4.6文件系統性能改善

1.高速緩存減少磁盤訪問次數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，此時要調入新的塊，需要把原來的某一塊調出高速緩存。如果要調出的塊自上次調入以后作過修改，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，系統盡量把文件的連續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節點或者與i節點等價結構的系統中，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節點，另次是讀取文件塊。通常情況下，i節點的放置如圖4.22（a）所示。圖4.22i結點的位置與性能i節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節點、數據塊和空閑表，如圖5.21（b）（Mckusicketa1.,1984）。在創建文件時，可以選取任一個i節點，分配塊時，在該i節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據塊，就查找與之相鄰的柱面組。2.日志結構的文件系統Berkeley學院設計了一種全新的文件系統，即日志結構的文件系統（log-structuredfilesystem，LFS)，試圖減輕這個問題。本節我們簡要地講述一下LFS的工作原理，要了解更詳細的內容，請參見（Rosenblum和Ousterhout，1991）。LFS設計的想法是：

CPU越來越快，RAM內存越來越大，磁盤高速緩存的容量迅速增加。因此，無需訪問磁盤，從文件系統的高速緩存中就可能滿足所有讀請求。將來大多數磁盤訪問是寫操作。在大多數文件系統中，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的旋轉延遲。由于后者的存在，使得磁盤效率還不足1％。3.文件系統可恢復性由于磁盤速度遠遠低于內存與處理器的速度，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的可恢復性。一致性和性能兩個方面，來討論文件系統的寫入設計方式。三種寫入方式：謹慎寫（carefulwrite）文件系統、延遲寫（lazy-write）文件系統和事務日志（transactionlog）文件系統。

⑴謹慎寫文件系統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生中斷，可能會出現文件系統的不一致，但是現有的數據不會被損壞。這樣，通過運行專用的應用程序，在系統崩潰時所引起的卷錯誤是可以恢復的。FAT文件系統使用類似的“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遲寫文件系統謹慎寫雖然提供了對文件系統的可恢復性支持，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的性能。但是，在系統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的恢復，因而具有一定的風險。⑶可恢復文件系統可恢復性文件系統試圖既超越謹慎寫文件系統的安全性，也達到延遲寫文件系統的速度性能。可恢復性文件系統采用事務日志來實現文件系統的寫入。下面以NTFS為例，來簡要討論一下可恢復性文件系統。NTFS