隨著技術(shù)的進(jìn)步以及成本的降低，閃存已經(jīng)越來越廣泛的被企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心作為存儲(chǔ)介質(zhì)使用。相比傳統(tǒng)的磁盤介質(zhì)，閃存的優(yōu)勢顯而易見：速度快，耗電低，省空間。特別在速度方面，閃存具備壓倒性的優(yōu)勢。

比方說，客戶原來采用某款高端磁盤陣列的時(shí)候，處理某個(gè)作業(yè)，需要花費(fèi)6個(gè)小時(shí)。后來采用了閃存陣列，同樣處理該作業(yè)，只需要1個(gè)小時(shí)就可以完成。閃存帶來的性能優(yōu)勢非常的明顯。

以上，并不是本文討論的重點(diǎn)。

本文的重點(diǎn)是，客戶剛剛采用閃存陣列的時(shí)候，處理作業(yè)只用1個(gè)小時(shí)，可是運(yùn)行了一段時(shí)間之后，忽然有一天，客戶發(fā)現(xiàn)處理作業(yè)用了1小時(shí)25分鐘。于是，問題來了，客戶一方面覺得1小時(shí)20分鐘比6小時(shí)還是快多了，一方面也會(huì)想，為啥比起1小時(shí)，我現(xiàn)在處理作業(yè)的時(shí)間慢了4分之1？

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由此，我們來了解一下，閃存中的“寫懸崖（Write-Cliff）”現(xiàn)象。

什么是垃圾回收？

閃存是電子類介質(zhì)，它處理數(shù)據(jù)的寫入和傳統(tǒng)的磁類介質(zhì)（磁盤或者磁帶）不同。在使用磁盤時(shí)，如果我們有新數(shù)據(jù)寫入某區(qū)塊，而該區(qū)塊還存有舊數(shù)據(jù)，那只需要簡單的進(jìn)行覆蓋即可。而閃存不同，新數(shù)據(jù)寫入的區(qū)塊，必須是空白區(qū)塊，如果該區(qū)塊存有舊數(shù)據(jù)，那么必須先對(duì)舊數(shù)據(jù)進(jìn)行“擦除”（Erase）。是的，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的越來越多，理論上最多當(dāng)寫入的數(shù)據(jù)總量達(dá)到閃存提供的所有容量之后，再次寫入更新時(shí)，就必然會(huì)產(chǎn)生“擦除”。

相比于常規(guī)的讀取和寫入操作，擦除有2個(gè)特點(diǎn)。

***，擦除的速度比讀寫要慢。

第二，擦除的處理單位要比讀寫大。

目前業(yè)界的閃存，基本上，讀操作的處理單位不大于4KB，寫操作的處理單位不小于4KB，而擦除的處理單位則是不小于1MB。這意味著，如果要寫入4KB的數(shù)據(jù)，到某個(gè)已存有4KB舊數(shù)據(jù)的區(qū)塊，那我首先需要擦除其周邊1MB的區(qū)塊空間。

這相當(dāng)于您買了一套二手房三居室，規(guī)定要求說不能直接住，必須先還原成毛坯房再重新裝修，而且要求您必須先把整個(gè)小區(qū)250個(gè)住戶的房子全部恢復(fù)成毛坯房，然后才能重新裝修自己家?？墒瞧溆?49個(gè)鄰居住的好好的，他們家里的東西怎么辦，答案只有一個(gè)，就是請(qǐng)他們?nèi)堪鸭野嶙?，搬到其他小區(qū)空著的房子里去。（好吧，強(qiáng)制拆遷啦?。。┊?dāng)然，搬完之后有個(gè)好處，就是未來再有249個(gè)新住戶進(jìn)來，他們可以就在毛坯房的基礎(chǔ)之上直接進(jìn)行裝修了（1MB一次性全部擦除）。

以上過程，我們稱之為閃存擦除效應(yīng)帶來的“垃圾回收”。為了更清晰的描述這個(gè)過程，借(Chao) 用(Xi) 某閃存廠商的圖片，來更為清晰的解釋一下。

 簡便起見，如下圖所示，假設(shè)某閃存設(shè)備一共提供了16個(gè)可寫的小塊，一次擦除必須以4個(gè)小塊為單位。

首先，我們寫入了一個(gè)“MyFile.doc”文件，占用了6個(gè)小塊，由于現(xiàn)在的16個(gè)塊都是“干凈”的空白狀態(tài)，所以直接寫入即可。如下圖。

然后，我們更新了“MyFile.doc”文件。注意，在這里，作為用戶，我們認(rèn)為自己是在原來的位置上對(duì)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新。但是閃存為了更快的完成處理，會(huì)物理上將新數(shù)據(jù)寫入另外的“干凈”區(qū)塊，并將原有舊數(shù)據(jù)所在區(qū)塊標(biāo)記為“失效”狀態(tài)。如下圖（灰色代表“失效，未擦除”數(shù)據(jù)塊，藍(lán)色代表“已占用”數(shù)據(jù)塊，白色代表“干凈，可寫入”數(shù)據(jù)塊）。

（同時(shí)為了解決應(yīng)用程序地址和實(shí)際物理存儲(chǔ)地址的對(duì)應(yīng)問題，閃存加入了“Flash Translation Layer”，用來實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)地址的映射。）

接下來，我們又需要寫入一個(gè)新文件“AnotherFile.doc”，同樣占用6個(gè)小塊，但是現(xiàn)在上圖中只剩下4個(gè)空白的“干凈”小塊了。因此，我們需要擦除左上角“失效”的4個(gè)小塊，擦完之后如下圖所示。

接下來，新的數(shù)據(jù)就可以被寫入到左上和右下總共的6個(gè)“干凈”小塊了。

現(xiàn)在，我們寫入***一個(gè)文件，需占用3個(gè)小塊?？梢詮纳蠄D看到，空白“干凈”小塊只剩2個(gè)了。另外還有2個(gè)“失效”小塊，但是由于與有效數(shù)據(jù)同處一個(gè)擦除區(qū)域，無法直接擦除。因此，我們就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動(dòng)，如下圖所示，從而騰出一個(gè)整體的空間，使得擦除可以進(jìn)行。這一步，就是之前講的鄰居搬家。

擦除完之后，我們就可以寫入占用了3個(gè)小塊的新文件了！

閃存“垃圾回收”帶來的“寫懸崖”和“寫放大”

回到文章一開始客戶遇到的性能下降25%的問題，在我們了解完閃存垃圾回收的過程之后，就很容易理解了。一臺(tái)40TB容量的閃存運(yùn)到客戶現(xiàn)場，起始都是“干凈”的空白小塊，寫入速度很快。但隨著數(shù)據(jù)的不斷更新，或早或晚必然會(huì)出現(xiàn)區(qū)塊間數(shù)據(jù)搬運(yùn)，數(shù)據(jù)擦除等后臺(tái)垃圾回收的相關(guān)操作，從而提供“干凈”的小塊給后續(xù)的寫入操作。這些操作和前端應(yīng)用程序并行，導(dǎo)致了性能的下降，我們稱之為“寫懸崖(Write-Cliff)”。

“寫懸崖”僅僅是垃圾回收帶來的問題之一。垃圾回收還帶來的另外一個(gè)問題，叫做“寫放大”。我們都知道閃存的每個(gè)Cell（顆粒）都是有寫入次數(shù)的壽命限制的。垃圾回收導(dǎo)致了額外的Cell寫入，加速了Cell壽命消耗。我們稱之為“寫放大(Write-Amplification)”。

如何處理“寫懸崖”

寫懸崖和寫放大都是閃存介質(zhì)與生俱來的特性，無論是SSD固態(tài)硬盤，還是目前的全閃存陣列廠商，都無法避免這兩個(gè)問題。

閃存廠商一般會(huì)通過介質(zhì)材料，算法以及架構(gòu)的優(yōu)化等手段，來將這兩種影響控制在一定的范圍內(nèi)。同時(shí)，對(duì)該問題處理的效果，也是衡量閃存陣列能力的因素之一。比如目前業(yè)界市場占用率很高的某閃存陣列廠商，宣稱通過以下手段來優(yōu)化寫懸崖的問題：

首先，采用“超供給”方式，通過提供更多的顆粒數(shù)量（比如用戶可見容量40TB，而實(shí)際物理容量超過67TB），用于減緩整體閃存壽命的磨損，并實(shí)現(xiàn)更為靈活的預(yù)防性垃圾回收。

同時(shí)，采用了“帶外”的垃圾回收處理機(jī)制，也就是為垃圾回收配置了專門的處理引擎，從而不占用處理前端應(yīng)用數(shù)據(jù)IO的硬件資源。

此外還有均衡磨損算法，監(jiān)測機(jī)制等手段，來優(yōu)化緩解這兩個(gè)問題。

消除誤區(qū)，“寫懸崖”并不可怕

***，需要說明的是，寫懸崖并不可怕。

即使寫懸崖帶了的性能的降低，但速度降下來之后，處理得當(dāng)?shù)拈W存陣列，其性能還是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)磁盤陣列。好比您以5塊錢一股的價(jià)格買了一只股票，***的時(shí)候股票價(jià)格飆升到了30塊錢一股，但后來降到了25塊錢一股，并在25塊錢平穩(wěn)下來。那么整體來看，收益還是很好的。

以下是某廠商公布其全閃存陣列“寫懸崖”測試的測試結(jié)果，我們可以看到，“寫懸崖”發(fā)生后，該陣列依然運(yùn)行在一個(gè)很高的吞吐量水平上。

當(dāng)然，在上面的圖中我們也看到了另外一個(gè)廠商的閃存產(chǎn)品，出現(xiàn)了嚴(yán)重的寫懸崖問題。所以在對(duì)閃存陣列選型時(shí)，一定要搞清楚閃存陣列廠商是否對(duì)該問題進(jìn)行過優(yōu)化，并***讓廠商給出一些有說服力的數(shù)據(jù)或者測試報(bào)告。