大數據小視角5：探究SSD寫放大的成因與解決思路

筆者目前開發運維的存儲系統的服務器都跑在SSD之上，目前單機服務器最大的SSD容量有4T之多。（公司好有錢，之前在實驗室都只有機械硬盤用的~~）但SSD自己的特性與機械硬盤差距較大，雖說在性能上有諸多優點，可是若是使用的方式方法不對，反而會事倍功半。因此筆者花時間調研了一下固態硬盤的結構與特性，而且總結了一些避免SSD寫放大性能降低的法則，但願對你們有所幫助~~

1.SSD的寫放大

首先咱們來看看什麼是寫放大，寫放大（Write amplification）是2008年，由英特爾和SiliconSystems在論文之中首次提出：它表現爲在SSD上實際寫入的數據遠遠大於用戶寫入數據。

爲何會產生這樣的現象呢，咱們要回歸到固態硬盤本來的特性。首先固態硬盤與傳統的機械硬盤不一樣的點在於它不可以覆蓋寫。因此對於已經存在數據SSD來講，一次數據的寫入分爲2個動做：

• 一、擦除SSD上已有的數據。
• 二、寫入新的數據。

寫入放大的問題就出了這個部分，由於SSD每次寫入的最小單位爲Page，每一個Page是4KB大小，而每次擦除的大小單位爲Block，Block一般由64或128個Page組成。也就是說，正是因爲SSD寫入與擦除的單位大小不匹配，致使了寫入放大。若是僅僅是寫入單一Page的數據，而單個Block之中沒有了空餘的Page，則須要擦除一個Block的數據，以後再寫入一個Block的數據。因此說，自己只須要4KB的寫入，"放大"了64倍甚至是128倍！因爲SSD的壽命取決於擦除次數，因此寫入放大會大大影響到SSD的使用壽命

OK，瞭解了寫入放大的現象以後，咱們接下來怎麼樣會致使寫入放大的現象呢？

• 寫入量

這點應該很好理解，由上面的闡述能夠看到，若是每次對SSD的寫入都是很小的量，就會產生典型的寫入放大。

• 剩餘容量

一般咱們使用的SSD都存在預留空間（OP）來用於給SSD的主控芯片來進行一些優化操做。其中預留空間最爲核心的兩項工做就是垃圾回收與損耗均衡，在這裏筆者簡要介紹一下垃圾回收和損耗均衡。

垃圾回收：

SSD中主流的垃圾回收算法與Java之中的標記清除的垃圾回收算法相似：

如上圖所示，SSD首先在Block X之中寫入A-D的Page頁，以後繼續寫入到H，而且更新了A'-D'，因此原先的A-D的page頁成爲了須要回收的垃圾。因此主控芯片會將可用數據移動到旁邊的有空閒的Block Y，同時完整的擦除Block X。當剩餘容量越小，垃圾回收越頻發，則SSD的寫入放大就越爲嚴重。就是爲何許多手機在剛剛買來以後絲滑如順，可是以後就越用越卡，這是由於容量愈來愈小了，SSD須要背鍋！！（這也是筆者的64G的小米5剩餘容量只有4個G了，平常使用卡如狗的部分緣由~~）須要頻繁進行垃圾回收的場景會致使寫入放大的問題更爲嚴重。

損耗均衡：

咱們知道，SSD的使用壽命等同於Block的擦寫次數，目前主流使用的MLC顆粒的編程/擦寫次數通常在3000 ~ 5000次左右。若是反覆地編程和擦寫某個Block，該Block則會先於其餘Blcok損壞，致使壞塊大量出現。正是由於這樣的緣由，SSD的主控芯片會盡量的讓每一個Block的擦寫次數均勻。因此損耗均衡的操做須要移動並無新數據寫入的Block，這樣一樣也會致使寫放大的上升。

2.寫放大問題的一些解決思路

瞭解了SSD的寫放大的成因以後，咱們能夠『對症下藥』的嘗試給出一些方案來減少寫放大問題來對咱們線上服務的影響。

• 批量寫
  這幾乎是解決磁盤io問題的通用解決方案，一樣適合於傳統的機械硬盤與SSD。儘可能在代碼邏輯之中減小隨機寫的次數，來避免由少許寫操做引起的寫放大問題，同時能夠考慮經過塊對齊的方式來進一步減小寫入產生的寫放大問題。（固然這裏所謂塊對齊的思路在是與程序運行環境緊耦合的，程序的可移植性會大打折扣）

• 預留空間，容量告警
  這也是咱們運維線上機器經常使用的思路，對於SSD的使用量要有一個閥值，超過咱們的預設容量時，線上的程序須要給運維和開發人員告警。

• 寫壓縮
  寫壓縮是依賴SSD的主控芯片的，部分SSD主控芯片支持寫壓縮。也就說接受到操做系統發送要寫入20m數據，主控芯片能夠經過一些流壓縮或塊壓縮的算法壓縮數據，在讀取數據時，再從新進行解壓。這種方式強依賴硬件，而且新的瓶頸可能會是主控芯片的壓縮，解壓的速度。

• TRIM命令
  TRIM是操做系統層級的命令。操做系統利用TRIM命令來標記SSD上某個Page的數據能夠回收。一旦某個Page被SSD標記爲能夠回收，在SSD空閒的時候SSD的主控芯片會將這些被標記的Page數據收集到同一個Block，而後共同擦除。這樣每次須要寫數據時，就在已經有足夠空閒的Page能夠寫入新的數據。

上述幾個思路都是在實踐中能夠採起的措施，其實TRIM命令須要經過Linux設置開啓，這裏筆者在這裏介紹一下如何在Linux下開啓TRIM命令：

1. 確認Linux的內核是否大於 2.6.28，筆者這裏是4.9.0的內核。
   
   2.調用hdparm -I /dev/sda1 命令確認SSD設備是否支持TRIM。
   
   3.修改/etc/fstab文件，在掛載選項之中添加discard，重啓以後就開啓了TRIM
   

3.小結

到此爲止，筆者聊了聊SSD寫放大的成因，而且針對SSD寫放大的成因，提出了一些解決的思路和方法，但願你們能有所收穫，在生產環境之中可以更好的『調教好』SSD~~~