Linux 操作系统原理 — 日志结构的文件系统与日志文件系统

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日志结构的文件系统

技术的改变会给当前的文件系统带来压力。这种情况下，CPU 会变得越来越快，磁盘会变得越来越大并且越来越便宜（但不会越来越快）。内存容量也是以指数级增长。但是磁盘的寻道时间（除了固态盘，因为固态盘没有寻道时间）并没有获得提高。

这些因素结合起来意味着许多系统文件中出现性能瓶颈。为此，Berkeley 设计了一种全新的文件系统，试图缓解这个问题，这个文件系统就是日志结构文件系统（Log-structured File System，LFS）。

日志结构文件系统由 Rosenblum和 Ousterhout于 90 年代初引入，旨在解决以下问题：

• 不断增长的系统内存
• 顺序 I/O 性能胜过随机 I/O 性能
• 现有低效率的文件系统
• 文件系统不支持 RAID（虚拟化）

另一方面，当时的文件系统不论是 UNIX 还是 FFS，都有大量的随机读写（在 FFS 中创建一个新文件至少需要 5 次随机写），因此成为整个系统的性能瓶颈。同时因为 Page cache 的存在，随机读不是主要问题，随着越来越大的内存，大部分的读操作都能被 cache，因此 LFS 主要要解决的是减少对硬盘的随机写操作。

在这种设计中，inode 甚至具有与 UNIX 中相同的结构，但是现在它们分散在整个日志中，而不是位于磁盘上的固定位置。所以，inode 很难定位。为了能够找到 inode ，维护了一个由 inode 索引的 inode map（inode 映射）。表项 i 指向磁盘中的第 i 个 inode 。这个映射保存在磁盘中，但是也保存在缓存中，因此，使用最频繁的部分大部分时间都在内存中。

到目前为止，所有写入最初都缓存在内存中，并且追加在日志末尾，所有缓存的写入都定期在单个段中写入磁盘。所以，现在打开文件也就意味着用映射定位文件的索引节点。一旦 inode 被定位后，磁盘块的地址就能够被找到。所有这些块本身都将位于日志中某处的分段中。

• 日志结构文件系统主要使用四种数据结构：Inode、Inode Map、Segment、Segment Usage Table：
  

真实情况下的磁盘容量是有限的，所以最终日志会占满整个磁盘空间，这种情况下就会出现没有新的磁盘块被写入到日志中。幸运的是，许多现有段可能具有不再需要的块。例如，如果一个文件被覆盖了，那么它的 inode 将被指向新的块，但是旧的磁盘块仍在先前写入的段中占据着空间。

为了处理这个问题，LFS 有一个清理（Clean）线程，它会循环扫描日志并对日志进行压缩。首先，通过查看日志中第一部分的信息来查看其中存在哪些索引节点和文件。它会检查当前 inode 的映射来查看 inode 是否在当前块中，是否仍在被使用。如果不是，该信息将被丢弃。如果仍然在使用，那么 inode 和块就会进入内存等待写回到下一个段中。然后原来的段被标记为空闲，以便日志可以用来存放新的数据。用这种方法，清理线程遍历日志，从后面移走旧的段，然后将有效的数据放入内存等待写到下一个段中。由此一来整个磁盘会形成一个大的环形缓冲区，写线程将新的段写在前面，而清理线程则清理后面的段。

日志文件系统

虽然日志结构系统的设计很优雅，但是由于它们和现有的文件系统不相匹配，因此还没有广泛使用。不过，从日志文件结构系统衍生出来一种新的日志系统，叫做日志文件系统，它会记录系统下一步将要做什么的日志。

微软的 NTFS 文件系统、Linux 的 ext3 就采用了这样的思路。OS X 将日志系统作为可供选项。为了看清它是如何工作的，我们下面讨论一个例子，比如 移除文件 ，这个操作在 UNIX 中需要三个步骤完成：

1. 在目录中删除文件
2. 释放 inode 到空闲 inode 池
3. 将所有磁盘块归还给空闲磁盘池

在 Windows 中，也存在类似的步骤。不存在系统崩溃时，这些步骤的执行顺序不会带来问题。但是一旦系统崩溃，就会带来问题。假如在第一步完成后系统崩溃。inode 和文件块将不会被任何文件获得，也不会再分配；它们只存在于废物池中的某个地方，并因此减少了可利用的资源。如果崩溃发生在第二步后，那么只有磁盘块会丢失。日志文件系统保留磁盘写入期间对文件系统所做的更改的日志或日志，该日志可用于快速重建可能由于系统崩溃或断电等事件而发生的损坏。

一般文件系统崩溃后必须运行 fsck（文件系统一致性检查）实用程序。

为了让日志能够正确工作，被写入的日志操作必须是幂等的（idempotent），它意味着只要有必要，它们就可以重复执行很多次，并不会带来破坏。像操作 更新位表并标记 inode k 或者块 n 是空闲的 可以重复执行任意次。同样地，查找一个目录并且删除所有叫 foobar 的项也是幂等的。相反，把从 inode k 新释放的块加入空闲表的末端不是幂等的，因为它们可能已经被释放并存放在那里了。

为了增加可靠性，一个文件系统可以引入数据库中原子事务（atomic transaction）的概念。使用这个概念，一组动作可以被界定在开始事务和结束事务操作之间。这样，文件系统就会知道它必须完成所有的动作，要么就一个不做。