ログ構造化ファイルシステム

ログ構造ファイルシステムは、データとメタデータがログと呼ばれる循環バッファに順番に書き込まれるファイルシステムです。この設計は、1988年にJohn K. OusterhoutとFred Douglisによって最初に提案され、1992年にOusterhoutとMendel RosenblumによってUnixのようなSprite分散オペレーティングシステム用に最初に実装されました。^[1]

従来のファイル システムでは、空間的な局所性に細心の注意を払ってファイルをレイアウトし、比較的ゆっくりとシークする傾向がある光ディスクや磁気ディスク上で良好なパフォーマンスを発揮するために、データ構造をその場で変更します。

ログ構造化ファイル システムの設計は、現代のコンピューターのメモリ サイズが増大し続けると、読み取りがほぼ常にメモリ キャッシュから満たされるため、I/O が書き込み中心になり、もはや効果的ではなくなるという仮説に基づいています。したがって、ログ構造化ファイル システムでは、ストレージを循環ログとして扱い、ログの先頭に順番に書き込みます。

これにはいくつかの重要な副作用があります。

• 光ディスクと磁気ディスクの書き込みスループットは、大規模な連続実行にバッチ処理でき、コストのかかるシークが最小限に抑えられるため、向上します。
  • この構造は、フラッシュストレージやシングル磁気記録HDDなどの追記専用ゾーンやページを持つメディアに自然に適している^{[2] [3]}
• 書き込みにより、ファイル データとメタデータの両方について、時系列で進む複数のバージョンが作成されます。一部の実装では、これらの古いファイル バージョンに名前を付けてアクセスできるようにしています。この機能は、タイム トラベルまたはスナップショットと呼ばれることもあります。これは、バージョン管理ファイル システムと非常によく似ています。
• クラッシュからの回復はより簡単です。次回のマウント時に、ファイル システムは不整合を修正するためにすべてのデータ構造を調べる必要はなく、ログ内の最後の整合ポイ​​ントから状態を再構築できます。

ただし、ログ構造のファイル システムでは、ログの先頭が折り返してファイル システムがいっぱいになるのを防ぐために、ログの末尾から空き領域を再利用する必要があります。末尾は、ログのさらに先に新しいバージョンが存在するデータをスキップすることで、領域を解放して先に進むことができます。新しいバージョンがない場合、データは移動され、先頭に追加されます。

このガベージ コレクションによって発生するオーバーヘッドを削減するために、ほとんどの実装では、純粋な循環ログを避け、ストレージをセグメントに分割します。ログの先頭は、すでに空いている隣接していないセグメントに進みます。スペースが必要な場合は、最も使用されていないセグメントが最初に再利用されます。これにより、ガベージ コレクターの I/O 負荷が軽減されます (書き込み増幅も軽減されます) が、ファイル システムがいっぱいになり、容量に近づくにつれて、効果はますます低下します。

ログ構造化ファイルシステムの設計原理では、ほとんどの読み取りはメモリ キャッシュの拡大によって最適化されると想定されています。この想定は必ずしも当てはまりません。

• シークが比較的コストのかかる磁気メディアでは、従来のファイル システムでは通常インプレース書き込みによって連続性が保たれるファイルがログ構造によって断片化されるため、実際には読み取り速度が大幅に低下する可能性があります。
• フラッシュ メモリでは、シーク時間は通常無視できるほど小さいため、書き込みの断片化が書き込みスループットに与える影響がはるかに小さいため、ログ構造によってパフォーマンスが向上する可能性は低い。もう 1 つの問題は、ログを別のログの上に積み重ねることである。これは、整列されていないアクセスで複数の消去を強制するため、あまり良い考えではない。^[4]ただし、多くのフラッシュ ベースのデバイスでは、ブロックの一部を再書き込みすることができず、再書き込みを行う前に、各ブロックの (低速な) 消去サイクルを実行する必要がある。すべての書き込みを 1 つのブロックにまとめると、書き込みがさまざまなブロックに分散され、各書き込みがバッファにコピーされ、消去されて書き戻されるのに比べてパフォーマンスが向上する。これは、フラッシュ変換層がバイパスされるいわゆる「生の」フラッシュ メモリにとって明らかな利点である。^[要出典]

• ファイルシステムの比較
• ログ構造化ファイルシステムのリスト

• ログ構造化ファイルシステム (2014)、Arpaci-Dusseau、Remzi H.、Arpaci-Dusseau、Andrea C.、Arpaci-Dusseau 書籍