隨著技術的進步以及成本的降低，閃存已經越來越廣泛的被企業級數據中心作為存儲介質使用。相比傳統的磁盤介質，閃存的優勢顯而易見：速度快，耗電低，省空間。特別在速度方面，閃存具備壓倒性的優勢。

比方說，客戶原來采用某款高端磁盤陣列的時候，處理某個作業，需要花費6個小時。后來采用了閃存陣列，同樣處理該作業，只需要1個小時就可以完成。閃存帶來的性能優勢非常的明顯。

以上，并不是本文討論的重點。

本文的重點是，客戶剛剛采用閃存陣列的時候，處理作業只用1個小時，可是運行了一段時間之后，忽然有一天，客戶發現處理作業用了1小時25分鐘。于是，問題來了，客戶一方面覺得1小時20分鐘比6小時還是快多了，一方面也會想，為啥比起1小時，我現在處理作業的時間慢了4分之1？

[[222262]]

由此，我們來了解一下，閃存中的“寫懸崖（Write-Cliff）”現象。

什么是垃圾回收？

閃存是電子類介質，它處理數據的寫入和傳統的磁類介質（磁盤或者磁帶）不同。在使用磁盤時，如果我們有新數據寫入某區塊，而該區塊還存有舊數據，那只需要簡單的進行覆蓋即可。而閃存不同，新數據寫入的區塊，必須是空白區塊，如果該區塊存有舊數據，那么必須先對舊數據進行“擦除”（Erase）。是的，當數據存儲的越來越多，理論上最多當寫入的數據總量達到閃存提供的所有容量之后，再次寫入更新時，就必然會產生“擦除”。

相比于常規的讀取和寫入操作，擦除有2個特點。

***，擦除的速度比讀寫要慢。

第二，擦除的處理單位要比讀寫大。

目前業界的閃存，基本上，讀操作的處理單位不大于4KB，寫操作的處理單位不小于4KB，而擦除的處理單位則是不小于1MB。這意味著，如果要寫入4KB的數據，到某個已存有4KB舊數據的區塊，那我首先需要擦除其周邊1MB的區塊空間。

這相當于您買了一套二手房三居室，規定要求說不能直接住，必須先還原成毛坯房再重新裝修，而且要求您必須先把整個小區250個住戶的房子全部恢復成毛坯房，然后才能重新裝修自己家。可是其余249個鄰居住的好好的，他們家里的東西怎么辦，答案只有一個，就是請他們全部把家搬走，搬到其他小區空著的房子里去。（好吧，強制拆遷啦！！）當然，搬完之后有個好處，就是未來再有249個新住戶進來，他們可以就在毛坯房的基礎之上直接進行裝修了（1MB一次性全部擦除）。

以上過程，我們稱之為閃存擦除效應帶來的“垃圾回收”。為了更清晰的描述這個過程，借(Chao) 用(Xi) 某閃存廠商的圖片，來更為清晰的解釋一下。

 簡便起見，如下圖所示，假設某閃存設備一共提供了16個可寫的小塊，一次擦除必須以4個小塊為單位。

首先，我們寫入了一個“MyFile.doc”文件，占用了6個小塊，由于現在的16個塊都是“干凈”的空白狀態，所以直接寫入即可。如下圖。

然后，我們更新了“MyFile.doc”文件。注意，在這里，作為用戶，我們認為自己是在原來的位置上對文件數據進行了更新。但是閃存為了更快的完成處理，會物理上將新數據寫入另外的“干凈”區塊，并將原有舊數據所在區塊標記為“失效”狀態。如下圖（灰色代表“失效，未擦除”數據塊，藍色代表“已占用”數據塊，白色代表“干凈，可寫入”數據塊）。

（同時為了解決應用程序地址和實際物理存儲地址的對應問題，閃存加入了“Flash Translation Layer”，用來實現上述兩個地址的映射。）

接下來，我們又需要寫入一個新文件“AnotherFile.doc”，同樣占用6個小塊，但是現在上圖中只剩下4個空白的“干凈”小塊了。因此，我們需要擦除左上角“失效”的4個小塊，擦完之后如下圖所示。

接下來，新的數據就可以被寫入到左上和右下總共的6個“干凈”小塊了。

現在，我們寫入***一個文件，需占用3個小塊。可以從上圖看到，空白“干凈”小塊只剩2個了。另外還有2個“失效”小塊，但是由于與有效數據同處一個擦除區域，無法直接擦除。因此，我們就需要進行數據的移動，如下圖所示，從而騰出一個整體的空間，使得擦除可以進行。這一步，就是之前講的鄰居搬家。

擦除完之后，我們就可以寫入占用了3個小塊的新文件了！

閃存“垃圾回收”帶來的“寫懸崖”和“寫放大”

回到文章一開始客戶遇到的性能下降25%的問題，在我們了解完閃存垃圾回收的過程之后，就很容易理解了。一臺40TB容量的閃存運到客戶現場，起始都是“干凈”的空白小塊，寫入速度很快。但隨著數據的不斷更新，或早或晚必然會出現區塊間數據搬運，數據擦除等后臺垃圾回收的相關操作，從而提供“干凈”的小塊給后續的寫入操作。這些操作和前端應用程序并行，導致了性能的下降，我們稱之為“寫懸崖(Write-Cliff)”。

“寫懸崖”僅僅是垃圾回收帶來的問題之一。垃圾回收還帶來的另外一個問題，叫做“寫放大”。我們都知道閃存的每個Cell（顆粒）都是有寫入次數的壽命限制的。垃圾回收導致了額外的Cell寫入，加速了Cell壽命消耗。我們稱之為“寫放大(Write-Amplification)”。

如何處理“寫懸崖”

寫懸崖和寫放大都是閃存介質與生俱來的特性，無論是SSD固態硬盤，還是目前的全閃存陣列廠商，都無法避免這兩個問題。

閃存廠商一般會通過介質材料，算法以及架構的優化等手段，來將這兩種影響控制在一定的范圍內。同時，對該問題處理的效果，也是衡量閃存陣列能力的因素之一。比如目前業界市場占用率很高的某閃存陣列廠商，宣稱通過以下手段來優化寫懸崖的問題：

首先，采用“超供給”方式，通過提供更多的顆粒數量（比如用戶可見容量40TB，而實際物理容量超過67TB），用于減緩整體閃存壽命的磨損，并實現更為靈活的預防性垃圾回收。

同時，采用了“帶外”的垃圾回收處理機制，也就是為垃圾回收配置了專門的處理引擎，從而不占用處理前端應用數據IO的硬件資源。

此外還有均衡磨損算法，監測機制等手段，來優化緩解這兩個問題。

消除誤區，“寫懸崖”并不可怕

***，需要說明的是，寫懸崖并不可怕。

即使寫懸崖帶了的性能的降低，但速度降下來之后，處理得當的閃存陣列，其性能還是要遠遠高于傳統磁盤陣列。好比您以5塊錢一股的價格買了一只股票，***的時候股票價格飆升到了30塊錢一股，但后來降到了25塊錢一股，并在25塊錢平穩下來。那么整體來看，收益還是很好的。

以下是某廠商公布其全閃存陣列“寫懸崖”測試的測試結果，我們可以看到，“寫懸崖”發生后，該陣列依然運行在一個很高的吞吐量水平上。

當然，在上面的圖中我們也看到了另外一個廠商的閃存產品，出現了嚴重的寫懸崖問題。所以在對閃存陣列選型時，一定要搞清楚閃存陣列廠商是否對該問題進行過優化，并***讓廠商給出一些有說服力的數據或者測試報告。