通过宽松排序一致性提升持久内存的性能和耐久性

《IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems》：Improving the Performance and Endurance of Persistent Memory with Loose-Ordering Consistency

持久内存通过严格顺序写入保证一致性，但会显著降低性能和持久性。本文提出LOC机制，包含Eager Commit和Speculative Persistence两项技术：前者通过静态元数据存储避免事务提交时的持久化写入，后者允许事务间顺序放松，通过多版本缓存跟踪和延迟可见性实现性能优化。实验表明LOC将平均持久化性能开销从66.9%降至34.9%，写入流量开销从17.1%降至3.4%。

　　

摘要：

持久内存能够在主内存层面提供高性能的数据持久化功能。为了满足存储一致性要求并确保系统崩溃后能够正确恢复数据，内存写入操作必须严格按照特定顺序执行。然而，这种严格的顺序限制会显著降低系统性能和持久内存的耐用性。本文提出了一种新的机制——松散排序一致性（ Loose-Ordering Consistency，简称LOC），该机制能够在较低的性能损耗和更小的耐用性损失下满足排序要求。LOC主要包含两种关键技术：首先，“急切提交”（Eager Commit）技术消除了在事务中必须执行持久性提交记录写入的操作。我们通过将必要的元数据信息与写入内存的数据块一起静态存储，从而在系统恢复过程中能够确定所有已提交事务的状态；其次，“推测性持久化”（Speculative Persistence）技术允许在事务之间以推测性方式将数据写入持久内存。只有当相关事务真正提交后，这些推测性写入才会对软件可见。为实现这一点，我们的机制支持在CPU缓存中跟踪已提交事务的ID并进行多版本管理。测试结果表明，在多种工作负载下，LOC将内存持久化的平均性能开销降低了66.9%至34.9%，内存写入操作的开销从17.1%降至3.4%。