# 第 44 章实验：用 C 写一个小型 FTL 模拟器

真实 SSD 的 FTL 藏在固件里，我们看不到；但可以用几百行 C 把它的核心逻辑模拟出来，
亲眼看到"直接映射为什么糟糕""日志结构 + 垃圾回收为什么好""预留空间和磨损均衡的代价"。

## 文件

| 文件 | 说明 |
|---|---|
| `ftlsim.c` | FTL 模拟器：`direct`（直接映射）、`log`（页映射日志结构 + 贪心 GC）、`log+wl`（再加静态磨损均衡） |
| `Makefile` | `make` 编译；`make run` 跑默认实验；`make sweep` 额外做预留空间扫描 |

## 怎么跑

```bash
cd labs/44-ssd
make
./ftlsim            # 4 种负载 × 3 种 FTL
./ftlsim -op        # 再加"预留空间比例 vs 写放大"扫描
./ftlsim -b 128 -p 32 -n 100000 -s 7   # 改块数、每块页数、写次数、随机种子
```

## 模型

- 闪存：默认 256 块 × 64 页。页有三种状态 INVALID / ERASED / VALID；只能对 ERASED 页编程（program），
  擦除（erase）以块为单位。程序里如果对非 ERASED 页编程会直接报 BUG 退出——保证模拟遵守闪存规则。
- `direct`：逻辑页 N 固定在物理页 N。覆盖写 = 读出块内其余有效页 → 擦除整块 → 把旧页和新页全部重新编程。
- `log`：写入总是追加到"当前块"的下一个空闲页，映射表记录逻辑页 → 物理页；旧版本变成垃圾。
  空闲块少于 2 个时做 GC：贪心挑"存活页最少"的块，把存活页搬到日志末尾，再擦除它。
  逻辑容量比物理容量少 10%（预留空间，overprovisioning）。
- `log+wl`：每次 GC 后检查，如果某个块的擦除次数比最老的块少 30 次以上（说明它装着不动的冷数据），
  就把它的数据搬走，让它重新参与写入轮转。
- 每个实验先把整个逻辑空间顺序写满一遍（预热），再统计之后 N 次写的代价。
- 时间估算用原书 Figure 44.2 的 MLC 数字：读 50µs、编程 750µs、擦除 3000µs（没有考虑多芯片并行）。

## 该观察到什么（示例输出，你的机器上结果应完全相同，因为模拟是确定性的）

```
workload  FTL         host      prog   erase      read     WA      wear  time(s)
seq       direct    200000  12800000  200000  12600000  64.00   768/832  10830.0
seq       log       200000    200000    3125         0   1.00      0/14    159.4
random    direct    200000  12800000  200000  12600000  64.00   708/882  10830.0
random    log       200000   1010167   15785    810167   5.05     56/69    845.5
cold90    log       200000    246984    3861     46984   1.23      0/84    199.2
cold90    log+wl    200000    722492   11290    522492   3.61     37/68    601.9
```

1. **direct 的写放大 = 每块页数（64）**：每写 1 页都要擦除一次、重编程 64 页。这正是原书说的
   "写放大与块内页数成正比"，而且每次写都擦除，热点块（`cold90` 行 wear 最大值 7978）会很快磨损坏。
2. **log 对顺序写近乎完美（WA=1.00）**：整块数据一起失效，GC 只需擦除空块、不用搬数据。
3. **log 对随机写 WA≈5**：块里混着存活页和垃圾页，GC 必须先搬存活页。`./ftlsim -op` 显示预留空间越多，
   GC 选到的受害块越"空"，写放大越低——这就是厂商做预留空间的原因。
4. **磨损均衡有代价**：`cold90` 负载下纯 log FTL 的写放大只有 1.23，但冷数据所在块一次都没擦过（wear 最小值 0），
   而热块被擦了 84 次；加上磨损均衡后各块擦除次数变均匀（37/68），代价是写放大涨到 3.61。
   原书："This process of wear leveling increases the write amplification of the SSD"。
5. 顺序负载下 log 的 wear 最小值是 0：贪心 GC 在多个"全空"块中总挑编号最小的，某些块一直闲置——
   说明仅靠日志结构不能保证均匀磨损，需要显式的磨损均衡策略。

## 动手改一改

- 把 `ftl_new` 里的预留比例（`op`）改成 0.02，看看 GC 是否还能工作（空闲块不够时会报"设备空间耗尽"）。
- 把 `maybe_wear_level` 里的 `THRESH` 改大/改小，观察写放大和 wear 最小/最大值的取舍。
- 把贪心 GC 换成"按块号轮转挑受害者"，比较随机负载下的写放大。