寫在前面
最近在閱讀到一篇2016年ASPLOS會議論文NVWAL:Exploiting NVRAM in Write-Ahead Logging時，發現它提出使用了differential logging這項技術。我對此感到十分好奇，便google了一下這個術語，發現它的原型是在2010年SIGMOD的一篇文章上Page-Differential Logging: An Efficient and DBMS-independent Approach for Storing Data into Flash Memory。
接下來我想就differential logging的起源和特點來簡單地探討一番，並試圖說明這一技術在NVM上應用的可行性。
背景介紹
首先要解決的應該是3個W的問題：What，Why，HoW。什麼是differential logging？爲什麼要使用differential logging？differential logging具體是怎樣工作的？
爲了故事的連貫性，首先我們來回答呢Why這個問題，即differential logging產生的歷史緣由：一定是因爲以前的技術不夠好，所以研究者才新擬定了一個這樣的方案纔對。
所以，我們需要了解一下內存寫（到flash閃存）的兩種歷史方案：page-based approach和 log-based approach，也就是基於頁的方法與基於log的方法。
基於頁的方式，簡單來說就是，當修改了內存裏data page（一個頁）的一部分數據後，整個data page（又稱邏輯頁）都要寫入到Flash作爲物理頁從而持久存儲。這是非常符合直覺的內存寫操作，哪一頁被修改就將該頁寫入持久存儲區域。根據寫入位置的不同，基於頁的方法又分爲in-place和out-place。所謂in-place，就是指寫入Flash過程要覆蓋原來物理頁面，即覆蓋原來的數據；所謂out-place，就是指寫入Flash過程不覆蓋原來舊的數據頁而是新開闢一個位置保存該物理頁，並將舊頁標記爲“obsolete”狀態。
由於Flash是一種比較特殊的存儲器，flash中寫操作不能將page中的bit改爲1，因此它的覆蓋寫（write）操作是需要以塊爲單位擦除（erase）並執行多次讀寫才能完成的的，因此in-place方式代價很高，在Flash中並不常用，更多的是使用out-place方式，選擇一個新的未使用block中的頁作爲物理頁來寫，就不需要多餘的擦除操作了。
一個典型的out-place更新方式如下圖所示：
接下來我們介紹基於log的方式。所謂log，也就是將數據變更的部分記錄下來，然後寫到Flash中，具體的操作手段是：一旦內存中邏輯頁發生變更，就將更新部分寫入到write buffer（也在內存中），值得注意的是，一個write buffer裏可以存儲不止一個邏輯頁的更新內容。當write buffer滿存或者應用發出write through命令時write buffer中的內容就輸出到了Flash中存爲log page。那麼如果發生多次數據變更，也就會產生多個log page。這樣一來，當我們需要讀取最新的頁數據時，就需要將原始數據頁與多個log page中的對應更新合併，提取到內存中，這就涉及到多次read IO操作。一個典型的基於log寫的方式如下圖所示：
我們注意到，page-based 方式與 log-based方式在用Flash作爲外存存儲時都有各自的缺陷：基於頁的方法寫性能不好，每次修改一個頁中的不管多少數據，都需要將整個頁寫入Flash；基於log的方法解決了基於頁方法寫性能不高的問題，但是它的讀性能不好，因爲對同一份物理頁的log可能存在於多個log頁中，每次讀取最新數據都需要讀入多個log頁數據到內存。
正是基於以上兩點，研究者們提出了他們認爲的既有較好的讀性能，又有較好的寫性能的頁差分讀寫技術。
PDL詳解
現在我們來解釋第二個問題：什麼是differential logging？
先上圖例，讓後結合該圖進行解釋會方便一些：
如上圖所示，當邏輯頁L1,L2發生變更時，首先需要計算出當前變更數據（計算方式是通過將內存中的邏輯頁與閃存中的base page進行比較，計算出差分數據），將關於該頁的全部變更數據寫入write buffer（當write buffer已存在舊的頁更新數據時，刪除之），write buffer滿或者接到write through指令時，將differential log寫入到flash中作爲differential page。
和基於log的方式類似，同一個differential page可以存儲多個頁的差分數據，但是，一個物理頁的差分數據僅存在於同一個differential page中，這一點與基於log的方式不同。
如上圖所示，當需要讀取最新的頁數據時，需要結合最多兩個頁面：base page 和 differential page。當differential page中不存在關於當前頁的差分數據時，只需要讀取一個base page就可以了。
以上就是 page differential logging。
那麼進一步地，我們需要回答 How 這個問題。雖然大致邏輯上講得通，但差分讀寫技術是憑藉什麼來辨別base page 和 differential page 的關係的呢？
PDL的數據結構如下圖所示：
在flash中存儲的是base_page 和 differential_page兩種數據結構。其中base_page中存有當前物理頁數據之外，還存有id編號，頁面類型，時間戳；differential_page，相應地，也有id編號（與base_page爲綁定關係）。
注意，到這裏爲止，我們已經發現了一個很不合理的矛盾！一個differential page怎麼可能既存儲多個邏輯頁的差分數據， 同時又只和一個 base_page做綁定呢？
這個鍋，作爲論文閱讀者，我是不背的。作者是那麼說的，也是那麼畫的，那麼你們認爲是誰錯了呢？
故障恢復
總結與思考
這一次先寫到這裏，明天我再把故障恢復和我的思考部分完善。
謝謝閱讀！