怎么使用SSD才能避免越写越慢？

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是FTL的一个重要任务。我们虚构一个小小的SSD空间，来讲垃圾回收原理，以及与之紧密联系的WA（Write Amplification，写放大）和OP (Over Provisioning，预留空间)等概念。

麻雀虽小五脏俱全。翠花，上麻雀。

图1-1 虚构的小小SSD空间

我们假设该SSD底层有4个通道（Channel，CH0-CH3），连接着4个Die （每个Channel上的Die可并行操作），假设每个Die只有6个闪存块（Block0-Block5），所以一共24个闪存块。每个闪存块内有9个小方块，每个小方块的大小和逻辑页大小一样。24个闪存块中，我们假设其中的20个闪存块大小为SSD容量，就是主机端看到的SSD大小；另外4个闪存块是超出SSD容量的预留空间，我们称之为OP （Over Provisioning）。

好，一个SSD摆在我们面前，蛋蛋开始写小电影了。

图1-2 主机写入4个逻辑页数据后

我们顺序写入4个逻辑页，分别写到不同通道上的Die上，这样写的目的是增加底层的并行性，提升写入性能。

用户继续顺序写入，固件则把数据交错写入到各个Die上，直到写满整个SSD空间（主机端看到的）。如下：

图1-3 用户空间写满后的SSD

整个盘写满了（从用户角度来看整个用户空间写满了，但在闪存空间，由于OP的存在，并没有写满），如果蛋蛋想放入更多的小电影，怎么办？不能怎么办，只能把看过的小电影割爱删除了，腾出空间放新的小电影。

继续拷入小电影。

图1-4 删除4个逻辑页后再次写入4个逻辑页

假设还是从逻辑页1开始写入。这个时候，SSD会把新写入的逻辑页写入到所谓的OP空间。对SSD来说，不存在什么用户空间和OP空间，它只看到闪存空间。主机端来数据，SSD就往闪存空间写。上面有人红了，怎么回事？因为逻辑页1-4的数据已更新，写到新的地方，那么之前那个位置上的逻辑页1-4数据就失效了，过期了，变垃圾了。用户更新数据，由于闪存不能在原位置覆盖写，固件只能另找闪存空间写入新的数据，因此导致原闪存空间数据过时，形成垃圾。

继续顺序写入，红色方块越来越多（垃圾数据越来越多）。所有闪存空间都写满后，小SSD世界就是下面这个样子：

图1-5 闪存空间写满

等所有Die上的Block 5写满后，所有Die上的Block 0也全红了（这些数据都是垃圾）。

现在不仅整个用户空间都写满，整个闪存空间都满了。如果用户想继续写入后续的逻辑页(36之后的) ，怎么办？

这个时候，就需要垃圾回收了。我们暂时从之前的SSD系统中走出来，看看什么是垃圾回收。

这里需要说明的是，实际中是不会等所有闪存空间都写满后才开始做GC的，而是在满之前就触发GC，这里只是为描述GC而做的假设。

垃圾回收，就是把某个闪存块上的有效数据（图4-19中绿色的）读出来，重写，然后把该闪存块擦除，就得到新的可用闪存块了。

图1-6 垃圾回收示例

图中，Block x上面有效数据为A,B,C，Block y上面有效数据为D,E,F,G，红色方块为无效数据。垃圾回收机制就是先找一个可用Block z，然后把Block x和Block y的有效数据搬移到Block z上面去，这样Block x和Block y上面就没有任何有效数据，可以擦除变成两个可用的闪存块。

图1-7 擦除垃圾数据块变成可用数据块

回到我们的小小SSD系统中来。

上例中，由于我们是顺序写入，垃圾集中在Block 0上，上面没有任何有效数据，我们把它们擦除就可以腾出新的写入空间。用户就可以把新的数据写入到垃圾回收完成的Block 0上了。 从这个例子中，我们可以看到：顺序写，即使是闪存空间写满后的写（Full Drive写），性能也是比较好的，因为垃圾回收可以很快完成（也许仅仅只要一个擦除动作）。

但现实是残酷的：用户写入数据，更多的可能是随机写入数据。下面是一个闪存空间经历随机写满后的样子：

图1-8 随机写满闪存空间后的SSD

用户如果继续往SSD上写入数据，那么SSD怎么处理？当然需要做垃圾回收。 可世道变了，SSD内部状况比之前看到的复杂多了，垃圾数据分散在每个闪存块上，而不是集中在某几个闪存块上。这个时候，如何挑选需要回收的闪存块呢？是的，挑垃圾比较多的闪存块来回收，因为有效数据少，要搬移的数据少，这样腾出空闪存块的速度快。

对上面每个闪存块的垃圾数（红色方块）做个统计：

表1-1 每个闪存块上垃圾数据统计

由于我们是同时往4个通道上写，我们需要每个通道都有一个空闲的闪存块，因此，我们做垃圾回收时，不是回收某个闪存块，而是所有通道上都要挑一个。一般选择每个Die上块号一样的所有闪存块做垃圾回收。上例中，Block 0上的垃圾数量最多（24个红色方块，最多），因此我们挑Block 0作为垃圾回收的闪存块（这里忽略PE count等因素，只看垃圾数）。 回收完毕，我们把之前Block 0上面的有效数据（绿色方块）重新写回到这些闪存块（这里，我们假设回收的有效数据和用户数据写在同一个闪存块，实际，它们可能是分开写的）。

图1-9 做完垃圾回收后的BLOCK0可以继续写入数据

这个时候，有了空闲的空间（白色方块），用户就可以继续写入数据了。

江湖传言：SSD越写越慢。没错，其实这是有科学依据的：可用闪存空间富裕时，SSD是无需做GC的，因为总有空闲的空间可写。SSD使用早期，由于没有触发GC，无需额外的读写，所以速度很快。慢慢的会发现SSD变慢了，主要原因是SSD需要做GC。