Linux文件系統(tǒng)與持久性內(nèi)存舉例分析

本篇內(nèi)容主要講解“Linux文件系統(tǒng)與持久性內(nèi)存舉例分析”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Linux文件系統(tǒng)與持久性內(nèi)存舉例分析”吧!

“專業(yè)、務(wù)實(shí)、高效、創(chuàng)新、把客戶的事當(dāng)成自己的事”是我們每一個(gè)人一直以來堅(jiān)持追求的企業(yè)文化。 成都創(chuàng)新互聯(lián)公司是您可以信賴的網(wǎng)站建設(shè)服務(wù)商、專業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商! 專注于網(wǎng)站制作、成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)務(wù)。我們始終堅(jiān)持以客戶需求為導(dǎo)向，結(jié)合用戶體驗(yàn)與視覺傳達(dá)，提供有針對(duì)性的項(xiàng)目解決方案，提供專業(yè)性的建議，創(chuàng)新互聯(lián)建站將不斷地超越自我，追逐市場(chǎng)，引領(lǐng)市場(chǎng)！

在 Linux 系統(tǒng)中一切皆文件，除了通常所說的狹義的文件以外，目錄、設(shè)備、套接字和管道等都是文件。

文件系統(tǒng)在不同的上下文中有不同的含義：

在存儲(chǔ)設(shè)備上組織文件的方法，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和訪問方法，到存儲(chǔ)設(shè)備。

按照某種文件系統(tǒng)類型格式化的一塊存儲(chǔ)介質(zhì)。我們常說在某個(gè)目錄下掛載或卸載文件系統(tǒng)， 這里的文件系統(tǒng)就是這種意思。

內(nèi)核中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件的模塊，即文件系統(tǒng)模塊。

Linux文件系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖所示，分為用戶空間、內(nèi)核空間和硬件3個(gè)層面：

注意：上圖中方塊對(duì)齊關(guān)系，很多時(shí)候我們分不清內(nèi)核文件系統(tǒng)中 "cache" 和 "buffer" 的區(qū)別，畢竟兩者都可以翻譯為 "緩存區(qū)"，但是從圖中，就可以很清晰的看出所謂的 "cache" 其實(shí)指的就是圖中的 "頁緩存" 它是針對(duì)文件來說的，除了 "DAX"(直接訪問方式的設(shè)備)它不使用 "緩存"，其他的閃存類，塊設(shè)備類設(shè)備都會(huì)使用到 "頁緩存" 也就是 "cache"，而 "buffer" 其實(shí)指的就是圖中的 "塊緩存" 它是針對(duì)塊設(shè)備的。

1.1、硬件層面

外部存儲(chǔ)設(shè)備分為塊設(shè)備、閃存和 NVDIMM 設(shè)備 3 類，塊設(shè)備主要有以下兩種：

機(jī)械硬盤：機(jī)械硬盤的讀寫單位是扇區(qū)。訪問機(jī)械硬盤的時(shí)候，需要首先沿著半徑 方向移動(dòng)磁頭尋找磁道，然后轉(zhuǎn)動(dòng)盤片找到扇區(qū)。

閃存類塊設(shè)備：使用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，里面的控制器運(yùn)行固化的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng) 程序的功能之一是閃存轉(zhuǎn)換層(Flash Translation Layer，F(xiàn)TL)，把閃存轉(zhuǎn)換為塊設(shè)備， 外表現(xiàn)為塊設(shè)備。常見的閃存類塊設(shè)備是在個(gè)人計(jì)算機(jī)和筆記本電腦上使用的固態(tài)硬盤 splid State Drives，SSD)，以及在手機(jī)和平板電腦上使用的嵌入式多媒體存儲(chǔ)卡(embedded Multi Media Card，eMMc)和通用閃存存儲(chǔ)(Universal Flash Storage，UFS)。閃存類塊設(shè)備相對(duì)機(jī)械硬盤的優(yōu)勢(shì)是：訪問速度快，因?yàn)闆]有機(jī)械操作：抗振性很高， 便于攜帶。

閃存(Flash Memory)的主要特點(diǎn)如下：

在寫入數(shù)據(jù)之前需要擦除一個(gè)擦除塊，因?yàn)橄蜷W存寫數(shù)據(jù)只能把一個(gè)位從 1 變成 0，不能從 0 變成 1，擦除的目的是把擦除塊的所有位設(shè)置為 1

一個(gè)擦除塊的最大擦除次數(shù)有限，NOR閃存的擦除塊的最大擦除次數(shù)是 10^4~10^3， NAND 閃存的擦除塊的最大擦除次數(shù)是 10^3~10^6。

閃存按存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分為 NAND 閃存和 NOR 閃存，兩者的區(qū)別如下：

NOR閃存的容量小，NAND 閃存的容量大。

NOR 閃存支持按字節(jié)尋址，支持芯片內(nèi)執(zhí)行(eXecute In Place，XIP)，可以直接 在閃存內(nèi)執(zhí)行程序，不需要把程序讀到內(nèi)存中; NAND 閃存的最小讀寫單位是頁或子頁， 一個(gè)擦除塊分為多個(gè)頁，有的 NAND 閃存把頁劃分為多個(gè)子頁。

NOR 閃存讀的速度比 NAND 閃存塊，寫的速度和擦除的速度都比 NAND 閃存慢

NOR 閃存沒有壞塊；NAND 閃存存在壞塊，主要是因?yàn)橄龎膲K的成本太高 NOR 閃存適合存儲(chǔ)程序，一般用來存儲(chǔ)引導(dǎo)程序比如 uboot 程序；NAND 閃存適 合存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

為什么要針對(duì)閃存專門設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)？主要原因如下：

NAND 閃存存在壞塊，軟件需要識(shí)別并且跳過壞塊。

需要實(shí)現(xiàn)損耗均衡( wear leveling)，損耗均衡就是使所有擦除塊的擦除次數(shù)均衡， 避免一部分擦除塊先損壞。

機(jī)械硬盤和 NAND 閃存的主要區(qū)別如下：

機(jī)械硬盤的最小讀寫單位是扇區(qū)，扇區(qū)的大小一般是 512 字節(jié)：NAND 閃存的最 小讀寫單位是頁或子頁。

機(jī)械硬盤可以直接寫入數(shù)據(jù)：NAND 閃存在寫入數(shù)據(jù)之前需要擦除一個(gè)擦除塊。

機(jī)械硬盤的使用壽命比 NAND 閃存長(zhǎng)：機(jī)械硬盤的扇區(qū)的寫入次數(shù)沒有限制：NAND 閃存的擦除塊的擦除次數(shù)有限。

機(jī)械硬盤隱藏壞的扇區(qū)，軟件不需要處理壞的扇區(qū)：NAND 閃存的壞塊對(duì)軟件可 見，軟件需要處理壞塊。

NVDIMM(Nonn-Volatile DIMM，非易失性內(nèi)存：DIMM 是 Dual-Inline-Memory-Modules 的縮寫，表示雙列直插式存儲(chǔ)模塊，是內(nèi)存的一種規(guī)格)設(shè)備把 NAND 閃存、內(nèi)存和超級(jí)電容集成到一起，訪問速度和內(nèi)存一樣快，并且斷電以后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。在斷電的瞬間， 超級(jí)電容提供電力，把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 NAND 閃存。

1.2、內(nèi)核空間層面

在內(nèi)核的目錄 fs 下可以看到，內(nèi)核支持多種文件系統(tǒng)類型。為了對(duì)用戶程序提供統(tǒng)一的 文件操作接口，為了使不同的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能夠共存，內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一個(gè)抽象層，稱為虛擬文件系統(tǒng)(Virtual File System，VFS)，也稱為虛擬文件系統(tǒng)切換(Virtual Filesystem Switch，VFS) 文件系統(tǒng)分為以下幾種。

塊設(shè)備文件系統(tǒng)，存儲(chǔ)設(shè)備是機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤等塊設(shè)備，常用的塊設(shè)備文件 系統(tǒng)是 EXT 和 btrfs。EXT 文件系統(tǒng)是 Linux 原創(chuàng)的文件系統(tǒng)，目前有 3 個(gè) 成版本：EXT[2-4]。

閃存文件系統(tǒng)，存儲(chǔ)設(shè)備是 NAND 閃存和 NOR 閃存，常用的閃存文件系統(tǒng)是 JFFS2 ，(日志型閃存文件系統(tǒng)版本2， Journalling Flash File System version2)和 UBIFS(無序區(qū)塊鏡像文件系統(tǒng)， Unsorted Block Image File System)。內(nèi)存文件系統(tǒng)的文件在內(nèi)存中，斷電以后文件丟失，常用的內(nèi)存文件系統(tǒng)是 tmpfs， 用來創(chuàng)建臨時(shí)文件。

偽文件系統(tǒng)，是假的文件系統(tǒng)，只是為了使用虛擬文件系統(tǒng)的編程接口，常用的 偽文件系統(tǒng)如下所示：

sockfs，這種文件系統(tǒng)使得套接字(socket)可以使用讀文件的接口 read 接收?qǐng)?bào)文， 使用寫文件的接口 write 發(fā)送報(bào)文。

proc 文件系統(tǒng)，最初開發(fā) proc 文件系統(tǒng)的目的是把內(nèi)核中的進(jìn)程信息導(dǎo)出到用戶空間， 后來擴(kuò)展到把內(nèi)核中的任何信息導(dǎo)出到用戶空間，通常把 proc 文件系統(tǒng)掛載在目錄 "proc" 下。

sysfs，用來把內(nèi)核的設(shè)備信息導(dǎo)出到用戶空間，通常把 sysfs 文件系統(tǒng)掛載在目錄 "/sys"下。

hugetlbfs，用來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)巨型頁。

cgroup 文件系統(tǒng)，控制組(control group cgroup)用來控制一組進(jìn)程的資源， cgroup 文件系統(tǒng)使管理員可以使用寫文件的方式配置 cgroup。

cgroup2 文件系統(tǒng)， cgroup2 是 cgroup 的第二個(gè)版本， cgroup2 文件系統(tǒng)使管理員可 以使用寫文件的方式配置 cgroup2。

這些文件系統(tǒng)又各自有著相關(guān)的特性：

頁緩存：訪問外部存儲(chǔ)設(shè)備的速度很慢，為了避免每次讀寫文件時(shí)訪問外部存儲(chǔ)設(shè)備，文件系統(tǒng)模塊為每個(gè)文件在內(nèi)存中創(chuàng)建了一個(gè)緩存，因?yàn)榫彺娴膯挝皇琼?，所以稱為頁緩存。

塊設(shè)備層：塊設(shè)備的訪問單位是塊，塊大小是扇區(qū)大小的整數(shù)倍。內(nèi)核為所有塊設(shè)備實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一 的塊設(shè)備層。

塊緩存：為了避免每次讀寫都需要訪問塊設(shè)備，內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了塊緩存，為每個(gè)塊設(shè)備在內(nèi)存中創(chuàng) 建一個(gè)塊緩存。緩存的單位是塊，塊緩存是基于頁緩存實(shí)現(xiàn)的。

IO 調(diào)度器：訪問機(jī)械硬盤時(shí)，移動(dòng)磁頭尋找磁道和扇區(qū)很耗時(shí)，如果把讀寫請(qǐng)求按照扇區(qū)號(hào)排序， 可以減少磁頭的移動(dòng)，提高吞吐量。IO 調(diào)度器用來決定讀寫請(qǐng)求的提交順序，針對(duì)不同的 使用場(chǎng)景提供了多種調(diào)度算法：NOOP(No Operation)、CFQ(完全公平排隊(duì)， Complete Fair Queuing)和 deadline(限期)。NOOP 調(diào)度算法適合閃存類塊設(shè)備，CFQ 和 deadline調(diào)度算 法適合機(jī)械硬盤。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：每種塊設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)自己的驅(qū)動(dòng)程序。

內(nèi)核把閃存稱為存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)備( Memory Technology Device，MTD)，為所有閃存實(shí)現(xiàn) 了統(tǒng)一的 MTD 層，每種閃存需要實(shí)現(xiàn)自己的驅(qū)動(dòng)程序。針對(duì) NVDIMM 設(shè)備，文件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn) DAX(Direct Access直接訪問：X 代表 eXciting，沒有意義，只是為了讓名字看起來酷)，繞過頁緩存和塊設(shè)備層，把 NVDIMM 設(shè)備里面的內(nèi)存直接映射到進(jìn)程或內(nèi)核的虛擬地址空間。

libnvdimm 子系統(tǒng)提供對(duì) 3 種 NVDIMM 設(shè)備的支持：持久內(nèi)存(persistent memory，PMEM) 模式的 NVDIMM 設(shè)備，塊設(shè)備(block，BLK)模式的 NVDIMM 設(shè)備，以及同時(shí)支持PMEM 和 BLK 兩種訪問模式的 NVDIMM 設(shè)備。PMEM 訪問模式是把 NVDIMM 設(shè)備當(dāng)作內(nèi)存，BLK 訪問模式是把 NVDIMM 設(shè)備當(dāng)作塊設(shè)備。每種 NVDIMM 設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)自己的驅(qū)動(dòng)程序。

2、下一代存儲(chǔ)技術(shù)NVIDMM

NVDIMM (Non-Volatile Dual In-line Memory Module) 是一種可以隨機(jī)訪問的, 非易失性內(nèi)存。非易失性內(nèi)存指的是即使在不通電的情況下, 數(shù)據(jù)也不會(huì)消失。因此可以在計(jì)算機(jī)掉電 (unexpected power loss), 系統(tǒng)崩潰和正常關(guān)機(jī)的情況下, 依然保持?jǐn)?shù)據(jù)。NVDIMM 同時(shí)表明它使用的是 DIMM 封裝, 與標(biāo)準(zhǔn)DIMM 插槽兼容, 并且通過標(biāo)準(zhǔn)的 DDR總線進(jìn)行通信?？紤]到它的非易失性, 并且兼容傳統(tǒng)DRAM接口, 又被稱作Persistent Memory。

2.1、種類

目前, 根據(jù) JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義, 有三種NVDIMM 的實(shí)現(xiàn)。分別是：

NVDIMM-N

指在一個(gè)模塊上同時(shí)放入傳統(tǒng) DRAM 和 flash 閃存，計(jì)算機(jī)可以直接訪問傳統(tǒng) DRAM。支持按字節(jié)尋址，也支持塊尋址。通過使用一個(gè)小的后備電源，為在掉電時(shí)數(shù)據(jù)從 DRAM 拷貝到閃存中提供足夠的電能；當(dāng)電力恢復(fù)時(shí)再重新加載到 DRAM 中。

NVDIMM-N示意圖

NVDIMM-N 的主要工作方式其實(shí)和傳統(tǒng) DRAM是一樣的。因此它的延遲也在10的1次方納秒級(jí)。而且它的容量，受限于體積，相比傳統(tǒng)的 DRAM 也不會(huì)有什么提升。

同時(shí)它的工作方式?jīng)Q定了它的 flash 部分是不可尋址的，而且同時(shí)使用兩種介質(zhì)的作法使成本急劇增加，但是 NVDIMM-N 為業(yè)界提供了持久性內(nèi)存的新概念。目前市面上已經(jīng)有很多基于NVIMM-N的產(chǎn)品。

NVDIMM-F

指使用了 DRAM 的DDR3或者 DDR4 總線的flash閃存。我們知道由 NAND flash 作為介質(zhì)的 SSD，一般使用SATA，SAS 或者PCIe 總線。使用 DDR 總線可以提高最大帶寬，一定程度上減少協(xié)議帶來的延遲和開銷，不過只支持塊尋址。

NVDIMM-F 的主要工作方式本質(zhì)上和SSD是一樣的，因此它的延遲在 10的1次方微秒級(jí)。它的容量也可以輕松達(dá)到 TB 以上。

NVDIMM-P

這是一個(gè)目前還沒有發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn) (Under Development)，預(yù)計(jì)將與 DDR5 標(biāo)準(zhǔn)一同發(fā)布。按照計(jì)劃，DDR5將比DDR4提供雙倍的帶寬，并提高信道效率。這些改進(jìn)，以及服務(wù)器和客戶端平臺(tái)的用戶友好界面，將在各種應(yīng)用程序中支持高性能和改進(jìn)的電源管理。

NVDIMM-P 實(shí)際上是真正 DRAM 和 flash 的混合。它既支持塊尋址, 也支持類似傳統(tǒng) DRAM 的按字節(jié)尋址。它既可以在容量上達(dá)到類似 NAND flash 的TB以上, 又能把延遲保持在10的2次方納秒級(jí)。

通過將數(shù)據(jù)介質(zhì)直接連接至內(nèi)存總線，CPU 可以直接訪問數(shù)據(jù)，無需任何驅(qū)動(dòng)程序或 PCIe 開銷。而且由于內(nèi)存訪問是通過64 字節(jié)的 cache line，CPU 只需要訪問它需要的數(shù)據(jù)，而不是像普通塊設(shè)備那樣每次要按塊訪問。

Intel 公司在2018年5月發(fā)布了基于3D XPoint™ 技術(shù)的Intel® Optane™ DC Persistent Memory?？梢哉J(rèn)為是NVDIMM-P 的一種實(shí)現(xiàn)。

Intel® Optane™ DC Persistent Memory

2.2、硬件支持

應(yīng)用程序可以直接訪問NVDIMM-P, 就像對(duì)于傳統(tǒng) DRAM那樣。這也消除了在傳統(tǒng)塊設(shè)備和內(nèi)存之間頁交換的需要。但是向持久性內(nèi)存里寫數(shù)據(jù)是和向普通DRAM里寫數(shù)據(jù)共享計(jì)算機(jī)資源的。包括處理器緩沖區(qū), L1/L2緩存等。

需要注意的是, 要使數(shù)據(jù)持久, 一定要保證數(shù)據(jù)寫入了持久性內(nèi)存設(shè)備, 或者寫入了帶有掉電保護(hù)的buffer。軟件如果要充分利用持久性內(nèi)存的特性, 指令集架構(gòu)上至少需要以下支持：

寫的原子性

表示對(duì)于持久性內(nèi)存里任意大小的寫都要保證是原子性的, 以防系統(tǒng)崩潰或者突然掉電。IA-32 和 IA-64 處理器保證了對(duì)緩存數(shù)據(jù)最大64位的數(shù)據(jù)訪問 (對(duì)齊或者非對(duì)齊) 的寫原子性。因此, 軟件可以安全地在持久性內(nèi)存上更新數(shù)據(jù)。這樣也帶來了性能上的提升, 因?yàn)橄薱opy-on-write 或者 write-ahead-logging 這種保證寫原子性的開銷。

高效的緩存刷新(flushing)

出于性能的考慮, 持久性內(nèi)存的數(shù)據(jù)也要先放入處理器的緩存(cache)才能被訪問。經(jīng)過優(yōu)化的緩存刷新指令減少了由于刷新 (CLFLUSH) 造成的性能影響。

a. CLFLUSHOPT 提供了更加高效的緩存刷新指令

b. CLWB (Cache Line Write Back) 指令把cache line上改變的數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存 (類似CLFLUSHOPT)，但是無需讓這條 cache line 轉(zhuǎn)變成無效狀態(tài)(invalid, MESI protocol)，而是轉(zhuǎn)換成未改變的獨(dú)占狀態(tài)(Exclusive)。CLWB 指令實(shí)際上是在試圖減少由于某條cache line刷新所造成的下次訪問必然的cache miss。

提交至持久性內(nèi)存(Committing to Persistence)

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)架構(gòu)下，緩存刷新的完成表明修改的數(shù)據(jù)已經(jīng)被回寫至內(nèi)存子系統(tǒng)的寫緩沖區(qū)。但是此時(shí)數(shù)據(jù)并不具有持久性。為了確保數(shù)據(jù)寫入持久性內(nèi)存，軟件需要刷新易失性的寫緩沖區(qū)或者在內(nèi)存子系統(tǒng)的其他緩存。新的用于持久性寫的提交指令 PCOMMIT 可以把內(nèi)存子系統(tǒng)寫隊(duì)列中的數(shù)據(jù)提交至持久性內(nèi)存。

非暫時(shí)store操作的優(yōu)化(Non-temporal Store Optimization)

當(dāng)軟件需要拷貝大量數(shù)據(jù)從普通內(nèi)存到持久性內(nèi)存中時(shí)(或在持久性內(nèi)存之間拷貝), 可以使用弱順序, 非暫時(shí)的store操作 (比如使用MOVNTI 指令)。因?yàn)镹on-temporal store指令可以隱式地使要回寫的那條cache line 失效, 軟件就不需要明確地flush cache line了(see Section 10.4.6.2. of Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual, Volume 1)。

小結(jié)

上面介紹了NVDIMM 的幾種實(shí)現(xiàn)方式，以及為了發(fā)揮NVDIMM-P 的性能所做的硬件上的優(yōu)化和支持。下面會(huì)繼續(xù)介紹軟件方面的支持，包括編程模型、編程庫、SPDK方面的支持等。

在上篇的 NVDIMM介紹中，我們講解了NVDIMM幾種硬件上的實(shí)現(xiàn)方式，以及為了支持和優(yōu)化性能所做的硬件上的改變。接下來讓我們來討論一下為了充分發(fā)揮NVDIMM的性能，軟件方面做了哪些支持。有些人可能會(huì)有疑問， 為什么用起來這么麻煩？既然是持久性內(nèi)存，不是應(yīng)該關(guān)機(jī)什么樣， 開機(jī)什么樣， 就可以了嗎？其實(shí)目前來看， 這種想法還不會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。因?yàn)槌薉RAM是易失性的，比如 cache，寄存器這種也是易失性的。僅僅把內(nèi)存做成持久性的也不能達(dá)成這樣的目的。另一個(gè)問題是， memory leak。如果發(fā)生了內(nèi)存泄漏，重啟一下就好了。那如果是持久性內(nèi)存的泄漏呢？這也是一個(gè)很棘手的問題。Pmem有些方面類似于內(nèi)存，也有些方面類似于存儲(chǔ)。但是，通常上我們不會(huì)認(rèn)為Pmem能夠替代內(nèi)存或存儲(chǔ)。其實(shí)，可以把它看作是一種補(bǔ)充，填補(bǔ)了內(nèi)存和存儲(chǔ)之間巨大的差異。

SPDK 在 17.10 中開始引入對(duì)于Pmem的支持。Pmem在SPDK的bdev層暴露為一個(gè)塊設(shè)備，使用快設(shè)備接口和上層進(jìn)行通信。如下圖所示。

從圖中我們可以看到libpmemblk 把塊操作轉(zhuǎn)換成了字節(jié)操作。它是怎么做到的呢？在介紹libpmemblk 和 它背后的PMDK之前， 我們了解一下基礎(chǔ)知識(shí)。

mmap和DAX

首先，我們來看傳統(tǒng)的I/O方式， 即緩存I/O (Buffered I/O). 大多數(shù)操作系統(tǒng)默認(rèn)的IO操作方式都是緩存IO。該機(jī)制使IO數(shù)據(jù)緩存在操作系統(tǒng)的page cache 中， 也就是說， 數(shù)據(jù)會(huì)被先拷貝到操作系統(tǒng)的內(nèi)核空間的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從內(nèi)核空間的緩沖區(qū)拷貝到指定的用戶地址空間。

在Linux 中， 這種訪問文件的方式就是通過read/write 系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)，如上圖。接下來， 我們比較一下內(nèi)存映射IO mmap()。

接下來， 我們比較一下內(nèi)存映射IO mmap()。

通過mmap獲得了對(duì)應(yīng)文件的一個(gè)指針，然后就像操作內(nèi)存一樣進(jìn)行賦值或者做memcpy/strcpy. 這種我們稱之為load/store操作(這種操作一般需要msync、fsync來落盤)。

mmap因?yàn)榻⒘宋募接脩艨臻g的映射關(guān)系，可以看作是把文件直接拷貝到用戶空間，減少了一次數(shù)據(jù)拷貝。但是mmap依然需要依靠page cache。

講完了mmap，那么DAX是什么呢？DAX即direct access，這個(gè)特性是基于mmap的。而DAX的區(qū)別在于完全不需要page cache，直接對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備訪問，所以它就是為了NVDIMM而生的。應(yīng)用對(duì)于mmap的文件操作，是直接同步到NVDIMM上的。DAX目前在XFS, EXT4, Windows的 NTFS 上都已經(jīng)支持。需要注意的是， 使用這個(gè)模式，要對(duì)應(yīng)用程序或者文件系統(tǒng)進(jìn)行修改。

2.3、NVM Programming Model

NVM Programming Model 大致定義了三種使用方式。

2.3.1 最左邊Management 主要是通過driver提供的API對(duì)NVDIMM進(jìn)行管理， 比如查看容量信息、健康狀態(tài)、固件版本、固件升級(jí)、模式配置等等。

2.3.2 中間， 作為存儲(chǔ)快設(shè)備使用， 使用支持NVDIMM driver 的文件系統(tǒng)和內(nèi)核， 應(yīng)用程序不用做任何修改，通過標(biāo)準(zhǔn)文件接口訪問NVDIMM。

2.3.3 第三種， 基于文件系統(tǒng)的DAX特性，通過load/store操作，不需要page cache，同步落盤，沒有系統(tǒng)調(diào)用， 沒有中斷。這也是NVM Programming Model 的核心， 能夠充分釋放NVDIMM的性能優(yōu)勢(shì)。但它的缺點(diǎn)在于，應(yīng)用程序可能需要做一下改變。

PMDK

libpmemblk 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)駐留在pmem中的同樣大小的塊的數(shù)組。里面每個(gè)塊對(duì)于突然掉電，程序崩潰等情況依然保持原子事務(wù)性。libpmemblk是基于libpmem庫的，libpmem是PMDK中提供的一個(gè)更底層的庫, 尤其是對(duì)于flush的支持。它能夠追蹤每次對(duì)pmem的store操作，并保證數(shù)據(jù)落盤為持久性數(shù)據(jù)。

除此以外， PMDK 還提供了其他編程庫， 比如 libpmemobj,libpmemlog,libvmmalloc 等。感興趣可以訪問其主頁獲取更多信息。

結(jié)語

至此，對(duì)于NVDIMM硬件和軟件上的不同， 大家都有了一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)。Intel 在2018年5月發(fā)布了基于3D XPoint™ 技術(shù)的Intel® Optane™ DC Persistent Memory，引發(fā)了NVDIMM爆點(diǎn)。

2.4、上述內(nèi)容可做如下的概述

NVIDMM分類

NVIDMM-N：memory mapped DRAM，提供字符訪問接口，在三種產(chǎn)品中性能最好，容量最小

NVDIMM-F：memory mapped Flush，只提供塊設(shè)備接口。Nand Flush直接鏈接到Memory controller channel。

NVIDMM-P：Under Development，提供塊設(shè)備和字符設(shè)備訪問接口。

特性

NVDIMM-N：NVDIMM-N既可以用作緩存，又可以作為塊存儲(chǔ)設(shè)備來用。典型代表是類似intel 的AEP。

NVIDMM-F：不同于NVIDMM-N主要用作緩存，NVIDMM-F主要用作存儲(chǔ)?？梢杂脕砜焖贅?gòu)建高密度的內(nèi)存池存儲(chǔ)池。

2.4.1 構(gòu)建基于NVDMM的文件系統(tǒng)

門為PMEM設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)是NOVA Filesystem，感興趣的讀者可以參考NOVA的github。

ZUFS作為來自于NetApp的一個(gè)項(xiàng)目，ZUFS的全稱是Zero-copy User Filesystem。聲稱是實(shí)現(xiàn)了完全的zero-copy，甚至文件系統(tǒng)的metadata都是zero-copy的。ZUFS主要是為了PMEM設(shè)計(jì)，但是也可以支持傳統(tǒng)的磁盤設(shè)備，相當(dāng)于是FUSE的zero-copy版本，是對(duì)FUSE的性能的提升。

在用作DRAM的模式下：

2.4.2.1 支持全系統(tǒng)掉電保護(hù)， 不少場(chǎng)景下為了防止異常掉電丟數(shù)據(jù)的commit and flush 的兩階段提交方法，可以省略成一階段的commit on write 的方法

2.4.2.2 為DRAM和SSD物理之間提供了一個(gè)新的存儲(chǔ)層

2.4.2.3 由于用作DRAM的時(shí)候，其訪問速度比SSD可能有1~3個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，在一些文件系統(tǒng)中可以去掉對(duì)page cach的依賴，這樣反而更能控制上層業(yè)務(wù)的平均延時(shí)和服務(wù)穩(wěn)定性。

DAX：顧名思義，DAX就是Direct Access, bypass page cache。讀寫直接操作PMEM上的數(shù)據(jù)，文件系統(tǒng)需要在mount 的時(shí)候，加入 "-o dax"參數(shù)。DAX極大地提高了文件系統(tǒng)在PMEM設(shè)備上的性能，但是還有一些問題沒有解決，比如：

文件系統(tǒng)的metadata還是需要使用page cache或buffer cache。

"-o dax" mount option是對(duì)整個(gè)文件系統(tǒng)的，不能做更細(xì)粒度的控制。

2.4.3 沒有一個(gè)API來告訴應(yīng)用訪問的文件是不是可以DAX訪問的。

3、NVDIMM在Linux下的實(shí)現(xiàn)

持久內(nèi)存是一種新型的計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存，其速度接近動(dòng)態(tài) RAM (DRAM)，但同時(shí)具備 RAM 的按字節(jié)尋址能力以及固態(tài)硬盤 (SSD) 的性能；與傳統(tǒng)的 RAM 一樣，持久內(nèi)存直接安裝在主板上的內(nèi)存插槽中。因此，它的物理外形規(guī)格與 RAM 相同，以 DIMM 的形式提供。這些內(nèi)存稱為 NVDIMM：非易失性雙列直插式內(nèi)存模塊。

不過與 RAM 不同，持久內(nèi)存在多個(gè)方面類似于基于閃存的 SSD。后兩者采用固態(tài)內(nèi)存電路的形式，但除此之外，兩者都提供非易失性儲(chǔ)存：系統(tǒng)斷電或者重啟動(dòng)后，內(nèi)存中的內(nèi)容會(huì)得到保留。使用這兩種媒體時(shí)，寫入數(shù)據(jù)的速度比讀取數(shù)據(jù)要慢；兩者都支持有限的重新寫入周期數(shù)。最后，與 SSD 一樣，如果在特定的應(yīng)用方案中更適合對(duì)持久內(nèi)存進(jìn)行扇區(qū)級(jí)別的訪問，則也可以這樣做。

不同的型號(hào)使用不同形式的電子儲(chǔ)存媒體，例如 Intel 3D XPoint，或者將 NAND 閃存與 DRAM 結(jié)合使用。另外，行業(yè)正在開發(fā)新形式的非易失性 RAM。這意味著，不同的供應(yīng)商和 NVDIMM 型號(hào)會(huì)提供不同的性能和持久性特征。

由于涉及的儲(chǔ)存技術(shù)處于早期開發(fā)階段，不同供應(yīng)商的硬件可能會(huì)施加不同的限制。因此，以下敘述適用于一般性的場(chǎng)合。

持久內(nèi)存的速度最多比 DRAM 要慢 10 倍，但比閃存要快大約 1000 倍?？稍谄渲邪醋止?jié)重新寫入數(shù)據(jù)，而不像在閃存中一樣，需要擦除整個(gè)扇區(qū)，然后重新寫入數(shù)據(jù)。盡管重新寫入周期數(shù)有限，但大部分形式的持久內(nèi)存可以應(yīng)對(duì)數(shù)百萬次重新寫入，相比之下，閃存只能應(yīng)對(duì)數(shù)千個(gè)周期。

這會(huì)產(chǎn)生兩種重要后果：使用最新的技術(shù)無法運(yùn)行僅包含持久內(nèi)存的系統(tǒng)，因此無法實(shí)現(xiàn)完全非易失性的主內(nèi)存，必須混合使用傳統(tǒng)的 RAM 和 NVDIMM。操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?qū)⒃趥鹘y(tǒng)的 RAM 中執(zhí)行，而 NVDIMM 可提供極速的補(bǔ)充性儲(chǔ)存。

由于不同供應(yīng)商的持久內(nèi)存的性能特征不同，程序員可能需要考慮到特定服務(wù)器中 NVDIMM 的硬件規(guī)格，包括 NVDIMM 的數(shù)量，以及它們可以裝入到哪些內(nèi)存插槽。顯然，這會(huì)對(duì)超級(jí)管理程序的使用、不同主機(jī)之間的軟件遷移等造成影響。

ACPI 標(biāo)準(zhǔn)版本 6 中定義了此新型儲(chǔ)存子系統(tǒng)。但是 libnvdimm 支持該標(biāo)準(zhǔn)頒布之前的 NVDIMM，可以相同的方式使用這些內(nèi)存。

3.1、持久內(nèi)存 (PMEM)

與 RAM 一樣，PMEM 儲(chǔ)存提供字節(jié)級(jí)別的訪問。使用 PMEM 時(shí)，單個(gè)名稱空間可以包含多個(gè)交錯(cuò)式的 NVDIMM，使這些 NVDIMM 都可用作單個(gè)設(shè)備?？赏ㄟ^兩種方式來配置 PMEM 名稱空間。

將 PMEM 與 DAX 搭配使用

為 Direct Access (DAX) 配置 PMEM 名稱空間后，訪問內(nèi)存時(shí)會(huì)繞過內(nèi)核的頁面超速緩存，并直接進(jìn)入媒體。軟件可以單獨(dú)直接讀取或?qū)懭朐撁Q空間的每個(gè)字節(jié)。

將 PMEM 與 BTT 搭配使用

與在傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器中一樣，將按扇區(qū)訪問配置為以 BTT 模式運(yùn)行的 PMEM 名稱空間，而不是像在 RAM 中一樣采用按字節(jié)尋址的模式。某個(gè)轉(zhuǎn)換表機(jī)制會(huì)將訪問活動(dòng)批處理成扇區(qū)大小的單元。

BTT 的優(yōu)點(diǎn)在于，儲(chǔ)存子系統(tǒng)會(huì)確保將每個(gè)扇區(qū)完全寫入到基礎(chǔ)媒體，如果某項(xiàng)寫入操作出于某種原因而失敗，則會(huì)取消注冊(cè)該操作。因此，無法在給定的扇區(qū)中進(jìn)行部分寫入。此外，對(duì) BTT 名稱空間的訪問會(huì)由內(nèi)核超速緩存。缺點(diǎn)在于BTT 名稱空間不支持 DAX。

3.2、用于管理持久內(nèi)存的工具

要管理持久內(nèi)存，必須安裝 ndctl 包。安裝此包也會(huì)安裝 libndctl 包，后者提供一組用戶空間庫用于配置 NVDIMM。這些工具通過 libnvdimm 庫運(yùn)行。該庫支持三種類型的 NVDIMM：

PMEM

BLK

同步 PMEM 和 BLK。

ndctl 實(shí)用程序提供一系列有用的手冊(cè)頁，可使用以下命令訪問這些：

ndctl help subcommand

要查看可用子命令的列表請(qǐng)使用：

ndctl --list-cmds

可用的子命令包括：

•  version：顯示 NVDIMM 支持工具的當(dāng)前版本。

•  enable-namespace：使指定的名稱空間可供使用。

•  disable-namespace：阻止使用指定的名稱空間。

•  create-namespace：從指定的儲(chǔ)存設(shè)備創(chuàng)建新的名稱空間。

•  destroy-namespace：去除指定的名稱空間。

•  enable-region：使指定的區(qū)域可供使用。

•  disable-region：阻止使用指定的區(qū)域。

•  zero-labels：擦除設(shè)備中的元數(shù)據(jù)。

•  read-labels：檢索指定設(shè)備的元數(shù)據(jù)。

•  list：顯示可用的設(shè)備。

•  help：顯示有關(guān)工具用法的信息。

3.3、設(shè)置持久內(nèi)存

3.3.1 查看可用的 NVDIMM 儲(chǔ)存

可以使用 ndctl list 命令列出系統(tǒng)中所有可用的 NVDIMM。在以下示例中，系統(tǒng)包含三個(gè) NVDIMM，這些 NVDIMM 位于單個(gè)三通道交錯(cuò)集內(nèi)。

ndctl list --dimms  [   {    "dev":"nmem2",    "id":"8089-00-0000-12325476"   },   {    "dev":"nmem1",    "id":"8089-00-0000-11325476"   },   {    "dev":"nmem0",    "id":"8089-00-0000-10325476"   }  ]

如果結(jié)合不同的參數(shù)，ndctl list 還可以列出可用的區(qū)域。

注意：區(qū)域可能不會(huì)按數(shù)字順序顯示。

請(qǐng)注意，盡管只有三個(gè) NVDIMM，但它們卻顯示為四個(gè)區(qū)域。

ndctl list --regions  [   {    "dev":"region1",    "size":68182605824,    "available_size":68182605824,    "type":"blk"   },   {    "dev":"region3",    "size":202937204736,    "available_size":202937204736,    "type":"pmem",    "iset_id":5903239628671731251    },    {     "dev":"region0",     "size":68182605824,     "available_size":68182605824,     "type":"blk"    },    {     "dev":"region2",    "size":68182605824,     "available_size":68182605824,     "type":"blk"    }  ]

空間以兩種不同的形式顯示：三個(gè) BLK 類型的獨(dú)立 64 GB 區(qū)域，或者一個(gè) PMEM 類型的合并 189 GB 區(qū)域，后者將三個(gè)交錯(cuò)式 NVDIMM 中的所有空間表示為單個(gè)卷。

請(qǐng)注意，available_size 的顯示值與 size 的顯示值相同。這意味著尚未分配任何空間。

3.3.2 將儲(chǔ)存配置為使用 DAX 的單個(gè) PMEM 名稱空間

第一個(gè)示例將三個(gè) NVDIMM 配置成使用 Direct Access (DAX) 的單個(gè) PMEM 名稱空間。第一個(gè)步驟是創(chuàng)建新的名稱空間。

ndctl create-namespace --type=pmem --mode=fsdax --map=memory  {   "dev":"namespace3.0",   "mode":"memory",   "size":199764213760,   "uuid":"dc8ebb84-c564-4248-9e8d-e18543c39b69",   "blockdev":"pmem3"  }

這會(huì)創(chuàng)建支持 DAX 的塊設(shè)備 /dev/pmem3。設(shè)備名稱中的 3 繼承自父區(qū)域編號(hào)(在本例中為 region3)。

--map=memory 選項(xiàng)從 NVDIMM 中設(shè)置出一部分 PMEM 儲(chǔ)存空間，以便可以使用這些空間來分配稱作結(jié)構(gòu)頁面的內(nèi)部?jī)?nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣，便可以將新的 PMEM 名稱空間與 O_DIRECT I/O 和 RDMA 等功能搭配使用。

最終 PMEM 名稱空間的容量之所以小于父 PMEM 區(qū)域，是因?yàn)橛幸徊糠殖志脙?nèi)存預(yù)留給了內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

接下來，我們校驗(yàn)新的塊設(shè)備是否可用于操作系統(tǒng)：

fdisk -l /dev/pmem3  Disk /dev/pmem3: 186 GiB, 199764213760 bytes, 390164480 sectors  Units: sectors of 1 * 512512 = 512 bytes  Sector size (logical/physical): 512 bytes / 4096 bytes  I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 4096 bytes

與其他任何驅(qū)動(dòng)器一樣，在使用該設(shè)備之前，必須先將其格式化。在本示例中，我們使用 XFS 將其格式化：

mkfs.xfs /dev/pmem3

...

接下來，可將新的驅(qū)動(dòng)器裝入到某個(gè)目錄：

mount -o dax /dev/pmem3 /mnt/pmem3

然后，可以校驗(yàn)是否獲得了一個(gè)支持 DAX 的設(shè)備：

mount | grep dax  /dev/pmem3 on /mnt/pmem3 type xfs (rw,relatime,attr2,dax,inode64,noquota)

結(jié)果是，我們已獲得一個(gè)使用 XFS 文件系統(tǒng)格式化的，且裝有 DAX 的 PMEM 名稱空間。

對(duì)該文件系統(tǒng)中的文件進(jìn)行任何 mmap() 調(diào)用都會(huì)返回直接映射到 NVDIMM 上的持久內(nèi)存的虛擬地址，并且會(huì)完全繞過頁面超速緩存。對(duì)該文件系統(tǒng)中的文件進(jìn)行任何 fsync 或 msync 調(diào)用仍可確保將修改后的數(shù)據(jù)完全寫入到 NVDIMM。這些調(diào)用會(huì)刷新通過 mmap 映射在用戶空間中修改的任何頁面的關(guān)聯(lián)處理器超速緩存行。

3.3.2.1 去除名稱空間

在創(chuàng)建使用相同儲(chǔ)存的其他任何類型的卷之前，我們必須卸載此 PMEM 卷，然后將其去除。

首先卸載該卷：

umount /mnt/pmem3

然后禁用名稱空間：

ndctl disable-namespace namespace3.0  disabled 1 namespace

然后刪除該卷：

ndctl destroy-namespace namespace3.0  destroyed 1 namespace

3.3.3 創(chuàng)建使用 BTT 的 PMEM 名稱空間

在下一個(gè)示例中，我們將創(chuàng)建使用 BTT 的 PMEM 名稱空間。

ndctl create-namespace --type=pmem --mode=sector  {   "dev":"namespace3.0",   "mode":"sector",   "uuid":"51ab652d-7f20-44ea-b51d-5670454f8b9b",   "sector_size":4096,   "blockdev":"pmem3s"  }

接下來，校驗(yàn)新設(shè)備是否存在：

fdisk -l /dev/pmem3s  Disk /dev/pmem3s: 188.8 GiB, 202738135040 bytes, 49496615 sectors  Units: sectors of 1 * 40964096 = 4096 bytes  Sector size (logical/physical): 4096 bytes / 4096 bytes I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 4096 bytes

與前面配置的支持 DAX 的 PMEM 名稱空間一樣，這個(gè)支持 BTT 的 PMEM 名稱空間也會(huì)占用 NVDIMM 中的所有可用儲(chǔ)存。

注意：設(shè)備名稱 (/dev/pmem3s) 中的尾部 s 表示扇區(qū) (sector)，可用于輕松辨別配置為使用 BTT 的名稱空間。

可按前一示例中所述格式化和裝入卷。

此處顯示的 PMEM 名稱空間不能使用 DAX，它會(huì)使用 BTT 來提供扇區(qū)寫入原子性。每次通過 PMEM 塊驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行扇區(qū)寫入時(shí)，BTT 都會(huì)分配一個(gè)新的扇區(qū)來接收新數(shù)據(jù)。完全寫入新數(shù)據(jù)后，BTT 將以原子方式更新其內(nèi)部映射結(jié)構(gòu)，使新寫入的數(shù)據(jù)可供應(yīng)用程序使用。如果在此過程中的任意時(shí)間點(diǎn)發(fā)生電源故障，則寫入內(nèi)容將會(huì)完全丟失，在這種情況下，應(yīng)用程序可以訪問其舊數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)仍舊保持不變。這可以防止出現(xiàn)所謂"扇區(qū)撕裂"的情況。

與其他任何標(biāo)準(zhǔn)塊設(shè)備一樣，可以使用某個(gè)文件系統(tǒng)格式化這個(gè)支持 BTT 的 PMEM 名稱空間，并在該文件系統(tǒng)中使用它。無法將該名稱空間與 DAX 搭配使用。但是，此塊設(shè)備中的文件的 mmap 映射將使用頁面超速緩存。

3.4、使用內(nèi)存(DRAM)模擬持久化內(nèi)存(Persistent Memory)

3.4.1 精簡(jiǎn)版：一般內(nèi)核只需要兩步即可進(jìn)行持久性內(nèi)存模擬

1)配置 grub：

vim /etc/default/grub

在里面加入如下語句，前一個(gè)為要模擬的大小，后一個(gè)為模擬的持久性內(nèi)存在內(nèi)存中開始的位置。也就是從內(nèi)存4G開始，劃分32G來模擬持久性內(nèi)存。

GRUB_CMDLINE_LINUX="memmap=32G!4G"

2)更新 grub

update-grub && reboot

3.4.2 深入分析

現(xiàn)在真實(shí)的持久化內(nèi)存對(duì)于普通用戶來說還不可用，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的時(shí)候可能需要模擬持久化內(nèi)存來進(jìn)行使用，現(xiàn)在在一臺(tái)主機(jī)上測(cè)試劃分一塊內(nèi)存區(qū)域來進(jìn)行持久化內(nèi)存的模擬。

環(huán)境：Ubuntu 18.04，一臺(tái)普通的Dell臺(tái)式機(jī)，運(yùn)行內(nèi)存 8G。

從Linux 4.0以來，Linux內(nèi)核就具備了對(duì)持久性內(nèi)存設(shè)備和仿真的支持，但為了便于配置，建議使用比4.2更新的內(nèi)核。在內(nèi)核中，使用對(duì)文件系統(tǒng)的DAX擴(kuò)展創(chuàng)建了一個(gè)支持PMEM的環(huán)境。某些發(fā)行版(如Fedora 24及更高版本)內(nèi)置了DAX/PMEM支持。

要了解內(nèi)核是否支持DAX和PMEM，可以使用以下命令：

# egrep '(DAX|PMEM)' /boot/config-`uname –r`

如果內(nèi)置了支持就會(huì)輸出類似如下的內(nèi)容：

CONFIG_X86_PMEM_LEGACY_DEVICE=y    CONFIG_X86_PMEM_LEGACY=y    CONFIG_BLK_DEV_RAM_DAX=y    CONFIG_BLK_DEV_PMEM=m    CONFIG_FS_DAX=y    CONFIG_FS_DAX_PMD=y    CONFIG_ARCH_HAS_PMEM_API=y

但是很遺憾，我們的Ubuntu 18.04沒有內(nèi)置對(duì)DAX/PMEM的支持，所以輸入上述命令什么輸出都沒有。接下來就在Ubuntu 18.04上模擬持久化內(nèi)存。由于在Ubuntu 18.04上默認(rèn)沒有支持DAX和PMEM，所以需要我們重新編譯內(nèi)核，并在編譯內(nèi)核的配置選項(xiàng)中加入相關(guān)設(shè)置。

在這里重新編譯內(nèi)核，選擇的版本是Linux-4.15。

首先輸入命令：

make nconfig

進(jìn)入到如下的配置界面，配置PMEM和DAX

Device Drivers      NVDIMM Support          <M>PMEM;          <M>BLK;          <*>BTT          <*>NVDIMM DAX

配置PMEM

先進(jìn)入到Device Drivers中，在Device Drivers中找到NVDIMM Support，需要將菜單欄向下翻，里面的內(nèi)容并不只是我們看到的第一頁，NVDIMM Support 不在第一頁上。

進(jìn)入到NVDIMM Support 中，將里面的內(nèi)容都選中：

<M>PMEM;  <M>BLK;  <*>BTT  <*>NVDIMM DAX

配置文件系統(tǒng)DAX

使用esc回到make nconfig的初始頁面

File System      <*>Direct Access support

處理器特性設(shè)置

使用esc回到make nconfig的初始頁面

Processor type and features      <*>Support non-standard NVDIMMs and ADR protected memory

其實(shí)上述所有過程，在Linux-4.15中默認(rèn)都已經(jīng)做了，也就是我只要 make nconfig就可以了。

所有這些配置好之后就開始編譯以及安裝內(nèi)核：

# make -j9  # make modules_install install

然后進(jìn)入到新編譯的內(nèi)核Linux-4.15中

使用下面的命令打印出e820表：

dmesg | grep e820

得到如下的內(nèi)容：

[0.000000] e820: BIOS-provided physical RAM map:    [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000000000-0x000000000009d7ff] usable    [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000000009d800-0x000000000009ffff] reserved  .

上述的usable就是我們可以使用的，從中可以劃分部分區(qū)域來作為我們的持久化內(nèi)存，在這里建議選?。?/p>

[0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000100000000-0x000000021f5fffff] usable

其中0x0000000100000000就是4G，需要配置grub來設(shè)置：

vim /etc/default/grub

我在里面直接配置4G的空間來模擬持久化內(nèi)存，在grub中添加如下語句，表示空間大小為4G，從4G內(nèi)存開始的內(nèi)存空間用來模擬持久化內(nèi)存：

GRUB_CMDLINE_LINUX="memmap=4G!4G"

配置好后，更新grub：update-grub

使用下面的命令查看是否成功：

dmesg | grep user

可以看到，這塊區(qū)域已經(jīng)被模擬為了持久化內(nèi)存，然后我們?cè)谥鳈C(jī) /dev目錄下可以看到pmem0的設(shè)備，至此就可以對(duì)模擬的持久化內(nèi)存進(jìn)行使用了。

使用方式--建立DAX文件系統(tǒng)

以ext4文件系統(tǒng)為例

mkdir /mnt/pmemdir  mkfs.ext4 /dev/pmem0  mount -o dax /dev/pmem0 /mnt/pmemdir

這樣就將目錄 /mnt/pmem掛載到了持久化內(nèi)存上，這個(gè)目錄在之后的使用過程中就會(huì)用到。

參考來源：如何在英特爾® 架構(gòu)服務(wù)器上仿真持久性內(nèi)存

3.4.3 使用memmap內(nèi)核選項(xiàng)

pmem驅(qū)動(dòng)程序允許用戶基于直接訪問文件系統(tǒng)(DAX)來使用EXT4和XFS。添加了一個(gè)新的memmap選項(xiàng)，該選項(xiàng)支持保留一個(gè)或多個(gè)范圍的未分配內(nèi)存以用于模擬的持久內(nèi)存。memmap參數(shù)文檔在Linux內(nèi)核的相關(guān)頁面上。這個(gè)特性是在v4.0內(nèi)核中向上擴(kuò)展的。kernelv4.15引入了性能改進(jìn)，推薦用于生產(chǎn)環(huán)境。

memmap選項(xiàng)使用memmap=nn[KMG]!ss[KMG]格式；其中nn是要保留的區(qū)域的大小，ss是起始偏移量，[KMG]指定大小(以千字節(jié)、兆字節(jié)或千兆字節(jié)為單位)。配置選項(xiàng)通過GRUB傳遞給內(nèi)核，更改GRUB菜單項(xiàng)和內(nèi)核參數(shù)在Linux發(fā)行版本之間有所不同，下面是一些常見Linux發(fā)行版的說明。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱正在使用的Linux發(fā)行版和版本的文檔。

內(nèi)存區(qū)域?qū)?biāo)記為e820類型12(0xc)，這在引導(dǎo)時(shí)可見，使用dmesg命令查看這些消息。

$ dmesg | grep e820

GRUB配置中的'memmap=4G!12G'：保留4GB內(nèi)存，從12GB到16GB。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱如何為系統(tǒng)選擇正確的memmap選項(xiàng)。每個(gè)Linux發(fā)行版都有不同的方法來修改GRUB配置，按照發(fā)行版的文檔進(jìn)行操作即可，下面提供了一些常見的發(fā)行版以供快速參考。

1)、Ubuntu

$ sudo vim /etc/default/grub  GRUB_CMDLINE_LINUX="memmap=4G!12G"

更新完成grub后重啟機(jī)器

$ sudo update-grub2

2)、RHEL

$ sudo vi /etc/default/grub  GRUB_CMDLINE_LINUX="memmap=4G!12G"

正式開始更新grub配置

On BIOS-based machines:

$ sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg

On UEFI-based machines:

$ sudo grub2-mkconfig -o /boot/efi/EFI/centos/grub.cfg

可以使用多個(gè)配置，下面建立了兩個(gè)2G大小的名稱空間

"memmap=2G!12G memmap=2G!14G" will create two 2GB namespaces, one in the 12GB-14GB memory address offsets, the other at 14GB-16GB.

主機(jī)重新啟動(dòng)后，應(yīng)該存在一個(gè)新的/dev/pmem{N}設(shè)備，在GRUB配置中指定的每個(gè)memmap區(qū)域都有一個(gè)。這些可以使用ls/dev/pmem*顯示，命名約定從/dev/pmem0開始，并為每個(gè)設(shè)備遞增。/dev/pmem{N}設(shè)備可用于創(chuàng)建DAX文件系統(tǒng)。

使用/dev/pmem設(shè)備創(chuàng)建并裝載文件系統(tǒng)，然后驗(yàn)證是否為裝入點(diǎn)設(shè)置了dax標(biāo)志，以確認(rèn)啟用了dax功能。下面展示了如何創(chuàng)建和掛載EXT4或XFS文件系統(tǒng)。

1)、XFS

mkfs.xfs /dev/pmem0  mkdir /pmem && mount -o dax /dev/pmem0 /pmem  mount -v | grep /pmem  /dev/pmem0 on /pmem type xfs (rw,relatime,seclabel,attr2,dax,inode64,noquota)

2)、EXT4

mkfs.ext4 /dev/pmem0  mkdir /pmem && mount -o dax /dev/pmem0 /pmem  mount -v | grep /pmem  /dev/pmem0 on /pmem type ext4 (rw,relatime,seclabel,dax,data=ordered)

如何為系統(tǒng)選擇正確的memmap選項(xiàng)

為memmap內(nèi)核參數(shù)選擇值時(shí)，必須考慮起始地址和結(jié)束地址代表可用的RAM。使用或與保留內(nèi)存重疊可能導(dǎo)致?lián)p壞或未定義的行為，此信息可通過dmesg在e820表中輕松獲得。

下面的示例服務(wù)器具有16GiB內(nèi)存，"可用"內(nèi)存介于4GiB(0x100000000)和~16GiB(0x3ffffffff)之間：

$ dmesg | grep BIOS-e820  [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000000000-0x000000000009fbff] usable  [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000000009fc00-0x000000000009ffff] reserved  [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000000f0000-0x00000000000fffff] reserved [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000100000-0x00000000bffdffff] usable  [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000bffe0000-0x00000000bfffffff] reserved  [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000feffc000-0x00000000feffffff] reserved  [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000fffc0000-0x00000000ffffffff] reserved  [0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000100000000-0x00000003ffffffff] usable

要保留4GiB和16GiB之間的12GiB可用空間作為模擬持久內(nèi)存，語法如下：

memmap=12G!4G

重新啟動(dòng)后一個(gè)新的用戶定義的e820表項(xiàng)顯示范圍現(xiàn)在是"persistent(type12)"：

$ dmesg | grep user:  [0.000000] user: [mem 0x0000000000000000-0x000000000009fbff] usable  [0.000000] user: [mem 0x000000000009fc00-0x000000000009ffff] reserved  [0.000000] user: [mem 0x00000000000f0000-0x00000000000fffff] reserved  [0.000000] user: [mem 0x0000000000100000-0x00000000bffdffff] usable  [0.000000] user: [mem 0x00000000bffe0000-0x00000000bfffffff] reserved  [0.000000] user: [mem 0x00000000feffc000-0x00000000feffffff] reserved  [0.000000] user: [mem 0x00000000fffc0000-0x00000000ffffffff] reserved  [0.000000] user: [mem 0x0000000100000000-0x00000003ffffffff] persistent (type 12)

fdisk或lsblk程序可用于顯示容量，例如：

# fdisk -l /dev/pmem0  Disk /dev/pmem0: 12 GiB,  12884901888 bytes, 25165824 sectors  Units: sectors of 1 * 512512 = 512 bytes  Sector size (logical/physical): 512 bytes / 4096 bytes  I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 4096 bytes

# lsblk /dev/pmem0  NAME  MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT  pmem0 259:0    0  12G  0 disk /pmem

注意：大多數(shù)Linux發(fā)行版都啟用了內(nèi)核地址空間布局隨機(jī)化(KASLR)，這是由CONFIG_RANDOMIZE_BASE定義的。啟用后，內(nèi)核可能會(huì)在沒有警告的情況下使用先前為持久內(nèi)存保留的內(nèi)存，從而導(dǎo)致?lián)p壞或未定義的行為，因此建議在16GiB或更低的系統(tǒng)上禁用KASLR。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱對(duì)應(yīng)的Linux發(fā)行版文檔，因?yàn)槊總€(gè)發(fā)行版各不相同。

到此，相信大家對(duì)“Linux文件系統(tǒng)與持久性內(nèi)存舉例分析”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！

文章名稱：Linux文件系統(tǒng)與持久性內(nèi)存舉例分析
標(biāo)題來源：http://muchs.cn/article44/pipoee.html

成都網(wǎng)站建設(shè)公司_創(chuàng)新互聯(lián)，為您提供全網(wǎng)營(yíng)銷推廣、網(wǎng)站建設(shè)、App開發(fā)、網(wǎng)站設(shè)計(jì)、App設(shè)計(jì)、企業(yè)建站

廣告

聲明：本網(wǎng)站發(fā)布的內(nèi)容（圖片、視頻和文字）以用戶投稿、用戶轉(zhuǎn)載內(nèi)容為主，如果涉及侵權(quán)請(qǐng)盡快告知，我們將會(huì)在第一時(shí)間刪除。文章觀點(diǎn)不代表本網(wǎng)站立場(chǎng)，如需處理請(qǐng)聯(lián)系客服。電話：028-86922220；郵箱：631063699@qq.com。內(nèi)容未經(jīng)允許不得轉(zhuǎn)載，或轉(zhuǎn)載時(shí)需注明來源： 創(chuàng)新互聯(lián)