你了解SSD中的軟件算法嗎

SSD已經(jīng)日漸流行，現(xiàn)在買電腦不挑帶SSD的，都不好意思說自己真懂用戶體驗。和傳統(tǒng)HDD相比，SSD由閃存構(gòu)成，閃存低延遲的特性，令SSD在隨機讀寫性能方面大幅超越HDD，這也是SSD能帶來流暢操作體驗的關(guān)鍵。但是，SSD又不僅僅只是閃存的簡單組裝，僅僅把閃存堆砌起來，并不能稱作是SSD。

調(diào)用閃存的軟件算法，同樣對SSD的壽命、穩(wěn)定性、性能等方方面面起著重大作用。SSD中的軟件算法你都了解嗎？今天，就一起來談?wù)凷SD中有哪些軟件算法吧！

我們都知道SSD的硬件構(gòu)成和HDD完全不同，因此操作系統(tǒng)識別HDD的很多機制，并不適用于SSD。例如，硬盤是由盤片來構(gòu)成的，盤片是同心圓，把圓分成一個個小小的扇形，數(shù)據(jù)在這些扇形中儲存，這些扇形就被稱之為扇區(qū)。操作系統(tǒng)把扇區(qū)組織起來，構(gòu)成FAT32、NTFS等文件系統(tǒng)，用戶才得以訪問文件/文件夾而不是一個個的扇區(qū)物理地址?；旧希僮飨到y(tǒng)建立文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是扇區(qū)。

SSD由閃存構(gòu)成，沒有盤片，自然也沒有扇區(qū)。SSD的閃存顆粒基礎(chǔ)單位是數(shù)據(jù)容量4KB的Page（頁），Page組成Block（區(qū)），Block組成Plane（平面），最后Plane組成Die（晶片），這就是閃存的硬件架構(gòu)。可見SSD沒有扇區(qū)，怎么辦？這就得靠一些算法來進行轉(zhuǎn)換了。

SSD使用的是閃存，閃存結(jié)構(gòu)和HDD不同，需要FTL層和文件系統(tǒng)對話

把SSD的架構(gòu)虛擬成HDD的算法，叫做“FTL”（Flash Translation Lay）。FTL算法是由SSD主控提供的，比操作系統(tǒng)更加底層。FTL作為一個軟件中間層，可以把SSD基于Page的硬件架構(gòu)映射成HDD基于扇區(qū)的硬件架構(gòu)。操作系統(tǒng)為SSD建立文件系統(tǒng)的時候，有了FTL，操作系統(tǒng)看到的東西和HDD沒啥兩樣，就可以用傳統(tǒng)的方法對SSD進行分區(qū)、格式化等操作，不需要使用專為SSD而生的文件系統(tǒng)。得益于FTL軟件算法，SSD才能無縫接班HDD，沒它SSD就無法識別。

GC垃圾回收：沒它SSD就巨慢無比

閃存的機制是比較獨特的，當(dāng)你向閃存寫入數(shù)據(jù)的時候，必須先把閃存中的數(shù)據(jù)擦除掉，才能寫入。同時，閃存的最小讀寫單位是Page，但最小的擦除單位是Block。一個Block中包含了多個Page，SSD工作一段時間后，就沒有哪個Block中的Page都是空白的了。如果要擦除某個Block，就必須先把這個Block中存在有效數(shù)據(jù)的Page復(fù)制備份到其他地方，接而進行擦除，這樣一來才不會丟數(shù)據(jù)。

每個Page都可以寫入數(shù)據(jù)，但覆蓋寫入需要先擦除原先的數(shù)據(jù)，一擦除整個Block都會被擦除

有效數(shù)據(jù)的Page要復(fù)制到什么地方進行備份呢？一些比較爛的產(chǎn)品，會把這些Page的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存，待到Block擦除后，再把數(shù)據(jù)寫回去，這樣一來SSD的寫入速度就更加悲劇了——既要寫原來的數(shù)據(jù)，又要寫新數(shù)據(jù)。解決這個問題的，就是SSD中的GC（Gabage Collection），也就是垃圾回收算法。

GC垃圾回收算法看著有點類似碎片整理，它可以把某個Block中的存在有效數(shù)據(jù)的Page，移動到其他Block中，從而讓操作系統(tǒng)得以擦除這整一個Block。接著再往該Block寫數(shù)據(jù)，就不需要把備份到其他地方的Page也寫回去了。CG發(fā)生在FTL層，不同的SSD的GC算法是不一樣的，GC算法的不同，深切影響著SSD的性能。

Trim：大大提高垃圾回收效率

Trim是一種用來增加GC垃圾回收效率的算法。沒有Trim的話，會出現(xiàn)這樣一種情況：在操作系統(tǒng)刪除一個文件，實際上數(shù)據(jù)在物理層面上并沒有被刪除。于是，SSD的某個Block所有Page都會被填滿，待到真正寫入數(shù)據(jù)的時候，才被迫進行GC垃圾回收，主控才開始把有效數(shù)據(jù)的Page移動到其他Block上，進而擦除該Block。如此一來，速度就很慢，SSD用久了每次寫入數(shù)據(jù)都得先GC，用戶體驗非常不好。

Trim就可以大大緩解這種情況。操作系統(tǒng)刪除數(shù)據(jù)后，Trim會告訴SSD主控哪些Page的數(shù)據(jù)對應(yīng)著刪除的數(shù)據(jù)，這些Page會被標(biāo)記成為無效Page。接著，在閑暇時段，SSD主控就會主動進行CG，把有效數(shù)據(jù)的Page移走，然后擦除這些Block的數(shù)據(jù)，提前為操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)寫入準(zhǔn)備好足夠多的Block。如此一來，就算是長期使用，只要SSD不是裝得太滿，性能都不會有太過明顯的下滑，大大提升了用戶體驗。Trim算法是由操作系統(tǒng)提供的，Win7、Android 4.3以后的操作系統(tǒng)都支持Trim。

磨損平衡：保證閃存壽命被均勻消耗

我們知道閃存是有擦寫壽命的，例如MLC閃存只能夠擦寫數(shù)千次，TLC閃存只能夠擦寫數(shù)百次等等。其實以現(xiàn)在的SSD容量，總擦寫數(shù)據(jù)量是非常驚人的，例如256G的SSD，壽命是500次擦寫（P/E）的話，那么就需要寫入125TB的數(shù)據(jù)，閃存才壽終正寢——就算你每天寫入10G數(shù)據(jù)，也需要用三十多年才能把閃存給寫掛，更何況很少人每天往SSD中寫10G數(shù)據(jù)。

但是很多朋友仍不信任SSD的壽命，理由是SSD的這個壽命，是根據(jù)全盤容量來估算的。有的朋友認(rèn)為，平時讀寫數(shù)據(jù)，會集中讀寫SSD的其中一部分閃存，這部分的閃存壽命就會損耗得特別快。一旦這部分閃存掛了，那么整塊SSD也就掛了。然而事實真的是這樣嗎？

事實當(dāng)然并非如此。實際上，SSD擁有磨損平衡（Wear Leveling）算法，令所有閃存磨損度盡可能保持一致。SSD的磨損平衡算法大致分為動態(tài)和靜態(tài)兩種。動態(tài)的算法就是當(dāng)寫入新數(shù)據(jù)的時候，會自動往比較新的Block中去寫，老的閃存就放在一旁歇歇；而靜態(tài)的算法就更加先進，就算沒有數(shù)據(jù)寫入，SSD監(jiān)測到某些閃存Block比較老，會自動進行數(shù)據(jù)分配，讓比較老的閃存Block承擔(dān)不需要寫數(shù)據(jù)的儲存任務(wù)，同時讓較新的閃存Block騰出空間，平日的數(shù)據(jù)讀寫就在比較新的Block中進行——如此一來，各個Block的壽命損耗，就都差不多了。

總結(jié)

SSD絕不是把閃存堆在一起就能做成的，要讓SSD穩(wěn)定、快速地運行，還有賴于種種軟件算法。在選用SSD的時候，可以多關(guān)注一下該SSD所使用的主控方案，關(guān)注該主控的算法是否靠譜；在使用SSD時，要選擇適合的操作系統(tǒng)，并及時更新SSD的固件和驅(qū)動。如此一來，才會得到更好的體驗。

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