Основные требования, предъявляемые к современным файловым системам
Файловая система NTFS
· Быстрый поиск,
· Отсутствие фрагментации файлов
· эффективное использование дискового пространства
· Самовосстанавливаемость при сбоях аппаратуры и отключении питания
· Поддержка защиты от несанкционированного доступа
· Отказоустойчивость, надежность
Реализация этих требований заложена в файловую систему NTFS.
В файловой системе NTFS запись о файле в каталоге сопоставляется с записью о файле в главной файловой таблице диска - MFT (master file table), которая содержит информацию о расположении данных файла.
Рис. 4 Записи MFT
MFT - главная структура данных на диске, представляет собой обычный файл, содержащий до 248 записей размером 1 Кб каждая (см. 4). Каждому файлу или каталогу соответствует одна запись. Записи 12-15 зарезервированы для служебных файлов, а записи, начиная с 16-й, предназначены для файлов пользователей. Для больших файлов требуется несколько записей, первая из которых называется базовой. Таблица MFT может располагаться в любом месте диска.
В состав каждой записи входит заголовок и последовательность пар <заголовок атрибута, значение>. Если атрибут целиком помещается в записи MFT, он считается резидентным. В противном случае атрибут помещается в отдельные блоки диска, а в заголовке атрибута хранится информация о его местонахождении. Всегда резидентны атрибуты: "имя файла", "стандартная информация", а такие атрибуты, как "поток данных файла", "индекс" большого каталога обычно нерезидентны, хотя для файлов размером несколько сот байтов поток данных может быть резидентным атрибутом, т.к. целиком помещается в записи MFT.
Чаще данные файла все же не помещаются в записи MFT. Рассмотрим данный вариант несколько подробнее. В этом случае вслед за заголовком в записи размещается список дисковых блоков файла (5).
Рис. 5. Запись MFT для 10-блочного файла, состоящего из четырех фрагментов (серий)
Напомним, что решается задача приведения в соответствие номера блока в файле (LCN) номеру блока на диске (VCN). Для этого блоки диска представляются в виде совокупности серий, каждая из которых является непрерывной последовательностью блоков. Например, на рис. показано отображение 10-блочного файла, блоки которого размещаются в 9, 10, 25, 26, 27, 63, 85, 86, 87 и 88-м блоках диска. Схема весьма эффективна, особенно для не слишком фрагментированных файлов, например, непрерывный файл независимо от размера описывается всего одной серией.
Для сильно фрагментированных файлов требуется много серий и несколько MFT записей. Первая запись о файле содержит список остальных записей. Если этот список велик, то он является нерезидентным атрибутом и размещается в отдельном файле.
Самый естественный способ повысить производительность - минимизировать количество обращений к диску за счет кэширования. В общем случае кэширование - использование быстрого устройства для оптимизации работы устройства медленного. В данном случае часть блоков файла, с которыми активно взаимодействует приложение, размещается в буфере оперативной памяти. Периодически производится синхронизация содержимого кэша и диска. Возможность использования кэша в операционных системах обусловлена свойством локальности - объем ключевой информации в каждый момент времени относительно невелик.
Устройство кэша ОС Windows отличается от традиционного. В традиционной реализации кэш - буфер в оперативной памяти, содержащий ряд блоков диска и расположенный между файловой системой и системой ввода-вывода. Если имеется запрос на чтение (запись) в файл, файловая система вычисляет номер блока в файле и номер соответствующего ему блока диска. Перед чтением/записью блока диска производится проверка на предмет наличия этого блока в кэше. Если блок в кэше имеется, то запрос удовлетворяется из кэша, в противном случае запрошенный блок считывается в кэш с диска.
В ОС Windows кэш работает на более высоком уровне, нежели файловая система (см.6).
Рис. 6. Место менеджера кэша в системе ввода-вывода
С помощью техники файлов, отображаемых в память, часть считываемого (записываемого) файла проецируется в 256-килобайтный буфер кэша (см. рис. 7).
Рис. 7. Файлы различного размера, спроецированные в системный кэш
В результате запрос на чтение с текущей позиции может быть непосредственно удовлетворен из кэша. Если же нужных байтов файла в кэше нет, то файловая система вычисляет логический номер блока в файле (LCN), затем логический номер блока на диске (VCN). После этого делается запрос к системе ввода-вывода на чтение этого блока, точнее, проецирование в буфер кэша части файла, содержащей данный блок. Подобная организация позволяет системе поддерживать единый централизованный кэш для всех используемых файловых систем (NTFS, FAT, CDFS, удаленная FS и др.), а файловые системы не обязаны управлять своими кэшами.
Важным свойством кэша является его когерентность. Менеджер кэша следит за соответствием открытых файлов и файлов, отображаемых в память (с помощью функции MapViewOfFile). Каждый раз, когда процесс считывает файл или отображает его в память, этот запрос удовлетворяется из кэша путем копирования соответствующего блока в адресное пространство процесса. Поэтому, независимо от того, сколько процессов откроют файл или отобразят его в память, реальное отображение в память происходит один раз. В итоге все процессы будут "видеть" одну и ту же версию файла.
Аккуратная реализация кэширования требует решения нескольких проблем.
Во-первых, емкость буфера кэша ограничена. У системного кэша нет собственного рабочего набора - он входит в единый системный рабочий набор. Размером системного рабочего набора управляет менеджер памяти, отвечающий за его расширение или усечение. При этом величина, помеченная как размер системного кэша на панели диспетчера задач, относится к размеру всего системного рабочего набора.
Во-вторых, поскольку кэширование использует механизм отложенной записи (lazy write), при котором модификация буфера не вызывает немедленной записи на диск, серьезной проблемой является "старение" информации в дисковых блоках кэшируемого файла. Несвоевременная синхронизация буфера кэша и диска может привести к очень нежелательным последствиям в случае отказов оборудования или программного обеспечения.
Записываемые данные в течение некоторого времени накапливаются, после чего сбрасываются на диск пакетом. С точки зрения быстродействия и снижения риска от возможных потерь очень важен выбор частоты сброса кэша. Обычно подсистема отложенной записи раз в секунду сбрасывает на диск одну восьмую количества модифицированных страниц системного кэша.
ОС Windows позволяет организовать вариант синхронного режима работы с отдельными файлами, задаваемый при открытии файла, при котором все изменения в файле немедленно сохраняются на диске. Для этого можно, например, установить флаг FILE_FLAG_WRITE_THROUGH при вызове функции CreateFile. Фактически, это отказ от кэширования и, соответственно, резкое снижение производительности.
