Czy Linux obiecuje sekwencyjny zapis plików w przypadku przerwy w dostawie prądu?

Zrozumienie trwałości zapisu plików podczas awarii zasilania

Wyobraź sobie, że zapisujesz dwa krytyczne fragmenty danych do pliku i nagle wyłącza się zasilanie. Czy Linux lub wybrany przez Ciebie system plików zapewni, że drugi zapis nie pojawi się w pamięci, dopóki pierwszy nie zostanie ukończony? Jest to pytanie, które wielu programistów pomija do czasu wystąpienia katastrofy. 🛑

Trwałość plików ma kluczowe znaczenie w przypadku integralności danych, szczególnie w przypadku awarii zasilania lub awarii. To pytanie staje się jeszcze bardziej palące podczas pracy z systemami zgodnymi z POSIX lub popularnymi systemami plików, takimi jak ext4. Czy gwarantuje się, że zapisy będą sekwencyjne i atomowe, czy też potrzebne są dodatkowe środki ostrożności?

Rozważmy na przykład dużą aplikację zapisującą dzienniki lub dane strukturalne w pliku w dwóch, nienakładających się na siebie częściach. Bez wyraźnych gwarancji istnieje ryzyko, że część drugiego zapisu przedostanie się na dysk, pozostawiając plik w niespójnym stanie. Może to prowadzić do uszkodzenia baz danych, utraty transakcji lub niekompletnych zapisów. 😓

W tym artykule zbadano, czy POSIX, Linux lub nowoczesne systemy plików, takie jak ext4, gwarantują trwałość i kolejność zapisu plików. Ustalimy również, czy użycie fsync() lub fdatasync() pomiędzy zapisami jest jedynym niezawodnym rozwiązaniem zapobiegającym niespójności danych.

Zrozumienie trwałości zapisu plików i zapewnienie spójności danych

W zaprezentowanych wcześniej skryptach poruszyliśmy kwestię gwarancji trwałości zapisów plików w systemie Linux w przypadku wystąpienia nieoczekiwanych zdarzeń, takich jak awarie zasilania. Skupiono się na zapewnieniu, że drugi blok danych, dane2, nie utrzymałby się w pamięci, chyba że pierwszy blok, dane1, został już w całości napisany. Rozwiązanie polegało na połączeniu starannie dobranych wywołań systemowych, takich jak napisz I fsynci zachowania systemu plików. Pierwszy zastosowany skrypt fsync pomiędzy dwoma kolejnymi zapisami, aby zagwarantować, że dane1 zostaną usunięte na dysk przed przystąpieniem do zapisu danych2. Zapewnia to integralność danych, nawet jeśli system ulegnie awarii po pierwszym zapisie.

Podzielmy to dalej: napisz funkcja zapisuje do określonego przesunięcia w pliku bez modyfikowania wskaźnika pliku. Jest to szczególnie przydatne w przypadku nienakładających się zapisów, jak pokazano tutaj, gdzie dwa bloki danych są zapisywane z różnymi przesunięciami. Poprzez jawne użycie fsync po pierwszym zapisie zmuszamy system operacyjny do opróżnienia buforowanej zawartości pliku na dysk, zapewniając trwałość. Bez fsync dane mogą pozostać w pamięci i być narażone na utratę w przypadku awarii zasilania. Wyobraź sobie, że piszesz krytyczny wpis w dzienniku lub zapisujesz część bazy danych — jeśli pierwsza część zniknie, dane staną się niespójne. 😓

W drugim skrypcie zbadaliśmy użycie O_SYNC flaga w Otwarte wywołanie systemowe. Po włączeniu tej flagi każda operacja zapisu natychmiast opróżnia dane do pamięci, eliminując potrzebę ręcznego fsync dzwoni. Upraszcza to kod, jednocześnie zapewniając gwarancję trwałości. Istnieje jednak kompromis: użycie O_SYNC powoduje spadek wydajności, ponieważ zapisy synchroniczne trwają dłużej w porównaniu z zapisami buforowanymi. Takie podejście jest idealne w przypadku systemów, w których niezawodność przewyższa problemy z wydajnością, takich jak systemy finansowe lub rejestrowanie danych w czasie rzeczywistym. Na przykład, jeśli zapisujesz dane z czujników lub dzienniki transakcji, każdy zapis musi być absolutnie niezawodny. 🚀

Skrypt testu jednostkowego napisany w Pythonie zweryfikował te rozwiązania sprawdzając zawartość pliku po uruchomieniu programu w C. Zapewniło to, że zarówno dane1, jak i dane2 zostały zapisane zgodnie z oczekiwaniami. Ten krok podkreśla znaczenie testowania operacji na plikach w różnych warunkach. W przypadku wdrożenia podobnego rozwiązania na serwerze produkcyjnym testy jednostkowe miałyby kluczowe znaczenie dla sprawdzenia integralności zapisów. Łącząc solidne praktyki kodowania, takie jak użycie fsync, z weryfikacją za pomocą testów, możesz z pewnością zapewnić trwałość i spójność zapisów plików w systemach zgodnych z POSIX.

#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")

Zapewnianie spójności danych w systemie Linux: kronikowanie i zapisy buforowane

Jeden krytyczny aspekt zrozumienia gwarancje trwałości w linuksowych systemach plików, takich jak ext4, pełni rolę księgowania. Kronikowanie systemów plików pomaga zapobiegać uszkodzeniom podczas nieoczekiwanych zdarzeń, takich jak awarie zasilania, poprzez prowadzenie dziennika (lub dziennika) zmian przed ich zapisaniem w pamięci głównej. Dziennik zapewnia wycofanie niekompletnych operacji, zapewniając spójność danych. Jednak kronikowanie z natury nie gwarantuje uporządkowanych zapisów bez dodatkowych środków ostrożności, takich jak wywoływanie fsync. W naszym przykładzie, chociaż kronikowanie może zapewnić, że plik nie ulegnie uszkodzeniu, części dane2 mógł nadal utrzymywać się wcześniej dane1.

Inną kwestią jest sposób, w jaki Linux buforuje zapisy plików. Kiedy używasz pwrite Lub writedane są często zapisywane w buforze pamięci, a nie bezpośrednio na dysku. Buforowanie poprawia wydajność, ale stwarza ryzyko utraty danych w przypadku awarii systemu przed opróżnieniem bufora. Powołanie fsync lub otwarcie pliku z rozszerzeniem O_SYNC flaga zapewnia bezpieczne przesyłanie buforowanych danych na dysk, zapobiegając niespójnościom. Bez tych środków dane mogłyby wyglądać na częściowo zapisane, szczególnie w przypadku awarii zasilania. ⚡

Dla programistów pracujących z dużymi plikami lub krytycznymi systemami istotne jest projektowanie programów z myślą o trwałości. Wyobraźmy sobie na przykład system rezerwacji linii lotniczych zapisujący dane o dostępności miejsc. Jeśli pierwszy blok wskazujący szczegóły lotu nie jest w pełni zapisany, a drugi blok będzie się powtarzał, może to prowadzić do uszkodzenia danych lub podwójnych rezerwacji. Używanie fsync Lub fdatasync na krytycznych etapach pozwala uniknąć tych pułapek. Zawsze testuj zachowanie w rzeczywistych symulacjach awarii, aby zapewnić niezawodność. 😊