Марк Руссинович - 3.Внутреннее устройство Windows (гл. 8-11)

B случае приложений, для которых невозможно предсказать схему чтения данных, функция CreateFile предусматривает флаг FILE_FLAG_RANDOM_ ACCESS. Этот флаг запрещает диспетчеру кэша предсказание адресов следующих операций чтения и тем самым отключает опережающее чтение. Этот флаг также предотвращает агрессивное удаление диспетчером кэша проекций представлений файла по мере обращения к его (файла) данным, что минимизирует число операций проецирования/удаления проекций, выполняемых над файлом при повторном обращении приложения к тем же областям файла.

Диспетчер кэша реализует кэш с обратной отложенной записью (write-back cache with lazy write). Это означает, что данные, записываемые в файлы, сначала хранятся в страницах кэша в памяти, а потом записываются на диск. Таким образом, записываемые данные в течение некоторого времени накапливаются, после чего сбрасываются на диск пакетом, что уменьшает общее число операций дискового ввода-вывода.

Для сброса страниц кэша диспетчер кэша должен явно вызвать диспетчер памяти, поскольку в ином случае тот записывает на диск содержимое памяти только при нехватке физической памяти. Ho, если процесс модифицирует кэшируемые данные, пользователь ожидает, что изменения будут своевременно отражены на диске.

Выбор частоты сброса кэша очень важен. Если слишком часто сбрасывать кэш, быстродействие системы снизится из-за дополнительного ввода-вывода. A при слишком редком сбросе кэша появится риск потери модифицированных файловых данных в случае аварии системы и нехватки физической памяти (которая будет занята чрезмерно большим количеством модифицированных страниц).

Чтобы избежать этих крайностей, раз в секунду в системном рабочем потоке выполняется функция отложенной записи диспетчера кэша, которая сбрасывает на диск (точнее, ставит в очередь на запись) одну восьмую часть измененных страниц системного кэша. Если измененные страницы появляются быстрее, чем сбрасываются, подсистема отложенной записи дополнительно сбрасывает соответствующее дополнительное количество измененных страниц. Реальные операции ввода-вывода выполняются системными рабочими потоками из пула общесистемных критичных рабочих потоков.

ПРИМЕЧАНИЕ Диспетчер кэша предоставляет драйверам файловой системы средства, позволяющие отслеживать, когда и сколько данных было записано в файл. После того как подсистема отложенной записи сбрасывает на диск измененные страницы, диспетчер кэша уведомляет об этом файловую систему, чтобы она обновила свое значение для длины действительных данных файла. (Диспетчер кэша и файловые системы раздельно отслеживают длину действительных данных для файла в памяти.)

Наблюдать за активностью подсистемы отложенной записи позволяют счетчики производительности или системные переменные, перечисленные в таблице 11–11.

Если вы создаете временный файл вызовом Windows-функции CreateFile с флагом FILE_ATTRIBUTE_TEMPORARY, подсистема отложенной записи не станет записывать измененные страницы этого файла на диск, пока не возникнет существенная нехватка физической памяти или пока файл не будет явно сброшен на диск. Эта особенность подсистемы отложенной записи повышает быстродействие системы: данные, которые в конечном счете могут быть отброшены, на диск сразу не записываются. Приложения обычно удаляют временные файлы вскоре после закрытия.

Поскольку некоторые приложения не терпят ни малейших задержек между записью в файл и реальным обновлением данных на диске, диспетчер кэша поддерживает кэширование со сквозной записью (write-through caching), включаемое для каждого объекта «файл» индивидуально; при этом изменения записываются на диск по мере их внесения. Чтобы включить кэширование со сквозной записью, при вызове функции CreateFile надо установить флаг FILE_FLAG_WRITE_THROUGH. B качестве альтернативы поток может явно сбрасывать на диск измененные данные вызовом Windows-функции FlushFileBuffers. Вы можете наблюдать за операциями сброса кэша в результате запросов на сквозной ввод-вывод или явных вызовов FlushFileBuffers через счетчики производительности или системные переменные, перечисленные в таблице 11–12.

Если подсистема отложенной записи должна записать на диск данные из представления, проецируемого и на адресное пространство другого процесса, ситуация несколько усложняется. Дело в том, что диспетчеру кэша известны лишь страницы, модифицированные им самим. (O страницах, модифицированных другим процессом, знает только этот процесс, так как биты изменения этих страниц находятся в элементах таблиц страниц, принадлежащих исключительно процессу.) Чтобы справиться с этой ситуацией, диспетчер памяти посылает диспетчеру кэша соответствующее уведомление в тот момент, когда пользователь проецирует какой-либо файл. При сбросе такого файла из кэша (например, в результате вызова Windows-функции FlushFileBuffers) диспетчер кэша записывает на диск модифицированные страницы из кэша, а затем проверяет, не спроецирован ли этот файл другим процессом. Если да, диспетчер кэша сбрасывает все представление раздела для того, чтобы записать любые страницы, которые мог модифицировать второй процесс. Если пользователь заканчивает проецировать представление файла, открытого и в кэше, модифицированные страницы помечаются как измененные, чтобы при последующем сбросе представления подсистемой отложенной записи эти страницы были записаны на диск. Такой алгоритм действует всякий раз, когда возникает следующая последовательность событий.

1. Пользователь удаляет проекцию представления.

2. Процесс сбрасывает файловые буферы.

При ином порядке событий предсказать, какие страницы будут записаны на диск, нельзя.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдение за операциями сброса кэша

Вы можете увидеть, как диспетчер кэша проецирует представления в системный кэш и сбрасывает страницы на диск, запустив оснастку Performance (Производительность) и добавив счетчики Data Maps/sec (Отображений данных/сек) и LazyWrite Flushes/sec (Сбросов ленивой записи/сек), а затем скопировав большой файл из одного места в другое. Ha следующей иллюстрации показаны графики, относящиеся к Data Maps/sec (верхний) и к LazyWrite Flushes/sec (нижний).

Файловая система и диспетчер кэша должны определять, повлияет ли запрос кэшированной записи на производительность системы, и исходя из этого планировать отложенные операции записи. Сначала файловая система через функцию CcCanIWrite выясняет у диспетчера кэша, можно ли записать определенное число байтов прямо сейчас без ущерба для производительности, и при необходимости блокирует запись. Далее она настраивает обратный вызов диспетчера кэша для автоматической записи данных на диск, когда запись вновь будет разрешена вызовом CcDeferWrite. Получив уведомление о предстоящей операции записи, диспетчер кэша определяет, сколько измененных страниц находится в кэше и какой объем физической памяти доступен. Если свободных физических страниц мало, диспетчер кэша немедленно блокирует поток файловой системы, выдавший запрос на запись данных в кэш. Подсистема отложенной записи сбрасывает часть измененных страниц на диск, после чего разрешает продолжить выполнение блокированного потока файловой системы. Такой механизм, называемый дросселированием записи (write throttling), предотвращает падение быстродействия системы из-за нехватки памяти при операциях записи большого объема данных, инициируемых файловой системой или сетевым сервером.

ПРИМЕЧАНИЕ Дросселирование записи оказывает глобальное влияние на систему, так как ресурс, на котором основан этот механизм, — свободная физическая память — является глобальным. И если интенсивная запись на медленное устройство вызывает дросселирование, это распространяется на операции записи и на другие устройства.

Пороговое число измененных страниц (dirty page threshold) — это количество страниц, хранимых системным кэшем в памяти, по достижении которого пробуждается поток подсистемы отложенной записи для сброса страниц на диск. Это значение вычисляется при инициализации системы и зависит от объема физической памяти и параметра реестра LargeSystemCache, как мы уже объясняли.

Алгоритм расчета порогового числа измененных страниц представлен в таблице 11–13. Результат расчета с использованием этого алгоритма игнорируется, если максимальный размер системного рабочего набора превышает 4 Мб, — а именно так зачастую и происходит. (Определение малого, среднего и большого объема системной памяти см. в главе 7.) Когда максимальный размер рабочего набора превышает 4 Мб, пороговое число измененных страниц устанавливается равным максимальному размеру системного рабочего набора за вычетом 2 Мб.