阿里终面为什么SSD不能当做内存用

2021-08-31 08:13 Linux云计算网络
在回答这个问题之前我们先去某东上逛一圈。
输入“SSD”随便找到销量比较高的一项,在商品详情页上有这样的描述:
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注意图片上显示的规格,读速高达3.5GB/s,真实情况下稍差点(尤其是随机读写),但也不会很离谱,可以看到,这个速度是非常快的,基本秒传高清电影的水平。
那么问题来了,既然现在的SSD读取速度这么快,那么可以把SSD当做内存来用吗?
要想回答这个问题,我们先来看看内存的速度。

速度差异

当前采用第四代DDR技术的内存,其带宽基本上能到20GB - 30GB 左右。
怎么样,即使SSD的速度很快,但和内存相比还是有一个数量级的差异
也就是说,如果真的当把SSD当内存使用,那么你的计算机可能会比当前慢上 10 倍左右。
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如果站在用户的角度你觉得慢点无所谓,那么接下来我们从计算机以及操作系统的角度来看看这样可不可行。

新建一个文件试试
如果你现在在计算机旁边可以进行一个小实验,以下以我的 Win10 机器为例。
新建一个文本文件,随便写点什么东西,然后右键打开属性,你会看到:
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这个文件大小本身只有816字节,但却占据了4KB的空间。
让我们再往这个文件里加些内容,再看一下:
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此时内容的大小是5.73KB,占据的空间却来到了8KB。
这说明什么呢?
很简单,这说明文件大小是按照块来分配的,但这又能说明什么问题呢?

访问内存与访问硬盘的区别
要知道内存的寻址粒度是byte级别的,也就是说每个字节都有它的内存地址,CPU可以直接通过这个地址获取到相应的内容。
但对于SSD来说就不是这样了,从上面的实验也可以看到,其实SSD是以块的粒度来管理数据的,至于块的大小各有差异,这不是重点。
这里的重点是:CPU没有办法直接访问文件中某个特定的字节
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CPU没有办法直接访问存储在SSD上的任何数据。
那么CPU是怎么访问文件内容的呢?

文件系统来帮忙
一切皆文件这个概念想必大家都不陌生吧。
在现代操作中,我们以文件的形式来使用SSD,这绕不开操作系统中的文件系统。
文件系统把SSD上的数据以文件的形式呈现出来,程序直接操作文件,读写文件时把请求发送给文件系统,文件系统把请求路由给SSD,SSD处理完请求后数据会被copy到相应进程的内存中,此后程序直接操作内存。
完整的过程以及文件系统的实现可以写成一本书的完整一章,啊哈,博主的《深入理解操作系统》第八章有关于这部分的详细讲解,感兴趣的可以去看下。
从这里我们可以看出,CPU没有办法像访问内存那样直接按照字节粒度去SSD中寻址,CPU访问SSD(磁盘)通常需要借助文件系统,当然,我们也有办法绕开文件系统,但CPU依然无法直接访问SSD(磁盘)中的某个字节。
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正是因为CPU无法直接按照字节粒度去访问SSD,因此CPU无法脱离内存直接在SSD中运行你写的程序。

操作系统在把SSD当内存用
当然在这里还要插个题外话,尽管操作系统不能把SSD当内存来用,但实际上操作系统在间接把你的SSD当内存来用
现代操作系统会自动在空闲内存中缓存SSD(磁盘)数据。
当你首次读取文件时,这次读请求的确需要经过慢吞吞的SSD(磁盘)来处理,但此后这块数据就被缓存在了内存当中,下次再访问这块数据时就不用访问SSD(磁盘)了。
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而如果你写入数据,一般来说也是写到内存,稍后会有一个任务把内存中的数据写入磁盘。
因此从这里我们可以看出,现代操作系统基本上是在把SSD当内存来用,更不用提磁盘交换空间,是不是很聪明,关于这一部分的详细阐述请参见《深入理解操作系统》第七章。
ok,这个题外话就到这里。
让我们回到原问题来。

虚拟内存
现代操作系统的内存管理都采用虚拟内存,这会带来一个问题。
对于32位操作系统来说,其最大寻址范围只有4G,也就是说如果你把SSD当做内存,即使SSD有1T,那么操作系统真正能用到的也只有4G,剩下的就都浪费掉了。
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因此,现代操作系统对内存的管理方式也无法让我们把SSD当内用,除非修改操作系统。
当然,对于64位操作系统则不存在这个问题,因为64位操作系统可寻址空间足够大,尽管这个空间足够可观也需要意识到这是有上限的。

使用寿命
SSD的制造原理决定了这类存储设备是有固定使用寿命的。
你会发现SSD这货就和车一样,当跑出一定里程后就会出问题,在SSD中的里程数就是所谓的总写入字节,TBW,全称是Max Terabytes Written,最多能写多少TB,以下是某种型号的SSD其TBW规格。
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一般来说普通的 SSD 其 TBW 在几百 TB,也就是说如果你的SSD写入上百TB,那么很可能就要报废了。
有的同学可能觉得这使用寿命也太短了吧,但实际上作为普通用户,你的电脑不会有那么频繁的写SSD场景,每天写磁盘的量应该会很小,当然频繁下小电影除外,因此作为普通用户你可以不用在意SSD的使用寿命问题。
但就像刚才说的,SSD毕竟是有TBW这个限制的,内存则没有这个问题。
因此如果你把SSD当内存用的话,相信很快你的SSD就会被CPU写死。

展望未来
受限于当代的存储设备制造技术,我们还没有办法直接把SSD当做内存来用,我们的各种软件包括操作系统、文件系统以及各种硬件包括CPU等都没有做好把SSD当做内存来用的准备
但随着技术的进步,这一点未来可能会有改观。
Intel已经发布了一种存储设备,该设备就像SSD,但同时又可以支持像内存那样随机寻址。
也许在未来我们的内存也可以像SSD那样,即使断电内容也不会丢失,那样的话你的电脑就没有“关机”这种操作了,电脑加电后根本就没有“启动”一说,是不是很有趣。
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如果内存和磁盘一样断电后也不丢内容,那么会带来什么有趣的新功能呢?欢迎大家在本文留言区讨论这个问题

总结
SSD能否当做内存来用?这绝不是一个简单的问题,这涉及到CPU、操作系统、文件系统、存储设备制造原理等方方面面的问题,你需要对计算机系统有透彻的理解才能回答好这个问题。

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