构建基于流的页面缓存以加速快速存储设备上的文件扫描

《ACM Transactions on Storage》：Building Stream-based Page Cache to Accelerate File Scanning on Fast Storage Devices

针对高速存储设备文件扫描中页缓存I/O带宽不足及后台写回干扰前景请求的问题，提出StreamCache系统。通过分层内存管理加速页分配、流式页面回收减少干扰、轻量流跟踪支持回收，实验表明其可提升科学应用I/O带宽44%，降低大语言模型检查点时间15.7%。

　　

摘要

在许多情况下，通过页面缓存进行缓冲I/O操作用于文件扫描，因为页面缓存可以透明地提供缓冲、数据聚合、I/O对齐和预取功能。然而，我们的研究表明，在快速存储设备上使用页面缓存进行文件扫描存在两个性能问题：首先，它提供的I/O带宽有限，无法满足快速存储设备的性能需求；其次，大量后台写操作会显著干扰前台I/O请求。

在本文中，我们提出了一种名为StreamCache的新页面缓存管理系统，用于快速存储设备上的文件扫描。StreamCache利用了三种技术来实现高I/O性能。首先，它采用双层内存管理方法，利用CPU缓存局部性来加速页面分配；其次，它采用基于流的页面回收机制来减少对前台I/O请求的干扰；最后，它使用轻量级的流跟踪方法，在序列流的粒度上记录缓存页面的状态，以支持基于流的页面回收。

我们在XFS文件系统中实现了StreamCache。实验结果表明，与现有方法相比，StreamCache可以将科学应用程序的I/O带宽提高44%，并将大型语言模型的检查点/重启时间平均减少15.7%。