[深入理解SSD 21] 固态硬盘GC机制 | GC 分类 | GC 过程 | GC 和 Trim 的关系

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前言

SSD上已经被写入过的Page页在重新被写入之前，必须要将page页所在的block块擦除，而不是直接覆盖写。这个是由Nand Flash的工作原理决定的。因此产生了GC的概念.

1. GC 是什么？

GC（Garbagecollection）垃圾回收

所谓GC就是把一个闪存块里的"有效"页数据复制到一个"空白"块里，然后把这个旧的块完全擦除。GC是 SSD里的一个非常关键的操作，其效率对性能有决定性影响。闪存块里"有效"页的数量对GC效率有决定性的影响，因数量越少，需要复制的页就越少， 花费的时间也越少，效率就高了。

2. GC触发的机制

主机写数据的操作需要有“空白”块来写入更新后的数据。当可以直接写入数据的备用“空白块”数量低于一个阈值（厂商在主控 固件里设置，一般为全盘闪存容量写满后），触发GC。

3. GC分类

由于GC会对SSD产生大量负载，因此GC可分闲置GC及被动GC。

3.1 闲置垃圾回收

闲置GC， 也叫Background GC（后台垃圾回收）。[3] 是让SSD主控在系统闲置时‘提前’进行GC操作，产生一定 数量的‘空白’块，让GC操作不至于明显影响用户使用感受，但缺点是会因此造成额外的WA（写入放大，相关知识会独立介绍），因为刚GC的‘有效’ 数据可能会因为用户更新而变‘无效’。闲置GC不占用主控资源，会增加一定额外的写放大。

3.2 被动垃圾回收

被动GC 也叫Foreground GC（前台垃圾回收），是所有SSD一定具备的，SSD主控性能对被动GC效率有决定性影响，因为此时SSD需要同时进行GC及 用户要求的数据操作，在数据读写同时做垃圾回收，会占用大量主控资源，对请求的响应时间造成一定影响。主控性能不足就会让用户发觉SSD的性能下降。

3.3 HMS

除了SSD本身，有些SSD还支持主机控制其做GC。主机管理SSD的功能即HMS（Host Managed SSD）技术。HMS就是主机通过应用软件获取SSD的运行状态，然后控制SSD的一些行为。使用者可以通过HMS软件在SSD空闲时让其执行GC任务。【3】

4. GC粒度

闪存最小读写单位是page，但是最小擦除单位是block。 GC 的最小颗粒也是块。

5. 为什么需要GC?

一个block中包含多个page；SSD工作一段时间之后，block就都是有过写入的了，如果要擦除某个block，必须先将其中的有效page复制到其他地方，再擦除旧的block.

感兴趣可以看 [SSD14] GC垃圾回收太重要了

6. GC过程

简单分为三步[3]：

1）挑选源闪存块；

2）从源闪存块中找有效数据；

3）把有效数据写入到目标闪存块中；

第一步挑选源闪存块，一个常见的算法就是挑选有效数据最小的块，这样需要重写的有效数据就越少，回收一个块的代价也最小。

如何找到有效数据最小的那个块呢？

这需要FW在写用户数据时做一些额外的工作，即记录和维护每个闪存块的有效数据量。用户每往一个新的块上写入一笔用户数据，该闪存块上的有效数据就加1。同时还需要要找到这笔数据之前所在的块（如果之前该笔数据曾写入过），由于该笔数据写入到新的块，那么在原闪存块上的数据就变无效了，因此原闪存块上的有效数据量就应该减1.

第二步就是把有效数据从源闪存块读出来。如何知道哪些数据是有效的，哪些又是无效的呢？

如果FW不仅仅只更新和维护闪存块的有效数据量（第一步），还给闪存块一个Bitmap表，标识哪个物理页是否有效，那么在做GC的时候FW只需要根据Bitmap表的信息，把有效数据读出，然后重写即可。

具体做法即FW把一笔逻辑页写入到某个闪存块时，该闪存块上对应位置的Bit就置1。一个闪存块上新增一笔有效数据，就意味着该笔数据所在的前一个闪存块上数据变成无效，因此需要把前一个闪存块对应的位置的Bit清0。

由于有了闪存块上有效数据的Bitmap，在做GC的时候，FW就能准确定位到有效数据并读出。

请看下图，把X块和Y块里的“有效”页复制到N块里，然后擦除X和Y以作备用的“空白块”。

　　那么SSD主控就会把包含“无效”数据的块里所有“有效”数据合并起来放到新的“空白”块里，并删除“无效”数 据块来增加备用的“空白块”数量。这个操作就是SSD的GC过程。

7. Trim 对GC 的好处

7.1 文件删除过程

我们先看看一个文件删除的动作吧

操作系统：其实并没有删除数据；

　事实上，它只是在硬盘前的索引区里标记这块文件占用的区域为无效的，

　所以等该区域被擦除后，下次数据将要再次写入的时候，可以写入这块被标记的区域。

　这也就是为啥那 些所谓的文件恢复软件能恢复的道理。（数据依然存在）。

扩展： 电脑硬盘文件数据误删除/格式化为什么可以恢复？ 怎么恢复？谈谈文件删除与恢复背后的原理_元存储的博客-CSDN博客

固态硬盘：在固态硬盘闪存内，数据存储一般是以page（页）为最小单位存储的（典型的为4KB），而128个page组成了一个block（块），数据以页（page）为单位来读取和写入，但却只能以块Block）为单位来删除。当读取数据或者写入到一个没有被使用过的page上时，固态硬盘的速度是很快的，但是在无效数据区上的话，就比较复杂了，需要许多步骤来完成。

*注意：硬盘本身是不知道当前数据的状态的，他只是被控制着做这做那。

上面这一套在普通的机械硬盘上工作起来非常完美，因为他们可以直接覆写旧的区域，但是当用到NAND闪存上就行不通了，当全部闪存被写满一遍后，没有空白 （从未写过）的块可以被使用的情况下，速度就下来了。

这个问题是因为操作系统和文件系统不能和SSD的主控进行删除文件的交流造成的[4]，如果有之前没清除干净的数据，GC 是主控还认为这些是有效数据，势必会做一些无用工作，并且因为充斥着大量host 删除但未标记无效的数据，使得空白块比较难释放， 要做很多搬移数据的工作，GC 就做的比较慢。这带来不好的影响就是写入放大率变大， 性能也降低。

7.2 操作系统Trim 命令？

删除文件后， 操作系统可以下 trim 命令通知SSD, 这些数据是无效的了， 它们的物理空间去做其他用途， GC 的时候直接知道这部分数据是无效数据，不需要搬移。Trim指令的效果就是直接产生更多的‘无效’页数据，减轻GC的压力，从而减少用户发觉SSD性能下降的机会。（Trim相关知识后面会 独立介绍）各位要记住，GC是每个SSD必备的，没有GC的那只能是U盘，而不是SSD，而且任何时候性能相比SSD都只能用‘烂’来形容。[2]

7.3 Trim的三要素

　　1. 系统： Win7, 2008R2 , Linux核心2.6.28以上。

　　2. 固件： SSD的厂商在固件里要放有Trim算法。

　　3. 驱动： MS的驱动，Intel的AHCI驱动目前支持。

8. GC对 NAND 闪存寿命影响

垃圾回收操作由于将不同 Block 中的有效 Page 进行合并，有额外的擦除操作，会增加写入放大。因此过于频繁的垃圾回收会对 NAND 寿命产生影响 (部分主控芯片为了存取速度，会频繁的做回收的动作，其他的大部分则是在有必要时才做)。如何在避免擦写与提升速度间取得一个平衡，是衡量固件算法的重要指标。

至于有人会说，既然迟早都要重新擦写，那为什么说垃圾回收不要太频繁对 SSD 寿命有好处，简单的说，因为刚GC的‘有效’ 数据可能会因为用户更新而变‘无效’, 如果晚一点GC, 可能这笔数据有机会被主机删除，就省掉不用搬了。但频繁做GC 的化，就都要搬一遍，甚至很多遍。所以经常进行 GC 自然对寿命影响不小，所以在速度和寿命的取舍往往是两难的问题，速度快的 SSD，往往也就是垃圾回收的比较勤快。

搬移数据会增加写入放大率，写入放大率就反映在闪存颗粒的PE cycle 消耗上。其实 NAND 闪存芯片的编程/擦除(P/E)周期次数是一定的。目前普遍使用的 TLC 闪存 P/E 周期为 3000 次左右，一些优质颗粒可以达到 5000 次，超过这个阈值闪存闪存芯片就会报废。

参考

[1] https://blog.csdn.net/Gloria_y/article/details/120969414

[2] https://www.bbsmax.com/A/gAJG9jEgdZ/

[3] https://www.cnblogs.com/Zhd199181/p/16366976.html

[4] https://www.shuzhiduo.com/A/Ae5RMqPrJQ/

[5] https://blog.csdn.net/weixin_39287177/article/details/81407843