Дисковый кэш

Во многих операционных системах запросы к блок-ориентированным внешним устройствам с прямым доступом (типичными и наиболее распространенными представителями которых являются диски) перехватываются промежуточным программным слоем — подсистемой буферизации, называемой также дисковым кэшем. Дисковый кэш располагается между слоем драйверов файловых систем и блок-ориентированными драйверами. При поступлении запроса на чтение не­которого блока диспетчер дискового кэша просматривает свой буферный пул, находящийся в системной области оперативной памяти, и если требуемый блок имеется в кэше, то диспетчер копирует его в буфер запрашивающего процесса. Операция ввода-вывода считается выполненной, хотя физического обмена с устройством не происходило, при этом выигрыш во времени доступа к файлу очевиден.

При записи данные также попадают сначала в буфер и только потом при необходимости освободить место в буферном пуле или же по требованию приложения они действительно переписываются на диск. Операция же записи считается завершенной при завершении обмена с кэшем, а не с диском. Данные блоков диска за время пребывания в кэше могут быть многократно прочитаны прикладными процессами и модулями ОС без выполнения дисковых операций ввода-вывода, что также существенно повышает производительность операционной системы.

Дисковый кэш обычно занимает достаточно большую часть оперативной системной памяти, чтобы максимально повысить вероятность кэш-попаданий при выполнении дисковых операций. В таких специализированных операционных системах, как NetWare 3.x и 4.x, дисковый кэш занимает большую часть физической памяти компьютера, что во многом и обеспечивает высокую скорость файлового обслуживания, в ходе которого значительная часть запрошенных по сети данных обнаруживается в кэше. Доля оперативной памяти, отводимой под дисковый кэш, зависит от специфики функций, выполняемых компьютером, например, сервер приложений выделяет под дисковый кэш меньше памяти, чем файловый сервер, чтобы обеспечить более высокую скорость работы приложений за счет предоставления им большего объема оперативной памяти.

Отрицательным последствием использования дискового кэша является потенциальное снижение надежности системы. При крахе системы, когда по разным причинам (сбой по питанию, ошибка кода ОС и т. д.) теряется информация, находившаяся в оперативной памяти, могут пропасть и данные, которые пользователь считает надежно сохраненными на диске, но которые фактически до диска еще не дошли и хранились в кэше. Обычно для предотвращения таких потерь все содержимое дискового кэша периодически переписывается («сбра­сывается») на диск. Существуют специальные системные вызовы, которые позволяют организовать принудительное выталкивание всех модифицированных блоков кэша на диск. Примером может служить системный вызов sync в ОС Unix.

Однако и в этом случае потери возможны, хотя вероятность их меньше — теряются данные, которые появились в кэше в период после последнего сброса и до краха. Потери данных, хранящихся в кэше, можно существенно сократить при использовании восстанавливаемых файловых систем, которые рассматриваются далее в разделе «Отказоустойчивость файловых и дисковых систем».

Существует два способа организации дискового кэша. Первый способ, который можно назвать традиционным, основан на автономном диспетчере кэша, обслуживающем набор буферов системной памяти и при необходимости самостоятельно организующим загрузку блока диска в буфер, не обращаясь за помощью к другим подсистемам ОС. По такому принципу функционировал дисковый кэш во многих ранних -версиях Unix (традиционный дисковый кэш работает и в последних версиях Unix, но в качестве вспомогательного механизма), а так­же в ОС семейства NetWare.

Второй способ основан на возможностях подсистемы виртуальной памяти по отображению файлов на память, о чем рассказывалось в предыдущем разделе. При этом способе функции диспетчера дискового кэша значительно сокращаются, так как большую часть работы выполняет подсистема виртуальной памяти, а значит, уменьшается объем ядра ОС и повышается его надежность. Однако применение механизма отображения файлов имеет одно ограничение — во многих файловых системах существуют служебные данные, которые не от­носятся к файлам, а следовательно, не могут кэшироваться. Поэтому в таких случаях наряду с кэшем на основе виртуальной памяти применяется и традиционный кэш.