Linux中如何保证数据安全落盘

原创
2019/06/14 11:33
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背景

      在很多IO场景中,我们经常需要确保数据已经安全的写到磁盘上,以便在系统宕机重启之后还能读到这些数据。但是我们都知道,linux系统的IO路径还是很复杂的,分为很多层,每一层都可能会有buffer来加速IO读写。同时,用户态的应用程序和库函数也可能拥有自己的buffer,这又给IO路径增加了一些复杂性。可见,要想保证数据安全的写到磁盘上,并不是简单调一个write/fwrite就可以搞定的。

      那么要怎么做呢?很多人会想到很多办法,比如:fflush()、fsync()、fdatasync()、sync()、open()使用O_DIRECT或O_SYNC标志等。嗯,这些手段(或者某些组合)的确可以保证数据安全的持久化,那么它们之间有什么区别呢?fflush()和fsync()有啥区别?O_DIRECT是啥意思,它可以保证数据安全的持久化吗?O_DIRECT和O_SYNC区别什么?O_SYNC和fsync()呢?fsync能完成msync的功能吗?本文将试图理解、解释这些概念的作用和区别。

Linux IO

      所谓一图胜千言,为了解析清楚这些概念的区别,我特意画了一张图,仔细看,应该可以清晰的看出它们的作用和区别。

      这里重点说一下O_DIRECT和O_SYNC,首先要明确的是,O_DIRECT只是说数据不会经过page cache(一般用在用户态自己管理buffer)而是直接提交给块设备层,但是不会同步等待数据安全写入磁盘之后才返回(比如数据可能还在块层排队或者在磁盘自己的cache中)。而O_SYNC标志,虽然数据还是会写page cache,但是此时会采用write through的策略,并同步等待数据安全写入磁盘后才会返回。因此如果同时使用O_DIRECT和O_SYNC,则表示数据不会经过page cache并同步等待数据安全写入磁盘才返回,当然这样IO的性能会非常低下。

      由于O_DIRECT会bypass page cache,因此如果有另一个进程使用普通的方式读文件,有可能会出现数据不一致的现象,这个也需要注意。

      为了做一下辅助说明,此处我贴一下我探讨过程中看过的一些资料。首先是引用open系统调用:http://man7.org/linux/man-pages/man2/open.2.html 相关参数的说明:

     以及innodb相关的文档:https://lwn.net/Articles/457667/

    fsync和fdatasync的区别:http://man7.org/linux/man-pages/man2/fsync.2.html

     msync:http://man7.org/linux/man-pages/man2/msync.2.html

DAX

      其实还有一种IO模式,就是DAX(Direct Access ),是不是看上去和O_DIRECT很像。这种模式需要filesystem和block driver都支持才可以,一般主要用在non volatile memory上,本质上也是绕过page cache直接操作设备。DAX本文先不做深入探讨,后面我会自己写一个支持DAX模式的ramdisk块设备驱动,然后格式化为ext4文件系统并-o dax模式挂载,再来详细研究DAX的IO路径。https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/dax.txt

 

       最后附上Linux在常见场景下的io路径跟踪:https://my.oschina.net/fileoptions/blog/3061822

 

补充

前面我们在看fsync手册的时候,其中一段话(下图红框中),意思是说:我们在fsync一个目录中的文件时,fsync只保证这个文件本身的数据本持久化到磁盘,但是所在目录中关于这个文件的信息(dentry)可能还没被持久化到磁盘(也就是目录本身没有被持久化),所以我们还应该使用fsync将目标本身也持久化一下。

最后,总结下如何在一个目录下原子的写入一个文件:

1、先打开一个临时文件

2、向临时文件中写入数据

3、fysnc刷新这个临时文件,保证其落盘

4、rename将临时文件重命名为最终的文件

5、使用fysnc刷新目录

参考

 https://blog.pythian.com/innodb-flushing-linux-io/

https://lwn.net/Articles/457667/

http://blog.httrack.com/blog/2013/11/15/everything-you-always-wanted-to-know-about-fsync/

 

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