Эффективность работы - одна из важнейших задач подсистемы управления файлами.Самый естественный способ повысить производительность - минимизировать количество обращений к диску за счет кэширования. В общем случае кэширование - использование быстрого устройства для оптимизации работы устройства медленного. В данном случае часть блоков файла, с которыми активно взаимодействует приложение, размещается в буфере оперативной памяти. Периодически производится синхронизация содержимого кэша и диска. Возможность использования кэша в операционных системах обусловлена свойством локальности - объем ключевой информации в каждый момент времени относительно невелик.

Устройство кэша ОС Windows отличается от традиционного. В традиционной реализации кэш - буфер в оперативной памяти, содержащий ряд блоков диска и расположенный между файловой системой и системой ввода-вывода. Если имеется запрос на чтение (запись) в файл, файловая система вычисляет номер блока в файле и номер соответствующего ему блока диска. Перед чтением/записью блока диска производится проверка на предмет наличия этого блока в кэше. Если блок в кэше имеется, то запрос удовлетворяется из кэша, в противном случае запрошенный блок считывается в кэш с диска.

В ОС Windows кэш работает на более высоком уровне, нежели файловая система (Рис.12).

Рис. 12. Место менеджера кэша в системе ввода-вывода

С помощью техники файлов, отображаемых в память, часть считываемого (записываемого) файла проецируется в 256-килобайтный буфер кэша (Рис. 13).

Рис. 13. Файлы различного размера, спроецированные в системный кэш

В результате запрос на чтение с текущей позиции может быть непосредственно удовлетворен из кэша. Если же нужных байтов файла в кэше нет, то файловая система вычисляет логический номер блока в файле (LCN), затем логический номер блока на диске (VCN). После этого делается запрос к системе ввода-вывода на чтение этого блока, точнее, проецирование в буфер кэша части файла, содержащей данный блок. Подобная организация позволяет системе поддерживать единый централизованный кэш для всех используемых файловых систем (NTFS, FAT, CDFS, удаленная FS и др.), а файловые системы не обязаны управлять своими кэшами.

Важным свойством кэша является его когерентность. Менеджер кэша следит за соответствием открытых файлов и файлов, отображаемых в память (с помощью функции MapViewOfFile). Каждый раз, когда процесс считывает файл или отображает его в память, этот запрос удовлетворяется из кэша путем копирования соответствующего блока в адресное пространство процесса. Поэтому, независимо от того, сколько процессов откроют файл или отобразят его в память, реальное отображение в память происходит один раз. В итоге все процессы будут "видеть" одну и ту же версию файла.

Аккуратная реализация кэширования требует решения нескольких проблем.

Во-первых, емкость буфера кэша ограничена. У системного кэша нет собственного рабочего набора - он входит в единый системный рабочий набор. Размером системного рабочего набора управляет менеджер памяти, отвечающий за его расширение или усечение. При этом величина, помеченная как размер системного кэша на панели диспетчера задач, относится к размеру всего системного рабочего набора.

Во-вторых, поскольку кэширование использует механизм отложенной записи (lazy write), при котором модификация буфера не вызывает немедленной записи на диск, серьезной проблемой является "старение" информации в дисковых блоках кэшируемого файла. Несвоевременная синхронизация буфера кэша и диска может привести к очень нежелательным последствиям в случае отказов оборудования или программного обеспечения.

Записываемые данные в течение некоторого времени накапливаются, после чего сбрасываются на диск пакетом. С точки зрения быстродействия и снижения риска от возможных потерь очень важен выбор частоты сброса кэша. Обычно подсистема отложенной записи раз в секунду сбрасывает на диск одну восьмую количества модифицированных страниц системного кэша.

ОС Windows позволяет организовать вариант синхронного режима работы с отдельными файлами, задаваемый при открытии файла, при котором все изменения в файле немедленно сохраняются на диске. Для этого можно, например, установить флаг FILE_FLAG_WRITE_THROUGH при вызове функции CreateFile. Фактически, это отказ от кэширования и, соответственно, резкое снижение производительности.

Кроме того в любой момент можно принудительно сбросить содержимое кэша открытого файла на диск с помощью функции FlushFileBuffers. Напомним, что для отображаемого файла имеется аналогичная функция FlushViewOfFile.

Hадежность файловой системы

Поскольку разрушение файловой системы зачастую более опасно, чем разрушение компьютера, файловые системы должны разрабатываться с учетом подобной возможности. Сохранность информации может быть обеспечена за счет ее избыточности (резервное копирование, зеркалирование, образование RAID массивов). Файловые системы современных ОС содержат специальные средства для поддержки собственной целостности и непротиворечивости.