EuroSys 2024 Paper 论文阅读笔记整理
问题
高性能存储设备，如具有GB/s级I/O带宽的NVMe SSD，已被广泛应用于企业服务器中。对于处理大量数据，在RAID配置中使用多个SSD很有吸引力，这可以提高I/O性能、可靠性和容量。尽管多个SSD为存储系统提供了各种优势，但当前的Linux存储堆栈对于多个SSD的可扩展性较差。
如图1所示，当使用多个SSD时，为应用程序[27]提供许多优势的缓冲I/O会阻碍SSD的可扩展性。
根据性能分析，观察到两个关键瓶颈：
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页面缓存的数据结构（即XArray）的粗粒度锁spinlock，多个线程插入和删除导致高锁争用。例如，多个应用程序线程利用粗粒度锁，同时在页面缓存中插入和删除页面，以进行I/O操作和页面回收。
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延迟和串行化的flush操作。多个应用线程被阻塞等待flush时，只有一个flush线程将脏页推送到存储设备。
本文方法
本文提出了称为ScaleCache的可扩展页面缓存，来提升SSD可扩展性。
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提出了基于XArray的页面缓存并发数据结构（ccXArray），以实现对页面缓存的无锁并发访问和更新。
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提出了一种直接页面刷新（dflush），以并行和机会主义的方式将页面直接推送到存储设备。例如，当脏页的比率高时，线程会在不影响一致性的情况下直接将页推送到存储设备。
开源代码：GitHub - syslab-cau/ScaleCache: EuroSys'24 conference ScaleCache source code and test scripts
在Linux内核中使用两种技术实现了ScaleCache，并在具有八个NVMe SSD的64核机器上对其进行了评估。评估表明，与现有方案和可扩展方案相比，ScaleCache分别将Linux系统的性能提高了6.81倍和4.50倍。
总结
随着SSD数量的增加，Linux存储栈中的页面缓存会限制SSD的并行性，瓶颈在于XArray中锁开销和串行化的脏页flush操作。本文提出ScaleCache，用于提升SSD可扩展性，主要包括两个技术：（1）提出基于XArray的页面缓存并发数据结构（ccXArray），以实现对页面缓存的无锁并发访问和更新。（2）提出直接页面刷新（dflush），以并行和机会主义的方式将脏页推送到存储设备。
