Lupaako Linux peräkkäisiä tiedostokirjoituksia sähkökatkon sattuessa?

Tiedostojen kirjoituskestävyyden ymmärtäminen virtakatkojen aikana

Kuvittele, että kirjoitat kahta tärkeää dataa tiedostoon, ja yhtäkkiä virta katkeaa. Varmistaako Linux tai valitsemasi tiedostojärjestelmä, että toinen kirjoitus ei näy tallennustilassa, ellei ensimmäinen ole valmis? Se on kysymys, jonka monet kehittäjät jättävät huomiotta, kunnes katastrofi iskee. 🛑

Tiedostojen kestävyys on ratkaisevan tärkeää, kun käsitellään tietojen eheyttä, varsinkin kun tapahtuu sähkökatkoksia tai kaatumisia. Tämä kysymys tulee entistä tärkeämmäksi, kun työskentelet POSIX-yhteensopivien järjestelmien tai yleisten tiedostojärjestelmien, kuten ext4, kanssa. Ovatko kirjoitukset taatusti peräkkäisiä ja atomisia, vai tarvitsetko lisävarotoimia?

Harkitse esimerkiksi suurta sovellusta, joka kirjoittaa lokeja tai strukturoitua dataa tiedostoon kahdessa ei-päällekkäisessä osassa. Ilman selkeitä takuita on olemassa vaara, että osa toisesta kirjoituksesta livahtaa levylle jättäen tiedoston epäjohdonmukaiseen tilaan. Tämä voi johtaa vioittuneisiin tietokantoihin, menetettyihin tapahtumiin tai epätäydellisiin tietueisiin. 😓

Tässä artikkelissa tutkitaan, takaavatko POSIX, Linux tai nykyaikaiset tiedostojärjestelmät, kuten ext4, tiedostojen kestävyyden ja järjestyksen. Selvitämme myös, onko fsync()- tai fdatasync()-komentojen käyttäminen kirjoitusten välillä ainoa luotettava ratkaisu tietojen epäjohdonmukaisuuden estämiseen.

Tiedoston kirjoituskestävyyden ymmärtäminen ja tietojen johdonmukaisuuden varmistaminen

Aiemmin esitellyissä skripteissä käsittelimme ongelmaa kestävyystakuista Linux-tiedostokirjoituksissa, kun odottamattomia tapahtumia, kuten sähkökatkoksia, tapahtuu. Keskityttiin varmistamaan, että toinen tietolohko, data2, ei säilyisi tallennustilassa, ellei ensimmäinen lohko, data1, oli jo kokonaan kirjoitettu. Ratkaisu perustui huolellisesti valittujen järjestelmäkutsujen yhdistelmään, kuten pwrite ja fsync, ja tiedostojärjestelmän käyttäytyminen. Ensimmäinen käsikirjoitus käytössä fsync kahden peräkkäisen kirjoituksen välillä varmistaakseen, että data1 huuhdellaan levylle ennen datan2 kirjoittamista. Tämä varmistaa tietojen eheyden, vaikka järjestelmä kaatuu ensimmäisen kirjoittamisen jälkeen.

Jaetaan se tarkemmin: pwrite funktio kirjoittaa määritettyyn siirtymään tiedoston sisällä muuttamatta tiedostoosoitinta. Tämä on erityisen hyödyllistä ei-päällekkäisissä kirjoituksissa, kuten tässä on osoitettu, kun kaksi datalohkoa kirjoitetaan erillisiin siirtymiin. Nimenomaan käyttämällä fsync ensimmäisen kirjoituksen jälkeen pakotamme käyttöjärjestelmän huuhtelemaan tiedoston puskuroidun sisällön levylle varmistaen pysyvyyden. Ilman fsyncia tiedot saattavat jäädä muistiin, jolloin ne voivat hävitä sähkökatkojen aikana. Kuvittele kriittisen lokimerkinnän kirjoittamista tai tietokannan osan tallentamista – jos ensimmäinen osa katoaa, tiedoista tulee epäjohdonmukaisia. 😓

Toisessa käsikirjoituksessa tutkimme sovelluksen käyttöä O_SYNC lippu sisällä avata järjestelmäkutsu. Kun tämä lippu on käytössä, jokainen kirjoitustoiminto tyhjentää tiedot välittömästi tallennustilaan, mikä poistaa manuaalisen käytön tarpeen fsync puhelut. Tämä yksinkertaistaa koodia ja takaa samalla kestävyyden. On kuitenkin olemassa kompromissi: O_SYNC:n käyttäminen aiheuttaa suorituskykyrangaistuksen, koska synkroniset kirjoitukset vievät kauemmin kuin puskuroidut kirjoitukset. Tämä lähestymistapa on ihanteellinen järjestelmiin, joissa luotettavuus on suurempi kuin suorituskykyä koskevat huolenaiheet, kuten rahoitusjärjestelmät tai reaaliaikainen tiedonkeruu. Jos esimerkiksi tallennat anturitietoja tai tapahtumalokeja, jokaisen kirjoituksen on oltava ehdottoman luotettava. 🚀

Pythonilla kirjoitettu yksikkötestikoodi validoi nämä ratkaisut tarkistamalla tiedoston sisällön C-ohjelman suorittamisen jälkeen. Se varmisti, että sekä data1 että data2 kirjoitettiin odotetusti. Tämä vaihe korostaa tiedostotoimintojen testaamisen tärkeyttä eri olosuhteissa. Jos otat käyttöön samanlaisen ratkaisun tuotantopalvelimella, yksikkötestit olisivat tärkeitä kirjoitustesi eheyden varmistamisessa. Yhdistämällä vahvat koodauskäytännöt, kuten fsync-käyttö testeillä tapahtuvaan validointiin, voit varmuudella varmistaa tiedostojesi kestävyyden ja johdonmukaisuuden POSIX-yhteensopivissa järjestelmissä.

#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")

Tietojen johdonmukaisuuden varmistaminen Linuxissa: päiväkirja ja puskuroidut kirjoitukset

Yksi ymmärtämisen kriittinen puoli kestävyystakuu Linux-tiedostojärjestelmissä, kuten ext4, on journalistin rooli. Päiväkirjatiedostojärjestelmät auttavat estämään vioittumista odottamattomien tapahtumien, kuten sähkökatkojen, aikana ylläpitämällä lokia (tai päiväkirjaa) muutoksista ennen kuin ne sitovat päämuistiin. Päiväkirja varmistaa, että keskeneräiset toiminnot peruutetaan, jolloin tiedot pysyvät johdonmukaisina. Päiväkirjan pitäminen ei kuitenkaan takaa tilattuja kirjoituksia ilman lisävarotoimia, kuten soittamista fsync. Esimerkissämme vaikka kirjaaminen voi varmistaa, että tiedosto ei vioittu, osat data2 voi jatkua vielä ennenkin data1.

Toinen näkökohta on se, miten Linux puskuroi tiedostoa. Kun käytät pwrite tai write, tiedot kirjoitetaan usein muistipuskuriin, ei suoraan levylle. Tämä puskurointi parantaa suorituskykyä, mutta aiheuttaa vaaran, että tietoja voi hävitä, jos järjestelmä kaatuu ennen puskurin tyhjentämistä. Soittaminen fsync tai avaamalla tiedoston komennolla O_SYNC lippu varmistaa, että puskuroidut tiedot huuhdellaan turvallisesti levylle, mikä estää epäjohdonmukaisuudet. Ilman näitä toimenpiteitä tiedot voivat näyttää osittain kirjoitetuilta, etenkin sähkökatkotilanteissa. ⚡

Suurten tiedostojen tai kriittisten järjestelmien kanssa työskenteleville kehittäjille on tärkeää suunnitella ohjelmat kestävyyttä ajatellen. Kuvittele esimerkiksi lentoyhtiön varausjärjestelmä, joka kirjoittaa paikkatietoa. Jos ensimmäistä lennon tiedot osoittavaa lohkoa ei ole kirjoitettu kokonaan ja toinen lohko jatkuu, se voi johtaa tietojen vioittumiseen tai kaksinkertaisiin varauksiin. Käyttämällä fsync tai fdatasync kriittisissä vaiheissa välttää nämä sudenkuopat. Testaa käyttäytymistä aina todellisissa vikasimulaatioissa luotettavuuden varmistamiseksi. 😊