Linux có hứa hẹn ghi tệp tuần tự trong trường hợp mất điện không?

Hiểu về độ bền ghi tệp khi mất điện

Hãy tưởng tượng bạn đang ghi hai phần dữ liệu quan trọng vào một tệp và đột nhiên mất điện. Linux hoặc hệ thống tệp bạn đã chọn có đảm bảo rằng lần ghi thứ hai của bạn không xuất hiện trong bộ lưu trữ trừ khi lần ghi đầu tiên hoàn tất không? Đó là câu hỏi mà nhiều nhà phát triển bỏ qua cho đến khi thảm họa xảy ra. 🛑

Độ bền của tệp rất quan trọng khi xử lý tính toàn vẹn của dữ liệu, đặc biệt là khi xảy ra sự cố mất điện hoặc sự cố. Câu hỏi này càng trở nên cấp bách hơn khi làm việc với hệ thống tuân thủ POSIX hoặc các hệ thống tệp phổ biến như ext4. Việc ghi có được đảm bảo là tuần tự và nguyên tử hay bạn cần các biện pháp phòng ngừa bổ sung?

Ví dụ: hãy xem xét một ứng dụng lớn ghi nhật ký hoặc dữ liệu có cấu trúc vào một tệp thành hai phần không chồng chéo. Nếu không có sự đảm bảo rõ ràng, sẽ có nguy cơ một phần của lần ghi thứ hai lẻn vào đĩa, khiến tệp ở trạng thái không nhất quán. Điều này có thể dẫn đến cơ sở dữ liệu bị hỏng, giao dịch bị mất hoặc hồ sơ không đầy đủ. 😓

Bài viết này tìm hiểu xem POSIX, Linux hay các hệ thống tệp hiện đại như ext4 có đảm bảo độ bền và thứ tự ghi tệp hay không. Chúng tôi cũng sẽ xác định xem việc sử dụng fsync() hay fdatasync() giữa các lần ghi có phải là giải pháp đáng tin cậy duy nhất để ngăn chặn tình trạng dữ liệu không nhất quán hay không.

Hiểu độ bền ghi tệp và đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu

Trong các tập lệnh được trình bày trước đó, chúng tôi đã giải quyết vấn đề đảm bảo độ bền trong quá trình ghi tệp Linux khi xảy ra các sự kiện không mong muốn, chẳng hạn như mất điện. Trọng tâm là đảm bảo rằng khối dữ liệu thứ hai, dữ liệu2, sẽ không tồn tại trong bộ nhớ trừ khi khối đầu tiên, dữ liệu1, đã được viết hoàn chỉnh. Giải pháp dựa trên sự kết hợp của các lệnh gọi hệ thống được lựa chọn cẩn thận, chẳng hạn như viết Và fsyncvà các hành vi của hệ thống tập tin. Kịch bản đầu tiên được sử dụng fsync giữa hai lần ghi tuần tự để đảm bảo rằng dữ liệu1 được xóa vào đĩa trước khi tiến hành ghi dữ liệu2. Điều này đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, ngay cả khi hệ thống gặp sự cố sau lần ghi đầu tiên.

Hãy chia nhỏ nó hơn nữa: viết hàm ghi vào một offset được chỉ định trong một tệp mà không sửa đổi con trỏ tệp. Điều này đặc biệt hữu ích cho việc ghi không chồng chéo, như được trình bày ở đây, trong đó hai khối dữ liệu được ghi vào các khoảng lệch riêng biệt. Bằng cách sử dụng rõ ràng fsync sau lần ghi đầu tiên, chúng tôi buộc hệ điều hành chuyển nội dung được lưu vào bộ đệm của tệp vào đĩa, đảm bảo tính bền vững. Nếu không có fsync, dữ liệu có thể vẫn còn trong bộ nhớ và dễ bị mất khi mất điện. Hãy tưởng tượng việc viết một mục nhật ký quan trọng hoặc lưu một phần cơ sở dữ liệu—nếu phần đầu tiên biến mất, dữ liệu sẽ trở nên không nhất quán. 😓

Trong tập lệnh thứ hai, chúng tôi đã khám phá việc sử dụng O_SYNC cờ trong mở cuộc gọi hệ thống. Khi cờ này được bật, mọi thao tác ghi sẽ ngay lập tức chuyển dữ liệu vào bộ lưu trữ, loại bỏ nhu cầu thực hiện thủ công fsync cuộc gọi. Điều này giúp đơn giản hóa mã trong khi vẫn đảm bảo độ bền. Tuy nhiên, có một sự đánh đổi: việc sử dụng O_SYNC sẽ gây ra ảnh hưởng về hiệu suất vì quá trình ghi đồng bộ mất nhiều thời gian hơn so với quá trình ghi vào bộ đệm. Cách tiếp cận này lý tưởng cho các hệ thống có độ tin cậy cao hơn các mối lo ngại về hiệu suất, chẳng hạn như hệ thống tài chính hoặc ghi dữ liệu theo thời gian thực. Ví dụ: nếu bạn đang lưu dữ liệu cảm biến hoặc nhật ký giao dịch, bạn cần mỗi lần ghi phải hoàn toàn đáng tin cậy. 🚀

Tập lệnh kiểm thử đơn vị được viết bằng Python đã xác thực các giải pháp này bằng cách kiểm tra nội dung của tệp sau khi thực thi chương trình C. Nó đảm bảo rằng cả data1 và data2 đều được viết như mong đợi. Bước này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm tra hoạt động của tệp trong các điều kiện khác nhau. Nếu bạn định triển khai một giải pháp tương tự trên máy chủ sản xuất, thì các bài kiểm tra đơn vị sẽ rất quan trọng để xác minh tính toàn vẹn của nội dung ghi của bạn. Bằng cách kết hợp các phương pháp mã hóa mạnh mẽ như sử dụng fsync với xác thực thông qua các thử nghiệm, bạn có thể tự tin đảm bảo độ bền và tính nhất quán khi ghi tệp của mình trên các hệ thống tuân thủ 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")

Đảm bảo tính nhất quán dữ liệu trong Linux: Ghi nhật ký và ghi vào bộ đệm

Một khía cạnh quan trọng của sự hiểu biết đảm bảo độ bền trong các hệ thống tập tin Linux như ext4 có vai trò ghi nhật ký. Hệ thống tệp ghi nhật ký giúp ngăn ngừa lỗi trong các sự kiện không mong muốn như mất điện bằng cách duy trì nhật ký (hoặc nhật ký) các thay đổi trước khi chúng được đưa vào bộ lưu trữ chính. Nhật ký đảm bảo rằng các hoạt động chưa hoàn thành sẽ được khôi phục, giữ cho dữ liệu của bạn nhất quán. Tuy nhiên, việc ghi nhật ký vốn không đảm bảo việc ghi theo thứ tự mà không có biện pháp phòng ngừa bổ sung như gọi điện fsync. Trong ví dụ của chúng tôi, trong khi ghi nhật ký có thể đảm bảo tệp không bị hỏng, các phần của dữ liệu2 trước đây vẫn có thể tồn tại dữ liệu1.

Một điều cần cân nhắc khác là cách ghi tệp bộ đệm Linux. Khi bạn sử dụng pwrite hoặc write, dữ liệu thường được ghi vào bộ nhớ đệm chứ không phải trực tiếp vào đĩa. Việc đệm này cải thiện hiệu suất nhưng tạo ra nguy cơ mất dữ liệu có thể xảy ra nếu hệ thống gặp sự cố trước khi xóa bộ đệm. Đang gọi fsync hoặc mở tệp bằng O_SYNC cờ đảm bảo dữ liệu được lưu vào bộ đệm được chuyển vào đĩa một cách an toàn, ngăn ngừa sự không nhất quán. Nếu không có các biện pháp này, dữ liệu có thể được ghi một phần, đặc biệt trong trường hợp mất điện. ⚡

Đối với các nhà phát triển làm việc với các tệp lớn hoặc các hệ thống quan trọng, điều cần thiết là phải lưu ý đến việc thiết kế các chương trình có độ bền cao. Ví dụ, hãy tưởng tượng một hệ thống đặt chỗ hàng không ghi dữ liệu về số chỗ trống. Nếu khối đầu tiên cho biết chi tiết chuyến bay không được ghi đầy đủ và khối thứ hai vẫn tồn tại, điều đó có thể dẫn đến hỏng dữ liệu hoặc đặt chỗ gấp đôi. sử dụng fsync hoặc fdatasync ở những giai đoạn quan trọng sẽ tránh được những cạm bẫy này. Luôn kiểm tra hành vi trong mô phỏng lỗi thực tế để đảm bảo độ tin cậy. 😊