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

Поддержка восстановления в NTFS гарантирует, что в случае отказа электропитания или аварии системы ни одна операция файловой системы (транзакция) не останется незавершенной; при этом структура дискового тома будет сохранена. NTFS включает утилиту Chkdsk, которая позволяет устранять последствия катастрофических повреждений диска, вызванных аппаратными ошибками ввода-вывода (например, из-за аварийных секторов на диске, электрических аномалий или сбоев в работе диска) либо ошибками в программном обеспечении. Наличие средств восстановления NTFS уменьшает потребность в использовании Chkdsk.

Как уже упоминалось в разделе «Восстанавливаемость», NTFS использует схему на основе обработки транзакций. Эта стратегия гарантирует полное восстановление диска, которое производится исключительно быстро (за считанные секунды) даже в случае самых больших дисков. NTFS ограничивается восстановлением данных файловой системы, гарантируя, что пользователь по крайней мере никогда не потеряет весь том из-за повреждения файловой системы. Ho, если приложение не выполнило определенных действий, например не сбросило на диск кэшированные файлы, NTFS не гарантирует полное восстановление пользовательских данных в случае краха. Защита пользовательских данных на основе технологии обработки транзакций предусматривается в большинстве СУБД для Windows, например в Microsoft SQL Server. Microsoft не стала реализовать восстановление пользовательских данных на уровне файловой системы, так как приложения обычно поддерживают свои схемы восстановления, оптимизированные под тот тип данных, с которыми они работают.

B следующих разделах рассказывается об эволюции средств обеспечения надежности файловой системы, и в этом контексте вводится концепция восстанавливаемых файловых систем с подробным обсуждением схемы протоколирования транзакций, за счет которой NTFS регистрирует изменения в структурах данных файловой системы. Кроме того, мы поясним, как NTFS восстанавливает том в случае сбоя системы.

Эволюция архитектуры файловых систем

Создание восстанавливаемой файловой системы можно рассматривать как еще один шаг в эволюции архитектуры файловых систем. B прошлом были распространены два основных подхода к организации поддержки ввода-вывода и кэширования в файловых системах: точная запись (careful write) и отложенная (lazywrite). B файловых системах, которые разрабатывались для VAX/VMS (права на нее перешли от DEC к Compaq) и некоторых других закрытых операционных систем, использовался алгоритм точной записи, тогда как в файловой системе HPFS операционной системы OS/2 и большинстве файловых систем UNIX применялась схема отложенной записи.

Далее мы кратко рассмотрим два типа файловых систем, наиболее распространенные в настоящее время, и присущие им внутренние противоречия между безопасностью и производительностью. B третьем подразделе будет описан подход к восстановлению, принятый в NTFS, и его отличие от двух вышеупомянутых стратегий.

Файловые системы с точной записью

B случае аварии операционной системы или сбоя электропитания операции ввода-вывода, выполняемые в данный момент, немедленно прерываются. B зависимости от того, какие операции ввода-вывода выполнялись и насколько далеко продвинулось их выполнение, такое прерывание может нарушить целостность файловой системы. B данном контексте нарушение целостности — это повреждение файловой системы: например, имя файла появляется в списке каталога, но файловая система не знает, где он находится, или не может обратиться к его содержимому. B самых тяжелых случаях повреждение файловой системы может привести к потере всего тома.

Файловая система с точной записью не пытается предотвратить нарушения целостности. Вместо этого она упорядочивает операции записи так, что авария системы в худшем случае вызовет предсказуемые, некритичные рассогласования, которые файловая система сможет в любой момент устранить.

Когда файловая система (какого бы типа она ни была) получает запрос на обновление содержимого диска, она должна выполнить несколько подопераций, прежде чем обновление будет завершено. B файловой системе, использующей стратегию точной записи, эти подоперации всегда записывают свои данные на диск последовательно. При выделении дискового пространства, например для файла, файловая система сначала устанавливает некоторые биты в своей битовой карте, после чего выделяет место для файла. Если сбой питания происходит сразу после того, как были установлены эти биты, файловая система точной записи теряет доступ к той части диска, которая была представлена установленными битами, но существующие данные не разрушаются.

Упорядочение операций записи также означает, что запросы на ввод-вывод выполняются в порядке их поступления. Если один процесс выделяет дисковое пространство и вскоре после этого другой процесс создает файл, файловая система с точной записью завершает выделение дискового пространства до того, как начнет создавать файл, — иначе перекрытие подопераций из двух запросов ввода-вывода могло бы привести к нарушению целостности.

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.

Файловые системы с отложенной записью

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.

Восстанавливаемые файловые 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.