Диски и файловые системы, используемые для упорядоченного хранения данных на дисках, часто представляют собой последний «островок стабильности», на котором находит спасение пользователь после неожиданного краха системы, разрушившего результаты его труда, полученные за последние нескольких минут или даже часов, но не сохраненные на диске. Однако те данные, которые пользователь записывал в течение своего сеанса работы на диск, останутся, скорее всего, нетронутыми. Вероятность того, что система при сбое питания или программной ошибке в коде какого-либо системного модуля будет делать осмысленные действия по уничтожению файлов на диске, пренебрежимо мала. Поэтому при перезапуске операционной системы после краха большинство данных, хранящихся в файлах на диске, по-прежнему корректны и доступны пользователю. Коды и данные операционной системы также хранятся в файлах, что и позволяет легко ее перезапустить после сбоя, не связанного с отказом диска или повреждением системных файлов.

Тем не менее диски также могут отказывать, например, по причине нарушения магнитных свойств отдельных областей поверхности. В данном разделе рассматриваются методы, которые повышают устойчивость вычислительной системы к отказам дисков за счет использования избыточных дисков и специальных алгоритмов управления массивами таких дисков.

Другой причиной недоступности данных после сбоя системы может служить нарушение целостности служебной информации файловой системы, произошедшее из-за незавершенности операций по изменению этой информации при крахе системы. Примером такого нарушения может служить несоответствие между адресной информацией файла, хранящейся в каталоге, и фактическим размещением кластеров файла. Для борьбы с этим явлением применяются так называемые восстанавливаемые файловые системы, которые обладают определенной степенью устойчивости к сбоям и отказам компьютера (при сохранении работоспособности диска, на котором расположена данная файловая система). Комплексное применение отказоустойчивых дисковых массивов и восстанавливаемых файловых систем существенно повышают такой важный показатель вычислительной системы, как общая надежность.

 Восстанавливаемость файловых систем

Восстанавливаемость файловой системы — это свойство, которое гарантирует, что в случае отказа питания или краха системы, когда все данные в оперативной памяти безвозвратно теряются, все начатые файловые операции будут либо успешно завершены, либо отменены безо всяких отрицательных последствий для работоспособности файловой системы.

Любая операция над файлом (создание, удаление, запись, чтение и т. д.) может быть представлена в виде некоторой последовательности подопераций. Последствия сбоя питания или краха ОС зависят от того, какая операция ввода-вывода выполнялась в этот момент, в каком порядке выполнялись подоперации и до какой подоперации продвинулось выполнение операции к этому моменту. Рассмотрим, например, последствия сбоя при удалении файла в файловой системе FAT. Для выполнения этой операции требуется пометить как недействительную запись об этом файле в каталоге, а также обнулить все элементы FAT, которые соответствуют кластерам удаляемого файла. Предположим, что сбой питания произошел после того, как была объявлена недействительной запись в каталоге и обнулено несколько (но не все) элементов FAT, занимаемых удаляемым файлом. В этом случае после сбоя файловая система сможет продолжать нормальную работу, за исключением того, что несколько последних кластеров удаленного файла будут теперь «вечно» помечены занятыми. Хуже было бы, если бы операция удаления начиналась с обнуления элементов FAT, а корректировка каталога происходила бы после. Тогда при возникновении сбоя между этими подоперациями содержимое каталога не соответствовало бы действительному состоянию файловой системы: файл как будто существует, а на самом деле его нет. Не исправленная запись в каталоге содержит адрес кластера, который уже объявлен свободным и может быть назначен другому файлу; это может привести к разного рода коллизиям.

Некорректность файловой системы может возникать не только в результате насильственного прерывания операций ввода-вывода, выполняемых непосредственно с диском, но и в результате нарушения работы дискового кэша. Кэширование данных с диска предполагает, что в течение некоторого времени результаты операций ввода-вывода никак не сказываются на содержимом диска — все изменения происходят с копиями блоков диска, временно хранящихся в буферах оперативной памяти. В этих буферах оседают данные из пользовательских файлов и служебная информация файловой системы, такая как каталоги, индексные дескрипторы, списки свободных, занятых и поврежденных блоков и т. п.

Для согласования содержимого кэша и диска время от времени выполняется запись всех модифицированных блоков, находящихся в кэше, на диск. Выталкивание блоков на диск может выполняться либо по инициативе менеджера дискового кэша, либо по инициативе приложения. Менеджер дискового кэша вытесняет блоки из кэша в следующих случаях:

•  если необходимо освободить место в кэше для новых данных;
•  если к менеджеру поступил запрос от какого-либо приложения или модуля ОС на запись указанных в запросе блоков на диск;
•  при выполнении регулярного, периодического сброса всех модифицированных блоков кэша на диск (как это происходит, например, в результате работы системного вызова sync в ОС UNIX).

Кроме того, в распоряжение приложений обычно предоставляются средства, с помощью которых они могут запросить у подсистемы ввода-вывода операцию сквозной записи; при ее выполнении данные немедленно и практически одновременно записываются и на диск, и в кэш.

Несмотря на то что период полного сброса кэша на диск обычно выбирается весьма коротким (порядка 10-30 секунд), все равно остается высокая вероятность того, что при возникновении сбоя содержимое диска не в полной мере будет соответствовать действительному состоянию файловой системы — копии некоторых блоков с обновленным содержимым система может не успеть переписать на диск. Для восстановления некорректных файловых систем, использующих кэширование диска, в операционных системах предусматриваются специальные утилиты, такие как fsck для файловых систем s5/uf, ScanDisk для FAT или Chkdsk для файловой системы HPFS. Однако объем несоответствий может быть настолько большим, что восстановление файловой системы после сбоя с помощью стандартных системных средств становится невозможным.

Протоколирование транзакций

Проблемы, связанные с восстановлением файловой системы, могут быть решены при помощи техники протоколирования транзакций, которая сводится к следующему. В системе должны быть определены транзакции (transactions) — неделимые работы, которые не могут быть выполнены частично. Они либо выполняются полностью, либо вообще не выполняются.

Модель неделимой транзакции пришла из бизнеса. Пусть, например, идет переговорный процесс двух фирм о покупке-продаже некоторого товара. В процессе переговоров условия договора могут многократно меняться, уточняться. Пока договор еще не подписан обеими сторонами, каждая из них может от него отказаться. Но после подписания контракта сделка (транзакция) должна быть выполнена от начала и до конца. Если же контракт не подписан, то любые действия, которые были уже проделаны, отменяются или объявляются недействительными. В файловых системах такими транзакциями являются операции ввода-вывода, изменяющие содержимое файлов, каталогов или других системных структур файловой системы (например, индексных дескрипторов ufs или элементов FAT). Пусть к файловой системе поступает запрос на выполнение той или иной операции ввода-вывода. Эта операция включает несколько шагов, связанных с созданием, уничтожением и модификацией объектов файловой системы. Если все подоперации были благополучно завершены, то транзакция считается выполненной. Это действие называется фиксацией (committing) транзакции. Если же одна или более подопераций не успели выполниться из-за сбоя питания или краха ОС, тогда для обеспечения целостности файловой системы все измененные в рамках транзакции данные файловой системы должны быть возвращены точно в то состояние, в котором они находились до начала выполнения транзакции. Так, например, транзакцией может быть представлена операция удаления файла. Действительно, для целостности файловой системы необходимо, чтобы все требуемые при выполнении данной операции изменения каталога и таблицы распределения дисковой памяти были сделаны в полном объеме. Либо, если во время операции произошел сбой, каталог и таблица распределения памяти должны быть приведены в исходное состояние.

С другой стороны, в файловой системе существуют операции, которые не изменяют состояния файловой системы и которые вследствие этого нет необходимости рассматривать как транзакции. Примерами таких операций являются чтение файла, поиск файла на диске, просмотр атрибутов файла.

Незавершенная операция с диском несет угрозу целостности файловой системы. Каким же образом файловая система может реализовать свойство транзакций «все или ничего»? Очевидно, что решение в этом случае может быть одно — необходимо протоколировать (запоминать) все изменения, происходящие в рамках транзакции, чтобы на основе этой информации в случае прерывания транзакции можно было отменить все уже выполненные подоперации, то есть сделать так называемый откат транзакции.

В файловых системах с кэшированием диска для восстановления системы после сбоя кроме отката незавершенных транзакций необходимо выполнить дополнительное действие — повторение зафиксированных транзакций. Когда происходит сбой по питанию или крах ОС, все данные, находящиеся в оперативной памяти, теряются, в том числе и модифицированные блоки данных, которые менеджер дискового кэша не успел вытолкнуть на диск. Единственный способ восстановить утерянные изменения данных — это повторить все завершенные транзакции, которые участвовали в модификации этих блоков. Чтобы обеспечить возможность повторения транзакций, система должна включать в протокол не только данные, которые могут быть использованы для отката транзакции, но и данные, которые позволят в случае необходимости повторить всю транзакцию.

ПРИМЕЧАНИЕ

При восстановлении часто возникают ситуации, когда система пытается отменить транзакцию, которая уже была отменена или вообще не выполнялась. Аналогично при повторении некоторой транзакции может оказаться, что она уже была выполнена. Учитывая это, необходимо так определить подоперации транзакции, чтобы многократное выполнение каждой из этих подопераций не имело никакого добавочного эффекта по сравнению с первым выполнением этой подоперации. Такое свойство операции называется идемпотентностью (idempotency). Примером идемпотентной операции может служить, например, многократное присвоение переменной некоторого значения (сравните с операциями инкремента и декремента).

Для восстановления файловой системы используется упреждающее протоколирование транзакций. Оно заключается в том, что перед изменением какого-либо блока данных на диске или в дисковом кэше производится запись в специальный системный файл — журнал транзакций (log file), где отмечается, какая транзакция делает изменения, какой файл и блок изменяются и каковы старое и новое значения изменяемого блока. Только после успешной регистрации всех подопераций в журнале делаются изменения в исходных блоках. Если транзакция прерывается, то информация журнала регистрации используется для приведения файлов, каталогов и служебных данных файловой системы в исходное состояние, то есть производится откат. Если транзакция фиксируется, то и об этом делается запись в журнал регистрации, но новые значения измененных данных сохраняются в журнале еще некоторое время, чтобы сделать возможным повторение транзакции, если это потребуется.