Восстанавливаемость файловых систем Причины нарушения целостности 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.