背景
- 闪存基本构成：页page（4K）→块block（通常64个page组成一个block，有的是128个）→面plane（多个blcok组成）→die（plane就是一个die）→闪存片（多个die组成）→SSD（多颗闪存片组成）;(可能不同型号具体数字不同)。
- SSD上已经被写入过的Page页在重新被写入之前，必须要将page页所在的block块擦除，而不是直接覆盖写。这个是由Nand Flash的工作原理决定的。因此产生了Gc的概念；
gc触发的位置
- FTL层
gc分类：
- 限制垃圾回收：不占用主控资源，会增加一定额外的写放大。
- 被动垃圾回收：被动垃圾回收是在数据读写同事做垃圾回收，会占用大量主控资源，对请求的响应时间造成一定影响。
gc粒度
- 闪存最小读写单位是page，但是最小擦除单位是block；
gc过程
- 一个block中包含多个page；SSD工作一段时间之后，block就都是有过写入的了，如果要擦除某个block，必须先将其中的有效page复制到其他地方，再擦除旧的block；
我们通过下图来看看SSD上数据写入的过程
图1：
- 两个空的（erased）的Block X和Block Y, 每个Block有12个Pages;
- 首先在Block X中写入4个Pages(A, B, C, D);
图2：
- 接着再向Block X中写入新的4个pages(E, F, G, H)
- 然后写入PageA-D的更新数据（A', B', C', D'), 这是PageA-D变为失效数据（invalid）;
- 如果在覆盖写操作比较多的情况下，会产生较多的无效页，类似于磁盘碎片，此时需要SSD的GC机制来回收这部分空间了。
图3：
- 为了向PageA-D的位置写入数据，需要将E, F, G, H, A', B', C', D' 8个pages先搬到Block Y中, 之后再把Block X erase掉，这个过程就为GC。
SSD的写放大(Write Amplification)
SSD的GC机制会带来写放大(Write Amplification)的问题，即内部真正写入的数据量大于用户请求写入的数据量，会带来下面两个问题：
- SSD的寿命减少。NAND-Flash中每个原件都有擦写次数限制，超过一定擦写次数后，就只能读取不能写入了。因此，需要损耗均衡控制(Wear-Leveling)算法，使得原件的擦写次数比较平均，进而延长SSD的寿命。
- 因为gc需要有擦除操作，复制有效page，因此会影响响应时间；
预留空间 （Over-Provisioning）
由SSD gc引出的一个概念Over-Provisioning
计算方式如下：
Over-Provisioning相当于在用户可用的容量之外，额外增加的空间；
因为SSD上不仅要存放用户数据，还需要存放Mapping Data、FTL管理数据，并且要处理GC/WL（Wear-Leveling）磨损均衡的数据搬迁，以及处理坏块管理等。额外增加的Over-Provisioning主要承担这些操作的存储工作；这部分容量用户不可以直接操作，对操作系统也不可见；
参考资料
https://www.seagate.com/tech-insights/ssd-over-provisioning-benefits-master-ti/
SSD Over-provisioning (OP) - Kingston Technology