从 NILFS2 看 Log-Structure 文件系统（4）

look_w

磁盘布局NILFS2 将磁盘平均分成多个 segment，除了第一个 segment 之外，其他的 segment 大小都相同。第一个 segment 之所以特殊，是因为这里是磁盘的开头，superblock 存放于此。因此第一个 segment 的大小需要减去 superblock 所占用的空间。如图所示：
图 10. segment 布局在每一个 Segment 内，NILFS2 顺序追加 LOG。因此在磁盘上，segment 由连续的 log 组成。每个 log 有一个 summary block；之后是 payload，即文件系统的修改记录，这里不仅存储了普通文件的修改记录，还有 metadata file 的修改记录；最后有一个 SR。
Checkpoint 和 Snapshot追加写 log 的设计使得 snapshot 的实现非常容易。因为 NILFS2 从来不覆盖原始数据，所以 snapshot 可以很方便地产生。图 11 试图描述 NILFS2 snapshot 的实现原理。
图 11. 快照图 11 中引入了新的术语 checkpoint，checkpoint 是一种特殊的 snapshot，是对文件系统某个一致状态的快照。Checkpoint 这个概念是数据库系统中最先使用的，在事务处理中，使用 Log 记录所有的修改操作，当事务失败，便可以根据 Log undo 所有的修改操作，从而达到回滚或灾难恢复的目的。但随着时间推移，日志会越来越长，以至于恢复的时候需要 undo 的操作过多。checkpoint 就是这些日志中的某个点，在这个点上，数据库处于一致状态，因此数据库恢复时，一旦遇到一个 checkpoint，便可以停止读取日志。Checkpoint 之前的老日志记录也可以被删除以便节省磁盘空间。在 NILFS2 中的 checkpoint 也很类似，表示了文件系统某个一致性状态的点。
在 NILFS2 中，checkpoint 自动产生，当文件系统被修改时，新的 Log 被追加到 Disk 末尾。每个 Log 中都会插入一个 SR 数据块，其中保存了 checkpoint 的相关数据。在图 11 中，通过 checkpoint A 便可以找到文件 File1 的旧数据 Block A 和 Block B。同理，通过 checkpoint B 便可以读到文件 File1 的新数据。
Snapshot 和 Checkpoint 不同。Checkpoint 由 NILFS2 自动建立，但也会自动被删除。当磁盘空间不够，或者 checkpoint 的年龄已经比较老的时候，checkpoint 会被系统的垃圾收集机制自动删除，以便释放新的磁盘空间。Snapshot 由用户建立，用户可以将一个 checkpoint 转换为 snapshot，也可以建立一个 Snapshot，系统不会自动回收 Snapshot。其他方面 snapshot 和 checkpoint 是相同的。
事务处理和 segment construction很多关于文件的操作都是由多个子操作组成，每个子操作只修改一个特定的元数据，只有所有的子操作都完成，文件操作才算成功；任何子操作失败，就应该回滚到文件系统之前的状态。这些子操作便是一个事务。
事务提交之后，文件系统便处于一致性状态。如前所述，这便是一个 checkpoint。
创建 checkpoint 在 NILFS2 的术语中叫做 segment construction。NILFS2 用一个专门的内核线程来处理 segment construction 的工作。该线程定时被唤醒，假如需要，便创建一个 segment，生成一个 checkpoint。这就是 NILFS2 不间断 snapshot 的具体实现。此外，每次事务提交之后，NILFS2 也将唤醒后台线程，创建一个 checkpoint。
下面以创建文件为例理解事务和 segment construction。
用户程序调用 open() 系统调用，并制定 O_CREAT 选项。VFS 将调用 nilfs 文件系统注册的 nilfs_create() 函数。代码如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

static int nilfs_create(struct inode *dir, struct dentry *dentry, int mode,             struct nameidata *nd) {     err = nilfs_transaction_begin(dir->i_sb, &ti, 1);     inode = nilfs_new_inode(dir, mode);     err = PTR_ERR(inode);     if (!IS_ERR(inode)) {         inode->i_op = &nilfs_file_inode_operations;         inode->i_fop = &nilfs_file_operations;         inode->i_mapping->a_ops = &nilfs_aops;         mark_inode_dirty(inode);         err = nilfs_add_nondir(dentry, inode);     }     if (!err)         err = nilfs_transaction_commit(dir->i_sb);     else         nilfs_transaction_abort(dir->i_sb); }

这里主要有两个步骤：创建新的 inode；修改 dir 文件。Nilfs 用 transaction 保护这两个动作。
在 nilfs_transaction_begin 中，nilfs2 将获得一个内核信号量，这样就保证了 transaction 的互斥性。此后调用 nilfs_new_inode 和 nilfs_add_nondir 来修改相应的元数据文件。当这些操作都成功完成后，调用 nilfs_transaction_commit 提交这次事务。
nilfs_transaction_commit 函数首先释放内核信号量，然后唤醒负责处理事务的 nilfs 内核线程。该线程被唤醒后将执行 nilfs_construct_segment 函数，构建一个完整的 Log，即添加 checkpoint，修改 cpfile，插入 super block root，最后更改 superblock 使其指向新的 super block root。