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(jī)讀寫性能方面大幅超越HDD，這也是SSD能帶來(lái)流暢操作體驗(yàn)的關(guān)鍵。

　　但是，SSD又不僅僅只是閃存的簡(jiǎn)單組裝，僅僅把閃存堆砌起來(lái)，并不能稱作是SSD。調(diào)用閃存的軟件算法，同樣對(duì)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(lái)談?wù)凷SD中有哪些軟件算法吧!

　　↑↑↑SSD可不是把閃存焊在一起就能做出來(lái)的

　　FTL：沒(méi)它SSD就無(wú)法識(shí)別

　　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(shí)別HDD的很多機(jī)制，并不適用于SSD。

　　例如，硬盤是由盤片來(lái)構(gòu)成的，盤片是同心圓，把圓分成一個(gè)個(gè)小小的扇形，數(shù)據(jù)在這些扇形中儲(chǔ)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(lái)，構(gòu)成FAT32、NTFS等文件系統(tǒng)，用戶才得以訪問(wèn)文件/文件夾而不是一個(gè)個(gè)的扇區(qū)物理地址?；旧?，操作系統(tǒng)建立文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是扇區(qū)。

　　↑↑↑HDD硬盤盤片上的扇區(qū)，SSD沒(méi)有這個(gè)結(jié)構(gòu)

　　SSD由閃存構(gòu)成，沒(méi)有盤片，自然也沒(méi)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(yè))，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(jiàn)SSD沒(méi)有扇區(qū)，怎么辦?這就得靠一些算法來(lái)進(jìn)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(duì)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(gè)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(shí)候，有了FTL，操作系統(tǒng)看到的東西和HDD沒(méi)啥兩樣，就可以用傳統(tǒng)的方法對(duì)SSD進(jìn)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(wú)縫接班HDD，沒(méi)它SSD就無(wú)法識(shí)別。

　　GC垃圾回收：沒(méi)它SSD就巨慢無(wú)比

　　閃存的機(jī)制是比較獨(dú)特的，當(dāng)你向閃存寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，必須先把閃存中的數(shù)據(jù)擦除掉，才能寫入。

　　同時(shí)，閃存的最小讀寫單位是Page，但最小的擦除單位是Block。一個(gè)Block中包含了多個(gè)Page，SSD工作一段時(shí)間后，就沒(méi)有哪個(gè)Block中的Page都是空白的了。

　　如果要擦除某個(gè)Block，就必須先把這個(gè)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(jìn)行擦除，這樣一來(lái)才不會(huì)丟數(shù)據(jù)。

　　↑↑↑每個(gè)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(gè)Block都會(huì)被擦除

　　有效數(shù)據(jù)的Page要復(fù)制到什么地方進(jìn)行備份呢?

　　一些比較爛的產(chǎn)品，會(huì)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(lái)SSD的寫入速度就更加悲劇了——既要寫原來(lái)的數(shù)據(jù)，又要寫新數(shù)據(jù)。

　　解決這個(gè)問(wèn)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(diǎn)類似碎片整理，它可以把某個(gè)Block中的存在有效數(shù)據(jù)的Page，移動(dòng)到其他Block中，從而讓操作系統(tǒng)得以擦除這整一個(gè)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(lái)增加GC垃圾回收效率的算法。

　　沒(méi)有Trim的話，會(huì)出現(xiàn)這樣一種情況：在操作系統(tǒng)刪除一個(gè)文件，實(shí)際上數(shù)據(jù)在物理層面上并沒(méi)有被刪除。

　　于是，SSD的某個(gè)Block所有Page都會(huì)被填滿，待到真正寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，才被迫進(jìn)行GC垃圾回收，主控才開(kāi)始把有效數(shù)據(jù)的Page移動(dòng)到其他Block上，進(jìn)而擦除該Block。

　　如此一來(lái)，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(yàn)非常不好。

　　↑↑↑CMD中查詢“fsutil behavior QUERY DisableDeleteNotify”，如圖顯示就是開(kāi)啟了Trim

　　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(huì)告訴SSD主控哪些Page的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著刪除的數(shù)據(jù)，這些Page會(huì)被標(biāo)記成為無(wú)效Page。

　　接著，在閑暇時(shí)段，SSD主控就會(huì)主動(dòng)進(jìn)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(lái)，就算是長(zhǎng)期使用，只要SSD不是裝得太滿，性能都不會(huì)有太過(guò)明顯的下滑，大大提升了用戶體驗(yàn)。

　　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(shí)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)。

　　↑↑↑TLC的擦寫次數(shù)不盡如人意，但正常使用其實(shí)也很難掛掉

　　但是很多朋友仍不信任SSD的壽命，理由是SSD的這個(gè)壽命，是根據(jù)全盤容量來(lái)估算的。

　　有的朋友認(rèn)為，平時(shí)讀寫數(shù)據(jù)，會(huì)集中讀寫SSD的其中一部分閃存，這部分的閃存壽命就會(huì)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(shí)真的是這樣嗎?

　　事實(shí)當(dāng)然并非如此。實(shí)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。

　　動(dòng)態(tài)的算法就是當(dāng)寫入新數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)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(jìn)，就算沒(méi)有數(shù)據(jù)寫入，SSD監(jiān)測(cè)到某些閃存Block比較老，會(huì)自動(dòng)進(jìn)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(chǔ)存任務(wù)，同時(shí)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(jìn)行——如此一來(lái)，各個(gè)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(yùn)行，還有賴于種種軟件算法。

　　在選用SSD的時(shí)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(shí)，要選擇適合的操作系統(tǒng)，并及時(shí)更新SSD的固件和驅(qū)動(dòng)。

　　如此一來(lái)，才會(huì)得到更好的體驗(yàn)。