4.Внутреннее устройство Windows (гл. 12-14)

ПРИМЕЧАНИЕ Файловая система FAT в MS-DOS использует алгоритм сквозной записи, при котором обновления записываются на диск немедленно. B отличие от точной записи этот метод не требует от файловой системы упорядочения операций вывода для предотвращения нарушения целостности.

Основное преимущество файловых систем с точной записью в том, что в случае сбоя дисковый том остается целостным и его можно использовать дальше — немедленный запуск утилиты исправления тома не обязателен. Такая утилита нужна для исправления предсказуемых, неразрушительных нарушений целостности диска, которые возникли в результате сбоя, но ее можно запустить в удобное время, обычно при перезагрузке системы.

Файловая система с точной записью жертвует производительностью ради надежности. Она повышает производительность за счет стратегии кэширования с обратной записью (write-back caching); иными словами, изменения файла записываются в кэш, и содержимое последнего сбрасывается на диск оптимизированным способом, обычно в фоновом режиме.

Метод кэширования по алгоритму отложенной записи дает несколько преимуществ, увеличивающих производительность. Во-первых, уменьшается общее число операций записи на диск. Поскольку не требуется упорядоченных, немедленно осуществляемых операций вывода, содержимое буфера может измениться несколько раз, прежде чем оно будет записано на диск. Во-вторых, резко возрастает скорость обслуживания запросов приложений, поскольку файловая система может вернуть управление вызывающей программе, не дожидаясь завершения записи на диск. Наконец, стратегия отложенной записи игнорирует промежуточные несогласованные состояния тома, возникающие, когда несколько запросов на ввод-вывод перекрывается во времени. Это упрощает создание многопоточной файловой системы, допускающей одновременное выполнение нескольких операций ввода-вывода.

Недостаток метода отложенной записи состоит в том, что при его использовании бывают периоды, в течение которых том находится в настолько несогласованном состоянии, что файловая система не сможет исправить его в случае аварии. Следовательно, файловые системы с отложенной записью должны постоянно отслеживать состояние тома. B общем случае отложенная запись дает выигрыш в производительности по сравнению с точной записью — за счет большего риска и неудобств для пользователя при сбое системы.

Восстанавливаемая файловая система типа NTFS превосходит по надежности файловые системы с точной записью и при этом достигает уровня производительности файловых систем с отложенной записью. Восстанавливаемая файловая система гарантирует сохранение целостности тома; с этой целью используется журнал изменений, изначально созданный для обработки транзакций. B случае аварии операционной системы такая файловая система восстанавливает целостность, выполняя процедуру восстановления на основе информации из файла журнала. Так как файловая система регистрирует все операции записи на диск в журнале, восстановление занимает несколько секунд независимо от размера тома.

Процедура восстановления в восстанавливаемой файловой системе является точной и гарантирует возвращение тома в согласованное состояние. Неадекватные результаты восстановления, характерные для файловых систем с отложенной записью, в NTFS исключены.

За высокую надежность восстанавливаемой файловой системы приходится расплачиваться. При каждой транзакции, изменяющей структуру тома, в файл журнала требуется заносить по одной записи на каждую подоперацию транзакции. Файловая система уменьшает издержки протоколирования за счет объединения записей файла журнала в пакеты: за одну операцию ввода-вывода в журнал добавляется сразу несколько записей. Кроме того, восстанавливаемая файловая система может применять алгоритмы оптимизации, используемые файловыми системами с отложенной записью. Она может даже увеличить интервалы между сбросами кэша на диск, так как файловую систему можно восстановить, если авария произошла до того, как изменения переписаны из кэша на диск. Такой рост в производительности кэша компенсирует и часто даже перевешивает издержки, вызванные протоколированием транзакций.

Ни точная, ни отложенная запись не гарантирует защиты пользовательских данных. Если сбой системы произошел в тот момент, когда приложение выполняло запись в файл, последний может быть утерян или разрушен. Хуже того, сбой может повредить файловую систему с отложенной записью, разрушив существующие файлы или даже сделав всю информацию на томе недоступной.

Восстанавливаемая файловая система NTFS использует стратегию, повышающую ее надежность по сравнению с традиционными файловыми системами. Во-первых, восстанавливаемость NTFS гарантирует, что структура тома не будет разрушена, так что в случае сбоя системы все файлы останутся доступными.

Во-вторых, хотя NTFS не гарантирует сохранности пользовательских данных в случае сбоя системы (некоторые изменения в кэше могут быть потеряны), приложения могут использовать преимущества сквозной записи и сброса кэша NTFS для гарантии того, что изменения файлов будут записываться на диск в должное время. Как сквозная запись (принудительная немедленная запись на диск), так и сброс кэша (принудительная запись на диск содержимого кэша) — операции вполне эффективные. NTFS не требуется дополнительного ввода-вывода для сброса на диск изменений нескольких различных структур данных файловой системы, так как изменения в этих структурах регистрируются в файле журнала (в ходе единственной операции записи); если произошел сбой и содержимое кэша потеряно, изменения файловой системы могут быть восстановлены по информации из журнала. Более того, NTFS в отличие от FAT гарантирует, что сразу после операции сквозной записи или сброса кэша пользовательские данные останутся целостными и будут доступны, даже если вслед за этим произойдет сбой системы.

Восстанавливаемость NTFS обеспечивается методикой обработки транзакций, называемой протоколированием (logging). Прежде чем выполнить над содержимым диска подоперации какой-либо транзакции, изменяющей важные структуры данных файловой системы, NTFS регистрирует ее в файле журнала. Таким образом, в случае сбоя системы незавершенные транзакции можно повторить или отменить после перезагрузки компьютера. B технологии обработки транзакций эта методика называется опережающим протоколированием (write-ahead logging). B NTFS транзакции, к которым относятся, в частности, запись на диск или удаление файла, могут состоять из нескольких подопераций.

Сервис файла журнала (log file service, LFS) — это набор процедур режима ядра, локализованных в драйвере NTFS, который она использует для доступа к файлу журнала. Хотя LFS изначально был разработан для того, чтобы предоставлять средства протоколирования и восстановления более чем одному клиенту, он используется только NTFS. Вызывающая программа, в данном случае NTFS, передает LFS указатель на открытый объект «файл», который определяет файл, выступающий в роли журнала. LFS либо инициализирует новый журнал, либо вызывает диспетчер кэша для доступа к существующему журналу через кэш, как показано на рис. 12–46.

LFS делит файл журнала на две части: область перезапуска (restart area) и «безразмерную» область протоколирования (logging area) (рис. 12–47).

NTFS вызывает LFS для чтения и записи области перезапуска. B этой области NTFS хранит информацию о контексте, например позицию в области протоколирования, откуда начнется чтение при восстановлении после сбоя системы. Ha тот случай, если область перезапуска будет разрушена или по каким-либо причинам станет недоступной, LFS создает ее копию. Остальная часть журнала транзакций — это область протоколирования, в которой находятся записи транзакций, обеспечивающие восстановление тома после сбоя. LFS создает иллюзию бесконечности журнала транзакций за счет его циклического повторного использования (в то же время не перезаписывая нужную информацию). Для идентификации записей, помещенных в журнал, LFS использует номера логической последовательности (logical sequence number, LSN). Циклически используя журнал, LFS увеличивает значения LSN. NTFS представляет LSN в виде 64-битных чисел, поэтому число возможных LSN настолько велико, что практически может считаться бесконечным.