58. Обзор диспетчера кэша Windows. (Лекция 12)

Диспетчер кэша (cache manager) — это набор функций режима ядра и системных потоков, во взаимодействии с диспетчером памяти обеспечивающих кэширование данных для всех драйверов файловых систем Windows (как локальных, так и сетевых).

Архитектура ввода/вывода содержит единственный, диспетчер кэша (Cache Manager), который осуществляет кэширование для всей системы в/в. Кэширование (Caching) - метод, используемый файловой системой для увеличения эффективности. Вместо непосредственной записи и считывания с диска, часто используемые файлы временно сохраняются в кэш-памяти; таким образом, работа с этими файлами выполняется в памяти. Операции с данными, находящимися в памяти, производятся значительно быстрее операций с данными на диске. Диспетчер кэша использует модель отображения файла, которая интегрирована с диспетчером виртуальной памяти NT. Диспетчер кэша обеспечивает службу кэширования для всех файловых систем и сетевых компонентов, функционирующих под управлением диспетчера в/в. В зависимости от объема доступной оперативной памяти диспетчер кэша может динамически увеличивать или уменьшать размер кэша. Когда процесс открывает файл, который уже находился в кэше, диспетчер кэша просто копирует данные из кэша в виртуальное адресное пространство. Диспетчер кэша поддерживает службы типа ленивой записи (lazy write) и ленивой фиксации (lazy commit), которые могут значительно увеличить эффективность файловойсистемы. В процессе ленивой записи изменения решетируются в кэше файловой структуры, обеспечивающем более быстрый доступ. Позднее, когда загрузка центрального процессора снижена, диспетчер кэша заносит изменения на диск. Ленивая фиксация подобна ленивой записи. Вместо немедленной маркировки транзакции как успешно завершившейся, переданная информация кэшируется и позднее в фоновом режиме записывается в журнал файловой системы.

Диспетчер кэша: - поддерживает все файловые системы Windows (как локальные, так и сетевые), исключая необходимость реализации в каждой файловой системе собственного кода управления кэшем; - c помощью диспетчера памяти контролирует, какие части и каких файлов находятся в физической памяти (обеспечивая компромисс между потребностями в физической памяти пользовательских процессов и операционной системы в отличие от большинства других систем кэширования, которые кэшируют данные на основе логических блоков (смещений внутри дисковых томов), кэширует данные на основе виртуальных блоков (смещений внутри файлов), что позволяет реализовать алгоритм интеллектуального опережающего чтения и обеспечить высокоскоростной доступ к кэшу без участия драйверов файловых систем (этот метод кэширования называется быстрым вводом-выводом); распознает параметры, передаваемые приложениями при открытии файлов (например, прямой или последовательный доступ, временный файл или постоянный и т. д.); - поддерживает восстанавливаемые файловые системы (например, регистрирующие транзакции LFS), что дает возможность восстанавливать данные после аварий. Для хранения кэшируемых данных выделяется виртуальная память в системной части – системный кэш, распределяемый блоками по 256 КБайт (т.н. представления). Диспетчер кэша ведет перечень занятых представлений – системный массив VACB (virtual address control blocks). Запись VACB связывает номер представления и смещение в файле. Каждый кэшируемый файл имеет общую карту кэша, содержащую массив индексов VACB (VACB index array).

Единый централизованный системный кэш: B некоторых операционных системах данные кэшируются каждой файловой системой индивидуально. Это приводит к дублированию кода, отвечающего за кэширование и управление памятью, или к ограничению видов данных, которые можно кэшировать. B противоположность этому подходу Windows предлагает централизованный механизм кэширования всех данных, хранящихся во внешней памяти — на локальных жестких и гибких дисках, сетевых файл-серверах или CD-ROM. Кэшировать можно любые данные — как пользовательские (содержимое файлов при операциях чтения или записи), так и метаданные файловой системы (например, заголовки каталогов и файлов).

Диспетчер памяти: Одно необычное свойство диспетчера кэша заключается в том, что он никогда не знает, какая часть кэшируемых данных действительно находится в физической памяти. диспетчер кэша обращается к данным, проецируя представления файлов на виртуальные адресные пространства с помощью стандартных объектов «раздел». По мере доступа к адресам проецируемых представлений файлов диспетчер памяти подгружает нерезидентные блоки в физическую память. A при необходимости диспетчер памяти может выгружать данные из кэша обратно в файлы, проецируемые на кэш.

Используя кэширование на основе проецирования файлов на виртуальное адресное пространство, диспетчер кэша избегает генерации пакетов запроса ввода-вывода (IRP) при обращении к данным кэшируемых файлов. Вместо этого он просто копирует данные по виртуальным адресам, по которым проецируются кэшируемые данные, а диспетчер памяти при необходимости подгружает данные в память (или выгружает их из нее). Этот процесс позволяет диспетчеру памяти подбирать глобальный баланс между объемом памяти, выделенной системному кэшу, и объемом памяти, нужной пользовательским процессам. (Диспетчер кэша также инициирует ввод-вывод, например отложенную запись, но сама запись страниц осуществляется диспетчером памяти.) Как вы узнаете из следующего раздела, такая архитектура дает возможность процессам, открывающим кэшируемые файлы, видеть те же данные, что и процессам, проецирующим эти файлы на свои адресные пространства.