Linux 文件系统同步

浏览数：23 / 时间：2015年06月20日

　　同步就是将物理内存中dirty的页写入到磁盘中，保证磁盘和物理页之间的内容一致。

　　触发同步操作的时机：

　　1、周期性内核线程，扫描脏页，根据一定的规则选择脏页，将页写回到磁盘。

　　2、如果内核中的脏页过多，会触发同步

　　3、内核中其它组件触发同步操作（如sync、fsync和fdatasync等函数调用）

　　传统的UNIX实现在内核中设有缓冲区高速缓存或页面高速缓存，大多数磁盘I/O都通过缓冲进行。当将数据写入文件时，内核通常先将该数据复制到其中一个缓冲区中，如果该缓冲区尚未写满，则并不将其排入输出队列，而是等待其写满或者当内核需要重用该缓冲区以便存放其他磁盘块数据时，再将该缓冲排入输出队列，然后待其到达队首时，才进行实际的I/O操作。这种输出方式被称为延迟写（delayed write）（Bach [1986]第3章详细讨论了缓冲区高速缓存）。

　　延迟写减少了磁盘读写次数，但是却降低了文件内容的更新速度，使得欲写到文件中的数据在一段时间内并没有写到磁盘上。当系统发生故障时，这种延迟可能造成文件更新内容的丢失。为了保证磁盘上实际文件系统与缓冲区高速缓存中内容的一致性，UNIX系统提供了sync、fsync和fdatasync三个函数。

　　sync函数或者命令：只是将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后就返回，它并不等待实际写磁盘操作结束。通常称为update的系统守护进程会周期性地（一般每隔30秒）调用sync函数。这就保证了定期冲洗内核的块缓冲区。命令sync(1)也调用sync函数。linux默认情况下几乎所有应用场合都是不会将文件立马保存入磁盘的，在嵌入式上也是同样的表现，如果mount时候加上sync选项就可以保证数据立马写入，但是这种会造成系统较多的写入磁盘，磁盘的寿命就不会太长了，如果是需要保存数据，可以显式调用命令sync来写入所有文件，或者fsync来保存某个文件。unix系统运行经验表明，为确保可靠起见，应执行两遍sync命令，这是因为sync命令完成时，并不保证信息实际写到了磁盘上，虽然已经执行了一遍这个命令，cp 完之后要执行 sync 命令将缓冲区的内容写到磁盘中。

　　fsync函数只对由文件描述符filedes指定的单一文件起作用，并且等待写磁盘操作结束，然后返回。fsync可用于数据库这样的应用程序，这种应用程序需要确保将修改过的块立即写到磁盘上。

　　fdatasync函数类似于fsync，但它只影响文件的数据部分。而除数据外，fsync还会同步更新文件的属性。

　　对于提供事务支持的数据库，在事务提交时，都要确保事务日志（包含该事务所有的修改操作以及一个提交记录）完全写到硬盘上，才认定事务提交成功并返回给应用层。

　　一个简单的问题：在*nix操作系统上，怎样保证对文件的更新内容成功持久化到硬盘？

　　write不够，需要fsync

　　一般情况下，对硬盘（或者其他持久存储设备）文件的write操作，更新的只是内存中的页缓存（page cache），而脏页面不会立即更新到硬盘中，而是由操作系统统一调度，如由专门的flusher内核线程在满足一定条件时（如一定时间间隔、内存中的脏页达到一定比例）内将脏页面同步到硬盘上（放入设备的IO请求队列）。

　　因为write调用不会等到硬盘IO完成之后才返回，因此如果OS在write调用之后、硬盘同步之前崩溃，则数据可能丢失。虽然这样的时间窗口很小，但是对于需要保证事务的持久化（durability）和一致性（consistency）的数据库程序来说，write()所提供的“松散的异步语义”是不够的，通常需要OS提供的同步IO（synchronized-IO）原语来保证：

1 #include <unistd.h>
2 int fsync(int fd);

　　fsync的功能是确保文件fd所有已修改的内容已经正确同步到硬盘上，该调用会阻塞等待直到设备报告IO完成。

　　PS：如果采用内存映射文件的方式进行文件IO（使用mmap，将文件的page cache直接映射到进程的地址空间，通过写内存的方式修改文件），也有类似的系统调用来确保修改的内容完全同步到硬盘之上：

1 #incude <sys/mman.h>
2 int msync(void *addr, size_t length, int flags)

　　msync需要指定同步的地址区间，如此细粒度的控制似乎比fsync更加高效（因为应用程序通常知道自己的脏页位置），但实际上（Linux）kernel中有着十分高效的数据结构，能够很快地找出文件的脏页，使得fsync只会同步文件的修改内容。

　　fsync的性能问题，与fdatasync

　　除了同步文件的修改内容（脏页），fsync还会同步文件的描述信息（metadata，包括size、访问时间st_atime & st_mtime等等），因为文件的数据和metadata通常存在硬盘的不同地方，因此fsync至少需要两次IO写操作，fsync的man page这样说：

　　"Unfortunately fsync() will always initialize two write operations : one for the newly written data and another one in order to update the modification time stored in the inode. If the modification time is not a part of the transaction concept fdatasync() can be used to avoid unnecessary inode disk write operations."

　　多余的一次IO操作，有多么昂贵呢？根据Wikipedia的数据，当前硬盘驱动的平均寻道时间（Average seek time）大约是3~15ms，7200RPM硬盘的平均旋转延迟（Average rotational latency）大约为4ms，因此一次IO操作的耗时大约为10ms左右。这个数字意味着什么？下文还会提到。

　　Posix同样定义了fdatasync，放宽了同步的语义以提高性能：

1 #include <unistd.h>
2 int fdatasync(int fd);

　　fdatasync的功能与fsync类似，但是仅仅在必要的情况下才会同步metadata，因此可以减少一次IO写操作。那么，什么是“必要的情况”呢？根据man page中的解释：

　　"fdatasync does not flush modified metadata unless that metadata is needed in order to allow a subsequent data retrieval to be corretly handled."

　　举例来说，文件的尺寸（st_size）如果变化，是需要立即同步的，否则OS一旦崩溃，即使文件的数据部分已同步，由于metadata没有同步，依然读不到修改的内容。而最后访问时间(atime)/修改时间(mtime)是不需要每次都同步的，只要应用程序对这两个时间戳没有苛刻的要求，基本无伤大雅。

　　PS：open时的参数O_SYNC/O_DSYNC有着和fsync/fdatasync类似的语义：使每次write都会阻塞等待硬盘IO完成。（实际上，Linux对O_SYNC/O_DSYNC做了相同处理，没有满足Posix的要求，而是都实现了fdatasync的语义）相对于fsync/fdatasync，这样的设置不够灵活，应该很少使用。

　　使用fdatasync优化日志同步

　　文章开头时已提到，为了满足事务要求，数据库的日志文件是常常需要同步IO的。由于需要同步等待硬盘IO完成，所以事务的提交操作常常十分耗时，成为性能的瓶颈。

　　在Berkeley DB下，如果开启了AUTO_COMMIT（所有独立的写操作自动具有事务语义）并使用默认的同步级别（日志完全同步到硬盘才返回），写一条记录的耗时大约为5~10ms级别，基本和一次IO操作（10ms）的耗时相同。

　　我们已经知道，在同步上fsync是低效的。但是如果需要使用fdatasync减少对metadata的更新，则需要确保文件的尺寸在write前后没有发生变化。日志文件天生是追加型（append-only）的，总是在不断增大，似乎很难利用好fdatasync。

　　且看Berkeley DB是怎样处理日志文件的：

　　1.每个log文件固定为10MB大小，从1开始编号，名称格式为“log.%010d"
　　2.每次log文件创建时，先写文件的最后1个page，将log文件扩展为10MB大小
　　3.向log文件中追加记录时，由于文件的尺寸不发生变化，使用fdatasync可以大大优化写log的效率
　　4.如果一个log文件写满了，则新建一个log文件，也只有一次同步metadata的开销

　　另外两个命令：async（IO异步），rsync（远程同步）。

　　Rsync 是一个小巧的算法的强大实现。它最基本的功能是高效地镜像一个文件系统的能力。使用 rsync，可以灵活地选用一组网络协议，诸如 nfs、smb 或ssh，方便地让一个文件系统与另一个文件系统保持同步更新。Rsync 的第二个功能，也就是备份系统使用的功能，它可以把已经发生改变或是被删除的文件的老的版本归档。　　

　　Rsync 是一个远程数据同步工具，可通过LAN/WAN快速同步多台主机间的文件。Rsync本来是用以取代rcp的一个工具，它当前由rsync.samba.org维护。Rsync使用所谓的“Rsync演算法”来使本地和远程两个主机之间的文件达到同步，这个算法只传送两个文件的不同部分，而不是每次都整份传送，因此速度相当快。运行Rsync server的机器也叫backup server，一个Rsyncserver可同时备份多个client的数据；也可以多个Rsync server备份一个client的数据。
　　Rsync可以搭配rsh或ssh甚至使用daemon模式。Rsync server会打开一个873的服务通道(port)，等待对方Rsync连接。连接时，Rsyncserver会检查口令是否相符，若通过口令查核，则可以开始进行文件传输。第一次连通完成时，会把整份文件传输一次，下一次就只传送二个文件之间不同的部份。
　　Rsync支持大多数的类Unix系统，无论是Linux、Solaris还是BSD上都经过了良好的测试。此外，它在windows平台下也有相应的版本，比较知名的有cwRsync和Sync2NAS。

　　Rsync的基本特点如下：
　　1.可以镜像保存整个目录树和文件系统；
　　2.可以很容易做到保持原来文件的权限、时间、软硬链接等；
　　3.无须特殊权限即可安装；
　　4.优化的流程，文件传输效率高；
　　5.可以使用rcp、ssh等方式来传输文件，当然也可以通过直接的socket连接；
　　6.支持匿名传输。

　　命令语法

　　rsync的命令格式可以为以下六种：

rsync [OPTION]… SRC DEST
rsync [OPTION]… SRC [USER@]HOST:DEST
rsync [OPTION]… [USER@]HOST:SRC DEST
rsync [OPTION]… [USER@]HOST::SRC DEST
rsync [OPTION]… SRC [USER@]HOST::DEST
rsync [OPTION]… rsync://[USER@]HOST[:PORT]/SRC [DEST]

　　对应于以上六种命令格式，rsync有六种不同的工作模式：
　　1)拷贝本地文件。当SRC和DES路径信息都不包含有单个冒号”:”分隔符时就启动这种工作模式。
　　2)使用一个远程shell程序（如rsh、ssh）来实现将本地机器的内容拷贝到远程机器。当DST路径地址包含单个冒号”:”分隔符时启动该模式。
　　3)使用一个远程shell程序（如rsh、ssh）来实现将远程机器的内容拷贝到本地机器。当SRC地址路径包含单个冒号”:”分隔符时启动该模式。
　　4)从远程rsync服务器中拷贝文件到本地机。当SRC路径信息包含”::”分隔符时启动该模式。
　　5)从本地机器拷贝文件到远程rsync服务器中。当DST路径信息包含”::”分隔符时启动该模式。
　　6)列远程机的文件列表。这类似于rsync传输，不过只要在命令中省略掉本地机信息即可。

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