Что такое журналируемые файловые системы?

Что такое журналируемые файловые системы?

Основная цель, которая преследуется при создании журналируемых файло­вых систем, состоит в том, чтобы обеспечить как можно большую вероят­ность быстрого восстановления системы после сбоев (например, после по­тери питания). Дело в том, что если происходит сбой, то часть информации о расположении файлов теряется, поскольку система не успевает записать все изменения из буфера на диск. После сбоя утилита, например, fsck должна прове­рить все диски, которые не были корректно демонтированы, с целью вос­становления потерянной информации. При современных объемах жестких дисков, на проверку двух-трех таких дис­ков может уйти слишком много времени. Кроме того, нет гарантии, что все данные удастся восстановить.

В журналируемых файловых системах для решения этой проблемы приме­няют транзакции, которые хорошо известны всем программистам баз дан­ных. Идея транзакции достаточно проста — существует набор связанных операций, называемых транзакцией, и эта группа операций является ато­марной (неделимой). Таким образом, транзакция является успешной (завершенной) в том случае, если все операции, составляющие транзакцию, завершились успешно. Но это еще не все. Система ведет журнал, в котором отражаются все действия с данными и все изменения данных протоколиру­ются. В случае сбоя на основании журнала можно вернуть систему в без­ошибочное состояние.

Основное отличие транзакций из области баз данных от транзакций, при­меняемых в журналируемых файловых системах, состоит в том, что в базах данных в журнале сохраняются изменяемые данные и вся управляющая ин­формация, а в файловых системах — только метаданные: индексные деск­рипторы изменяемых файлов, битовые карты распределения свободных бло­ков и свободных индексных дескрипторов.

Пример1. Файловая система Ext3

По большому счету, файловая система Ext3 не была новой файловой системой. Это похоже на ситуацию с файловой системой FAT 16/FAT 32 — они совместимы, но проблема решена экстенсивным путем. Было необхо­димо срочно создать журналируемую файловую систему. Если начинать с нуля — долго и накладно, тогда сделали для Ext2 несколько десятков специ­альных функций и назвали все это Ext3 — получился непонятный гибрид.

Вроде бы добавились журналирующие функции — но не в том объеме, в каком хотелось. И узкие места Ext2 остались: оптимизация использования дискового пространства, ограничение на размер файла и т. п.

Файловая система ext3 имеет несколько опций, которые позволяют выбрать, сколько информации нужно журналировать. В системе Red Hat Linux, чтобы прочитать и восстановить данные из обычного журнала, требуется около секунды. Время, необходимое для восстановления журнальной файловой системы после неправильного выключения компьютера, зависит не от размера файловой системы, а от того, сколько данных содержится в журнале.

В файловой системе ext3, как и в остальных журналируемых файловых системах, нет необходимости осуществлять традиционную проверку с помощью программы fsck. Тем не менее, fsck еще используется в других журнальных файловых системах.

При выборе опций журналирования можно отключить проверку целостности данных при пересылке, чтобы увеличить скорость выполнения операций в файловой системе; из-за конструкции файловой системы нужно выбирать что-то одно: либо обеспечение целостности, либо скорость. Можно повысить скорость обработки данных, установив для них режим Writeback. Но при этом данные могут повредиться, если во время операции над ними произойдет аварийное выключение компьютера. Или же можно пожертвовать скоростью выполнения операций, но обеспечить целостность данных.

В файловой системе ext3 доступны 3 режима работы с данными:

• Writeback – позволяет старым данным оставаться в системе, при этом операции над этими данными, как правило, выполняются быстрее. Этот режим не предусматривает планирование каких-либо операций над данными.
• Ordered – хранит данные в согласованном состоянии, однако скорость выполнения операций над данными падает (этот режим установлен по умолчанию).
• Journal – требует дополнительного пространства на диске для выполнения журналирования. При этом может упасть производительность, поскольку данные записываются дважды.

Для большинства пользователей наилучшим режимом будет Ordered, который выбран по умолчанию. Режим выбирается с помощью соответствующей опции монтирования в файле /etc/fstab.

Пример2. Файловая система ReiserFS

Кроме проблемы быстрого восстановления после сбоев, в файловой системе Ext2 имеется еще несколько нерешенных проблем. Из самых основных — нерациональное использование дискового пространства, ограничение на размер файла, неоптимальный поиск.

Поскольку в файловой системе используется простой связный список, то время поиска информации линейно зависит от длины списка. Таким обра­зом, чем длиннее список (к примеру, файлов в каталоге), тем дольше идет поиск необходимого элемента.

В системе ReiserFS применяются так называемые "сбалансированные дере­вья" или "B+Trees", время поиска в которых пропорционально не количест­ву объектов, а логарифму этого числа. В сбалансированном дереве все ветви имеют одинаковую длину. ReiserFS использует сбалансированные деревья для хранения всех объектов файловой системы: файлов в каталогах, данных о свободных блоках и т.д. Это позволяет существенно повысить производи­тельность обращения к дискам.

Кроме того, система ReiserFS является журналируемой, т.е. в ней решена проблема быстрого восстановления после сбоев. Решена в ReiserFS и про­блема с ограничением на размер файла.