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File metadata and controls

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Locality and The Fast File System

UNIX中最早的文件系统结构非常简单,它只包含super block, inode blocks 和 data blocks三个部分。其中super block中包含文件系统的必要信息,例如有多少个inode, free list的头指针等等。

The Problem: Poor Performance

上面这样的文件系统的效率很差,它假定对磁盘的访问像内存一样是随机的。但是,磁盘的读取的额外代价是很高的。这个文件系统中的许多文件都是断断续续地存储在磁盘中的(碎片化),而我们知道磁盘中读取连续存取的数据效率更高。

FFS: Disk Awareness Is The Solution

Fast File System (FFS) 对外提供的读写API不变,但是内部实现与之前的UNIX文件系统不同。

下面介绍FFS的一些特性。

Organizing Struture: The Cylinder Group

考虑到磁盘的柱状结构,每张盘片上的磁道构成了一个空心圆柱cylinder. FFS将相邻的几个cylinder视为一个整体,称为cylinder group, 这样一个磁盘包含了若干个cylinder group.

但是,通常磁盘不会告诉外界某个数据具体在哪个圆柱上,因此FFS将位于同一个cylinder group里面的所有block称为一个block group.

FFS在每个block group中划分出superblock, inode bitmap, data bitmap, inode blocks, data blocks五个部分。其中,superblock在所有block group中共享,这样即使一部分block group损坏,其它的数据依然可以正常访问。由于每个block group都含有bitmap, 这样方便寻找连续的一段存储空间,而不用像free list那样必须从头遍历。

Policies: How to Allocate Files and Directories

  • 当创建目录时,FFS会将目录创建在存储较少目录、包含较多可用inode的block group. 这样可以使得目录下的文件尽可能在同一个block group中。
  • 当创建文件时,FFS尽可能使文件的data和它的inode存储在同一个block group中;FFS尽可能使文件和它所属的目录存储在同一个block group中。
  • 当遇到大文件时,FFS先尽可能满足上面存储文件的policy, 但是把大文件全部存储在同一个block group中,往往会导致很多小文件被存在其他block group中,这样效率低。因此当大文件超过某个阈值时,FFS会将大文件分段存储到不同的block group中。虽然这样做磁盘会有更大的额外开销,但是由于文件较大,额外开销在摊匀amortized之后影响并不大。而且,大文件每段的size越大,额外开销的影响越小。

A Few Other Things About FFS

  • 为了减小内部碎片,FFS会缓存多个小于一个block大小的文件,然后将它们写在同一个block中。如果日后文件的大小变大,FFS会将其移动到合适的位置。
  • 磁道中扇区的编号顺序不应该相邻,例如,如果两个相邻扇区编号为1和2,那么当1中的内容读取完毕之后,磁头已经越过了2号扇区,那么必须等待2号扇区转回来才能读取,这样效率很低。因此不同的磁盘往往会根据自己的技术指标来进行扇区的编号,比如根据转速间隔地对扇区编号。
  • FFS也有可能会缓存同一个磁道中的内容,当收到读请求时,FFS直接从缓存中提取内容,并不真得再到磁盘中读取。
  • FFS支持可变长度的文件名称和symbolic link.
  • 现代的文件系统中,例如Linux的ext2, ext3, 依然在使用FFS中的很多思想。