Überblick über Dateisystemoperationen Was ist ein Journaling-Dateisystem?

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Ein Journaling-Dateisystem zeichnet Dateisystemoperationen temporär in einem Logfile auf. Mithilfe des Journals lässt sich die Konsistenz des Dateisystems, beispielsweise nach einem Systemabsturz oder einem Stromausfall, wiederherstellen, ohne dass eine zeitaufwendige Prüfung des kompletten Dateisystems notwendig wird. Beispiele für Dateisysteme mit Journaling-Funktion sind NTFS bei Windows-Rechnern oder EXT4 bei Linux-Rechnern.

Bei einem Journaling-Dateisystem handelt es sich um ein Dateisystem, das Änderungen in einem Logfile (Journal) temporär protokolliert. Es führt quasi Buch über die Dateisystemoperationen. Können Dateisystemoperationen, beispielsweise aufgrund eines Stromausfalls oder eines Systemabsturzes, nicht abgeschlossen werden, lässt sich die Konsistenz des Dateisystems mit den im Journal gespeicherten Informationen schnell wiederherstellen. Eine zeitaufwendige, unter Umständen manuelle Prüfung und Reparatur des kompletten Dateisystems wird vermieden.

Aktuelle Dateisysteme vieler gängigen Betriebssysteme verfügen über eine Journaling-Funktion. Dazu zählen zum Beispiel EXT3, EXT4 und ReiserFS bei Linux, NTFS bei Windows, APFS bei macOS, XFS bei UNIX-basierten Betriebssystemen und viele mehr.

Prinzipielle Funktionsweise eines Journaling-Dateisystems

Je nach Implementierung und Dateisystemtyp gibt es leichte Unterschiede in der exakten Funktionsweise des Journalings. Grundsätzlich kann zwischen dem Metadaten-Journaling und dem Full-Journaling unterschieden werden. Während Metadaten-Journaling auf die Konsistenz des Dateisystems abzielt, ermöglicht Full-Journaling auch die Konsistenz sämtlicher Dateiinhalte.

Etwas vereinfacht dargestellt, funktioniert Journaling folgendermaßen: Soll beispielsweise eine Datei auf dem Dateisystem geschrieben oder verändert werden, wird die Information über die Dateisystemoperation zunächst im Journal aufgezeichnet. Erst anschließend wird die eigentliche Dateisystemoperation durchgeführt. Nach erfolgreichem Abschluss der Dateisystemoperation erhält der Eintrag im Journal einen Vermerk über die erfolgreiche Ausführung. Finden sich, beispielsweise nach einem Bootvorgang, nicht abgeschlossene Dateisystemoperationen im Journal, lässt sich die Konsistenz des Dateisystems wiederherstellen, indem die nicht abgeschlossenen Dateisystemoperationen erneut durchgeführt oder komplett rückgängig gemacht werden.

Da ein Journal nicht beliebig groß werden kann, löscht das Dateisystem von Zeit zu Zeit nach der Feststellung der Konsistenz ältere Einträge im Journal.

Abgrenzung zu Copy-on-Write

Eine weitere Methode zur Sicherstellung der Konsistenz des Dateisystems und der Integrität der Daten ist Copy-on-Write (CoW). Copy-on-Write basiert allerdings auf einem anderen Konzept und hat eine vom Journaling abweichende Funktionsweise. Copy-on-Write zeichnet kein Logfile über die Dateisystemoperationen auf, sondern führt sämtliche Änderungen im Dateisystem auf Datenkopien aus. Hierfür erstellt CoW bei Datenänderungen Kopien der Daten und nimmt die Änderungen an diesen Kopien vor. Die Originaldaten bleiben erhalten. Erst wenn die Änderungen vollständig durchgeführt wurden, werden anstelle der alten Daten die neuen Daten verwendet. Über die Snapshot-Funktion lässt sich aufgrund der vorhandenen alten Daten ein vorheriger Zustand des Dateisystems direkt wiederherstellen.

Vor- und Nachteile von Journaling-Dateisystemen

Vorteile von Journaling-Dateisystemen sind:

• Die Konsistenz eines Dateisystems lässt sich nach Systemabstürzen oder Stromausfällen schnell automatisch wiederherstellen,

• zeitaufwendige Prüfungen des kompletten Dateisystems oder manuelle Reparaturen werden überflüssig,

• Full-Journaling stellt auch die Konsistenz der Dateiinhalte und die Dateiintegrität sicher.

Als Nachteile lassen sich aufführen:

• höherer Overhead bei Dateisystemoperationen durch die zusätzlichen Aktualisierungen des Journals,

• höherer Speicherbedarf aufgrund der Aufzeichnung der Dateisystemoperationen im Journal,

• Gefahr einer stärkeren Fragmentierung des Dateisystems,

• höhere Komplexität des Dateisystems.

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