Принципы организации данных на диске
Во всех файловых системах есть немало общего. Например, в каждой из них решается вопрос метаданных, то есть информации, не имеющей прямого отношения к содержимому, допустим, файла, но описывающей, как до этого содержимого добраться. В файловой системе обычно различается системная область, в которой записываются метаданные, и область данных, где хранятся собственно файлы. Системная область может составлять заметную долю общего дискового пространства, и вот почему.
Различают устройство последовательного доступа (например, накопители на магнитных лентах) и устройства прямого доступа (например, жесткие диски). Чтение (и запись) данных на устройства последовательного доступа идет последовательно: если сейчас записан первый блок носителя, то следующим будет доступен второй, за ним - третий и т.д. Если доступен пятый блок, а нужен первый или тысячный, выполняется длительная операция позиционирования, причем она тем длиннее, чем дальше отстоит нужный блок от текущего: лента перематывается. Работать с устройствами прямого доступа легче: каков бы ни был текущий прочитанный блок, время, за которое будет прочитан любой другой, примерно одинаковое.
Файлы на магнитной ленте удобнее хранить целиком, каждый файл - одним длинным куском. У такого способа есть один существенный недостаток: если на ленту объемом в один гигабайт записать 1024 мегабайтных файла, а потом удалить каждый второй, то образуется полгигабайта свободного места, но кусочками по мегабайту каждый. Тогда запись, скажем, двухмегабайтного файла потребует трех операций: сначала надо переписать какой-нибудь мегабайтный файл на свободное место, затем удалить старую его копию, и только затем записать на образовавшееся место большой файл.
На устройстве прямого доступа можно избежать этой неприятной ситуации, если постановить, что файл может размещаться на нем в области данных по частям, а карта размещения этих частей будет записана в системную область. Если, не мудрствуя, предположить, что в системную область записываются номера полукилобайтных секторов, в которых лежит файл (по 32 бита каждый номер), то выходит, что размер системной области, который может потребоваться, всего в 16 раз меньше файловой. Но в Linux в системную область записываются индексные дескрипторы, размер которых существенно больше. Количество индексных дескрипторов может быть намного меньше количества блоков, но все же системная область занимает примерно такую же (от пяти до десяти процентов) долю общего дискового пространства.
Индексный дескриптор, inode. Внутренний объект файловой системы Linux, однозначно определяющий принадлежащий ей файл. Индексный дескриптор содержит атрибуты файла, размер, указывает расположение файла на диске и т.п. Каждому индексному дескриптору соответствует единственный в данной файловой системе идентификатор - целое число.
На самом деле, даже на жестком диске блоки, расположенные подряд, считываются (и записываются) быстрее, чем блоки, расположенные как попало. Эффект связан с механическим устройством жестких дисков, пояснять которое Мефодию Гуревич не стал, ссылаясь на общеизвестность. Суть его в том, что задержки при чтении данных, находящихся на разных цилиндрах диска, растут линейно, как для ленты (чем дальше, тем дольше). Один из остроумных способов оптимизировать работу с диском состоит в том, чтобы разбить все цилиндры на группы, а внутри каждой группы выделить свою системную область и область данных. Тогда сами файлы и их индексные дескрипторы будут лежать, если это возможно, на соседних цилиндрах, и доступ ускорится.
Другое, более общее решение - использование кеширования, при котором данные с диска частично дублируются в памяти. Если какой-то процесс прочитал данные из файла, эти данные некоторое время находятся в памяти, на случай, если они ему (или кому-нибудь другому) опять понадобятся. Повторное обращение уже не дойдет до диска, система вернет процессу данные из кеша, раз уж они ничем не отличаются от тех, что на диске. Если процесс записал данные на диск, содержимое кеша обновляется, оставаясь актуальным.
Еще эффективней кеш на запись: операции записи накапливаются в памяти, а до диска добираются не сразу, и в том порядке, в каком быстрее пройдет запись, а не в том, в каком были выполнены. Если запись шла во временный файл, который, в конце концов, удалили, обращений к диску может вообще не случиться. Однако с кешированием операций записи следует обращаться бережно: а вдруг сбой в электропитании произойдет именно тогда, когда часть данных уже записана, а часть - еще нет? А если не полностью, кусочками, обновилась системная область, состояние файловой системы после того, как питание опять включат, может оказаться совсем плачевным - настолько, что даже утилита восстановления fsck может оказаться бессильной. Поэтому системные области либо вообще не кешируются на запись, либо делают это исключительно с помощью будущих кандидатов и докторов наук, которые рассчитывают безопасные алгоритмы обновления файловой системы из кеша на запись...
