После протоколирования транзакции (в данном примере — вызовом LFS до помещения трех записей модификации в файл журнала) NTFS выполняет в кэше подоперации этой транзакции, изменяющие том. Закончив обновление кэша, NTFS помещает в журнал еще одну запись, которая помечает всю транзакцию как завершенную. Эта подоперация известна как фиксация транзакции (committing transaction). После фиксации транзакции NTFS гарантирует, что все вызванные ею модификации будут отражены на томе, даже если после фиксации произойдет сбой операционной системы.
При восстановлении после сбоя системы NTFS просматривает журнал и повторяет все зафиксированные транзакции. Даже если NTFS и завершила транзакцию до момента сбоя системы, ей неизвестно, были ли изменения тома своевременно переписаны на диск диспетчером кэша. Модификации, выполненные в кэше, могли быть потеряны при сбое. Следовательно, NTFS выполняет зафиксированную транзакцию снова, чтобы гарантировать актуальность состояния диска.
После повтора всех зафиксированных транзакций NTFS отыскивает в журнале такие, которые не были зафиксированы к моменту сбоя, и откатывает каждую запротоколированную подоперацию. B случае, представленном на рис. 12–48, NTFS вначале должна была бы отменить подоперацию T1c, после чего перейти по указателям назад и отменить T1b. Переход по указателям в обратном направлении и отмена подопераций продолжались бы до тех пор, пока NTFS не достигла бы первой подоперации транзакции. Следуя указателям, NTFS определяет, сколько и какие записи модификации нужно отменить для того, чтобы откатить транзакцию.
Информация для повтора и отмены может быть выражена либо физически, либо логически. Физическое описание задает модификации тома как диапазоны байтов на диске, которые следует изменить, переместить и т. д., а логическое — представляет модификации в терминах операций, например «удалить файл A.dat». Как самый низкий уровень программного обеспечения, поддерживающего структуру файловой системы, NTFS использует записи модификации с физическими описаниями. Однако для программного обеспечения обработки транзакций и других приложений записи модификации в логическом виде могут быть удобнее, поскольку логическое представление обновлений тома компактнее физических. Логическое описание требует участия NTFS в выполнении действий, связанных с такими операциями, как удаление файла.
NTFS генерирует записи модификации (обычно несколько) для каждой из следующих транзакций:
• создание файла;
• удаление файла;
• расширение файла;
• урезаниефайла;
• установка файловой информации;
• переименование файла;
• изменение прав доступа к файлу
Информация для повтора и отмены в записи модификации должна быть очень точной, иначе при отмене транзакции, восстановлении после сбоя системы или даже в ходе нормальной работы NTFS может попытаться повторить транзакцию, которая уже выполнена, или, наоборот, отменить транзакцию, которая никогда не выполнялась либо уже отменена. Аналогичным образом NTFS может попытаться повторить или отменить транзакцию, включающую нескольких записей модификации, которые не все были применены к диску. Формат записей модификации должен гарантировать, что лишние операции повтора или отмены будут идемпотентными (idempo-tent), т. е. дадут нейтральный эффект. Например, установка уже установленного бита, не оказывает никакого действия, но изменение на противоположное значения бита, которое уже изменено, — оказывает. Файловая система также должна корректно обрабатывать переходные состояния тома.
Записи контрольной точки
Помимо записей модификации NTFS периодически помещает в файл журнала запись контрольной точки, как показано на рис. 12–49.
Запись контрольной точки помогает NTFS определить, какая обработка нужна для восстановления тома, если сбой произошел сразу после добавления этой записи в журнал. Благодаря записи контрольной точки NTFS, например, знает, как далеко назад ей нужно пройти по журналу, чтобы начать восстановление. Добавив новую запись контрольной точки, NTFS записывает ее LSN в область перезапуска, так что, начиная восстановление после сбоя системы, она быстро находит самую последнюю запись контрольной точки.
Хотя LFS представляет NTFS, будто журнал транзакций безразмерен, на самом деле он не бесконечен. Значительный размер журнала транзакций и частая вставка записей контрольной точки (операция, обычно освобождающая место в файле журнала) делают вероятность его переполнения достаточно малой. Тем не менее LFS учитывает такую возможность, отслеживая несколько значений:
• размер свободного пространства в журнале;
• размер пространства, необходимого для добавления в журнал следующей записи и для отмены этого действия (если это вдруг потребуется);
• размер пространства, нужного для отката всех активных (не зафиксированных) транзакций (если это вдруг потребуется).
Если в журнале не хватает места для суммы последних двух значений из списка, LFS сообщает об ошибке переполнения файла журнала, и NTFS генерирует исключение. Обработчик исключений NTFS откатывает текущую транзакцию и помещает ее в очередь для последующего перезапуска.
Чтобы освободить пространство в журнале транзакций, NTFS должна временно приостановить ввод-вывод в системе. Для этого она блокирует создание и удаление файлов, после чего запрашивает монопольный доступ ко всем системным файлам и разделяемый доступ ко всем пользовательским файлам. Постепенно активные транзакции либо завершаются успешно, либо вызывают исключение переполнения файла журнала. B последнем случае NTFS откатывает их, а затем помещает в очередь.
Заблокировав вышеописанным способом выполнение транзакций при операциях над файлами, NTFS вызывает диспетчер кэша для сброса на диск еще не записанных туда данных, в том числе данных файла журнала. После того как все успешно записано на диск, данные в журнале NTFS становятся ненужными. NTFS устанавливает начало журнала на текущую позицию, что делает журнал «пустым». Затем NTFS перезапускает транзакции, поставленные ранее в очередь. Так что за исключением короткой паузы в обработке ввода-вывода ошибка переполнения файла журнала не оказывает влияния на выполняемые программы.
Описанный сценарий — один из примеров того, как NTFS использует файл журнала не только для восстановления файловой системы, но и для исправления ошибок при нормальной работе.
Восстановление
NTFS автоматически выполняет восстановление диска при первом обращении к нему какой-либо программы после загрузки системы. (Если восстановление не требуется, весь процесс тривиален.) При восстановлении используются две таблицы, которые NTFS поддерживает в памяти.
• Таблица транзакций (transaction table) — предназначена для отслеживания начатых, но еще не зафиксированных транзакций. B процессе восстановления результаты подопераций этих транзакций должны быть удалены с диска.
• Таблица измененных страниц (dirty page table) — в нее записывается информация о том, какие страницы кэша содержат изменения структуры файловой системы, еще не записанные на диск. Эти данные в процессе восстановления должны быть сброшены на диск.
Каждые 5 секунд NTFS добавляет в файл журнала транзакций запись контрольной точки. Непосредственно перед этим она обращается к LFS для сохранения в журнале текущей копии таблицы транзакций и таблицы измененных страниц. Затем NTFS запоминает в записи контрольной точки LSN записей журнала, содержащих копии таблиц. B начале процесса восстановления после сбоя NTFS обращается к LFS для поиска записей журнала транзакций, содержащих самую последнюю запись контрольной точки и самые последние копии упомянутых выше таблиц. Затем NTFS копирует эти таблицы в память.
Обычно за последней записью контрольной точки в журнале транзакций находится еще несколько записей модификации. Эти записи соответствуют обновлениям тома, произошедшим после того, как запись контрольной точки была помещена в журнал. NTFS должна обновить таблицу транзакций и таблицу измененных страниц, включив в них информацию из этих дополнительных записей. После обновления таблиц NTFS использует их, а также содержимое журнала транзакций для обновления собственно тома.
При восстановлении тома NTFS выполняет три прохода по журналу транзакций, загружая его в память на первом проходе, чтобы минимизировать объем дискового ввода-вывода. Каждый проход имеет свое назначение:
• анализ;
• повтор транзакций; • отмена транзакций.
Проход анализа
При проходе анализа (analysis pass) NTFS просматривает журнал транзакций в прямом направлении, начиная с последней операции контрольной точки, чтобы найти записи модификации и обновить скопированные ранее в память таблицы транзакций и измененных страниц. Обратите внимание, что операция контрольной точки помещает в журнал транзакций три записи, между которыми могут оказаться записи модификации (рис. 12–50). NTFS должна приступить к сканированию с начала операции контрольной точки.
