永続的なメモリプログラミング

2013年6月に、私は不揮発性メモリ（NVM）の將來のインターフェイスについて書きました。 SNIA NVMプログラミングテクニカルワークグループ（TWG）による開発中のNVMプログラミングモデルについて説明しています。過去4年間で、仕様がリリースされ、予測(cè)されたように、プログラミングモデルは多くのフォローアップ努力の焦點(diǎn)になりました。このプログラミングモデルは、仕様でnvm.pm.fileとして説明されており、オペレーティングシステムによってPMをファイルとしてメモリにマッピングできます。この記事では、永続的なメモリプログラミングモデルがオペレーティングシステムでどのように実裝されているか、どのような作業(yè)が行われたか、どのような課題が直面しているかを紹介します。

PMとストレージクラスのメモリは同じ用語であり、バイトアドレス指定、ロード/ストレージメモリアクセスの特性がありますが、持続性があります。この記事では、DRAM DIMMSなどのシステムメモリバスにPMSを掛けることに焦點(diǎn)を當(dāng)て、NVDIMMSと呼ばれる不揮発性DIMMのクラスを作成します。

永続的なメモリと言われているものについてさらに詳しく説明するために、NVDIMMのみが議論され、ソフトウェアがメモリのようにアクセスできるようにします。 CPUキャッシュの一貫性、他のデバイスのDMAダイレクトメモリアクセス、バイオテにアドレス指定できるバッファリングミトコンドリアアクセスなど、メモリセマンティクスのすべての利點(diǎn)を提供します。これらのセマンティクスを提供するには、CPUにアクセスするときに命令がCPUを遅らせるのに十分な理由を合理的にブロックする必要があります。 NANDフラッシュは、ブロックでアクセスする必要があり、コンテキストを切り替えるのに十分な時(shí)間がかかるため、永続的なメモリとして使用すると遅くなります。通常、ハードウェアアクセスの時(shí)間はミリ秒?yún)g位で、NAND Flash SSDは微妙なユニットで、PMはナノ秒です。ハードウェアメディアタイプに応じて、NVDIMMはDRAMほど高速ではない場(chǎng)合がありますが、その速度はすでにその速度に匹敵します。

市場(chǎng)に出回っている一部のNVDIMM製品は、実行時(shí)にDRAMをメディアとして使用しています。電源がオフになると、コンテンツは自動(dòng)的にNand Flashにバックアップされ、再度電源が入ると、コンテンツはDRAMに返されます。これらの製品はDRAMのパフォーマンスを提供しますが、データを保存するために追加のコンポーネントとバッテリーが必要であり、DRAMと比較して各DIMMに対して少量の容量と大量の消費(fèi)量を提供します。 2015年にIntelとMicronが共同で開発した3D XPointテクノロジーなど、新たに出現(xiàn)している非揮発性メディアは、DRAMよりも高い容量を通過します。各CPUはTの帯域幅に達(dá)し、持続的なメモリが多くの當(dāng)事者から最先端の注意を引き付けます：持続性、容量、消費(fèi)。

アプリケーションは永続的なメモリにどのようにアクセスしますか？揮発性メモリとは異なり、アプリケーションには特定の方法と指定された永続的なコンテンツ接続が必要です。永続的なメモリは、揮発性メモリほど匿名ではありません。アプリケーションが見つけることができるように、ファイルのような領(lǐng)域に名前を付ける必要があります。アプリケーションには、永続的なメモリにアクセスするための制御権限が必要です。 SNIA TWGプログラミングモデルは、オペレーティングシステムが標(biāo)準(zhǔn)ファイルセマンティクスを使用して、永続的なメモリの命名、許可、およびメモリマッピングを提供できるため、推奨されます。

現(xiàn)在、このモデルは、LinuxやWindowsなどのさまざまなオペレーティングシステムでサポートされています。

図1に示す永続的なメモリに適応したファイルシステムにより、システムのページキャッシュを通過せずに永続的なメモリに直接アクセスできます。このような機(jī)能はDaxと呼ばれます。永続的なメモリプログラミングモデルとDAX機(jī)能は、MMAP（）またはMapViewOffile（）に類似したフラグ関數(shù)を使用して、永続的なメモリファイルをメモリにマッピングできることを示しています。このタイプは図1の右端の形式です。アプリケーションは、ロード/ストアディレクティブを介して永続的なメモリに直接アクセスします。ユーザーステートとカーネルステートを切り替えることなく、永続的なメディアに直接アクセスできます。

Linuxシステムは、MSYNC（）またはFSYNC（）を使用してデータの持続性を確保でき、WindowsはflushViewOffile（）およびflushFilebuffers（）を介してデータの持続性を確保できます。これらの呼び出しはメモリトレイを作成し、このポイントの前にすべてのデータが永続的なメモリに持続しています。歴史的に、このストレージゲートは、オペレーティングシステムがページキャッシュ內(nèi)の汚れたページを見つけてからディスクにフラッシュする必要がありました。永続的なメモリはページキャッシュを使用しないため、オペレーティングシステムはCPUキャッシュの変更を永続的なメモリにフラッシュするだけです。図2に示すように：

図2の點(diǎn)線セクションは、永続的なドメインを示しています。このレベルのアーキテクチャでは、データの點(diǎn)線部分は、DIMMまたはメモリコントローラーの書き込み要求キューWPQのいずれかです。リターンに関係なく、永続的なメモリは、點(diǎn)線のボックス內(nèi)のデータを永続的な媒體にフラッシュするのに十分な力を必要とします。この機(jī)能は非同期DRAMブラシと呼ばれ、NVDIMMSにはすでにこの機(jī)能があります。

X86アーキテクチャでは、ストレージ手順を?qū)g行するだけでは、データがCPUキャッシュにある可能性があり、電源が切れるとデータが失われるため、データの持続性を確保しません。データの持続性を確保するには、追加のフラッシュ命令が必要です。次の表には、それらがどのように機(jī)能するかについて説明します。

図2と表1は、IntelがCPUキャッシュを永続的なドメイン部分に取得しない理由を混亂させている可能性があります。技術(shù)的に実行可能なCPUキャッシュは、図１の點(diǎn)線に含まれています。 2。

CPUキャッシュを含む永続的なドメインを拡張することの問題は、X86キャッシュが非常に大きく、コンデンサが実際に提供できるよりもはるかに多くのパワーが必要であることです。これは、プラットフォームにバッテリーが必要であることを意味します。現(xiàn)時(shí)點(diǎn)では、永続的なメモリをサポートするサーバーにバッテリーを用意することは現(xiàn)実的ではありません。しかし、もちろん、ハードウェアベンダーの場(chǎng)合、商品にバッテリーを含めることができます。これにより、表1に記載されている読み取りバッファリフレッシュ命令をスキップできますが、SFENCEの障害はグローバルに見える場(chǎng)合にのみ持続すると見なされるため、SFENCE命令が依然として必要です。

アプリケーションベンダーはバッテリーを使用することを計(jì)畫しており、すべてのプラットフォームが將來CPUキャッシュを永続的なドメインに含めることを期待しているため、CPUフラッシュがスキップされたときにBIOSがオペレーティングシステムに通知できるようにACPIにプロパティを追加します。これにより、オペレーティングシステムはMSYNCのような呼び出しを最適な方法で実裝できます。

WBINVDの例外、Intel CPUは、ユーザーモードの表1で説明されている指示をサポートしています。 CLWB（ClflushotまたはClflush）を使用してキャッシュラインを書き込み、ユーザーモードで一時(shí)的なストレージをサポートします。

これにより、カーネルを通過せずにユーザースペースから永続的なメモリにフラッシュすることができ、この機(jī)能は最適化されたフラッシュと呼ばれます。オペレーティングシステムとハードウェアに応じて、各プラットフォームはこの機(jī)能を選択的にサポートしています。 CPUサポートにもかかわらず、アプリケーションの場(chǎng)合、最適化されたフラッシュは、オペレーティングシステムが安全であると言っている場(chǎng)合にのみ使用されます。ファイルシステムメタデータが変更されると、MSYNCフラッシュが必要です。オペレーティングシステムには、この制御ポイントが必要です。

セキュリティをサポートするユーザースペースブラシの現(xiàn)在の実裝は常に進(jìn)化しています。 Dax for Windowsは、最適化されたフラッシュに対する無條件のサポートを含む、NTFSファイルシステムによって提供されます。 Windowsは、CLWB Sfenceなどの手順を使用して、データを永続的なメモリに持続させます。 LinuxのExt4およびXFSはDAXをサポートし、ユーザースペースフラッシュセキュリティを考慮する必要はありません。一時(shí)的なソリューションとして、Linuxはデバイスダックスを提供します。これにより、アプリケーションは永続的なメモリデバイスをオンにし、メモリにマッピングし、ユーザースペースフラッシュを使用して永続性を確保できます。

LIBPMEMライブラリは、最適化されたフラッシュが安全な場(chǎng)合にアプリケーションを伝える機(jī)能を提供します。プログラマーは、LIBPMEMを使用してユーザースペースを決定および使用してフラッシュすることを強(qiáng)くお?jiǎng)幛幛筏蓼埂?LIBPMEMは、プラットフォームのバッテリーの使用を検出するためにも使用され、フラッシュコールを単純なSFENCE命令コールに変換します。このライブラリについては、以下で詳しく説明します。

メモリのデータ構(gòu)造が変化すると、原子性の問題が発生します。他のスレッドは、このデータ構(gòu)造にアクセスするときに変更されたデータの半分のみを取得しますか？ロックは通常、マルチスレッドプログラミング時(shí)にデータ構(gòu)造を保護(hù)するために使用されます。ハードウェアの原子性を確保するために命令が使用される場(chǎng)合があります。この記事では、Atomicityも可視性になりました。変更が送信された場(chǎng)合にのみ、別のスレッドがこのスレッドの変更を確認(rèn)できます。

libpmemobjライブラリは、停電が安全であることを確認(rèn)するためのトランザクション保証を提供します。永続的なメモリが表示される前に、停電などの書き込みが中斷されると、揮発性であるため、メモリ?duì)顟B(tài)に問題はありません。ただし、永続的なメモリでは、フラッシュ後に一部の狀態(tài)が持続していることを理解する必要があります。 Intelは8バイトのストレージのみを使用して、障害原子性を確保します。 8バイトを超える場(chǎng)合、データの一貫性は保証されません。

その他の課題：スペースを管理します。永続的なメモリドメインはファイルとして扱われるため、ファイルシステムはこのスペースを管理できますが、メモリにマッピングされると、ファイルで起こることはアプリケーションに完全に依存します。 mallocと同様の関數(shù)によって割り當(dāng)てられるメモリは揮発性です。再起動(dòng)中に永続的なメモリペアを再接続する方法も提供しません。また、障害が発生した場(chǎng)合にデータの一貫性を確保するための手順を辭任しません。したがって、永続的なメモリプログラミングでは、スペースの割り當(dāng)ての問題への対処に焦點(diǎn)を當(dāng)てる必要があります。

アドレスの獨(dú)立性は別の課題です。同じアドレスへの永続的なマッピングは技術(shù)的に実裝できますが、これは他のマッピングされたアイテムがサイズが変更された場(chǎng)合に実用的ではありません。ランダム化アドレススペースレイアウトの機(jī)能により、オペレーティングシステムはライブラリとファイルマッピングアドレスをランダムに調(diào)整します。アドレスの獨(dú)立性とは、メモリ內(nèi)の永続的なデータ構(gòu)造は、ポインターを使用する別のデータ構(gòu)造を指すことを意味します。これは、ファイルが別のアドレスにマッピングされていても、何らかの方法で使用する必要があります。これを行うには、マッピング後のポインターの再配置、絶対ポインターの代わりに相対ポインターを使用する、または何らかのタイプのオブジェクトIDを使用して、永続的なメモリに存在するデータ構(gòu)造を適用するなど、いくつかの方法があります。

Intelが開発したPMDKライブラリは、GitHubのオープンソース、オープンソースプロトコルBSDであり、ユーザーマニュアルはhttp://pmem.ioから見ることができます。

libpmem：基本ライブラリ

このライブラリは比較的小さく、比較的単純であり、CPUがサポートするフラッシュ命令を検出し、範(fàn)囲コピーに最適な指示を使用することが含まれます。

libpmemobj：サポートトランザクション

libpmemblkおよびlibpmemlog：特定のユーザーケースをサポートします

libmemkind：永続的なメモリ揮発性使用

2013年のアイデアは成熟し、完全なプログラミングモデルに追加されました。 PMDKライブラリは、永続的なメモリプログラミング用に開発されました。このライブラリは、github https://github.com/pmemで開いています

https://www.snia.org/pm-summit2019

https://www.snia.org/pm-summit2017

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