SSD 背后的奥秘

过去很长一段时间里，我对 SSD 的了解仅限于其和 HDD 的区别和一个标签化的「速度快」认知，至于其什么时候快，为什么快却鲜有了解。直到最近开始研究数据库时，发现数据库设计和存储发展和特性紧密联系，不可分割，于是才开始回过头关注起 SSD 的结构和原理，猛然发现之前关于 SSD 有许多非常错误的认识。

SSD 的基本结构

在了解 SSD 性质前，简单回顾下 SSD 的基本结构组成，下面是两张 SSD 的架构图：

其中，SSD Controller 用以执行耗损平衡、垃圾回收、坏快映射、错误检查纠正、加密等功能。相比与 HDD，它的工作非常繁重，而这些工作极大地影响了 SSD 的性能表现，后文会详细谈到。SSD 内部的闪存（Flash）由一个个闪存单元组成，每个闪存单元都有一个寿命，超过寿命将导致坏块。常见有三种闪存单元类型：

• SLC：每个单元 1 比特
• MLC：每个单元 2 比特
• TLC：每个单元 3 比特

每种 NAND 类型有不同的性能和寿命表现，如下表：

闪存单元内部由一个个 Block 组成，每个 Block 由多个 Page 组成。

对于闪存的访问有以下限制：

• 读写数据只能以 Page 为单位
• 擦除数据只能以 Block 为单位

每个 Page 大小一般为 2 KB 到 16 KB，这意味着使用 SSD 时，哪怕读或写 1 Byte 的数据，SSD 依旧会访问整个 Page。

此外，SSD 并不允许覆盖的操作，当原本 Page 中已有数据时，只能先删除再写入，为了加快写入速度，一般 SSD 修改数据时，会先写入其他空闲页，再将原始页标记为 stale ，直到最终被垃圾回收擦除。

SSD 内部工作细节

SSD 在擦除整个 Block 时，需要先整理其中的 Page，腾出没有活跃 Page 的 Block 进行擦除。此过程中，原本的一次写入最终有可能会隐式牵涉到多个 Page 的移动，导致出现写入放大的现象。因此垃圾回收是一个耗时且容易影响寿命操作。

垃圾回收一般是一个后台操作，但当出现写入速度超过了回收速度时，SSD 会启动前台垃圾回收，此时必须等待待写入 Block 被擦除才能继续写入，从而严重影响写入延迟。

由于垃圾回收的存在，我们可以发现，频繁地修改一个文件是不利于 SSD 寿命和性能表现的。

逻辑地址转换

SSD 内部会维护一个逻辑地址到物理地址的映射。程序不需要关心物理地址，由 SSD 的 FTL （Flash Translation Layer）进行映射转换。

这样做的好处是，对于应用程序来说，文件地址依旧是连续的，而真实存储的时候可以由 FTL 算法决定分配到哪些空闲页上。

NAND 内存单元存在 P/E 循环限制，所以都会有一个固定的寿命。如果出现热点块反复写入数据，很快这个块的寿命就会耗尽，导致容量变小。由于有了前面的逻辑地址转换，所以物理地址可以由 SSD Controller 控制映射关系，从而可以实现损耗均衡。SSD Controller 会平均利用每个 Block 的寿命，使得各个 Block 的寿命在同一时间达到他们的 P/E 循环限制而耗尽。

一些 SSD 中设有超级电容，这个电容设计为存有足够提交总线中所有 I/O 请求所需的能量以防掉电丢失数据。

SSD 并行处理

SSD 有四种层次的并行处理方式：

• Channel-level parallelism
• Package-level parallelism
• Chip-level parallelism
• Plane-level parallelism

SSD 内部将不同芯片中的多个 Block 组成一个 Clustered Block。单次数据写入可以通过 Clustered Block 并行写入到不同 Block 中。由此可以发现，即便是单线程的写入，在 SSD 层也能实现并发的写，当然前提是写入的数据大于整个 Clustered Block 的大小。另外，对于这类大数据的写入，单线程性能甚至优于多线程，多线程写入会有更大的延迟。

如何正确读写 SSD

了解访问模式

• 如果 I/O 操作开始的逻辑块地址（LBA）直接跟着前一个 I/O 操作的最后LBA，则称值为顺序访问
• 如果不是这样，那这个I/O操作称为随机访问

不同访问模式的速度

通常来说，即便是对于 SSD，随机读写也会比顺序读写要慢很多，最恶劣情况下甚至相差10倍。

随机读的问题在于：

1. 不能利用预读功能提前缓存数据
2. 每次 IO 需要重新定位物理地址

随机写的问题在于：

1. 造成大量磁盘碎片，极大地增加了垃圾回收的压力
2. 小数据量的随机写无法利用 SSD 内置的并发能力

但是如果随机写入能够按照 Clustered Block 大小对齐，那么利用 SSD 并行的能力，随机写入能够达到和顺序写入同样的吞吐量。

如果仔细观察上图还会发现在一开始无论是随机读写还是顺序读写，性能都非常高，这是因为一开始所有 Page 都是空闲的，完全不需要垃圾回收，所以两者表现差异不大，但当磁盘被写满过一次以后，垃圾回收的压力使得随机读写性能一落千丈。这也是为什么 SSD 一买来测试速度会表现非常好，而之后越来越慢的原因。

和 HDD 的区别

对于 HDD，修改一个数据并不需要进行「读取-擦除-写入」的过程，而是可以直接就地（in-place）更新，所以许多许多数据结构被设计成 in-place 的方式，但对于 SSD 这种更新会给垃圾回收带来巨大负担，既影响寿命也影响性能。

按读方式设计写方式

对于一些经常被一起访问的数据（如关系型数据的单条记录），写时最好一次同时写入，这样做的好处是：

1. 如果能够在单 Page 内容纳下，读取时只读取单 Page
2. 如果需要多个 Page 才能容纳，写入时会并行写入到 Clustered Block，读取时也能一次并行读取

冷热分离读写

如果有一行记录：

name,birthday,visted_count

由于这行数据非常小，所以基本会落到同一个 Page 上，而 visted_count 这个值是一个典型的热数据，name,birthday 是典型的冷数据，此时每次用户访问时去更新 visted_count 都会导致整个 Page 的数据被挪动和重写。

对于这类不得不变更的热数据，好的做法是先放在内存中，定期刷盘，从而避免频繁修改磁盘。

使用单线程进行大写入/读取

大 IO 能够充分利用 SSD 并行特性，读写延迟更短。