SSD决不简单，SSD中的软件算法

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         SSD已经日渐流行，现在买电脑不挑带SSD的，都不好意思说自己真懂用户体验。和传统HDD相比，SSD由闪存构成，闪存低延迟的特性，令SSD在随机读写性能方面大幅超越HDD，这也是SSD能带来流畅操作体验的关键。但是，SSD又不仅仅只是闪存的简单组装，仅仅把闪存堆砌起来，并不能称作是SSD。调用闪存的软件算法，同样对SSD的寿命、稳定性、性能等方方面面起着重大作用。SSD中的软件算法你都了解吗？今天，就一起来谈谈SSD中有哪些软件算法吧！

SSD可不是把闪存焊在一起就能做出来的

　　FTL：没它SSD就无法识别

　　我们都知道SSD的硬件构成和HDD完全不同，因此操作系统识别HDD的很多机制，并不适用于SSD。例如，硬盘是由盘片来构成的，盘片是同心圆，把圆分成一个个小小的扇形，数据在这些扇形中储存，这些扇形就被称之为扇区。操作系统把扇区组织起来，构成FAT32、NTFS等文件系统，用户才得以访问文件/文件夹而不是一个个的扇区物理地址。基本上，操作系统建立文件系统的基础就是扇区。

HDD硬盘盘片上的扇区，SSD没有这个结构

　　SSD由闪存构成，没有盘片，自然也没有扇区。SSD的闪存颗粒基础单位是数据容量4KB的Page（页），Page组成Block（区），Block组成Plane（平面），最后Plane组成Die（晶片），这就是闪存的硬件架构。可见SSD没有扇区，怎么办？这就得靠一些算法来进行转换了。

SSD使用的是闪存，闪存结构和HDD不同，需要FTL层和文件系统对话

　　把SSD的架构虚拟成HDD的算法，叫做“FTL”（Flash Translation Lay）。FTL算法是由SSD主控提供的，比操作系统更加底层。FTL作为一个软件中间层，可以把SSD基于Page的硬件架构映射成HDD基于扇区的硬件架构。操作系统为SSD建立文件系统的时候，有了FTL，操作系统看到的东西和HDD没啥两样，就可以用传统的方法对SSD进行分区、格式化等操作，不需要使用专为SSD而生的文件系统。得益于FTL软件算法，SSD才能无缝接班HDD，没它SSD就无法识别。

　　GC垃圾回收：没它SSD就巨慢无比

　　闪存的机制是比较独特的，当你向闪存写入数据的时候，必须先把闪存中的数据擦除掉，才能写入。同时，闪存的最小读写单位是Page，但最小的擦除单位是Block。一个Block中包含了多个Page，SSD工作一段时间后，就没有哪个Block中的Page都是空白的了。如果要擦除某个Block，就必须先把这个Block中存在有效数据的Page复制备份到其他地方，接而进行擦除，这样一来才不会丢数据。

每个Page都可以写入数据，但覆盖写入需要先擦除原先的数据，一擦除整个Block都会被擦除

　　有效数据的Page要复制到什么地方进行备份呢？一些比较烂的产品，会把这些Page的数据复制到缓存，待到Block擦除后，再把数据写回去，这样一来SSD的写入速度就更加悲剧了——既要写原来的数据，又要写新数据。解决这个问题的，就是SSD中的GC（Gabage Collection），也就是垃圾回收算法。

　　GC垃圾回收算法看着有点类似碎片整理，它可以把某个Block中的存在有效数据的Page，移动到其他Block中，从而让操作系统得以擦除这整一个Block。接着再往该Block写数据，就不需要把备份到其他地方的Page也写回去了。CG发生在FTL层，不同的SSD的GC算法是不一样的，GC算法的不同，深切影响着SSD的性能。

　　Trim：大大提高垃圾回收效率

　　Trim是一种用来增加GC垃圾回收效率的算法。没有Trim的话，会出现这样一种情况：在操作系统删除一个文件，实际上数据在物理层面上并没有被删除。于是，SSD的某个Block所有Page都会被填满，待到真正写入数据的时候，才被迫进行GC垃圾回收，主控才开始把有效数据的Page移动到其他Block上，进而擦除该Block。如此一来，速度就很慢，SSD用久了每次写入数据都得先GC，用户体验非常不好。

CMD中查询“fsutil behavior QUERY DisableDeleteNotify”，如图显示就是开启了Trim

　　Trim就可以大大缓解这种情况。操作系统删除数据后，Trim会告诉SSD主控哪些Page的数据对应着删除的数据，这些Page会被标记成为无效Page。接着，在闲暇时段，SSD主控就会主动进行CG，把有效数据的Page移走，然后擦除这些Block的数据，提前为操作系统的数据写入准备好足够多的Block。如此一来，就算是长期使用，只要SSD不是装得太满，性能都不会有太过明显的下滑，大大提升了用户体验。Trim算法是由操作系统提供的，WIN7、Android 4.3以后的操作系统都支持Trim。

　　磨损平衡：保证闪存寿命被均匀消耗

　　我们知道闪存是有擦写寿命的，例如MLC闪存只能够擦写数千次，TLC闪存只能够擦写数百次等等。其实以现在的SSD容量，总擦写数据量是非常惊人的，例如256G的SSD，寿命是500次擦写（P/E）的话，那么就需要写入125TB的数据，闪存才寿终正寝——就算你每天写入10G数据，也需要用三十多年才能把闪存给写挂，更何况很少人每天往SSD中写10G数据。

TLC的擦写次数不尽如人意，但正常使用其实也很难挂掉

　　但是很多朋友仍不信任SSD的寿命，理由是SSD的这个寿命，是根据全盘容量来估算的。有的朋友认为，平时读写数据，会集中读写SSD的其中一部分闪存，这部分的闪存寿命就会损耗得特别快。一旦这部分闪存挂了，那么整块SSD也就挂了。然而事实真的是这样吗？

　　事实当然并非如此。实际上，SSD拥有磨损平衡（Wear Leveling）算法，令所有闪存磨损度尽可能保持一致。SSD的磨损平衡算法大致分为动态和静态两种。动态的算法就是当写入新数据的时候，会自动往比较新的Block中去写，老的闪存就放在一旁歇歇；而静态的算法就更加先进，就算没有数据写入，SSD监测到某些闪存Block比较老，会自动进行数据分配，让比较老的闪存Block承担不需要写数据的储存任务，同时让较新的闪存Block腾出空间，平日的数据读写就在比较新的Block中进行——如此一来，各个Block的寿命损耗，就都差不多了。

　　总结

　　SSD绝不是把闪存堆在一起就能做成的，要让SSD稳定、快速地运行，还有赖于种种软件算法。在选用SSD的时候，可以多关注一下该SSD所使用的主控方案，关注该主控的算法是否靠谱；在使用SSD时，要选择适合的操作系统，并及时更新SSD的固件和驱动。如此一来，才会得到更好的体验。

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