由于SSD的實(shí)際寫入帶寬受到業(yè)務(wù)類型和內(nèi)部狀態(tài)的雙重影響，因此業(yè)界一般會(huì)標(biāo)出在典型工況下的寫入帶寬。對于用戶來說，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，4kB隨機(jī)寫入的穩(wěn)態(tài)性能通常被認(rèn)為是SSD的寫入帶寬的下限。業(yè)界也有很多方法來測試該性能。為了使得測試結(jié)果有效，需要在測試前對待測SSD進(jìn)行清空（Purge）和預(yù)處理（Precondition），使得它進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)。

是否可以直接全盤隨機(jī)寫入進(jìn)行預(yù)處理？

在執(zhí)行4kB隨機(jī)寫入測試之前，通常的預(yù)處理包括對于SSD全盤的一次順序?qū)懭牒蛶状坞S機(jī)寫入。既然最終的測試是隨機(jī)性能，為什么在清空后一定需要先進(jìn)行一次順序?qū)懭朐龠M(jìn)行隨機(jī)寫入而不是直接通過若干次隨機(jī)寫入使得SSD進(jìn)入穩(wěn)態(tài)呢？這是由于SSD內(nèi)部的工作原理決定的：采用上述方法可以最快速度使得SSD進(jìn)入到隨機(jī)寫的穩(wěn)態(tài)。實(shí)際上，SSD在清空后，內(nèi)部的Flash物理空間被全面釋放出來，成為空閑資源。為了使SSD再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，需要盡可能向SSD內(nèi)部寫入數(shù)據(jù)，占據(jù)這些空閑的Flash塊。只有SSD內(nèi)部的空閑塊基本用完，才能觸發(fā)它內(nèi)部的垃圾回收（GC）機(jī)制并盡快使得性能下降到穩(wěn)態(tài)。

對于一個(gè)容量為1000GB的企業(yè)級(jí)SSD，存在約15%的超額配置（Over Provisioning），內(nèi)部的Flash物理空間總共約為1150GB。如果對全盤順序?qū)懭胍淮危加玫奈锢砜臻g就是1000GB。而如果采用4kB隨機(jī)寫入的方式，對全盤隨機(jī)寫入1000GB的數(shù)據(jù)，由于兩次寫入的位置可能存在重疊，因此雖然占用的物理空間仍然是1000GB，但是這些空間對應(yīng)的邏輯地址要小于1000GB。那么兩者之間的差異到底是多少呢？

為了寫入1000GB的數(shù)據(jù)，采用4kB的寫入方式，待寫入的空間包含n=1000GB/4kB=2.6×108個(gè)4kB的地址。而總計(jì)需要寫入n次4kB數(shù)據(jù)。設(shè)隨機(jī)變量Mi=1代表地址i沒被寫入任何數(shù)據(jù)這樣的事件，對于這n個(gè)地址中任意一個(gè)，由于所有寫入都是獨(dú)立并且均勻?qū)懭氲剿械刂房臻g，因此n次隨機(jī)寫入全沒有命中指定地址的概率。

上面的式子利用了 并假設(shè)n足夠大，其中e=2.718是自然對數(shù)的底數(shù)。為了計(jì)算所有這樣的沒有任何寫入命中地址空間的比例，借助大數(shù)定理

因此，全盤隨機(jī)寫入一次導(dǎo)致從來沒有寫入數(shù)據(jù)的地址所占據(jù)全盤的比例為e-1，也就是說全盤隨機(jī)寫入一次僅僅相當(dāng)于寫入了1-e-1=63%的地址范圍，除此之外37%的地址范圍是不包含有效數(shù)據(jù)仍然處于空盤狀態(tài)。因此，采用這種方法，即便寫入3次，也仍然有5%的地址范圍未被覆蓋，這相當(dāng)于憑空增加了5%的超額配置。因此采用全盤隨機(jī)寫入的方法進(jìn)行預(yù)處理的效率是很低的。

有些磁盤性能測試工具可以選擇在隨機(jī)寫入的時(shí)候指定是否允許寫入重疊的地址范圍。例如fio在隨機(jī)寫入的時(shí)候會(huì)記錄哪些地址曾經(jīng)寫過，它會(huì)避免已經(jīng)寫入的地址重復(fù)寫入，從而避免了上述填充的效率問題。為了記錄已經(jīng)寫入的地址范圍，它使用了系統(tǒng)中的一段內(nèi)存。如果系統(tǒng)內(nèi)存不足且不需要這個(gè)功能，可以通過norandommap開關(guān)把這個(gè)功能關(guān)閉。

該如何加速SSD進(jìn)入穩(wěn)態(tài)？

而采用先進(jìn)行一次全盤順序?qū)懀龠M(jìn)行數(shù)次隨機(jī)寫的方案，則可以加速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這是因?yàn)橄惹暗?000GB寫入把所有的地址范圍全部占用了，在此基礎(chǔ)上的隨機(jī)寫入則會(huì)占用多余的超額配置空間，使得SSD盡快啟動(dòng)垃圾回收并進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)。此外，寫入同樣的數(shù)據(jù)量，順序?qū)懭胍入S機(jī)寫入快不少，可以提高預(yù)處理的效率。

在這個(gè)過程中，我們甚至可以觀察到SSD的寫入帶寬從順序?qū)懙妮^高性能，先跌入到一個(gè)谷底而后再逐漸恢復(fù)到隨機(jī)寫的穩(wěn)態(tài)性能。這個(gè)帶寬的谷底又是怎么回事？這僅僅是由于SSD垃圾回收采用了惰性策略導(dǎo)致不及時(shí)進(jìn)行垃圾回收所致嗎？

實(shí)際上，這個(gè)性能的低谷才是SSD寫入性能的下界。這個(gè)谷底的產(chǎn)生是因?yàn)閷憠毫捻樞蜣D(zhuǎn)換成隨機(jī)，導(dǎo)致Flash物理塊的淘汰策略發(fā)生切換所致。由于之前的壓力為純順序?qū)懭耄赟SD內(nèi)部物理數(shù)據(jù)塊的淘汰采用了論資排輩的先寫入先淘汰的方法，而一旦切換到隨機(jī)寫入，原來這些“年齡”偏大的物理塊不再被繼續(xù)選擇出來淘汰，而新的寫入方法尚未建立起穩(wěn)定的待回收的數(shù)據(jù)塊供應(yīng)，因此這個(gè)時(shí)候所有等待回收的物理塊中有效數(shù)據(jù)全面偏多，造成性能的谷底。

小結(jié)

這就好比在2000年的時(shí)候，通信行業(yè)非常火爆，院校里通信和電子類專業(yè)非常熱門。但是等這些專業(yè)學(xué)生畢業(yè)的時(shí)候，通信行業(yè)的需求已經(jīng)有飽和的趨勢，而計(jì)算機(jī)則成了新的熱門，再往后是金融。如果處在選擇專業(yè)的高中畢業(yè)生只關(guān)注當(dāng)下的行業(yè)需求，缺少對未來的分析和判斷，那么往往選擇的專業(yè)在就業(yè)的時(shí)候就成為了明日黃花，只有有了預(yù)判能力，才能把握住時(shí)代的需求。對于一個(gè)有預(yù)判能力的SSD，就應(yīng)該根據(jù)用戶業(yè)務(wù)類型和內(nèi)部的數(shù)據(jù)塊中有效內(nèi)容的分布規(guī)律，提前和合理安排垃圾回收，才能避免這個(gè)寫入性能的谷底，保持一個(gè)接近全盤隨機(jī)寫的性能下限。

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