Виртуальные файловые системы (VFS). Реализации файловых систем. Сетевая файловая система NFS

Эффективность и производительность дисковой памяти

Эффективность использования дисковой памяти зависит от:

• Алгоритмов распределения дисковой памяти и управления директориями;
• Типов данных, хранимых в элементе директории для файла.

Для повышения производительности работы с диском используются следующие методы:

• Кэширование диска – использование специальной области основной памяти для часто используемых блоков диска;
• Освобождение прочитанного (free-behind) и опережающее считывание (read-ahead) – методы оптимизации последовательного доступа к диску, которые заключаются в том, что основная память, в которой хранились копии прочитанных блоков, освобождается, а вместе с очередным блоком файла считываются в основную память и несколько следующих блоков;
• Организация виртуальных дисков - улучшение производительности ПК путем выделения области памяти под виртуальный диск (RAM-диск).

Кэширование диска

Буферная кэш-память.В операционных системах используются различные методы кэширования диска ( рис. 20.8).

увеличить изображение
Рис. 20.8. Различные методы размещения кэша для диска.

В основной памяти хранятся: виртуальные диски, буфера блоков обрабатываемых файлов, таблицы открытых файлов. В буферной памяти контроллера диска хранятся копии обрабатываемых блоков файла.

Проблема в том, что различные модули кэш-памяти используются не всегда достаточно эффективно и не всегда достаточно согласованы друг с другом. Например, система поддерживает кэш страниц, который кэширует страницы, а не блоки файла, используя методы организации виртуальной памяти. Ввод-вывод файлов, отображаемых в память, использует кэш страниц. С другой стороны, обычный ввод-вывод через файловую систему использует кэш буфера (диска). Понятно, что эти различные кэш-модули решают сходные задачи. Не хватает универсализации кэш-памяти. В результате получается усложненная схема, приведенная на рис. 20.9.

Рис. 20.9. Ввод-вывод без унифицированной буферной кэш-памяти.

Решение данной проблемы – использование унифицированной буферной кэш-памяти.Унифицированная буферная кэш-память использует один и тот же кэш страниц для кэширования и файлов, отображаемых в память, и обычных операций ввода-вывода через файловую систему. Схема ввода-вывода с использованием унифицированной буферной кэш-памяти изображена на рис. 20.10.

увеличить изображение
Рис. 20.10. Ввод-вывод с использованием унифицированной буферной кэш-памяти.

Проблемы восстановления файлов

Файловые системы с журналом транзакций.При работе с файловыми системами и с дисками возможны различные экстремальные ситуации – от сбоя диска до выключения питания. Подобные ситуации могут привести к порче информации в файле или к несогласованности информации в файле и в его буферах в основной памяти. Для обнаружения и диагностики таких проблем в операционных системах имеются утилиты проверки согласованности, которые сравнивают данные в структуре директорий с блоками данных на диске и пытаются исправить несогласованности.

Еще раз повторим, что наилучший способ сохранить свои файлы – это регулярно использовать системные программы для резервного копирования (back up) данных с диска на другое устройство памяти (стример, флэшку, внешний жесткий диск, и т.д.). Восстановить испорченный файл на диске можно с помощью его резервной копии. Автор сам на себе недавно испытал ситуацию, когда по непонятной причине (видимо, из-за сбоя диска, которые случаются крайне редко) оказался испорченным файл с главой книги "Trustworthy Compilers", подготовленной для издательства John Wiley & Sons, причем копия файла на флэшке также оказалась испорченной. Проблему решила заранее предусмотрительно сделанная копия файла на вторую флэшку.

Более систематический подход к поддержанию целостности и отслеживанию состояний файлов предпринят в файловых системах с журналом транзакций (log structured filesystems).Файловые системы с журналом фиксируют любое изменение в файловой системе как транзакцию (по аналогии с системами управления базами данных и современными web-сервисами). Все транзакции записываются в журнал. Транзакция считается одобренной (committed),если она записана в журнал. Однако файловая система может быть в этот момент еще не обновлена. Транзакции из журнала асинхронно выполняются над файловой системой. Когда файловая система модифицируется, транзакция удаляется из журнала. Если имеет место сбой файловой системы, то все оставшиеся транзакции из журнала, тем не менее, должны быть выполнены.