UFS閃存

簡介：　　

　　UFS是UNIX文件系統(tǒng)的簡稱，它來源于4.3Tahoe發(fā)行版中提供的BSD Fat Fast File System（FFS）系統(tǒng)，屬于FFS的演化版本。UFS幾乎是大部分UNIX類操作系統(tǒng)默認(rèn)的基于磁盤的文件系統(tǒng)，包括Solaris、Free BSD、Open BSD、Net BSD、HP-UX等，甚至Apple的OS X也能支持UFS文件系統(tǒng)。

　　在最初的FFS文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了使文件系統(tǒng)在遭到毀滅性打擊，如硬盤發(fā)生整個(gè)磁道、整個(gè)盤面或者整個(gè)柱面損壞時(shí)能夠得以恢復(fù)，在文件系統(tǒng)初始化時(shí)，會(huì)將文件系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)制到整個(gè)磁盤的多個(gè)位置，以便在發(fā)生硬件損壞時(shí)能夠讀取，而UFS文件系統(tǒng)也繼承了這些優(yōu)良的特性。

　　另外，為了提高運(yùn)行效率，UFS文件系統(tǒng)與磁盤的結(jié)構(gòu)也有著完美的結(jié)合，UFS將整個(gè)磁盤的所有邏輯柱面平均分配為若干個(gè)組，每組稱為一個(gè)“柱面”。在UFS內(nèi)部就用柱面組隊(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行分段組織和管理，每個(gè)柱面組中都有文件系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的備份，所有文件在各個(gè)柱面組中相對獨(dú)立地存儲(chǔ)而又有機(jī)地結(jié)合在一起。這就使磁盤中的磁頭在訪問文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)時(shí)有效地減小了擺動(dòng)，提高了訪問效率。

UFS文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總覽：

　　UFS文件系統(tǒng)在創(chuàng)建時(shí)，磁盤的盤片被分成若干個(gè)柱面組，每個(gè)柱面組由一個(gè)或多個(gè)聯(lián)系的磁盤柱面組成，在文件系統(tǒng)的前部會(huì)有一個(gè)叫做“柱面組概要”的結(jié)構(gòu)對整個(gè)文件系統(tǒng)中的每個(gè)柱面組信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且在每個(gè)柱面組中還有一個(gè)“柱面組描述符”用來管理當(dāng)前柱面組。

　　每個(gè)柱面組又進(jìn)一步被分成若干個(gè)可尋址的塊，以控制和組織柱面組中文件的結(jié)構(gòu)，所以“塊”是UFS文件系統(tǒng)中文件分配和存儲(chǔ)的基本單位，類似于FAT文件系統(tǒng)和NTFS文件系統(tǒng)中“簇”的概念。

　　在UFS文件系統(tǒng)中，“塊”有多種類型，每種類型的塊都具有特定的功能。UFS文件系統(tǒng)主要具有四種類型的塊：引導(dǎo)塊、超級塊、i-節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)塊。

　　引導(dǎo)塊：在引導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)使用的信息

　　超級塊：記錄文件系統(tǒng)的詳細(xì)信息

　　i-節(jié)點(diǎn)：記錄文件的各種信息

　　數(shù)據(jù)塊：存儲(chǔ)每個(gè)文件的實(shí)際內(nèi)容

　　UFS文件系統(tǒng)中的“塊”又被分成更小的單位，叫做“段”。在創(chuàng)建UFS文件系統(tǒng)時(shí)，可定義段的大小，默認(rèn)的段大小一般為1KB。每個(gè)塊都可以分成若干個(gè)段，段大小的上限就是塊的大小，下限實(shí)際上為磁盤扇區(qū)大小，通常為512字節(jié)。

　　當(dāng)文件寫入文件系統(tǒng)時(shí)，首先為文件分配完整的塊，然后為不滿一個(gè)塊的剩余部分分配某個(gè)塊的一個(gè)或者多個(gè)段。對于比較小的文件，首先分配段進(jìn)行存儲(chǔ)。能夠?yàn)槲募峙鋲K中的段而不是僅分配完整的塊，就減少了塊中未使用的空間，從而提高了磁盤的利用率。

　　在創(chuàng)建文件系統(tǒng)時(shí)，選擇段的大小需要考慮時(shí)間和空間的平衡，小的段大小可節(jié)省空間，但是需要更多的時(shí)間進(jìn)行分配，通常，當(dāng)大多數(shù)文件都很大時(shí)，要提高存儲(chǔ)效率，應(yīng)為文件系統(tǒng)使用較大的段大小，當(dāng)大多數(shù)文件都比較小時(shí)，應(yīng)為文件系統(tǒng)使用較小的段大小。

　　綜上所述，UFS文件系統(tǒng)由若干個(gè)“柱面組”構(gòu)成，每個(gè)柱面組包含一定數(shù)量的“塊”，每個(gè)塊又由若干個(gè)“段”組成。“段”是UFS文件系統(tǒng)的最小存儲(chǔ)單元。每個(gè)柱面組、塊、段在文件系統(tǒng)中都有自身的編號，它們的起始編號都是0.

　　另外，“超級塊”是UFS文件系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)，其重要性類似于FAT文件系統(tǒng)和NTFS文件系統(tǒng)中的DBR，所以UFS在每個(gè)柱面組中都對超級塊做了備份，但備份的位置卻各不相同，在每個(gè)柱面組中都會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，這是因?yàn)樵谠瓉淼挠脖P中每個(gè)磁道具有相同的扇區(qū)數(shù)，這個(gè)就導(dǎo)致每個(gè)柱面組的第一個(gè)扇區(qū)都位于同一個(gè)盤面上。為了減小因無力故障而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)損壞，將超級塊的備份在每個(gè)柱面組中錯(cuò)位存放就可以使它們不再存儲(chǔ)于同一個(gè)盤面，從而降低了風(fēng)險(xiǎn)。而現(xiàn)在的新式硬盤每個(gè)柱面的扇區(qū)數(shù)并不相等，所以也就不存在這樣的隱患，實(shí)際上UFS2已經(jīng)不再考慮數(shù)據(jù)錯(cuò)位存放的問題。

　　UFS文件系統(tǒng)的引導(dǎo)塊：

　　引導(dǎo)塊是UFS文件系統(tǒng)中的第一個(gè)塊，也就是0號塊。它的結(jié)構(gòu)因操作系統(tǒng)的不同而稍有區(qū)別，但一般都是由磁盤標(biāo)簽和引導(dǎo)程序組成。

　　只有當(dāng)UFS文件系統(tǒng)中包含操作系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)，引導(dǎo)塊中才會(huì)有引導(dǎo)程序。如果UFS文件系統(tǒng)中不保護(hù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，引導(dǎo)塊中則沒有引導(dǎo)程序，只有磁盤標(biāo)簽。

　　UFS文件系統(tǒng)的超級塊：

　　UFS文件系統(tǒng)超級塊的重要性類似于FAT文件系統(tǒng)和NTFS文件系統(tǒng)中的DBR，但比DBR的結(jié)構(gòu)復(fù)雜很多，超級塊中記錄著許多參數(shù)[1]  ，主要包括：

　　文件系統(tǒng)的大小和狀態(tài)

　　文件系統(tǒng)名稱和卷名稱

　　文件系統(tǒng)塊的大小及段大小

　　上次更新的日期和時(shí)間

　　柱面組的大小

　　柱面組中的數(shù)據(jù)塊數(shù)

　　柱面組概要的地址

　　文件系統(tǒng)狀態(tài)

　　最后一個(gè)掛載點(diǎn)的路徑名

　　由于超級塊包含文件系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此在創(chuàng)建文件系統(tǒng)時(shí)建立了多個(gè)超級塊，在每個(gè)柱面組內(nèi)都有一個(gè)超級塊的備份。

　　UFS文件系統(tǒng)的i-節(jié)點(diǎn)

　　UFS文件系統(tǒng)的i-節(jié)點(diǎn)用來存儲(chǔ)與文件相關(guān)的除文件名以外的所有信息，包括指向文件的硬鏈接數(shù)、文件大小、文件的時(shí)間信息、文件屬主的用戶ID、文件所屬的組ID、文件內(nèi)容存放地址的塊指針等重要信息，這些重要信息也被稱為元數(shù)據(jù)[1]  。

　　UFS文件系統(tǒng)的每個(gè)柱面組中都有一個(gè)自己的i-節(jié)點(diǎn)表。i-節(jié)點(diǎn)表由很多i-節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)文件或者目錄使用一個(gè)i-節(jié)點(diǎn)。UFS1的i-節(jié)點(diǎn)在文件系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)即被初始化，而UFS2的i-節(jié)點(diǎn)則在需要時(shí)才被初始化，所以當(dāng)文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊不夠使用時(shí)，UFS2能夠使用i-節(jié)點(diǎn)表中的空閑空間存放數(shù)據(jù)。

　　在每個(gè)柱面組的組描述符中都有一個(gè)i-節(jié)點(diǎn)位圖，用來管理i-節(jié)點(diǎn)表中的i-節(jié)點(diǎn)使用和分配情況。如果要確定一個(gè)i-節(jié)點(diǎn)屬于哪個(gè)柱面組，可以用當(dāng)前i-節(jié)點(diǎn)號對每個(gè)柱面組的i-節(jié)點(diǎn)數(shù)做取整運(yùn)算得到，而每個(gè)柱面組的i-節(jié)點(diǎn)數(shù)在超級塊和柱面組描述符中都有記錄。

UFS 日志記錄：

　　UFS 日志記錄會(huì)將組成一個(gè)完整 UFS 操作的多個(gè)元數(shù)據(jù)更改打包成一個(gè)事務(wù)。事務(wù)集記錄在盤上日志中，然后會(huì)應(yīng)用于實(shí)際文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)。

　　重新引導(dǎo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)廢棄未完成的事務(wù)，但是會(huì)對已完成的操作應(yīng)用事務(wù)。文件系統(tǒng)將保持一致，因?yàn)閮H應(yīng)用了已完成的事務(wù)。即使在系統(tǒng)崩潰時(shí)，也仍會(huì)保持此一致性。系統(tǒng)崩潰可能會(huì)中斷系統(tǒng)調(diào)用，并導(dǎo)致 UFS 文件系統(tǒng)出現(xiàn)不一致。

　　UFS 日志記錄功能有兩個(gè)好處：

　　如果文件系統(tǒng)已經(jīng)通過事務(wù)日志達(dá)到一致，則在系統(tǒng)崩潰或異常關(guān)機(jī)后可能不必運(yùn)行 fsck 命令。從 Solaris 9 12/02 發(fā)行版開始，UFS 日志記錄的性能已經(jīng)提高甚至超過了無日志記錄功能的文件系統(tǒng)的性能級別。這一改進(jìn)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)是由于啟用日志記錄功能的文件系統(tǒng)可以將對相同數(shù)據(jù)的多重更新轉(zhuǎn)換為單一更新。因此，減少了磁盤操作所需的開銷。

　　UFS 事務(wù)日志具有以下特征：

　　從文件系統(tǒng)上的空閑塊分配而來

　　對于每 1 GB 的文件系統(tǒng)，其大小約為 1 MB，最大為 64 MB

　　填滿時(shí)會(huì)不斷刷新

　　取消掛載文件系統(tǒng)或使用任何 lockfs 命令之后也會(huì)刷新。

　　所有 UFS 文件系統(tǒng)均缺省啟用 UFS 日志記錄。

　　如果需要禁用 UFS 日志記錄，請?jiān)?/etc/vfstab 文件中或手動(dòng)掛載文件系統(tǒng)時(shí)，向文件系統(tǒng)的項(xiàng)添加 nologging 選項(xiàng)。

　　如果需要啟用 UFS 日志記錄，請?jiān)?/etc/vfstab 文件中或手動(dòng)掛載文件系統(tǒng)時(shí)，在 mount 命令中指定-o logging選項(xiàng)。可以在包括根 (/) 文件系統(tǒng)的任何 UFS 文件系統(tǒng)上啟用日志記錄。另外，fsdb 命令還包含支持 UFS 日志記錄的新調(diào)試命令。

　　在一些操作系統(tǒng)中，啟用了日志記錄的文件系統(tǒng)稱為日記記錄文件系統(tǒng)。