SSD（固态硬盘）作为现代计算机系统中的主流大规模数据存储解决方案，对资源分配公平性的设计考虑至关重要。然而，尽管目前已有几种主机端的I/O公平调度器被提出，但当SSD设备端触发垃圾回收（GC）操作时，处理公平性仍然可能受到显著影响。GC操作可能会阻塞I/O请求，导致读写延迟的不可预测变化，进而影响到进程间的公平性。本文提出了一种名为Fair-GC的新型主机与设备I/O调度策略，旨在实现考虑GC干扰的真实公平性。
垃圾回收是NAND闪存固态硬盘中的一种常见机制，用于回收不再被使用或陈旧的数据块，以便为新的数据写入提供空间。然而，GC操作可能会干扰正常的数据读写过程，尤其是在高负载的I/O环境中。这种干扰可能会导致性能下降，因为它需要消耗系统资源来管理这些操作。因此，即使有主机端的I/O调度器，进程间的公平性也会因GC操作而被破坏。
Fair-GC调度策略的核心思想是，仔细协调SSD内部的GC操作，使得当GC操作发生时，进程的性能被GC操作惩罚的程度（或者说是可比的）与它独立运行时相同。通过这种方式，主机端调度器所维持的I/O公平性即使在GC存在的情况下也能得到保持。此外，该调度器确保在主机端调度器上维护的进程的时间片能够及时更新，以避免为了维持公平性而导致不必要的延迟。
文章通过一系列工作负载的实验结果验证了所提出的Fair-GC技术能够实现公平性的同时，显著提高吞吐量。与传统的基于公平性的I/O调度器相比，Fair-GC能够减少真实应用程序的延迟高达99%，并且能将吞吐量提高高达225%。
SSD由于其相较于传统硬盘更高的性能和更低的响应延迟而被广泛使用。与传统硬盘相比，SSD的性能提升主要得益于其基于NAND闪存的非易失性存储技术。这种技术具有独特的特性，包括但不限于写入放大效应（Write Amplification Effect）、读取和写入放大（Read and Write Disturb）、以及擦写循环（Erase Cycles）等。这些特性对于实现公平调度是具有挑战性的，因为它们可能会在不同的操作模式下导致性能表现不一致。
为了应对这些挑战，Fair-GC调度策略必须能够准确地预测GC操作对I/O性能的影响，并在调度决策中考虑这些因素。实现这一目标需要对SSD内部的GC机制有深入的理解。因此，Fair-GC策略可能会需要采集SSD内部状态的详细信息，并根据这些信息动态调整调度决策。
在设计这样的调度策略时，需要在系统开销、实现复杂性和性能提升之间进行权衡。一方面，过于复杂的调度策略可能会增加系统的资源消耗，从而抵消由优化I/O调度带来的性能提升；另一方面，过于简单的调度策略可能无法充分解决GC操作带来的公平性问题。
SSD厂商和操作系统开发者都需要对这一问题有所了解，并在未来的SSD和操作系统设计中考虑公平性问题。例如，固件级别的改进可以提高GC操作的效率，而操作系统级别的调度器改进则可以更好地处理由于GC操作导致的性能波动。
总结来说，SSD的GC操作对I/O调度器提出了新的挑战，这些挑战涉及进程间的公平性和整体系统性能。文章提出的Fair-GC调度策略是一个创新的尝试，旨在解决这一问题。通过在主机端和设备端进行协调，Fair-GC不仅能够维持公平性，还能显著提高性能。随着SSD在现代计算机系统中的角色变得越来越重要，对于类似的调度策略的需求也将日益增长。
