Информатика операционные системы

Кэширование

В системах, состоящих из клиентов и серверов, потенциально имеется четыре различных места для хранения файлов и их частей: диск сервера, память сервера, диск клиента (если имеется) и память клиента. Наиболее подходящим местом для хранения всех файлов является диск сервера. Он обычно имеет большую емкость, и файлы становятся доступными всем клиентам. Кроме того, поскольку в этом случае существует только одна копия каждого файла, то не возникает проблемы согласования состояний копий.

Проблемой при использовании диска сервера является производительность. Перед тем, как клиент сможет прочитать файл, файл должен быть переписан с диска сервера в его оперативную память, а затем передан по сети в память клиента. Обе передачи занимают время.

Значительное увеличение производительности может быть достигнуто за счет кэширования файлов в памяти сервера. Требуются алгоритмы для определения, какие файлы или их части следует хранить в кэш-памяти.

При выборе алгоритма должны решаться две задачи. Во-первых, какими единицами оперирует кэш. Этими единицами могут быть или дисковые блоки, или целые файлы. Если это целые файлы, то они могут храниться на диске непрерывными областями (по крайней мере в виде больших участков), при этом уменьшается число обменов между памятью и диском а, следовательно, обеспечивается высокая производительность. Кэширование блоков диска позволяет более эффективно использовать память кэша и дисковое пространство.

Во-вторых, необходимо определить правило замены данных при заполнении кэш-памяти. Здесь можно использовать любой стандартный алгоритм кэширования, например, алгоритм LRU (least recently used), соответствии с которым вытесняется блок, к которому дольше всего не было обращения.

Кэш-память на сервере легко реализуется и совершенно прозрачна для клиента. Так как сервер может синхронизировать работу памяти и диска, с точки зрения клиентов существует только одна копия каждого файла, так что проблема согласования не возникает.

Хотя кэширование на сервере исключает обмен с диском при каждом доступе, все еще остается обмен по сети. Существует только один путь избавиться от обмена по сети - это кэширование на стороне клиента, которое, однако, порождает много сложностей.

Так как в большинстве систем используется кэширование в памяти клиента, а не на его диске, то мы рассмотрим только этот случай. При проектировании такого варианта имеется три возможности размещения кэша (рисунок 3.11). Самый простой состоит в кэшировании файлов непосредственно внутри адресного пространства каждого пользовательского процесса. Обычно кэш управляется с помощью библиотеки системных вызов. По мере того, как файлы открываются, закрываются, читаются и пишутся, библиотека просто сохраняет наиболее часто используемые файлы. Когда процесс завершается, все модифицированные файлы записываются назад на сервер. Хотя эта схема реализуется с чрезвычайно низкими издержками, она эффективна только тогда, когда отдельные процессы часто повторно открывают и закрывают файлы. Таким является процесс менеджера базы данных, но обычные программы чаще всего читают каждый файл однократно, так что кэширование с помощью библиотеки в этом случае не дает выигрыша.

Рис. 3.11. Различные способы выполнения кэша в клиентской памяти
а - без кэширования; б - кэширование внутри каждого процесса; в - кэширование в ядре;
г - кэш-менеджер как пользовательский процесс

Другим местом кэширования является ядро. Недостатком этого варианта является то, что во всех случаях требуется выполнять системные вызовы, даже в случае успешного обращения к кэш-памяти (файл оказался в кэше). Но преимуществом является то, что файлы остаются в кэше и после завершения процессов. Например, предположим, что двухпроходный компилятор выполняется, как два процесса. Первый проход записывает промежуточный файл, который читается вторым проходом. На рисунке 3.11,в показано, что после завершения процесса первого прохода промежуточный файл, вероятно, будет находиться в кэше, так что вызов сервера не потребуется.

Третьим вариантом организации кэша является создание отдельного процесса пользовательского уровня - кэш-менеджера. Преимущество этого подхода заключается в том, что ядро освобождается от кода файловой системы и тем самым реализуются все достоинства микроядер.

С другой стороны, когда ядро управляет кэшем, оно может динамически решить, сколько памяти выделить для программ, а сколько для кэша. Когда же кэш-менеджер пользовательского уровня работает на машине с виртуальной памятью, то понятно, что ядро может решить выгрузить некоторые, или даже все страницы кэша на диск, так что для так называемого "попадания в кэш" требуется подкачка одной или более страниц. Нечего и говорить, что это полностью дискредитирует идею кэширования. Однако, если в системе имеется возможность фиксировать некоторые страницы в памяти, то такая парадоксальная ситуация может быть исключена.

Как и везде, нельзя получить что-либо, не заплатив чем-то за это. Кэширование на стороне клиента вносит в систему проблему несогласованности данных.

Одним из путей решения проблемы согласования является использование алгоритма сквозной записи. Когда кэшируемый элемент (файл или блок) модифицируется, новое значение записывается в кэш и одновременно посылается на сервер. Теперь другой процесс, читающий этот файл, получает самую последнюю версию.

Один из недостатков алгоритма сквозной записи состоит в том, что он уменьшает интенсивность сетевого обмена только при чтении, при записи интенсивность сетевого обмена та же самая, что и без кэширования. Многие разработчики систем находят это неприемлемым и предлагают следующий алгоритм, использующий отложенную запись: вместо того, чтобы выполнять запись на сервер, клиент просто помечает, что файл изменен. Примерно каждые 30 секунд все изменения в файлах собираются вместе и отсылаются на сервер за один прием. Одна большая запись обычно более эффективна, чем много маленьких.

Следующим шагом в этом направлении является принятие сессионной семантики, в соответствии с которой запись файла на сервер производится только после его закрытия. Этот алгоритм называется "запись-по-закрытию". Как мы видели раньше, этот путь приводит к тому, что если две копии одного файла кэшируются на разных машинах и последовательно записываются на сервер, то второй записывается поверх первого. Однако это не так уж плохо, как кажется на первый взгляд. В однопроцессорной системе два процесса могут открыть и читать файл, модифицировать его в своих адресных пространствах, а затем записать его назад. Следовательно, алгоритм "запись-по-закрытию", основанный на сессионной семантике, не намного хуже варианта, уже используемого в однопроцессорной системе.

Совершенно отличный подход к проблеме согласования - это использование алгоритма централизованного управления (этот подход соответствует семантике UNIX). Когда файл открыт, машина, открывшая его, посылает сообщение файловому серверу, чтобы оповестить его об этом факте. Файл-сервер сохраняет информацию о том, кто открыл какой файл, и о том, открыт ли он для чтения, для записи, или для того и другого. Если файл открыт для чтения, то нет никаких препятствий для разрешения другим процессам открыть его для чтения, но открытие его для записи должно быть запрещено. Аналогично, если некоторый процесс открыл файл для записи, то все другие виды доступа должны быть предотвращены. При закрытии файла также необходимо оповестить файл-сервер для того, чтобы он обновил свои таблицы, содержащие данные об открытых файлах. Модифицированный файл также может быть выгружен на сервер в такой момент.

Четыре алгоритма управления кэшированием обобщаются следующим образом:

1. Сквозная запись. Этот метод эффективен частично, так как уменьшает интенсивность только операций чтения, а интенсивность операций записи остается неизменной.

2. Отложенная запись. Производительность лучше, но результат чтения кэшированного файла не всегда однозначен.

3. "Запись-по-закрытию". Удовлетворяет сессионной семантике.

4. Централизованное управление. Ненадежен вследствие своей централизованной природы.

Подводя итоги обсуждения проблемы кэширования, нужно отметить, что кэширование на сервере несложно реализуется и почти всегда дает эффект, независимо от того, реализовано кэширование у клиента или нет. Кэширование на сервере не влияет на семантику файловой системы, видимую клиентом. Кэширование у клиента напротив дает увеличение производительности, но увеличивает и сложность семантики.

Информатика операционные системы

Персональный компьютер Основы сетевых ОС операционных систем Методы распределения памяти Файловая система права доступа к файлу UNIX