ジャーナリングファイルシステム/原理

原理を簡単に説明。ただし間違っているかも。

ジャーナリングファイルシステムの目的は、ファイルシステム 自体の保護である。なかのファイルの保護まではサポートしていない。

ファイルシステム を保護するというのはどういうことか ... 簡単にいうと、スーパーブロック、ディレクトリ、フリーリスト、inode および inode からリンクされているデータブロックのリスト といった メタデータの 整合性を取る ということになる。(ここでは、そういったデータすべてをメタデータ と表現する)

整合性を取るためには、トランザクションという考え方を導入する以外になく、 トランザクションを実現するためには、別のデータがディスク上に必要になる。

そのデータが ジャーナル というものであり、それを行うことがジャーナリング。

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さて、トランザクションをどう実現するかを簡単に説明する。

基本的に、データ自身の更新は、ファイルシステムの整合性には関係ない。 もともとあるデータブロックをいくら更新しても ファイルシステムの整合性 には関係ないのは当然として、 新しい データをアロケートして、ディスクに書いたとしても ファイルシステムの整合性には関係ない。なぜなら、 単に使っていない領域に書き込むだけだから。

• というのは厳密には間違い。使っていないデータブロックは、 フリーリストを形成している場合がある。

したがってメタデータをどのように更新するかということたけが重要である。

• メモリ上のメタデータを Disk に書きたい場合、どのように更新したかを ジャーナル に書き出す。
• ジャーナル に書き出されたのが確認できたならば
• メモリ上のメタデータを Disk に書く。( それまでは書いてはならない)
• メモリ上のメタデータを Disk に書き終ったことが確認できたならば、
• ジャーナル上のデータが不要になったことを ジャーナルに書き出す。

• データを復旧する際には、Disk に反映されていないかもしれない部分 (= 有効なジャーナル)について、更新を シミュレートしていく。 たぶん、この途中でアボートしたとしても、何度でもやりなおしができる。 ようになっている必要がある。

以上がジャーナリングのアイディアである。

さて、そのアイディアを実現するために どういうことが必要だろうか。

メモリ上のメタデータを Disk に書きたい場合、どのように更新したかを...

たとえば

• buffer を更新する場合、どこから どこまで更新されたか

憶えておく。

というのが、簡単で有効な方法だろう。

ジャーナルには、更新された内容と、どこから どこまで の内容か の情報を 書き出せば良い。

ただし、それだけでは不十分

• buffer を データブロックとして使ったならば、それも記録する。

必要がある。

ジャーナル上のデータが不要になったことを ジャーナルに書き出す。

ジャーナル上には、

       トランザクションN 
       [    更新データ   ] .... [トランザクションNの完了]  

といった、2 つのデータの組みが書かれることになる。

オリジナルデータは複数の領域をサポートしなければならない。

       データの数
       データ0 : ブロック番号  ブロック内の offset と size  内容がある位置
       データ1 : ブロック番号  ブロック内の offset と size  内容がある位置
       データ2 : ブロック番号  データブロックに使われたという情報
       データ3 : ブロック番号  ブロック内の offset と size  内容がある位置
       内容0
       内容1
       内容3

トランザクションの完了とは、関係するメモリ上のメタデータを Disk に書き終った ということだから、ずっと後になっても良い。

また、メモリ上のメタデータは、どんどん変更される。 かならずしも、トランザクションに残したデータと同じイメージが書かれるわけ ではない。なぜそれで良いかというと... そういう場合は、 実際にDiskにかかれるまでに、同一データに対して、 いくつかのスナップショットイメージが、ジャーナルに残る。
有効なスナップショットイメージを順に展開すると上書きすることになって、 最後のスナップショットイメージが残る。
そうやってできた Disk のデータは正しいもののはずである。
正しくないかもしれないデータであれば、ジャーナルで正しくでき。 有効なジャーナルになければ、ディスクのデータは正しい。

有効なジャーナルについて、更新を シミュレートしていく。

これはいったいどうやるのであろうか。

有効なジャーナルについて、その通りにすれば、データブロックを壊すかもしれない。 たとえば、有効なジャーナルが ある block について

      o block が free された
      o それは free リストのための block として使われた。
      o 結局また 使用されて データブロックになった。

これを、buf を使ってシミュレートすれば、データブロックの情報を壊してしまう。 たぶん、シミュレートした有効な最終結果 のみを Disk に反映しないといけない。

有効なジャーナルというのは、完了していない 最初のトランザクションの位置 から、最後に書き込んだ ところまで の範囲で、 完了していない トランザクションすべて ということになる。

• 最後のトランザクションのデータを書き込んでいる最中に システムが停止したようなケースだと、完全に書けているかも知れないし、 書けていないかも知れない。どちらにせよ、 それに対応するDiskの更新はまだ始まっていないから、 復旧しても/復旧しなくても ファイルシステムの整合性は保たれる。

• ちなみに、動いているときは、有効なジャーナルというのは正しく 把握している。なぜなら、一周して、有効なジャーナルを書き潰すという ことがあってはならないから。
• もちろん、どのデータをDisk に書いたら、トランザクションが完了するか についての依存関係も知っていないといけない。

さて.. 有効なジャーナルをどうやって見つけ出すか。

少なくとも

• 領域の先頭から順に すべてをみていけば、 有効なジャーナルを見つけ出せる。

という構造はしている必要があると思う。

そのためには、ジャーナルの領域の先頭は、かならず トランザクションデータの 先頭でないといけない。--- ようするに、リングバッファとして使うが、 最後のエリアを越えて先頭にまたがるデータは書かない。