4.6-文件系統(tǒng)性能改善

4.6文件系統(tǒng)性能改善

1.高速緩存減少磁盤訪問次數(shù)最常用的技術是塊高速緩存（blockcache或者buffercache）。在管理高速緩存時，用到了不同的算法。一個常用算法是：檢查所有的讀請求，看看所需的塊是否在高速緩存中。如果在，無須訪問磁盤便可進行讀操作。如果塊不在高速緩存中，首先要把它讀到高速緩存，再拷貝到所需的地方。之后，對該塊的讀寫請求都通過高速緩存完成。如果高速緩存已滿，此時要調(diào)入新的塊，需要把原來的某一塊調(diào)出高速緩存。如果要調(diào)出的塊自上次調(diào)入以后作過修改，則需要把它寫回磁盤。這種情況與分頁非常相似，因此，所有的分頁算法，例如FIFO算法、LRU算法等等都適用于高速緩存。當分配塊時，系統(tǒng)盡量把文件的連續(xù)塊存放在同一柱面上，但加以交叉以獲取最大吞吐量。在使用i節(jié)點或者與i節(jié)點等價結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，另一個性能瓶頸在于，即使讀取一個很短的文件也要訪問兩次磁盤：一次是讀取i節(jié)點，另次是讀取文件塊。通常情況下，i節(jié)點的放置如圖4.22（a）所示。圖4.22i結(jié)點的位置與性能i節(jié)點靠近磁盤開始位置磁盤被分成多個柱面組每組有自己的ｉ節(jié)點（ａ）（ｂ）另一種想法是：把磁盤分成多個柱面組，每個柱面組有自己的i節(jié)點、數(shù)據(jù)塊和空閑表，如圖5.21（b）（Mckusicketa1.,1984）。在創(chuàng)建文件時，可以選取任一個i節(jié)點，分配塊時，在該i節(jié)點所在的柱面組上進行查找。如果該柱面組中沒有空閑的數(shù)據(jù)塊，就查找與之相鄰的柱面組。2.日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)Berkeley學院設計了一種全新的文件系統(tǒng)，即日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)（log-structuredfilesystem，LFS)，試圖減輕這個問題。本節(jié)我們簡要地講述一下LFS的工作原理，要了解更詳細的內(nèi)容，請參見（Rosenblum和Ousterhout，1991）。LFS設計的想法是：

CPU越來越快，RAM內(nèi)存越來越大，磁盤高速緩存的容量迅速增加。因此，無需訪問磁盤，從文件系統(tǒng)的高速緩存中就可能滿足所有讀請求。將來大多數(shù)磁盤訪問是寫操作。在大多數(shù)文件系統(tǒng)中，寫操作都是以小塊為單位進行的，效率很差。因為在50μs的寫磁盤之前，需要有10ms的尋道延遲和6ms的旋轉(zhuǎn)延遲。由于后者的存在，使得磁盤效率還不足1％。3.文件系統(tǒng)可恢復性由于磁盤速度遠遠低于內(nèi)存與處理器的速度，磁盤讀寫就成為計算機整體速度的瓶頸。常常通過使用緩存來改善性能。不同的寫操作方式直接影響著文件系統(tǒng)的可恢復性。一致性和性能兩個方面，來討論文件系統(tǒng)的寫入設計方式。三種寫入方式：謹慎寫（carefulwrite）文件系統(tǒng)、延遲寫（lazy-write）文件系統(tǒng)和事務日志（transactionlog）文件系統(tǒng)。

⑴謹慎寫文件系統(tǒng)謹慎寫是對寫入操作進行逐個排序的寫入方式。當收到一個更新磁盤的請求時，會首先按一定順序完成幾項子操作，然后再進行磁盤的更新。例如，當為一個文件分配磁盤存儲空間時，文件系統(tǒng)首先在它位圖文件中設置位標記，然后再分配空間。在這個過程中如果磁盤發(fā)生中斷，可能會出現(xiàn)文件系統(tǒng)的不一致，但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不會被損壞。這樣，通過運行專用的應用程序，在系統(tǒng)崩潰時所引起的卷錯誤是可以恢復的。FAT文件系統(tǒng)使用類似的“通寫”（write-through）技術，使得磁盤修改立即會寫到磁盤上，而不需要把寫操作排序以防止不一致性。⑵遲寫文件系統(tǒng)謹慎寫雖然提供了對文件系統(tǒng)的可恢復性支持，但卻是以犧牲速度為代價的。延遲寫則通過利用“回寫”（writeback）高速緩存的方法獲得了高速度。也就是說，系統(tǒng)只是把文件的修改寫入高速緩存，然后在適當時候選用一種最佳方式把高速緩存的內(nèi)容刷新到磁盤上。計算機的磁盤操作一般都是比較低速的，使用延遲寫技術大大減少了磁盤操作的頻率，從而極大地改善了系統(tǒng)的性能。但是，在系統(tǒng)崩潰時極有可能導致嚴重的磁盤不一致性，甚至于無法進行文件系統(tǒng)的恢復，因而具有一定的風險。⑶可恢復文件系統(tǒng)可恢復性文件系統(tǒng)試圖既超越謹慎寫文件系統(tǒng)的安全性，也達到延遲寫文件系統(tǒng)的速度性能。可恢復性文件系統(tǒng)采用事務日志來實現(xiàn)文件系統(tǒng)的寫入。下面以NTFS為例，來簡要討論一下可恢復性文件系統(tǒng)。NTFS