Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Файловая система BSD UNIX

В версии 4.3BSD UNIX были внесены существенные улучшения в архитектуру файловой системы, повышающие как ее производительность, так и надежность. Новая файловая система получила название Berkeley Fast File System (FFS).

Файловая система FFS, обладая полной функциональностью системы s5fs, использует те же структуры данных ядра. Основные изменения затронули расположение файловой системы на диске, дисковые структуры данных и алгоритмы размещения свободных блоков.

Как и в случае файловой системы s5fs, суперблок содержит общее описание файловой системы и располагается в начале раздела. Однако в суперблоке не хранятся данные о свободном пространстве файловой системы, такие как массив свободных блоков и inode. Поэтому данные суперблока остаются неизменными на протяжении всего времени существования файловой системы. Поскольку данные суперблока жизненно важны для работы всей файловой системы, он дублируется для повышения надежности.

Организация файловой системы предусматривает логическое деление дискового раздела на одну или несколько групп цилиндров (cylinder group). Группа цилиндров представляет собой несколько последовательных дисковых цилиндров. Каждая группа цилиндров содержит управляющую информацию, включающую резервную копию суперблока, массив inode, данные о свободных блоках и итоговую информацию об использовании дисковых блоков в группе (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Структура файловой системы FFS

Для каждой группы цилиндров при создании файловой системы выделяется место под определенное количество inode. При этом обычно на каждые 2 Кбайт блоков хранения данных создается один inode. Поскольку размеры группы цилиндров и массива inode фиксированы, в файловой системе BSD UNIX присутствуют ограничения, аналогичные s5fs.

Идея такой структуры файловой системы заключается в создании кластеров inode, распределенных по всему разделу, вместо того, чтобы группировать все inode в начале. Тем самым уменьшается время доступа к данным конкретного файла, поскольку блоки данных располагаются ближе к адресующем их inode. Такой подход также повышает надежность файловой системы, уменьшая вероятность потери всех индексных дескрипторов в результате сбоя.

Управляющая информация располагается с различным смещением от начала группы цилиндров. В противном случае, например, при размещении в начале группы цилиндров, информация всех групп оказалась бы физически расположенной на одной пластине диска и могла бы быть уничтожена при выходе из строя этой пластины. Это смещение выбирается равным одному сектору относительно предыдущей группы, таким образом для соседних групп управляющая информация начинается на различных пластинах диска. В этом случае потеря одного сектора, цилиндра или пластины не приведет к потере всех копий суперблоков.

Производительность файловой системы существенным образом зависит от размера блока хранения данных. Чем больше размер блока, тем большее количество данных может быть прочитано без поиска и перемещения дисковой головки. Файловая система FFS поддерживает размер блока до 64 Кбайт. Проблема заключается в том, что типичная файловая система UNIX состоит из значительного числа файлов небольшого размера. Это приводит к тому, что частично занятые блоки используются неэффективно, что может привести к потере до 60% полезной емкости диска.

Этот недостаток был преодолен с помощью возможности фрагментации блока. Каждый блок может быть разбит на два, четыре или восемь фрагментов. В то время как блок является единицей передачи данных в операциях ввода/вывода, фрагмент определяет адресуемую единицу хранения данных на диске. Таким образом был найден компромисс между производительностью ввода/вывода и эффективностью хранения данных. Размер фрагмента задается при создании файловой системы, его максимальное значение определяется размером блока (0,5 размера блока), а минимальный — физическими ограничениями дискового устройства, а именно: минимальной единицей адресации диска — сектором.

Информация о свободном пространстве в группе хранится не в виде списка свободных блоков, а в виде битовой карты блоков. Карта блоков, связанная с определенной группой цилиндров, описывает свободное пространство в фрагментах, для определения того, свободен данный блок или нет, ядро анализирует биты фрагментов, составляющих блок. На рис. 4.5 приведен пример карты свободных блоков и соответствия между битами карты, фрагментами и блоками группы цилиндров.

Рис. 4.5. Карта свободных блоков

Существенные изменения затронули алгоритмы размещения свободных блоков и inode, влияющие на расположение файлов на диске. В файловой системе s5fs используются весьма примитивные правила размещения. Свободные блоки и inode просто выбираются из конца соответствующего списка, что со временем приводит, как уже обсуждалось, к значительному разбросу данных файла по разделу диска.

В отличие от s5fs, файловая система FFS при размещении блоков использует стратегию, направленную на увеличение производительности. Некоторые из принципов приведены ниже:

□ Файл по возможности размещается в блоках хранения данных, принадлежащих одной группе цилиндров, где расположены его метаданные. Поскольку многие операции файловой системы включают работу, связанную как с метаданными, так и с данными файла, это правило уменьшает время совершения таких операций.

□ Все файлы каталога по возможности размещаются в одной группе цилиндров. Поскольку многие команды работают с несколькими файлами одного и того же каталога, данный подход увеличивает скорость последовательного доступа к этим файлам.

□ Каждый новый каталог по возможности помещается в группу цилиндров, отличную от группы родительского каталога. Таким образом достигается равномерное распределение данных по диску.

□ Последовательные блоки размещаются исходя из оптимизации физического доступа. Дело в том, что существует определенный промежуток времени между моментом завершения чтения блока и началом чтения следующего. За это время диск успеет совершить оборот на некоторый угол. Таким образом, следующий блок должен по возможности располагаться с пропуском нескольких секторов. В этом случае при чтении последовательных блоков не потребуется совершать "холостые" обороты диска.

Таким образом, правила размещения свободных блоков, с одной стороны, направлены на уменьшение времени перемещения головки диска, т.е. на локализацию данных в одной группе цилиндров, а с другой — на равномерное распределение данных по диску. От разумного баланса между этими двумя механизмами зависит, в конечном итоге, производительность файловой системы. Например в предельном варианте, когда все данные локализованы в одной большой группе цилиндров, мы получаем типичную файловую систему s5fs.

Описанная архитектура является весьма эффективной с точки зрения надежности и производительности. К сожалению, эти параметры файловой системы FSS начинают значительно ухудшаться по мере уменьшения свободного места. В этом случае системе не удается следовать вышеприведенным правилам и размещение блоков далеко от оптимального. Практика показывает, что FSS имеет удовлетворительные характеристики при наличии более 10% свободного места.

Каталоги

Структура каталога файловой системы FFS была изменена для поддержки длинных имен файлов (до 255 символов). Вместо записей фиксированной длины запись каталога FFS представлена структурой, имеющей следующие поля:

Имя файла имеет переменную длину, дополненную нулями до 4-байтной границы. При удалении имени файла принадлежавшая ему запись присоединяется к предыдущей, и значение поля d_reclen увеличивается на соответствующую величину. Удаление первой записи выражается в присвоении нулевого значения полю d_ino. Структура каталога файловой системы FFS приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Каталог файловой системы FFS

Архитектура виртуальной файловой системы

Как было показано, различные типы файловых систем существенно отличаются по внутренней архитектуре. В то же время современные версии UNIX обеспечивают одновременную работу с несколькими типами файловых систем. Среди них можно выделить локальные файловые системы различной архитектуры, удаленные и даже отличные от файловой системы UNIX, например DOS. Такое сосуществование обеспечивается путем разделения каждой файловой системы на зависимый и независимый от реализации уровни, последний из которых является общим и представляет для остальных подсистем ядра некоторую абстрактную файловую систему. Независимый уровень также называется виртуальной файловой системой (рис. 4.7). При этом дополнительные файловые системы различных типов могут быть встроены в ядро UNIX подобно тому, как это происходит с драйверами устройств.