提供串行（serializable）一種隔離性，也即一個(gè)事務(wù)完成后處理下一個(gè)事務(wù)，但是這限制了底層存儲(chǔ)設(shè)備的性能．為了解決這一問(wèn)題，Lu等人［51］提出了基于滑動(dòng)窗口的靈活輕量事務(wù)閃存LightTx，支持事務(wù)的3種不同隔離級(jí)別：嚴(yán)格隔離（strict isolation）、無(wú)頁(yè)沖突（no－page－conflict）和串行（serializable），并由軟件層決定具體的隔離級(jí)別．在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，LightTx將閃存設(shè)備根據(jù)事務(wù)所處不同的生命周期劃分為4個(gè)滑動(dòng)窗口，分別為已完成區(qū)域（checkpointed zone）、待定窗口（pending window）、更新窗口（updating window）和空閑區(qū)域（free zone）．任意時(shí)刻，正在更新的事務(wù)只存在于待定窗口與更新窗口中．LightTx采用頁(yè)面技術(shù)的方式在恢復(fù)時(shí)判斷事務(wù)是否提交，事務(wù)的最后一個(gè)頁(yè)面的OOB區(qū)域?yàn)槭聞?wù)中頁(yè)總數(shù)，否則為0．當(dāng)系統(tǒng)崩潰恢復(fù)時(shí)，只需要對(duì)待定窗口和更新窗口區(qū)域進(jìn)行掃描和驗(yàn)證，從而減少了存儲(chǔ)系統(tǒng)離線恢復(fù)時(shí)間．

圖7是采用LightTx事務(wù)恢復(fù)協(xié)議的事務(wù)閃存設(shè)備的狀態(tài)快照示例，當(dāng)故障發(fā)生后，掃描更新窗口和待定窗口根據(jù)頁(yè)面OOB中的信息可以判定Tx6，Tx9，Tx10為未提交事務(wù)，需要被進(jìn)行垃圾回收，其余事務(wù)的FTL層數(shù)據(jù)則要被再次寫(xiě)入．2．3．5 基于有向無(wú)環(huán)提交協(xié)議的M bius［52］

Fig．7 Zone－based transaction state tracking［51］．圖7 基于窗口事務(wù)狀態(tài)跟蹤圖

事務(wù)閃存設(shè)備除了需要寫(xiě)入事務(wù)數(shù)據(jù)之外，與一般的閃存設(shè)備一樣，也需要保證FTL層的映射數(shù)據(jù)被持久化．清華大學(xué)的研究人員基于開(kāi)源硬件OpenSSD設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了名叫M bius的事務(wù)閃存設(shè)備，M bius將FTL映射數(shù)據(jù)與事務(wù)元數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式持久化事務(wù)元數(shù)據(jù)．M bius將事務(wù)分為靜態(tài)事務(wù)（static transaction）與動(dòng)態(tài)事務(wù)（dynamic transaction），靜態(tài)事務(wù)主要指事務(wù)所有待寫(xiě)入的頁(yè)都已經(jīng)在內(nèi)存中，和多個(gè)頁(yè)的原子寫(xiě)比較接近，而動(dòng)態(tài)事務(wù)指事務(wù)開(kāi)始時(shí)待寫(xiě)入的頁(yè)還沒(méi)有確定，需要等待計(jì)算．通常文件系統(tǒng)緩存處理數(shù)據(jù)的方式是靜態(tài)事務(wù)式的，但是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的多個(gè)SQL語(yǔ)句組成的事務(wù)是動(dòng)態(tài)事務(wù)．對(duì)于靜態(tài)事務(wù)，由于事務(wù)所有的寫(xiě)入頁(yè)已經(jīng)確定，M bius會(huì)實(shí)現(xiàn)分配物理頁(yè)，一個(gè)事務(wù)所分配的所有頁(yè)的映射信息以及事務(wù)信息被記錄到一個(gè)被稱為Atom的閃存頁(yè)中，所有的Atom被維護(hù)在一個(gè)稱為Atom Log Area的區(qū)域，在恢復(fù)時(shí)使用有向無(wú)環(huán)圖提交協(xié)議快速檢查；而對(duì)于動(dòng)態(tài)事務(wù)，M bius采用鏈表式的方式進(jìn)行寫(xiě)入．

有向無(wú)環(huán)提交協(xié)議的關(guān)鍵在于當(dāng)前事務(wù)的提交記錄寫(xiě)入到后續(xù)的事務(wù)中，于是在Atom Log Area形成了后續(xù)Atom指向之前Atom的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．恢復(fù)時(shí)，對(duì)Atom Log Area從后向前進(jìn)行掃描，如果某Atom被之前Atom所指向，這該Atom代表的事務(wù)已提交．否則需要進(jìn)一步進(jìn)行檢查，讀取Atom內(nèi)的映射信息，訪問(wèn)所有的物理頁(yè)，如果物理頁(yè)中事務(wù)id與Atom中的id均吻合，則表示該事務(wù)已完成，否則表示該事務(wù)未完成，需要進(jìn)行垃圾回收．

2．4 小 結(jié)

基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)按照接口技術(shù)的不同可以分成2類，一類系統(tǒng)直接使用現(xiàn)有接口閃存設(shè)備，包括USB接口或諸如SATA，SAS接口在內(nèi)的磁盤(pán)接口閃存設(shè)備．這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要圍繞著利用這些閃存設(shè)備比傳統(tǒng)磁盤(pán)更優(yōu)的I?O性能加速事務(wù)處理．另一類系統(tǒng)則對(duì)現(xiàn)有設(shè)備接口進(jìn)行擴(kuò)展，利用閃存異地更新特性，將寫(xiě)前日志的功能實(shí)現(xiàn)在閃存設(shè)備內(nèi)部，對(duì)上層軟件提供不同類型的事務(wù)處理接口，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)造成的冗余I?O等問(wèn)題，提升了性能．

閃存設(shè)備接口的局限性被越來(lái)越多的研究人員所關(guān)注，例如北京大學(xué)和百度公司的研究人員提出了將閃存設(shè)備通道直接暴露給軟件層的設(shè)計(jì)［53］，在這樣的存儲(chǔ)架構(gòu)之上，直接使用閃存硬件更高效地實(shí)現(xiàn)了LSM樹(shù)（log－structured merge－tree）型結(jié)構(gòu)．

擴(kuò)展閃存設(shè)備接口進(jìn)行事務(wù)處理的技術(shù)與直接利用閃存設(shè)備I?O性能進(jìn)行事務(wù)處理加速的技術(shù)相比更加復(fù)雜，也是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的主要方向，這類系統(tǒng)也被稱為事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)．

事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)分別在系統(tǒng)開(kāi)銷、離線恢復(fù)時(shí)間、設(shè)備接口和事務(wù)隔離性等方面考慮事務(wù)處理邏輯的實(shí)現(xiàn)．這些設(shè)計(jì)可以被實(shí)現(xiàn)在閃存設(shè)備的固件層，也可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)軟件層或設(shè)備驅(qū)動(dòng)層．通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮閃存異地更新的特性，減少了不必要的數(shù)據(jù)寫(xiě)入量．以日志文件系統(tǒng)為例，在日志模式下，系統(tǒng)調(diào)用的首先被寫(xiě)入連續(xù)的日志區(qū)域，接著被寫(xiě)入磁盤(pán)實(shí)際位置，數(shù)據(jù)寫(xiě)入量WT為：

其中，WJ為磁盤(pán)日志寫(xiě)入量，WD為磁盤(pán)數(shù)據(jù)寫(xiě)入量，在嚴(yán)格一致性條件下，WJ和WD數(shù)據(jù)量大致相同，由于WD是有效的數(shù)據(jù)變化量，所以寫(xiě)放大率達(dá)到1∶1．但是對(duì)事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)，WJ的寫(xiě)入量可以通過(guò)閃存異地更新特性避免，閃存中的舊數(shù)據(jù)頁(yè)在沒(méi)有被垃圾回收之前，可以作為日志使用，從而減少了日志部分的寫(xiě)入．

表2是現(xiàn)有的基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)比較，其中FlashLogging，Hybrid Buffer，Multitenant直接使用現(xiàn)有接口的閃存設(shè)備從不同的角度對(duì)事務(wù)處理進(jìn)行優(yōu)化，其余則均為擴(kuò)展接口的事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)．AtomicWriteFTL和X－FTL在閃存設(shè)備已有FTL之上進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要對(duì)FTL進(jìn)行改動(dòng)，但是對(duì)于故障后恢復(fù)，不僅僅需要對(duì)事務(wù)邏輯進(jìn)行恢復(fù)，而且需要對(duì)FTL本身進(jìn)行恢復(fù)．MixSL在設(shè)計(jì)上與X－FTL較為接近，但是沒(méi)有說(shuō)明其具體使用的設(shè)備接口．Atomic－Write?FusionIO的事務(wù)閃存設(shè)計(jì)基于日志FTL做了最小改動(dòng)，只增加了一位代表事務(wù)的最后一頁(yè)，但是這也限制了事務(wù)處理的并行性，沒(méi)有充分利用底層閃存IO能力．TxFlash和Flag Commit基于鏈?zhǔn)教峤粎f(xié)議，但恢復(fù)時(shí)需要進(jìn)行全盤(pán)掃描，離線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)．LightTx基于滑動(dòng)窗口，運(yùn)行時(shí)代價(jià)較小，但恢復(fù)時(shí)同樣需要掃描一定范圍內(nèi)的閃存并進(jìn)行驗(yàn)證．M bius支持2種接口并且恢復(fù)時(shí)離線時(shí)間較短，但是對(duì)于大量小事務(wù)，由于需要額外寫(xiě)入Atom頁(yè)，處理代價(jià)較大．

Table 2 Comparison of Flash－Based Transactional Storage Systems and Technologies表2 基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)比較

3 基于相變存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)

除了已經(jīng)被廣泛使用的閃存之外，相變存儲(chǔ)器作為另一種即將投入使用的存儲(chǔ)介質(zhì)，也漸漸成為了事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中研究的熱點(diǎn)．

相變存儲(chǔ)器（PCM）作為一種新型非易失存儲(chǔ)介質(zhì)，具有高密度、字節(jié)尋址、高性能讀寫(xiě)等特點(diǎn)；此外與閃存相比，沒(méi)有高延遲的擦除操作．由于這些優(yōu)點(diǎn)，PCM在存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)上通常有2類不同的使用方式：1）與主存同級(jí)，如圖8所示，獨(dú)立構(gòu)成主存或和DRAM構(gòu)成混合型主存；2）與外存同級(jí)，構(gòu)成固態(tài)硬盤(pán)，使用高性能結(jié)構(gòu)作為可字節(jié)尋址的外存設(shè)備．在這2種不同的體系結(jié)構(gòu)下，PCM均可以被用于支持高性能的事務(wù)處理．

Fig．8 PCM memory architecture alternatives［54］．圖8 PCM作為主存的不同存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)

3．1 相變存儲(chǔ)器構(gòu)建主存環(huán)境下的事務(wù)處理技術(shù)

相變存儲(chǔ)器在構(gòu)建主存環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效事務(wù)處理主要依靠于日志與緩存融合技術(shù)．緩存是存儲(chǔ)系統(tǒng)高效運(yùn)行所必須的，而日志則是事務(wù)處理技術(shù)帶來(lái)的額外開(kāi)銷．當(dāng)主存非易失時(shí)，緩存和日志之間的界限變得模糊，將日志與緩存融合可以利用系統(tǒng)緩存直接作為事務(wù)日志，從而更加高效．

浸會(huì)大學(xué)和南洋理工學(xué)院的研究人員提出了基于PCM與DRAM混合主存體系結(jié)構(gòu)下的事務(wù)日志處理技術(shù)PCMLogging［54］．PCMLogging基于PCM與DRAM混合主存體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其核心思想是利用PCM的非易失特性將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與日志緩沖區(qū)合二為一，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入到非易失的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)后，也可以作為崩潰后的恢復(fù)日志使用．

PCMLogging使用了映射表（mapping table，MT）、空閑頁(yè)位圖（free page bitmap）和反向指針（inverse mapping）3個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)PCM進(jìn)行管理．其中映射表是內(nèi)存管理單元（memory management unit，MMU）中內(nèi)存邏輯地址到物理地址映射的一部分，空閑頁(yè)位圖用于分配空閑PCM頁(yè)，反向指針用于在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)重建映射表．ActiveTxList中存放當(dāng)前活動(dòng)狀態(tài)的事務(wù)標(biāo)識(shí)XID，在事務(wù)將其所有臟頁(yè)刷入到PCM中之后，ActiveTxList中的相應(yīng)XID會(huì)被移除．PCM頁(yè)元數(shù)據(jù)區(qū)域中XID字段代表最近一次修改該頁(yè)的事務(wù)標(biāo)識(shí)．當(dāng)系統(tǒng)以外崩潰后恢復(fù)時(shí)，首先掃描ActiveTxList，丟棄未完成的事務(wù)數(shù)據(jù)，并將完成的事務(wù)數(shù)據(jù)保存并在適當(dāng)時(shí)候刷新到外存中．

CMLogging在DRAM和PCM中使用額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄事務(wù)的狀態(tài)，并在故障恢復(fù)時(shí)依據(jù)這些狀態(tài)信息丟棄未提交事務(wù)的數(shù)據(jù)．通過(guò)將數(shù)據(jù)緩存與日志緩存相結(jié)合的方法，避免了事務(wù)處理中數(shù)據(jù)的2遍寫(xiě)入．

與PCMLogging相似，韓國(guó)梨花女子大學(xué)的研究人員提出了在PCM主存環(huán)境將文件系統(tǒng)日志與操作系統(tǒng)頁(yè)緩存合二為一的文件系統(tǒng)事務(wù)處理方法UBJ（union of buffer cache and journaling）［55］．

如圖9所示，通過(guò)這樣的整合，首先系統(tǒng)更新頁(yè)緩存時(shí)即完成了對(duì)日志的修改，減少了不必要的I?O；其次，與內(nèi)存總線相比，不同接口的外存設(shè)備均具有較大的延遲和較小的帶寬，UBJ將原先文件系統(tǒng)日志部分的寫(xiě)入控制在了內(nèi)存這一層，而不必要和外存進(jìn)行交互，從而提高了性能．

Fig．9 Commit process comparing［55］．圖9 不同內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下的提交過(guò)程對(duì)比

Fig．10 Overview of Kiln persistent memory design［56］．圖10 非易失內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)Kiln

如圖10所示，匹茲堡大學(xué)、HP、IBM、AMD和Google的研究人員合作提出了另外一種基于PCM的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)Kiln［56］，用于支持事務(wù)處理．

Kiln在思想上與UBJ較為相似，與UBJ在內(nèi)存這一層融合了頁(yè)緩存和日志不同的是，Kiln在處理器緩存中增加了一層非易失緩存，將處理器高速緩存與日志區(qū)域融合．這種在存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中縱向的PCM布局有2個(gè)好處：1）不需要維護(hù)任何事務(wù)狀態(tài)，直接利用存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的縱向冗余提供日志功能，代價(jià)很小；2）將原先寫(xiě)日志部分的I?O控制在處理器內(nèi)部互聯(lián)中，減少了使用內(nèi)存總線的I?O次數(shù)，從而提高了性能．

圖10還對(duì)Kiln與傳統(tǒng)塊設(shè)備與混合內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下的事務(wù)處理機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比．可以看出，Kiln使用了縱向結(jié)構(gòu)的日志布局，并將日志融入到存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中，將持久化日志放在離處理器更近的位置，避免使用代價(jià)較高的內(nèi)存總線去持久化日志數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)性能．但是Kiln對(duì)于事務(wù)的大小有一定的限制，必須要能存放于處理器的NV Cache中．

此外，清華大學(xué)的Lu等人［57］提出了應(yīng)用于非易失內(nèi)存環(huán)境下的LOC（loose－ordering consistency）技術(shù)對(duì)事務(wù)處理寫(xiě)前日志方法的性能進(jìn)行提升．LOC中主要使用了名為Eager Commit和Speculative Persistence的2種技術(shù)，Eager Commit使用事務(wù)狀態(tài)表（transaction state table，TxST）對(duì)事務(wù)狀態(tài)進(jìn)行記錄，從而在事務(wù)提交后，不需要寫(xiě)入額外的提交日志，從而提高性能；Speculative Persistence指的是控制軟件對(duì)于寫(xiě)入內(nèi)存數(shù)據(jù)的可見(jiàn)性，消除了事物間寫(xiě)入的強(qiáng)制順序性要求，從而提高性能．

除了應(yīng)用在單節(jié)點(diǎn)事務(wù)處理環(huán)境下之外，PCM也被設(shè)計(jì)應(yīng)用在多核、分布式事務(wù)處理環(huán)境．與傳統(tǒng)的易失性DRAM主存相比，事務(wù)處理技術(shù)中的日志方法在非易失內(nèi)存環(huán)境下會(huì)被根本改變．相比傳統(tǒng)方法，在非易失內(nèi)存中，事務(wù)不需要強(qiáng)制進(jìn)行提交前刷新（flush－before－commit）．在這樣的背景下，多倫多大學(xué)的研究人員提出了在非易失內(nèi)存環(huán)境多核多通道（multicore and multi－socket）硬件中使用分布式日志（distributed logging）技術(shù)提升系統(tǒng)事務(wù)處理能力［58］．多核多通道的非一致性內(nèi)存訪問(wèn)（NUMA）體系結(jié)構(gòu)下，分布式日志技術(shù)會(huì)造成處理器親和度（processor affinity）問(wèn)題，也即處理器同時(shí)訪問(wèn)本地和遠(yuǎn)端的內(nèi)存數(shù)據(jù)頁(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)．為了解決這一問(wèn)題，分布式日志方法使用了事務(wù)級(jí)日志空間劃分，對(duì)每一個(gè)處理器維護(hù)一個(gè)本地的日志，當(dāng)事務(wù)完成之后，在這些本地的日志之間設(shè)置數(shù)據(jù)檢查點(diǎn)（checkpoint）．通過(guò)使用事務(wù)級(jí)日志空間劃分內(nèi)存，分布式日志技術(shù)消除了大部分處理器在進(jìn)行日志時(shí)對(duì)內(nèi)存頁(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，性能得到了約3倍的提升．

3．2 相變存儲(chǔ)器構(gòu)建外存環(huán)境下的事務(wù)處理技術(shù)

目前相變內(nèi)存芯片的I?O性能稍遜于DRAM，所以也出現(xiàn)了一些使用PCM作為外存、利用其高性能和字節(jié)尋址等特性提升事務(wù)處理能力的技術(shù)，這類技術(shù)可以稱為細(xì)粒度日志技術(shù)．

傳統(tǒng)的外存塊設(shè)備記錄日志時(shí)，即使只有少量改動(dòng)，相關(guān)塊也將被整個(gè)寫(xiě)入到日志區(qū)域．加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員使用PCM作為介質(zhì)構(gòu)造了PCIe接口的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備Moneta［59］，提出了基于Moneta的事務(wù)處理技術(shù)可編輯原子寫(xiě)（editable atomic write，EAW）［60］．與傳統(tǒng)的事務(wù)日志處理技術(shù)相比，由于PCM的字節(jié)尋址特性，使得EAW可以在硬件層實(shí)現(xiàn)對(duì)事務(wù)日志的提交前修改，這樣在對(duì)某個(gè)頁(yè)進(jìn)行重復(fù)修改時(shí)日志中只有一份數(shù)據(jù)拷貝．EAW從PCM介質(zhì)特性出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種完全不同于傳統(tǒng)塊設(shè)備外存的事務(wù)日志技術(shù)并將其實(shí)現(xiàn)在設(shè)備中，從而提高了存儲(chǔ)設(shè)備的事務(wù)處理能力．

3．3 小 結(jié)

PCM作為主存使用時(shí)，主要利用了PCM的非易失特性，主要有日志與緩存融合技術(shù)，使用非易失的緩存實(shí)現(xiàn)事務(wù)日志的功能，從而減少了日志部分的開(kāi)銷．

PCM主存進(jìn)行事務(wù)處理具有2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1）將緩沖區(qū)與日志區(qū)合并，從而減少不必要的日志I?O；2）內(nèi)存層恢復(fù)，在恢復(fù)時(shí)直接利用PCM中的信息重建事務(wù)狀態(tài)表，丟棄未完成的事務(wù)信息，而不需要和外存進(jìn)行交互．

PCM介質(zhì)構(gòu)建外存設(shè)備時(shí)，利用其字節(jié)尋址的特性可以減少對(duì)相同數(shù)據(jù)塊進(jìn)行修改的日志I?O，從而提高了事務(wù)處理能力．這類技術(shù)被稱為細(xì)粒度日志技術(shù)，相比塊設(shè)備而言，細(xì)粒度日志技術(shù)可以以字節(jié)為單位進(jìn)行日志寫(xiě)入和讀取，避免了塊對(duì)齊造成的不必要的寫(xiě)入，從而提升系統(tǒng)性能．

Table 3 Comparison of PCM－Based Transactional Storage Class Memory Systems表3 基于PCM的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)比較

表3對(duì)現(xiàn)有的基于PCM的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和技術(shù)進(jìn)行了比較，從中可以看出，PCM事務(wù)處理主要應(yīng)用在主存環(huán)境，前5種技術(shù)均為PCM在主存環(huán)境下的事務(wù)處理應(yīng)用．其中Kiln較為特殊，還將PCM應(yīng)用于L3Cache，從處理器到主存就開(kāi)始保證事務(wù)性持久化．在恢復(fù)時(shí)間上，LOC由于采用事務(wù)狀態(tài)表進(jìn)行查詢，避免了掃描，從而縮短了恢復(fù)時(shí)間．Distributed Logging技術(shù)采用全PCM主存解決了多核環(huán)境下持久化層與核之間的親和度問(wèn)題，降低了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)頁(yè)競(jìng)爭(zhēng)，提升了效率．

4 研究展望

縱觀存儲(chǔ)工業(yè)發(fā)展史，從磁帶設(shè)備、軟盤(pán)到光介質(zhì)再到磁盤(pán)，新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)往往會(huì)給I?O棧帶來(lái)革命性的影響．事務(wù)存儲(chǔ)技術(shù)作為存儲(chǔ)領(lǐng)域最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，幾乎被應(yīng)用于所有的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與文件系統(tǒng)．隨著閃存等非易失存儲(chǔ)介質(zhì)的廣泛應(yīng)用，存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)正面臨著大的變革，因此在新型存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)下研究事務(wù)存儲(chǔ)技術(shù)的需求變得極為迫切．目前基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始嶄露頭角，基于PCM的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)也已走出實(shí)驗(yàn)階段．展望未來(lái)，針對(duì)目前非易失存儲(chǔ)器應(yīng)用于事務(wù)處理技術(shù)所面臨的問(wèn)題，以下4個(gè)方面仍然需要進(jìn)一步探索與研究．

4．1 事務(wù)存儲(chǔ)接口

閃存的量產(chǎn)使得閃存設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的緩存層和持久化層．按照設(shè)備所處的不同層級(jí)，也擁有不同的設(shè)備接口，包括傳統(tǒng)的SATA，SCSI，SAS等磁盤(pán)接口，也包括PCIe和NVMe等新型設(shè)備接口，甚至還包括內(nèi)存模塊DIMM接口．PCM設(shè)備也根據(jù)其處在I?O棧不同位置使用不同的設(shè)備接口．基于非易失存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)核心在于利用介質(zhì)特性提升事務(wù)處理能力，因而設(shè)備接口必須將這種能力暴露給系統(tǒng)軟件層，但是如此眾多的設(shè)備接口使得非易失存儲(chǔ)設(shè)備很難提供統(tǒng)一的事務(wù)處理接口，從而存在適用性問(wèn)題．

對(duì)于已有的一些事務(wù)接口，也存在著許多問(wèn)題．由于事務(wù)應(yīng)用于不同存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)ACID要求并不相同，例如文件系統(tǒng)事務(wù)一般要弱于數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)，但是已有的事務(wù)接口并不能體現(xiàn)出這種差別；此外，對(duì)于事務(wù)中隔離性、一致性等特性，也存在著多種不同的級(jí)別，現(xiàn)有的事務(wù)接口對(duì)于這些不同級(jí)別也不能進(jìn)行區(qū)分．因此，如何提供高適用性且支持不同特性事務(wù)的設(shè)備接口是值得研究的問(wèn)題．

4．2 數(shù)據(jù)可用性

存儲(chǔ)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的指標(biāo)莫過(guò)于數(shù)據(jù)可用性（availability），對(duì)于事務(wù)處理系統(tǒng)而言則尤為重要．譬如銀行系統(tǒng)內(nèi)的事務(wù)代表著金錢的流動(dòng)，關(guān)系著社會(huì)穩(wěn)定．?dāng)?shù)據(jù)可用性在事務(wù)處理中具體而言，可以細(xì)化為2類問(wèn)題：1）系統(tǒng)正常工作時(shí)的數(shù)據(jù)可用性；2）系統(tǒng)遇到故障后的快速恢復(fù)．

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)量成為了事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)快速故障恢復(fù)（failover）的主要障礙，全盤(pán)掃描式的恢復(fù)會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)數(shù)據(jù)離線時(shí)間，如何高效迅速的故障恢復(fù)將會(huì)成為研究的重點(diǎn)．

4．3 系統(tǒng)可擴(kuò)展性

隨著數(shù)據(jù)量規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，基于非易失存儲(chǔ)器的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性問(wèn)題也日益突出．在宏觀上，可擴(kuò)展性體現(xiàn)在事務(wù)處理技術(shù)高效應(yīng)用于分布式環(huán)境下；在微觀上，則是保證多核環(huán)境下事務(wù)處理能力可擴(kuò)展．

分布式環(huán)境下如何利用非易失存儲(chǔ)器特性提供高效的事務(wù)處理是研究的關(guān)鍵，目前的分布式事務(wù)處理技術(shù)主要使用2PC（two phase commitment protocol）2階段提交協(xié)議［61］，在該提交協(xié)議里，事務(wù)提交被分為請(qǐng)求階段與提交階段，但是分階段提交的開(kāi)銷較大，如果利用非易失存儲(chǔ)器異地更新的特性，2PC之類的分布式事務(wù)提交協(xié)議是否可以優(yōu)化可能成為研究的熱點(diǎn)，例如在閃存設(shè)備環(huán)境中首先寫(xiě)入各節(jié)點(diǎn)，而后判斷，避免等待協(xié)調(diào)所耗費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)由于閃存異地更新特性，可以方便地進(jìn)行回滾．此外，多核背景下的分布式處理技術(shù)中存在處理器親和度等問(wèn)題，需要探索分配日志工作的方法．4．4 數(shù)據(jù)可靠性

各類新興的非易失存儲(chǔ)器由于工藝和技術(shù)上的限制，存在著壽命有限、錯(cuò)誤率高等問(wèn)題，如何保證新介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)的可靠持久化，必然會(huì)成為研究的熱點(diǎn)．這類問(wèn)題的研究方向一般圍繞著糾刪碼和軟件層的數(shù)據(jù)冗余備份展開(kāi)．

事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是提供高可靠性的保證，因此其本身的可靠性問(wèn)題必將成為研究的熱點(diǎn)．閃存以及PCM等非易失存儲(chǔ)器相比磁盤(pán)，呈現(xiàn)出極為不同的可靠性特征．例如閃存中存在FTL層，而FTL中的映射數(shù)據(jù)本身的可靠性也需要保證，與磁盤(pán)設(shè)備相比，這大大增加了整體可靠性問(wèn)題．目前的非易失事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多基于底層設(shè)備是可靠的這一假設(shè)，并沒(méi)有考慮設(shè)備本身出現(xiàn)可靠性問(wèn)題的情況．通過(guò)進(jìn)一步分析新型非易失存儲(chǔ)介質(zhì)的可靠性特征，并依據(jù)這些特征對(duì)事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行改造，才能為上層軟件提供更高的可靠性保證．

5 總 結(jié)

隨著閃存的廣泛應(yīng)用以及PCM，MRAM，RRAM等非易失存儲(chǔ)器的涌現(xiàn)，存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)正面臨著巨大的變化．這些非易失存儲(chǔ)器各有特點(diǎn)，例如閃存設(shè)備具有異地更新特性、PCM設(shè)備具有字節(jié)尋址特性，如何利用這些特性對(duì)I?O棧進(jìn)行重新設(shè)計(jì)已經(jīng)成為存儲(chǔ)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)．

事務(wù)這一概念由圖靈獎(jiǎng)得主James Gray提出，目前已被廣泛應(yīng)用于各種存儲(chǔ)系統(tǒng)中以提供原子性、一致性、隔離性和持久性．目前，各種存儲(chǔ)系統(tǒng)中已有的事務(wù)處理技術(shù)大多基于傳統(tǒng)磁盤(pán)設(shè)備，沒(méi)有充分利用閃存和PCM等非易失存儲(chǔ)設(shè)備的特點(diǎn)，造成了性能損失等問(wèn)題．

本文從事務(wù)處理技術(shù)應(yīng)用于新型存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，對(duì)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)以及體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域出現(xiàn)的新的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究和分析．這些工作分別處于存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)不同層，使用的介質(zhì)也主要分為已經(jīng)量產(chǎn)的閃存和即將量產(chǎn)的PCM．在事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)中，大多數(shù)工作利用閃存設(shè)備原生的異地更新特性避免了軟件層不必要的工作，快速恢復(fù)和可擴(kuò)展性問(wèn)題是目前的研究熱點(diǎn)．在PCM事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，主要利用了PCM在體系結(jié)構(gòu)中的位置，將日志與系統(tǒng)緩存相結(jié)合，避免了重復(fù)I?O，此外也有工作利用PCM的直接尋址，提供細(xì)粒度的日志，從而提高性能．

綜合現(xiàn)有的研究情況，目前基于閃存的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)處于起步階段，已經(jīng)出現(xiàn)了FusionIO公司的ioDrive等系列產(chǎn)品為上層提供原子寫(xiě)原語(yǔ)，但是各類事務(wù)閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)的接口較為復(fù)雜且不統(tǒng)一，此外隨著閃存設(shè)備容量的增長(zhǎng)，離線恢復(fù)時(shí)間和其他可擴(kuò)展性問(wèn)題亟需解決．而基于PCM的事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)則還處于實(shí)驗(yàn)階段，并且需要從體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件以及應(yīng)用程序等多方面共同考慮和設(shè)計(jì)．此外，例如MRAM和RRAM等非易失存儲(chǔ)器也即將走出實(shí)驗(yàn)室，如何在事務(wù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中利用這些介質(zhì)自身的特點(diǎn)也將成為研究的熱點(diǎn)．

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Shi Wei，born in 1988．PhD．Member of China Computer Federation．His research interests include flash－based storage and file systems．

Wang Dongsheng，born in 1966．PhD，professor and PhD supervisor．Senior member of China Computer Federation，member of IEEE．His research interests include computer architecture，high performance computing，storage and file systems，and network security（wds＠tsinghua．edu．cn）．

Survey on Transactional Storage Systems Based on Non－Volatile Memory

Shi Wei1and Wang Dongsheng1，21（Department of Computer Science and Technology，Tsinghua University，Beijing100084）2（Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology（TNLIST），Beijing100084）

With the emergence and further widespread use of non－volatile memory，the storage architecture is undergoing fundamental change．Transaction processing technologies in traditional database systems and file systems are mostly designed for rotating disks while they cannot take full advantage of new features of non－volatile memory．To take full advantage of the non－volatile memory characteristics and narrow the gap between system I?O performance and CPU processing performance，transactional storage systems and technologies designed based on non－volatile memory have gained focus and great popularity．In this paper，current status of the software layer transaction processing technologies，which are used in traditional database systems and file systems，are addressed in brief firstly．Then based on the division of non－volatile memory which includes flash and phase－change memory，the existing transactional storage systems based on non－volatile memory are discussed．Finally，the research works are summarized and the possible research directions are pointed out．Among the discussion，for the research of transactional flash－based storage systems，analysis of the optimization of transaction processing technologies using traditional host interface flash storage devices is given first，followed by analysis and comparison of the characteristics of the transaction flash storage systems using dedicated transactional interfaces．For the research of transactional PCM－based transactional storage systems，using PCM in both main memory and external storage environment for transaction processing is analyzed and compared，and the key technologies including the combination of log and cache and fine－grained logging are discussed．

non－volatile memory；flash memory；phase change memory（PCM）；transaction processing；transactional storage system；I?O stack

TP302．1

2014－12－10；

2015－05－18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61373025，61303002）；國(guó)家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目（2012AA010905）This work was supported by the National Natural Science Foundation of China（61373025，61303002）and the National High Technology Research and Development Program of China（863Program）（2012AA010905）．