Производительность файловой системы

Наиболее типичная техника повышения скорости работы с диском кэширование. Обращение к диску обычно в 100000 раз медленнее, чем к памяти. (Обращение к памяти - несколько сотен наносекунд, а чтение блока с диска - десятки миллисекунд). За счет кэширования дисковой информации в памяти можно сократить число дисковых операций, храня часть блоков диска, к которым перед этим производились обращения, в специальной области памяти, именуемой буферным кэшем (cache). Это оказывается возможным вследствие присущего ОС свойству локальности (о свойстве локальности много говорилось в главах, посвященных описанию работы системы управления памятью).

Различные алгоритмы используются для управления кэшем, но наиболее общий - при запросах на чтение проверять находится ли соответствующий блок в буфер кэша, и если нет, то вначале считать его в буфер.

Аккуратная реализация кэширования требует решения нескольких проблем.

Во-первых, емкость буфера кэша ограничена. Когда блок должен быть загружен в заполненный буфер кэша, возникает проблема замещения блоков, то есть отдельные блоки должны быть удалены из него. Эта ситуация очень напоминает ситуацию с выталкиванием страниц памяти, и здесь используются те же алгоритмы, например, FIFO, Second Chance и LRU. Разница лишь в том, что ссылки кэша не столь часты, как ссылки на страницы памяти.

Замещение блоков должно осуществляться с учетом их важности для файловой системы. Блоки должны быть разделены на категории, например: блоки индексных узлов, блоки косвенной адресации, блоки директорий, заполненные блоки данных и т.д., и в зависимости от принадлежности блока к той или иной категории применять к ним разную стратегию замещения.

Во-вторых, поскольку кэширование использует механизм отложенной записи, при котором модификация буфера не вызывает немедленной записи на диск, серьезной проблемой является старение информации в дисковых блоках, образы которых находятся в буферном кэше. Несвоевременная синхронизация буфера кэша и диска может привести к очень нежелательным ситуациям в случае отказов оборудования или программного обеспечения. Поэтому стратегия и порядок отображения информации из кэша на диск должна быть тщательно продумана.

Так, блоки существенные для совместимости файловой системы (блоки индексных узлов, блоки косвенной адресации, блоки директорий), должны быть переписаны на диск немедленно, независимо от того в какой части LRU цепочки они находятся. Необходимо тщательно выбрать порядок такого переписывания.

В UNIX имеется для этого вызов SYNC, который заставляет все модифицированные блоки записываться на диск немедленно. Для периодической синхронизации содержимого кэша и диска запускается фоновый процесс-демон, который делает это через определенный промежуток времени (например, каждые 30 сек.). Кроме того, можно организовать синхронный режим работы с отдельными файлами, задаваемый при открытии файла, когда все изменения в файле немедленно сохраняются на диске.

В ОС MS-DOS, в отличие от Unix, принято записывать каждый модифицированный блок на диск как можно скорее. Следствие такой стратегии - удаление дискеты из UNIX системы без осуществления вызова SYNC почти всегда ведет к потере данных, тогда как у MS-DOS здесь проблем не возникает (в UNIX предполагается, что все диски жесткие и не вынимаются)

Кэширование - не единственный способ увеличения производительности системы. Другая важная техника - сокращение количества движений считывающей головки диска, за счет разумной стратегии размещения информации. Например, массив индексных узлов в Unix стараются разместить на средних дорожках. Также имеет смысл размещать индексные узлы поблизости от блоков данных, на которые они ссылаются и т.д.