Vai Linux sola secīgu failu rakstīšanu strāvas padeves pārtraukuma gadījumā?

Izpratne par failu rakstīšanas izturību strāvas padeves pārtraukumu laikā

Iedomājieties, ka failā ierakstāt divus svarīgus datus, un pēkšņi pazūd strāva. Vai Linux vai jūsu izvēlētā failu sistēma nodrošinās, ka jūsu otrā rakstīšana neparādīsies krātuvē, ja vien netiks pabeigta pirmā? Tas ir jautājums, ko daudzi izstrādātāji aizmirst, līdz notiek katastrofa. 🛑

Failu izturība ir ļoti svarīga, apstrādājot datu integritāti, īpaši, ja rodas strāvas padeves pārtraukumi vai avārijas. Šis jautājums kļūst vēl aktuālāks, strādājot ar POSIX saderīgām sistēmām vai parastām failu sistēmām, piemēram, ext4. Vai tiek garantēts, ka raksti būs secīgi un kodolīgi, vai arī ir nepieciešami papildu piesardzības pasākumi?

Piemēram, apsveriet iespēju lielai lietojumprogrammai ierakstīt žurnālus vai strukturētus datus failā divās daļās, kas nepārklājas. Ja nav skaidras garantijas, pastāv risks, ka daļa no otrās ieraksta iekļūst diskā, atstājot failu nekonsekventā stāvoklī. Tas var novest pie bojātām datubāzēm, zaudētiem darījumiem vai nepilnīgiem ierakstiem. 😓

Šajā rakstā ir apskatīts, vai POSIX, Linux vai modernas failu sistēmas, piemēram, ext4, garantē failu rakstīšanas izturību un secību. Mēs arī noteiksim, vai fsync() vai fdatasync() izmantošana starp ierakstiem ir vienīgais uzticamais risinājums, lai novērstu datu nekonsekvenci.

Failu rakstīšanas izturības izpratne un datu konsekvences nodrošināšana

Iepriekš sniegtajos skriptos mēs risinājām problēmu par izturības garantijām Linux failu rakstīšanā, kad notiek negaidīti notikumi, piemēram, strāvas padeves pārtraukumi. Galvenā uzmanība tika pievērsta tam, lai nodrošinātu, ka otrais datu bloks dati2, nepaliks krātuvē, ja vien pirmais bloks, dati1, jau bija pilnībā uzrakstīts. Risinājums balstījās uz rūpīgi izvēlētu sistēmas zvanu kombināciju, piemēram, pwrite un fsync, un failu sistēmas darbības. Pirmais izmantotais skripts fsync starp divām secīgām rakstīšanas reizēm, lai garantētu, ka dati1 tiek izskaloti diskā pirms datu rakstīšanas2. Tas nodrošina datu integritāti pat tad, ja sistēma avarē pēc pirmās rakstīšanas.

Sadalīsim to tālāk: pwrite funkcija raksta uz noteiktu nobīdi failā, nemainot faila rādītāju. Tas ir īpaši noderīgi rakstīšanai, kas nepārklājas, kā parādīts šeit, kur abi datu bloki ir rakstīti ar atšķirīgām nobīdēm. Skaidri izmantojot fsync pēc pirmās rakstīšanas mēs piespiežam operētājsistēmu izskalot faila buferizēto saturu diskā, nodrošinot noturību. Bez fsync dati var palikt atmiņā, un tie var tikt zaudēti strāvas padeves pārtraukumu laikā. Iedomājieties, ka ierakstāt svarīgu žurnāla ierakstu vai saglabājat datu bāzes daļu — ja pirmā daļa pazūd, dati kļūst nekonsekventi. 😓

Otrajā skriptā mēs izpētījām, kā izmantot O_SYNC karogs iekšā atvērts sistēmas zvans. Ja šis karodziņš ir iespējots, katra rakstīšanas darbība nekavējoties izskalo datus krātuvē, novēršot nepieciešamību pēc manuālas fsync zvani. Tas vienkāršo kodu, vienlaikus nodrošinot izturības garantijas. Tomēr ir kompromiss: izmantojot O_SYNC, tiek ieviests veiktspējas sods, jo sinhronā rakstīšana aizņem ilgāku laiku, salīdzinot ar buferizēto rakstīšanu. Šī pieeja ir ideāli piemērota sistēmām, kurās uzticamība ir svarīgāka par veiktspēju, piemēram, finanšu sistēmām vai reāllaika datu reģistrēšanai. Piemēram, ja saglabājat sensoru datus vai darījumu žurnālus, katram ierakstam ir jābūt absolūti uzticamam. 🚀

Python rakstītais vienības pārbaudes skripts apstiprināja šos risinājumus, pārbaudot faila saturu pēc C programmas izpildes. Tas nodrošināja, ka gan dati1, gan dati2 tika ierakstīti, kā paredzēts. Šis solis uzsver, cik svarīgi ir pārbaudīt failu darbības dažādos apstākļos. Ja vēlaties izvietot līdzīgu risinājumu ražošanas serverī, vienības testi būtu ļoti svarīgi, lai pārbaudītu jūsu ierakstu integritāti. Apvienojot stingras kodēšanas metodes, piemēram, fsync izmantošanu ar validāciju, izmantojot testus, varat droši nodrošināt failu rakstīšanas noturību un konsekvenci ar POSIX saderīgās sistēmās.

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main() {
    int fd;
    const char *path = "example_file.txt";
    const char *data1 = "First write block";
    const char *data2 = "Second write block";
    size_t size1 = strlen(data1);
    size_t size2 = strlen(data2);
    off_t offset1 = 0;
    off_t offset2 = size1;

    // Open the file
    fd = open(path, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }

    // Perform first write
    if (pwrite(fd, data1, size1, offset1) == -1) {
        perror("Failed to write data1");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // Use fsync to flush the first write to disk
    if (fsync(fd) == -1) {
        perror("fsync failed after data1");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // Perform second write
    if (pwrite(fd, data2, size2, offset2) == -1) {
        perror("Failed to write data2");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // Final fsync to ensure data2 is flushed
    if (fsync(fd) == -1) {
        perror("fsync failed after data2");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // Close the file
    if (close(fd) == -1) {
        perror("Failed to close file");
        return 1;
    }

    printf("Writes completed and synced successfully.\n");
    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
    int fd;
    const char *path = "simple_ordered_file.txt";
    const char *data1 = "Data block 1";
    const char *data2 = "Data block 2";
    size_t size1 = strlen(data1);
    size_t size2 = strlen(data2);

    // Open file with O_SYNC for synchronous writes
    fd = open(path, O_RDWR | O_CREAT | O_SYNC, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("Open failed");
        return 1;
    }

    // Write first data
    if (write(fd, data1, size1) == -1) {
        perror("Write data1 failed");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // Write second data
    if (write(fd, data2, size2) == -1) {
        perror("Write data2 failed");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // Close file
    close(fd);
    printf("Writes completed with O_SYNC.\n");
    return 0;
}

import os
def validate_file_content(path):
    try:
        with open(path, 'r') as f:
            content = f.read()
        assert "Data block 1" in content
        assert "Data block 2" in content
        print("Test passed: Both writes are present.")
    except AssertionError:
        print("Test failed: Writes are inconsistent.")
    except Exception as e:
        print(f"Error: {e}")

# File validation after running a C program
validate_file_content("simple_ordered_file.txt")

Datu konsekvences nodrošināšana operētājsistēmā Linux: žurnālu veidošana un buferizētie ieraksti

Viens kritisks izpratnes aspekts izturības garantijas Linux failu sistēmās, piemēram, ext4, ir žurnālu loma. Žurnālu veidošanas failu sistēmas palīdz novērst bojājumus neparedzētu notikumu, piemēram, strāvas padeves traucējumu, laikā, uzturot izmaiņu žurnālu (vai žurnālu), pirms tās tiek ievietotas galvenajā krātuvē. Žurnāls nodrošina nepabeigto darbību atcelšanu, saglabājot jūsu datu konsekvenci. Tomēr žurnālu rakstīšana pēc būtības negarantē pasūtītu rakstīšanu bez papildu piesardzības pasākumiem, piemēram, zvanīšanas fsync. Mūsu piemērā, lai gan žurnālu veidošana var nodrošināt, ka fails netiek bojāts, daļas no dati2 vēl varēja pastāvēt iepriekš dati1.

Vēl viens apsvērums ir tas, kā Linux bufera fails raksta. Kad lietojat pwrite vai write, dati bieži tiek ierakstīti atmiņas buferī, nevis tieši diskā. Šī buferizācija uzlabo veiktspēju, bet rada datu zuduma risku, ja sistēma avarē pirms bufera izskalošanas. Zvana fsync vai atverot failu ar O_SYNC karodziņš nodrošina, ka buferizētie dati tiek droši izskaloti diskā, novēršot neatbilstības. Bez šiem pasākumiem dati varētu parādīties daļēji ierakstīti, īpaši strāvas padeves pārtraukumu gadījumā. ⚡

Izstrādātājiem, kas strādā ar lieliem failiem vai kritiskām sistēmām, ir svarīgi izstrādāt programmas, paturot prātā izturību. Piemēram, iedomājieties, ka aviokompānijas rezervēšanas sistēma raksta datus par vietu pieejamību. Ja pirmais bloks, kas norāda lidojuma informāciju, nav pilnībā ierakstīts un otrais bloks paliek spēkā, tas var izraisīt datu bojājumus vai dubultas rezervācijas. Izmantojot fsync vai fdatasync kritiskajos posmos izvairās no šīm kļūdām. Vienmēr pārbaudiet uzvedību reālu kļūmju simulācijās, lai nodrošinātu uzticamību. 😊