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

При восстановлении тома NTFS выполняет три прохода по журналу транзакций, загружая его в память на первом проходе, чтобы минимизировать объем дискового ввода-вывода. Каждый проход имеет свое назначение:

• анализ;

• повтор транзакций; • отмена транзакций.

При проходе анализа (analysis pass) NTFS просматривает журнал транзакций в прямом направлении, начиная с последней операции контрольной точки, чтобы найти записи модификации и обновить скопированные ранее в память таблицы транзакций и измененных страниц. Обратите внимание, что операция контрольной точки помещает в журнал транзакций три записи, между которыми могут оказаться записи модификации (рис. 12–50). NTFS должна приступить к сканированию с начала операции контрольной точки.

Большинство записей модификации, расположенных в журнале после начала операции контрольной точки, представляет собой изменение либо таблицы транзакций, либо таблицы измененных страниц. Например, если запись модификации относится к фиксации транзакции, то транзакция, которую представляет данная запись, должна быть удалена из таблицы транзакций. Аналогично, если запись модификации относится к обновлению страницы, изменяющему структуру данных файловой системы, нужно внести соответствующую поправку в таблицу измененных страниц.

После того как таблицы в памяти приведены в актуальное состояние, NTFS просматривает их, чтобы определить LSN самой старой записи модификации, которая регистрирует операцию, не выполненную над диском. Таблица транзакций содержит LSN незафиксированных (незавершенных) транзакций, а таблица измененных страниц — LSN записей, соответствующих модификациям кэша, не отраженным на диске. LSN самой старой записи, найденной NTFS в этих двух таблицах, определяет, откуда начнется проход повтора. Однако, если последняя запись контрольной точки окажется более ранней, NTFS начнет проход повтора именно с нее.

Ha проходе повтора (redo pass) NTFS сканирует журнал транзакций в прямом направлении, начиная с LSN самой старой записи, которая была обнаружена на проходе анализа (рис. 12–51). Она ищет записи модификации, относящиеся к обновлению страницы и содержащие модификации тома, которые были запротоколированы до сбоя системы, но не сброшены из кэша на диск. NTFS повторяет эти обновления в кэше.

Когда NTFS достигает конца журнала транзакций, она уже обновила кэш необходимыми модификациями тома, и подсистема отложенной записи, принадлежащая диспетчеру кэша, может начать переписывать содержимое кэша на диск в фоновом режиме.

Завершив проход повтора, NTFS начинает npoxoд отмены (undo pass), откатывая транзакции, не зафиксированные к моменту сбоя системы. Ha рис. 12–52 показаны две транзакции в журнале: транзакция 1 зафиксирована до сбоя системы, а транзакция 2 — нет. NTFS должна отменить транзакцию 2.

Допустим, в ходе транзакции 2 создавался файл. Эта операция состоит из трех подопераций (каждая со своей записью модификации). Записи модификации, относящиеся к одной транзакции, связываются в журнале обратными указателями, поскольку эти записи обычно не располагаются одна за другой.

B таблице транзакций NTFS для каждой незавершенной транзакции хранится LSN записи модификации, помещенной в журнал последней. B данном примере таблица транзакций сообщает, что для транзакции 2 это запись с LSN 4049. NTFS выполняет откат транзакции 2, как показано на рис. 12–53 (справа налево).

Найдя LSN 4049, NTFS извлекает информацию для отмены и выполняет отмену, сбрасывая биты 3–9 в своей битовой карте. Затем NTFS следует по обратному указателю к LSN 4048, который указывает ей удалить новое имя файла из индекса имен файлов. Наконец, NTFS переходит по последнему обратному указателю и освобождает запись MFT, зарезервированную для данного файла, в соответствии с информацией из записи модификации с LSN 4046. Ha этом откат транзакции 2 закончен. Если имеются другие незавершенные транзакции, NTFS повторяет ту же процедуру для их отката. Поскольку отмена транзакций изменяет структуру файловой системы на томе, NTFS должна протоколировать операцию отмены в журнале транзакций. B конце концов, при восстановлении может снова произойти сбой питания, и NTFS придется выполнить повтор операций отмены!

Когда проход отмены завершен, том возвращается в согласованное состояние. B этот момент NTFS сбрасывает на диск изменения кэша, чтобы гарантировать правильность содержимого тома. Далее NTFS записывает «пустую» область перезапуска, указывающую, что том находится в согласованном состоянии и что, если система сразу потерпит еще одну аварию, никакого восстановления не потребуется. Ha этом восстановление заканчивается.

NTFS гарантирует, что восстановление вернет том в некое существовавшее ранее целостное состояние, но не обязательно в непосредственно предшествовавшее сбою. NTFS не может дать такой гарантии, поскольку для большей производительности она использует алгоритм отложенной фиксации (lazy commit), а значит, сброс журнала транзакций из кэша на диск не выполняется немедленно всякий раз, когда добавляется запись «транзакция зафиксирована». Вместо этого несколько записей фиксации транзакций объединяются в пакет и записываются совместно — либо когда диспетчер кэша вызывает LFS для сброса журнала на диск, либо когда LFS помещает в журнал новую запись контрольной точки (каждые 5 секунд). Другая причина, по которой том не всегда возвращается к самому последнему состоянию, — в момент сбоя системы могли быть активны несколько параллельных транзакций, и одни записи фиксации этих транзакций были перенесены на диск, а другие — нет. Согласованное состояние тома, полученное в результате восстановления, отражает только те транзакции, чьи записи фиксации успели попасть на диск.

NTFS применяет журнал транзакций не только для восстановления тома, но и для других целей, реализация которых становится возможной за счет протоколирования транзакций. Файловые системы обязательно включают большой объем кода для обработки ошибок, возникающих в процессе обычного файлового ввода-вывода. Поскольку NTFS протоколирует каждую транзакцию, модифицирующую структуру тома, она может использовать журнал транзакций для восстановления после ошибок файловой системы и таким образом существенно упростить код обработки ошибок. Ошибка переполнения журнала транзакций, описанная ранее, — один из примеров использования протоколирования транзакций для обработки ошибок.

Большинство ошибок ввода-вывода, получаемых программой, не является ошибками файловой системы, и поэтому NTFS не может исправить их самостоятельно. Например, получив запрос на создание файла, NTFS может начать с создания записи в MFT, после чего ввести имя файла в индекс каталога. Однако при попытке выделить по своей битовой карте пространство для нового файла она может обнаружить, что диск заполнен, и запрос на создание файла удовлетворить не удастся. Тогда NTFS использует информацию из журнала транзакций для отмены уже выполненной части операции и освобождения структур данных, зарезервированных ею для файла. Затем ошибка «диск заполнен» возвращается вызывающей программе, которая и должна предпринять соответствующие действия.

Диспетчеры томов Windows — FtDisk (для базовых дисков) и LDM (для динамических) — могут восстанавливать данные из плохого (аварийного) сектора на отказоустойчивом томе, но, если жесткий диск не является SCSI-диском или если на нем больше нет резервных секторов, они не в состоянии заменить плохой сектор новым (подробнее о диспетчерах томов см. главу 10). B таком случае, когда файловая система считывает данные из плохого сектора, диспетчер томов восстанавливает информацию и возвращает ее вместе с соответствующим предупреждением.

Файловая система FAT никак не обрабатывает это предупреждение. Более того, ни эта файловая система, ни диспетчеры томов не ведут учет плохих секторов, поэтому, чтобы диспетчер томов не повторял все время восстановление данных из плохого сектора, пользователь должен запустить утилиту Chkdsk или Format. Обе эти утилиты далеко не идеальны в исключении плохого сектора из дальнейшего использования. Chkdsk требует много времени для поиска и удаления плохих секторов, a Format уничтожает все данные в форматируемом разделе.

NTFS-эквивалент механизма замены секторов динамически заменяет кластер, содержащий плохой сектор, и ведет учет плохих кластеров, чтобы предотвратить их дальнейшее использование. (Вспомните, что NTFS адресуется к логическим кластерам, а не к физическим секторам.) Эта функциональность NTFS активизируется, если диспетчер томов не может заменить плохой сектор. Когда FtDisk возвращает предупреждение о плохом секторе или когда драйвер диска сообщает об ошибке, связанной с плохим сектором, NTFS выделяет новый кластер для замены того, который содержит плохой сектор. NTFS копирует данные, восстановленные диспетчером томов, в новый кластер, чтобы снова добиться избыточности данных.