HTMFS: Strong Consistency Comes for Free with Hardware Transactional Memory in PersistentMemory File Systems
Introduction
文件系统在设计之初并没有过多的考虑一致性，主要注重的是性能。然而随着存储设备的速度和广泛性的 发展，性能已经并不是应用唯一关注的。例如说崩溃一致性，如果文件系统不能保证崩溃一致性，那么应用就 需要复杂的机制来保证一致性。
文件系统的一致性主要分为两个方面，请求顺序的一致性和崩溃一致性。 前者需要保证对于当前任务来说修改是原子性的，这主要靠文件系统的inode的锁，后者需要保证崩溃之后，一个 文件系统的命令要么全都执行要么都不执行。后者并不是所有文件系统都可以保证，例如zoFS就无法完全保证
在PM推出以后，使用PM的文件系统可以利用PM的特性获得强一致性，但是机制仍然比较复杂。 主流的文件系统会使用日志和shadow页的机制来保证崩溃一致性，分别会带来写放大和更新需要原子化的问题
challenge
- clf can abort RTM
事务内存（RTM）可以提供原子性的多更新，但是把RTM用于文件系统并不简单。即使PM可以通过load/store来 直接访问，但是持久化操作仍然会打断RTM（RTM利用的是cache中的数据），好在这个问题被EADR解决了。 - RTM size受限
- 文件系统调用存在依赖
为了解决这些挑战，本文提出了HOP机制在EADR傲腾内存上提供轻量开销的强一致性保证的PM文件系统。
Background
文件系统一致性和开销
假如文件系统不提供一致性保证，应用想要更新A文件的数据就需要以下几步
- Create file B with the same content as file A;
- Write new data to file B;
- Flush file B to guarantee that the new data is persisted in storage;
- Rename file B as file A;
- Sync the directory change;
这对于应用来说是非常复杂的，所以NOVA、ext4这样的文件系统开始提供一致性保证，但是一致性都会影响它们的 性能
事务内存（RTM）
事务内存是英特尔提供的一种简单的保证一致性的方式，只需要使用_xbegin或者是_xend来维护关键性的资源 硬件会去检测是否存在冲突。但是事务内存也会因为以下几点退出
- 读写冲突，当读队列的操作被其他核修改时，就会引发冲突导致退出
- 容量冲突 RTM读写队列容量是有限的
- 其他冲突，这种冲突有的可以被重复提交解决
Design
简单的使用_xbegin(), _xend()似乎就可以将RTM引入文件系统，但是这样很容易导致RTM的冲突
- 代码路径太长容易引起容量限制
- 代码路径太长容易引起读写冲突
- 需要更多的retry去保证事务进行
本文提出了HOP机制来解决这个问题
HOP
文件系统操作的内存可以分为读，可见的写以及不可见的写（例如allocate）。
如上图所示，HOP只用RTM保护可见的写。对于读和不可见的写，HOP使用其他的机制seqcount来保证，如上图所示，如果需要访问RTM区域外的变量就需要先记录seqcount，之后在在RTM区域中验证seqcount。如果，RTM因为seqcount abort了，那么就通过seqcount去定位到需要回滚的地方。
HTMFS提出的优化机制HOP好处是在
- HTM会使用更少的内存，因为这个是受限的
- 减少RTM自身abort的次数
- 每次abort之后，不用都重做
File system operation
read
读利用seqcount来保护，在读数据之后检查映射和seqcount，如果seqcount发生改变，就在读一次这个页的数据，这样保证读数据过程中数据不会改变。
write
HTMFS将写分为两种，一种是小数据的单页更新，这个直接在RTM内用显示的写完成，另一种是多页的更新，这里HTMFS使用了一种类似写时复制的技术，利用shadow页把数据的写改为元数据的更新（但是这个shadow页是无法保证原子性的，HTMFS先把数据写到PM，再把分配的原数据保存在dram，最后操作完成了之后，再把分配信息持久化，如果中间发生崩溃，分配信息直接丢弃，类似于undo logging）
Evaluation
HTMFS的性能和abort的次数有关,和负载的情况关系很大,HTMFS对于无法使用HTM的操作设计了fallback机制，如果无法retry将重新使用软件上的锁。 使用FxMark测试HTMFS、ZOFS、NOVA等PM文件系统，HTMFS处于NOVA和ZOFS之间，因为ZOFS是弱一致性的保证。
