Linux:保證資料安全落盤

安全劍客發表於2019-07-11
背景

在很多IO場景中,我們經常需要確保資料已經安全的寫到磁碟上,以便在系統當機重啟之後還能讀到這些資料。但是我們都知道, 的IO路徑還是很複雜的,分為很多層,每一層都可能會有buffer來加速IO讀寫。同時,使用者態的應用程式和庫函式也可能擁有自己的buffer,這又給IO路徑增加了一些複雜性。可見,要想保證資料安全的寫到磁碟上,並不是簡單調一個write/fwrite就可以搞定的。
那麼要怎麼做呢?很多人會想到很多辦法,比如:fflush()、fsync()、fdatasync()、sync()、open()使用O_DIRECT或O_SYNC標誌等。嗯,這些手段(或者某些組合)的確可以保證資料安全的持久化,那麼它們之間有什麼區別呢?fflush()和fsync()有啥區別?O_DIRECT是啥意思,它可以保證資料安全的持久化嗎?O_DIRECT和O_SYNC區別什麼?O_SYNC和fsync()呢?fsync能完成msync的功能嗎?本文將試圖理解、解釋這些概念的作用和區別。

 IO

所謂一圖勝千言,為了解析清楚這些概念的區別,我特意畫了一張圖,仔細看,應該可以清晰的看出它們的作用和區別。
Linux:保證資料安全落盤Linux:保證資料安全落盤
這裡重點說一下O_DIRECT和O_SYNC,首先要明確的是,O_DIRECT只是說資料不會經過page cache(一般用在使用者態自己管理buffer)而是直接提交給塊裝置層,但是不會同步等待資料安全寫入磁碟之後才返回(比如資料可能還在塊層排隊或者在磁碟自己的cache中)。而O_SYNC標誌,雖然資料還是會寫page cache,但是此時會採用write through的策略,並同步等待資料安全寫入磁碟後才會返回。因此如果同時使用O_DIRECT和O_SYNC,則表示資料不會經過page cache並同步等待資料安全寫入磁碟才返回,當然這樣IO的效能會非常低下。
由於O_DIRECT會bypass page cache,因此如果有另一個程式使用普通的方式讀檔案,有可能會出現資料不一致的現象,這個也需要注意。
為了做一下輔助說明,此處我貼一下我探討過程中看過的一些資料。首先是引用open系統呼叫:

相關引數的說明:
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以及innodb相關的文件:

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fsync和fdatasync的區別:

Linux:保證資料安全落盤Linux:保證資料安全落盤
msync:

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DAX

其實還有一種IO模式,就是DAX(Direct Access ),是不是看上去和O_DIRECT很像。這種模式需要filesystem和block driver都支援才可以,一般主要用在non volatile memory上,本質上也是繞過page cache直接操作裝置。DAX本文先不做深入探討,後面我會自己寫一個支援DAX模式的ramdisk塊裝置驅動,然後格式化為ext4檔案系統並-o dax模式掛載,再來詳細研究DAX的IO路徑。
最後附上Linux在常見場景下的io路徑跟蹤:
https://my.oschina.net/fileoptions/blog/3061822


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