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29 | 如何彻底发挥SSD的潜力？
你好，我是庄振运。
今天是“性能工程实践”这个模块的最后一讲，我们来讨论一种“软硬件结合”的性能工程优化实践，与SSD（硬件）有关。现在SSD用的越来越普遍的情况你一定非常清楚，但是你设计的应用程序（软件）真的充分利用了SSD的特点，并发挥SSD的潜力了吗？
要知道，SSD可不仅仅是“更快的HDD”。
SSD的好处显而易见，它作为存储时，应用程序可以获得更好的I/O性能。但是这些收益，主要归因于SSD提供的更高的IOPS和带宽。如果你因此只将SSD视为一种“更快的HDD”，那就真是浪费了SSD的潜力。
如果你在设计软件时，能够充分考虑SSD的工作特点，把应用程序和文件系统设计为“对SSD友好”，会使服务性能有个质的飞跃。
今天我们就来看看，如何在软件层进行一系列SSD友好的设计更改。
为什么要设计SSD友好的软件？
设计对SSD友好的软件有什么好处呢？简单来说，你可以获得三种好处：
- 提升应用程序等软件的性能；
- 提高SSD的 I/O效率；
- 延长SSD的寿命。
先看第一种好处——更好的应用程序性能。在不更改应用程序设计的情况下，简单地采用SSD可以获得性能提升，但无法获得最佳性能。
我为你举个例子来说明。我们曾经有一个应用程序，它需要不断写入文件以保存数据，主要性能瓶颈就是硬盘I/O。使用HDD时，最大应用程序吞吐量为142个查询/秒（QPS）。无论我们对应用程序设计进行什么样的更改或调优，这就是使用HDD可以获得的最好性能了。
而当迁移到具有相同应用程序的SSD时，吞吐量提高到了20,000 QPS，速度提高了140倍。这种提高，主要来自SSD提供的更高的IOPS。你是不是觉得与HDD相比，应用程序吞吐量有了显着提高，性能已经很好了？
但这并不是SSD能实现的最佳性能。
我们对应用程序设计进行了优化，使其对SSD友好之后，应用程序吞吐量提高到100,000QPS，与简单设计相比，提高了4倍。
你可能会问，这是如何做到的？
这其中的秘密，就是使用多个并发线程来执行I/O。如下图所示，这利用了SSD的内部并行性。
这里你需要注意的是，在这个系统中，多个I/O线程对HDD是毫无益处的。因为HDD只有一个磁头，所以用多个I/O线程，并不能提高旧系统的吞吐量。
第二种好处是更高效的存储I/O。
我在第17讲中提到过，SSD上的最小内部I/O单元是一页，比如4KB大小。因此对SSD的单字节读/写，必须在页面级进行。应用程序对SSD的写操作，可能会导致对SSD上的物理写操作变大，这就是“写入放大（参见第23讲）”。
因为有这个特性，如果应用程序的数据结构或I/O对SSD不友好，就会让写放大效果更大，导致SSD的I/O不能被充分利用。
设计SSD友好软件的最后一个好处是延长SSD的寿命。
SSD会磨损，是因为每个存储单元，只能维持有限数量的写入擦除周期。实际上，SSD的寿命取决于四个因素：
- SSD大小
- 最大擦除周期数
- 写入放大系数
- 应用程序写入速率
例如，假设有一个1TB大小的SSD，一个写入速度为100MB/秒的应用程序和一个擦除周期数为10,000的SSD。当写入放大倍数为4时，SSD仅可持续10个月。具有3,000个擦除周期和写入放大系数为10的SSD只能使用一个月。
你也知道，相对于HDD而言，SSD的成本比较高，我们自然希望自己设计的应用程序对SSD友好，从而延长SSD的使用寿命。
怎么设计对SSD友好的软件？
说了这么多设计SSD友好软件的好处，那我们具体该从哪里入手呢？
其实在软件领域，有很多地方都可以做对SSD友好的设计，比如文件系统、数据库系统、数据基础架构层和应用程序。接下来我会一一为你介绍。尤其是应用程序这个领域，它是这一讲的重点。
第一个可以对SSD友好的领域是文件系统。文件系统层直接处理存储，因此我们需要在此级别进行优化设计更改，来更有效地发挥SSD的特长。一般而言，这些设计更改集中在SSD和HDD迥异的三个关键差异特征上：
- SSD的随机访问与顺序访问具有相同的性能；
- 需要在块级别进行擦除后才能重写；
- 内部损耗均衡的机制会导致写入放大。
现在比较流行的有两种对SSD友好的文件系统。第一种，是适用于SSD的通用文件系统，主要支持Trim的新功能，比如Ext4和Btrfs。第二种，是专门为SSD设计的文件系统。基本思想是采用日志结构的数据布局（相对于B树或Htree），来容纳SSD的“复制-修改-写入”属性，比如NVFS（非易失性文件系统）、FFS / JFFS2和F2FS。
除了文件系统，数据库系统也可以设计成对SSD友好。
SSD和HDD之间的差异在数据库设计中尤其重要。近几十年来，数据库的各个组件（比如查询处理、查询优化和查询评估等）都已经在考虑HDD特性的情况下进行了诸多优化。
举个例子，因为普通硬盘的随机访问比顺序访问要慢得多，所以数据库组件会尽量减少随机访问。而使用SSD时，类似这样的假设就不成立了。
因此，业界设计了新的、对SSD友好的数据库。对SSD友好的数据库主要有两种：第一种是专门针对SSD的数据库，例如AreoSpike，这种数据库主要采用对SSD友好的Join算法；第二种是HDD和SSD混合的数据库，一般是使用SSD来缓存数据。
第三个领域是数据基础架构层。
对于分布式数据系统的设计而言，数据来源大体上有两个地方：计算机上的本地磁盘或另一台计算机上的内存。这两个来源哪个更快更高效呢？还真不一定。随着技术的演化，业界也一直在争论。
过去很多年，这样的争论比较倾向于远程计算机的内存，因为速度更快；Memcached就是一个例子。传统的本地HDD访问延迟，大约是好几个毫秒；而远程内存访问的延迟，包括了RAM访问延迟和网络传输延迟，也仅处于微秒级。同时，远程内存的I/O带宽与本地HDD大致相同甚至更多。因此，远端的内存反而比本地的硬盘的访问时间更短。
而SSD的出现，正在改变这个趋势和业界的决定。使用SSD作为存储设备后，本地SSD变得比远程内存访问更为高效。
首先，SSD的I/O延迟降低到了微秒级，而I/O带宽可是比HDD高一个数量级。这些结果就导致了数据基础架构层的新设计。比如，新设计更希望尽可能与应用程序共同分配数据，以避免额外的节点和网络的限制，从而降低系统的复杂性和成本。
这么说可能你的感受不太明显，我来用Netflix为你举例说明一下。Netflix就是采用这种设计的公司之一。Netflix公司曾经采用memcached来缓存Cassandra层数据。假设Netflix需要缓存10TB的数据，如果每个内存缓存节点在RAM中保存100GB数据，则需要部署100个内存缓存节点。后来，Netflix只使用10个Cassandra节点，并为每个Cassandra节点配备1TB SSD来完全取代memcached层。
你看，采用这种设计，就不需要100个Memcached节点，只需10台配备SSD的节点，节省了大量成本。
在应用程序层，我们也可以对SSD进行友好的设计，以获得前面提到的三种好处（更好的应用程序性能、更高效的I/O和更长的SSD寿命）。
在这一领域，我总结了七大SSD友好的设计原则，大体上分为三类：数据结构、I/O处理和线程使用。
1.数据结构：避免就地更新优化
传统的HDD的寻址延迟很大，因此，使用HDD的应用程序通常会进行各种优化，以执行不需要寻址的就地更新，比如只在一个文件后面写入。
比如下图所示，在执行随机更新时，吞吐量一般只能达到约170 QPS；而对于同一个HDD，就地更新可以达到280QPS，远高于随机更新。
不过在设计与SSD配合使用的应用程序时，这些考虑就没什么意义了。对SSD而言，随机读写和顺序读写性能类似，就地更新不会获得任何IOPS优势。
此外，就地更新实际上是会导致SSD性能下降的。包含数据的SSD页面无法直接重写，因此在更新存储的数据时，必须先将相应的SSD页面读入SSD缓冲区，然后将数据写入干净的页面。 SSD中的“读取-修改-写入”过程与HDD上的直接“仅写入”行为形成了鲜明的对比。
相比之下，SSD上的随机更新，就不会引起读取和修改步骤（即仅仅“写入”），因此速度更快。
使用SSD，以上相同的应用程序，可以通过随机更新或就地更新来达到大约2万QPS；而且随机更新和就地更新的吞吐量大体相似，随机更新其实还稍微好些。如下图所示。
2.数据结构：区分热、冷数据
几乎所有处理存储的应用程序，磁盘上存储的数据的访问概率均不相同。
用一个需要跟踪活动用户活动的社交网络应用程序来给你举个例子。对于用户数据存储，简单的解决方案，是基于用户属性（例如注册时间）将所有用户压缩在同一位置（例如某个SSD上的文件）。以后需要更新热门用户的活动时，SSD需要在页面级别进行访问（即读取/修改/写入）。
因此，如果用户的数据大小是小于一页，那么每次读取这个用户的数据，附近的用户数据也将一起被访问。如果应用程序其实并不需要附近用户的数据，那么额外的数据访问，不仅会浪费I/O带宽，而且会不必要地磨损SSD。
为了缓解这种性能问题，在将SSD用作存储设备时，应将热数据与冷数据分开。以不同级别或不同方式来进行分隔。例如，把它们存在不同的文件、文件的不同部分或不同的表格里。
3.数据结构：采用紧凑的数据结构
在SSD的世界中，最小的更新单位是页面（4KB），因此，即使是一个字节的更新，也将导致至少4KB SSD写入。由于写入放大的效果，实际写入SSD的字节可能远大于4KB。读取操作也是类似，因为OS具有预读机制，会预先主动地读入文件数据，以期改善读取文件时的缓存命中率。
所以当将数据保留在SSD上时，你最好使用紧凑的数据结构，避免分散的更新，以获得更快的应用程序性能、更有效的存储I/O以及节省SSD的寿命。
4. I/O处理：避免长而繁重的持续写入
SSD通常具有GC机制，不断地回收存储块以供以后使用。GC可以用后台或前台的方式工作。 SSD控制器通常保持一个空闲块的阈值。每当可用块数下降到阈值以下时，后台GC就会启动。由于后台GC是异步发生的（即非阻塞），因此它不会影响应用程序的I/O延迟。但是，如果块的请求速率超过了GC速率，并且后台GC无法跟上，则将触发前台GC。
在前台GC期间，必须即时擦除（即阻塞）每个块以供应用程序使用，这时发出写操作的应用程序所经历的写延迟就会受到影响。具体来说，释放块的前台GC操作，可能会花费数毫秒以上的时间，从而导致较大的应用程序I/O延迟。
因此，你最好避免进行长时间的大量写入操作，这样就可能永远不触发前台GC。
5. I/O处理：避免SSD存储太满
SSD磁盘存储的满存程度，会影响写入放大系数和GC导致的写入性能。在GC期间，需要擦除块以创建空闲块。擦除块前，需要移动并保留有效数据才能获得空闲块。有时为了获得一个空闲块，需要压缩好几个存储块。而每个空闲块的生产需要压缩的块数，取决于磁盘的空间使用率。
假设磁盘满百分比平均为A％，要释放一个块，则需要压缩1 /（1-A％）块。显然，SSD的空间使用率越高，将需要移动更多的块以释放一个块，这将占用更多的资源，并导致更长的I/O等待时间。
例如，如果A=80％，则大约移动五个数据块以释放一个块。当A=95％时，将移动约20个块。
6.线程：使用多个线程执行小的I/O
SSD内部大量使用了并行的设计，这种并行表现在多个层面上。一个I/O线程无法充分利用这些并行性，会导致访问时间更长。而使用多个线程，就可以充分利用SSD内部的并行性了。
SSD可以有效地在可用通道之间分配读写操作，从而提供高水平的内部I/O并发性。例如，我们使用一个应用程序执行10KB写入I/O（10KB算是比较小的IO大小）。使用一个I/O线程，它可以达到115MB/秒。使用两个线程基本上使吞吐量加倍；使用四个线程再次将其加倍；使用八个线程可达到约500MB/秒，如下图所示。
你可能会很自然地问出一个问题：这里的“小”IO，到底有多小？
答案是，只要是不能充分利用内部并行性的任何I/O大小，都被视为“小”。例如，SSD页面大小为4KB，内部并行度为16，则阈值应约为64KB。
7.线程：使用较少的线程来执行大I/O
第七个原则同样关于线程，它与第六条原则相对应（但并不矛盾）。
对于大型I/O，SSD内部已经充分优化使用了SSD的内部并行性，因此，应使用更少的线程（即小于四个）以实现最大的I/O吞吐量。从吞吐量的角度来看，用太多线程不会有太大益处。更重要的是，使用太多线程可能导致线程之间的资源竞争，以及诸如OS级的预读和回写之类的后台活动。
例如，根据我们的实验，当写入大小为10MB时，一个线程可以达到414MB/秒，两个线程可以达到816MB/秒，而四个线程达到912MB/秒，八个线程实际上只有520MB/秒。如下图所示。
总结
这一讲我们讨论了软硬件结合的优化。
与使用HDD的应用程序相比，使用SSD的应用程序通常具有更好的性能水平。但是，如果不更改应用程序设计，则应用程序是无法获得最佳性能的。因为SSD的工作方式不同于HDD。
为了发挥SSD的全部性能潜能，应用程序设计必须对SSD友好。
唐代的王维有一首《少年行》，讲几个好哥们一起喝酒：“新丰美酒斗十千，咸阳游侠多少年。相逢意气为君饮，系马高楼垂柳边。” 说的是性情投机的好朋友一起互相帮助，就会互相促进。
硬件和软件也是如此，如果互相对对方友好，互相都受益，总体性能也就更高。
我们的软件系统如果能充分考虑硬件，比如SSD的特性，做出的设计就会获得更好的性能和稳定性。基于这一点，我在这一讲里面提出了七个对SSD友好的软件设计原则，分为三类：数据结构、I/O处理和线程使用。你在设计使用SSD存储的软件时，可以参考采用。
思考题
你正在开发、维护、使用的系统，有没有使用SSD作为存储的？如果有，这个系统有没有考虑到SSD的特殊机制和寿命问题？
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