Soft Updates: 用于快速文件系统(FFS)的一项消除…

作者及顾问：Marshall Kirk McKusick；卡内基梅隆大学 Gregory R. Ganger
中文翻译：北京工业大学计算机学院 李鑫
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这篇论文最初发表于1999年6月6日至11日举行的USENIX年度技术会议中，Freenix会议
录的第1-17页。其版权归Marshall Kirk McKusick和Greg Ganger所有，作者保留所有
权力。这篇论文在作者的许可下被翻译和重新发布。在保持此版权宣示完整的前提下，
允许对本文进行非商业目的的重新发布。
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摘要
传统上，维持掉电或系统崩溃后的文件系统一致性维护主要采用两种方法：其一是对存
在依赖顺序的元数据(metadata)进行同步写入，其二是用写通式日志来将原子操作组织
在一起。Soft Updates，一种不同于它们的方法，是一种通过保证元数据按依赖顺序更
新来确保磁盘上文件系统的总保持一致的实现机制。使用SoftUpdates避免了对于独立
日志或大量同步写操作的需求。同时，它还能将很多以前独立且同步进行的操作合并，
从而在文件操作密集的环境(例如程序开发、邮件服务器等)中减少40%-70%的写操作。
在提高性能的同时，SoftUpdates还可以更好地维持文件系统的一致性。通过保证不一
致性仅存在于未声明的块或i-节点，SoftUpdate能够消除对于系统崩溃后运行文件系统
检查程序的依赖。这样，在重启后文件系统立即处于可用状态。另外，可以通过一个后
台任务在处于运行状态的文件系统中回收丢失的块和i-节点。
这篇论文描述了集成到4.4BSD快速文件系统(Fast Filesystem)中的一个SoftUpdates实
现。它详细介绍了建立一个成品级质量的系统时，对研究原型以及BSD系统做的修改。
同时，它也讨论了在将SoftUpdates从研究转入现实中的经验、难处，以及从中得到的
教训; 那些非常规的文件系统操作(例如，fsck和‘fsync’)，需要进行的重新考虑和
增加的代码。最终实现的系统得到的体验证明了早先的研究成果：SoftUpdates很好地
融合进了现有的文件系统，保证了元数据关联性，并基本达到了最佳的性能。
第1节 研究背景与导言
元数据(如文件目录，i-节点，以及空闲块映射表)指明原始数据存储(raw storage)的
结构。元数据提供指针和描述符，通过它们将磁盘上的扇区联结成文件，并区分它们。
为了长期维持可靠存储，文件系统必须在遭遇非预期的系统崩溃，如断电和操作系统故
障时，保证元数据的完整性。由于类似的崩溃通常导致保存于易失性主存中的全部信息
的丢失，保存在非易失性存储器(例如，磁盘)中的信息必须总具有足够的一致性以便确
定性地重建文件系统的一致。特别地，文件系统在磁盘上的镜像绝不能包含悬挂指针，
也不能有足以导致二义性的资源所有权指针，或未引用的活动资源。维持这些原则通常
需要顺序地(或按原子操作分组)更新小的元数据对象。
过去，BSD快速文件系统(FFS)及其派生系统采用同步写入来保证稳定的存储器写入次
序。例如，在BSD系统中创建一个文件，首先需要分配和初始化新的i-节点并填充一个
新的目录指向项。由于采用同步写入，文件系统将强制创建文件的应用程序等待这些初
始化操作的完成，其结果是，在这些系统中类似创建、删除文件这样的操作将以磁盘，
而不是CPU/内存的速度进行。由于磁盘操作相对于其他部件来说更慢，同步写入会降低
系统性能。元数据更新问题也可以在采用NVRAM技术的前提下通过其他机制解决，例
如，可以使用不间断电源(UPS)或Flash。此时只需要保证NVRAM的一致性，而更新可以

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