【關(guān)于本書】

持久內(nèi)存通常被稱為非易失性內(nèi)存（NVM）或存儲級內(nèi)存（SCM）。在本書中，特意將持久內(nèi)存作為一個(gè)包羅萬象的術(shù)語，指代當(dāng)前及未來所有與此相關(guān)的內(nèi)存技術(shù)。本書介紹持久內(nèi)存技術(shù)，并對一些關(guān)鍵問題做出解答。

對于軟件開發(fā)人員，這些問題包括：什么是持久內(nèi)存？如何使用持久內(nèi)存？可以使用哪些API和庫？持久內(nèi)存能為應(yīng)用程序提供哪些優(yōu)勢？需要學(xué)習(xí)哪些新的編程方法？如何設(shè)計(jì)應(yīng)用程序以使用持久內(nèi)存？在哪里查找相關(guān)信息、文檔和幫助？

對于系統(tǒng)和云架構(gòu)師，這些問題包括：什么是持久內(nèi)存？持久內(nèi)存的工作原理是什么？持久內(nèi)存與DRAM或SSD/NVMe存儲設(shè)備相比有何不同？硬件和操作系統(tǒng)方面有哪些要求？哪些應(yīng)用程序需要或者可以從持久內(nèi)存中獲益？現(xiàn)有應(yīng)用程序在不經(jīng)修改的情況下可以使用持久內(nèi)存嗎？

對于軟件應(yīng)用程序而言，持久內(nèi)存不是一種即插即用的技術(shù)。盡管從外表看持久內(nèi)存與傳統(tǒng)DRAM內(nèi)存類似，但應(yīng)用程序必須進(jìn)行修改才能充分發(fā)揮持久內(nèi)存的持久特性。應(yīng)用程序在未經(jīng)修改的情況下也可以在安裝了持久內(nèi)存的系統(tǒng)上運(yùn)行，但是這樣無法發(fā)揮持久內(nèi)存的全部潛能。

慶幸的是，服務(wù)器和操作系統(tǒng)廠商在早期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了合作，并推出了許多相關(guān)產(chǎn)品。Linux和Microsoft Windows已經(jīng)可以原生支持持久內(nèi)存技術(shù)。許多常見的虛擬化技術(shù)也支持持久內(nèi)存。

然而，對于ISV和整個(gè)開發(fā)人員社區(qū)而言，針對持久內(nèi)存技術(shù)的開發(fā)之旅才剛剛起步。一些軟件已經(jīng)完成修改并進(jìn)入市場。但企業(yè)和云計(jì)算行業(yè)需要一段時(shí)間才能加以采用并推出相應(yīng)的硬件產(chǎn)品。ISV和軟件開發(fā)人員也需要時(shí)間了解現(xiàn)有應(yīng)用程序需要做出哪些更改，并實(shí)現(xiàn)它們。

本書假設(shè)你不了解持久內(nèi)存硬件設(shè)備或軟件開發(fā)，并經(jīng)過了精心的編排設(shè)計(jì)，你可以按照自己希望的順序隨意瀏覽本書內(nèi)容。盡管本書后面的內(nèi)容以之前章節(jié)中介紹的概念和知識為基礎(chǔ)，但是也無須按順序閱讀所有章節(jié)，同時(shí)為了方便起見，在內(nèi)容中添加了對于相關(guān)章節(jié)的引用，以便你學(xué)習(xí)或回憶相關(guān)知識。

【本書結(jié)構(gòu)】

本書共有19章，每章側(cè)重于介紹不同的主題。全書由三個(gè)主要部分組成。第1～4章介紹了持久內(nèi)存架構(gòu)、硬件和操作系統(tǒng)支持。第5～16章旨在幫助開發(fā)人員了解PMDK庫以及如何在應(yīng)用程序中使用這些庫。最后，第17～19章介紹了部分高級主題，比如RAS以及使用RDMA復(fù)制數(shù)據(jù)等。

第1章介紹持久內(nèi)存，并通過一個(gè)簡單的例子嘗試，這個(gè)例子使用libpmemkv來存儲持久鍵-值對。

第2章介紹持久內(nèi)存架構(gòu)，并重點(diǎn)介紹開發(fā)人員應(yīng)知曉的硬件要求。

第3章介紹操作系統(tǒng)相關(guān)變更、新特性，以及操作系統(tǒng)如何發(fā)現(xiàn)持久內(nèi)存。

第4章以前3章的內(nèi)容為基礎(chǔ)，介紹持久內(nèi)存編程的基本概念。

第5章介紹PMDK，即一套幫助軟件從業(yè)人員進(jìn)行開發(fā)的庫。

第6章介紹并展示如何使用PMDK的libpmem，即提供持久內(nèi)存支持的底層庫。

第7章使用PMDK的C原生對象存儲庫libpmemobj提供相關(guān)信息和示例。

第8章演示PMDK的C++ libpmemobj-cpp對象存儲，它是在libpmemobj之上用C++頭文件構(gòu)建而成的。

第9章通過示例詳細(xì)介紹第1章中提到的libpmemkv。

第10章主要面向希望充分利用持久內(nèi)存但不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲的讀者。libmemkind是構(gòu)建在jemalloc之上的用戶可擴(kuò)展堆管理器，支持控制內(nèi)存特性以及在不同類型的內(nèi)存之間對堆進(jìn)行分區(qū)。libvmemcache是一種可嵌入式輕量級內(nèi)存緩存解決方案，它可以通過高效、可擴(kuò)展的內(nèi)存映射充分利用大容量存儲，例如支持DAX（直接訪問）的持久內(nèi)存。

第11章詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)適用于持久內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

第12章介紹持久內(nèi)存相關(guān)的工具，并舉例說明軟件開發(fā)人員如何調(diào)試支持持久內(nèi)存的應(yīng)用程序。

第13章探討如何修改實(shí)際應(yīng)用程序以使用持久內(nèi)存特性。

第14章介紹如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序中的并發(fā)性以便用于持久內(nèi)存。

第15章介紹性能的概念，并展示如何使用英特爾VTune工具套件在代碼更改前后對系統(tǒng)和應(yīng)用程序進(jìn)行分析。

第16章詳細(xì)介紹PMDK設(shè)計(jì)、架構(gòu)、算法和內(nèi)存分配器實(shí)現(xiàn)。

第17章介紹如何通過硬件和操作系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)可靠性、可用性與可服務(wù)性（RAS）。

第18章探討應(yīng)用程序如何使用本地和遠(yuǎn)程持久內(nèi)存在多個(gè)系統(tǒng)之間橫向擴(kuò)展。

第19章介紹非一致性內(nèi)存訪問（NUMA）、軟件卷管理器的使用、mmap()的MAP_SYNC標(biāo)記等高級主題。

附錄部分單獨(dú)提供了安裝PMDK的步驟以及管理持久內(nèi)存所需的程序，其中還介紹了Java更新和RDMA協(xié)議的未來。由于這些內(nèi)容還有不確定性，因此沒有將其列在本書的正文部分。

【目標(biāo)讀者】

本書主要面向具有一定經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用程序開發(fā)人員，同時(shí)我們也希望本書中的內(nèi)容適用于更廣泛的讀者，如系統(tǒng)管理員和架構(gòu)師、學(xué)生、講師，以及學(xué)術(shù)研究人員等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、內(nèi)核開發(fā)人員，以及任何對這項(xiàng)新興技術(shù)感興趣的人都可以在本書中找到實(shí)用的內(nèi)容。

每位讀者都將能夠了解持久內(nèi)存是什么、它的工作原理，以及操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序如何利用持久內(nèi)存。持久內(nèi)存的配置和管理因廠商而異，因此我們在附錄中列出了部分參考資料，避免主要章節(jié)中的內(nèi)容過于復(fù)雜。

應(yīng)用程序開發(fā)人員可通過示例學(xué)習(xí)如何將持久內(nèi)存集成到現(xiàn)有應(yīng)用程序或新應(yīng)用程序中。我們將在整本書中使用PMDK中提供的各種庫，并提供大量的示例予以說明。本書也提供了使用各種編程語言（C、C++、JavaScript等）編寫的示例代碼。開發(fā)人員在自己的項(xiàng)目中可以自由地使用這些庫。本書還提供了大量的資源鏈接，確保讀者能夠獲得更多的幫助和信息。

系統(tǒng)管理員以及云、高性能計(jì)算和企業(yè)環(huán)境架構(gòu)師都可以參考本書中的大部分內(nèi)容，了解持久內(nèi)存的特性和優(yōu)勢，以便為應(yīng)用程序和開發(fā)人員提供支持。如果能夠在每臺物理服務(wù)器上部署更多虛擬機(jī)，或者為應(yīng)用程序提供這種全新的內(nèi)存/存儲層，就可以讓更多數(shù)據(jù)更靠近CPU，或顯著縮短重啟時(shí)間，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)的溫緩存（warm cache）。

學(xué)生、講師和學(xué)術(shù)研究人員也可以從本書的許多章節(jié)中受益。計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生可以了解硬件、操作系統(tǒng)的特性以及編程技巧。講師可以在課堂上自由講授本書中的內(nèi)容，或?qū)⑵溆米飨嚓P(guān)研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)，比如新的持久內(nèi)存文件系統(tǒng)、算法或緩存實(shí)現(xiàn)等。

我們還介紹了各種用于分析服務(wù)器和應(yīng)用程序的工具，以便大家更好地了解CPU、內(nèi)存和磁盤IO訪問模式。通過此類知識，我們展示了如何修改應(yīng)用程序，以便通過PMDK獲得持久性優(yōu)勢。

【未來參考價(jià)值】

本書的內(nèi)容在未來多年都具備重要價(jià)值。除非規(guī)范中另有說明，ACPI、UEFI、SNIA非易失性編程模型等行業(yè)規(guī)范都會在新版本發(fā)布時(shí)保持向后兼容性。同時(shí)本書中介紹的編程方法也能夠適用于新的設(shè)備外形。本書不局限于某一家特定的持久內(nèi)存廠商或某一種實(shí)現(xiàn)方法。在需要描述特定于廠商的特性或?qū)崿F(xiàn)方法的地方，我們會特意指出，因?yàn)樵诓煌瑥S商或不同代產(chǎn)品之間可能會有差異。建議大家閱讀廠商關(guān)于持久內(nèi)存產(chǎn)品的文檔以了解更多信息。

使用PMDK的開發(fā)人員將獲得一個(gè)穩(wěn)定的API。PMDK將在每次主要版本更新時(shí)提供新的特性和性能改進(jìn)，并隨著新的持久內(nèi)存產(chǎn)品、CPU指令、平臺設(shè)計(jì)、行業(yè)規(guī)范和操作系統(tǒng)特性支持的推出而不斷演變。

【源代碼示例】

本書中的概念和源代碼示例遵循廠商中立的SNIA非易失性內(nèi)存編程模型。SNIA是一個(gè)非營利性全球組織，致力于制定標(biāo)準(zhǔn)并提供相關(guān)的培訓(xùn)，來推動存儲和信息技術(shù)的發(fā)展。該編程模型由SNIA NVM技術(shù)工作組（Technical Working Group，TWG）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、開發(fā)與維護(hù)，該工作組匯聚了多家領(lǐng)先的操作系統(tǒng)、硬件和服務(wù)器廠商。你可以從https://www.snia.org/forums/sssi/nvmp加入該工作組或查找相關(guān)信息。

本書提供的代碼示例均通過英特爾傲騰持久內(nèi)存進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。由于PMDK具備廠商中立的特性，所以同樣適用于NVDIMM-N設(shè)備。PMDK支持未來推出的所有持久內(nèi)存產(chǎn)品。

在本書出版之際，書中所使用的代碼示例均為最新版本。所有代碼示例均通過了驗(yàn)證和測試，以確保在編譯和執(zhí)行時(shí)不會出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。為簡單起見，本書中所使用的部分示例會使用assert()語句來指出意外出現(xiàn)的錯(cuò)誤。任何生產(chǎn)代碼都可以使用相應(yīng)的錯(cuò)誤處理操作來替換這些語句，包括易于理解的錯(cuò)誤信息和相應(yīng)的錯(cuò)誤恢復(fù)操作。此外，部分代碼示例使用不同的掛載點(diǎn)表示持久內(nèi)存感知型文件系統(tǒng)，如“/daxfs”“/pmemfs”和“/mnt/pmemfs”。這說明我們可以為應(yīng)用程序掛載并命名持久內(nèi)存文件系統(tǒng)，類似于基于數(shù)據(jù)塊的常規(guī)文件系統(tǒng)。源代碼位于本書附帶的代碼庫中—https://github.com/Apress/programming-persistent-memory。

由于這項(xiàng)技術(shù)仍在快速發(fā)展，本書所提到的軟件和API參考可能會隨時(shí)間發(fā)生變化。盡管我們努力確保其向后兼容，但有時(shí)軟件必須不斷演進(jìn)，而令之前的版本失效。因此，部分代碼示例可能無法在更新的硬件或操作系統(tǒng)上編譯，需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。