0.2秒居然復(fù)制了100G文件？
圖片來(lái)自 包圖網(wǎng)
cp 引發(fā)的思考
用 ls 看一把文件，顯示文件確實(shí)是 100 G。
- sh-4.4# ls -lh
- -rw-r--r-- 1 root root 100G Mar 6 12:22 test.txt
但是 copy 起來(lái)為什么會(huì)這么快呢?
- sh-4.4# time cp ./test.txt ./test.txt.cp
- real 0m0.107s
- user 0m0.008s
- sys 0m0.085s
一個(gè) SATA 機(jī)械盤的寫能力能到 150 M/s (大部分的機(jī)械盤都是到不了這個(gè)值的)就算非常不錯(cuò)了，正常情況下，copy 一個(gè) 100G 的文件至少要 682 秒 ( 100 G/ 150 M/s )，也就是 11 分鐘。
實(shí)際情況卻是 cp 一秒沒到就完成了工作，驚呆了，為啥呢?更詭異的是：他的文件系統(tǒng)只有 40 G，為啥里面會(huì)有一個(gè) 100 G的文件呢?
同事把我找來(lái)，看看這個(gè)詭異的問題。
①分析文件
我讓他先用 du 命令看一下，卻只有 2M ，根本不是 100G，這是怎么回事?
- sh-4.4# du -sh ./test.txt
- 2.0M ./test.txt
再看 stat 命令顯示的信息：
- sh-4.4# stat ./test.txt
- File: ./test.txt
- Size: 107374182400 Blocks: 4096 IO Block: 4096 regular file
- Device: 78h/120d Inode: 3148347 Links: 1
- Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root)
- Access: 2021-03-13 12:22:00.888871000 +0000
- Modify: 2021-03-13 12:22:46.562243000 +0000
- Change: 2021-03-13 12:22:46.562243000 +0000
- Birth: -
stat 命令輸出解釋：
- Size 為 107374182400(知識(shí)點(diǎn)：?jiǎn)挝皇亲止?jié))，也就是 100G。
- Blocks 這個(gè)指標(biāo)顯示為 4096(知識(shí)點(diǎn)：一個(gè) Block 的單位固定是 512 字節(jié)，也就是一個(gè)扇區(qū)的大小)，這里表示為 2M。
劃重點(diǎn)：
- Size 表示的是文件大小，這個(gè)也是大多數(shù)人看到的大小。
- Blocks 表示的是物理實(shí)際占用空間。
同事問道：“文件大小和實(shí)際物理占用，這兩個(gè)竟然不是相同的概念 !為什么是這樣? ”
“看來(lái)，我們必須得深入文件系統(tǒng)才能理解了，來(lái)，我給你好好講講。”
文件系統(tǒng)
文件系統(tǒng)聽起來(lái)很高大上，通俗話就用來(lái)存數(shù)據(jù)的一個(gè)容器而已，本質(zhì)和你的行李箱、倉(cāng)庫(kù)沒有啥區(qū)別，只不過文件系統(tǒng)存儲(chǔ)的是數(shù)字產(chǎn)品而已。
我有一個(gè)視頻文件，我把這個(gè)視頻放到這個(gè)文件系統(tǒng)里，下次來(lái)拿，要能拿到我完整的視頻文件數(shù)據(jù)，這就是文件系統(tǒng)，對(duì)外提供的就是存取服務(wù)。
現(xiàn)實(shí)的存取場(chǎng)景：例如你到火車站使用寄存服務(wù)，存行李的時(shí)候，是不是要登記一些個(gè)人信息?
對(duì)吧，至少自己名字要寫上。可能還會(huì)給你一個(gè)牌子，讓你掛手上，這個(gè)東西就是為了標(biāo)示每一個(gè)唯一的行李。
取行李的時(shí)候，要報(bào)自己名字，有牌子的給他牌子，然后工作人員才能去特定的位置找到你的行李。
劃重點(diǎn)：存的時(shí)候必須記錄一些關(guān)鍵信息(記錄 ID、給身份牌)，取的時(shí)候才能正確定位到。
①文件系統(tǒng)
回到我們的文件系統(tǒng)，對(duì)比上面的行李存取行為，可以做個(gè)簡(jiǎn)單的類比：
- 登記名字就是在文件系統(tǒng)記錄文件名
- 生成的牌子就是元數(shù)據(jù)索引
- 你的行李就是文件
- 寄存室就是磁盤(容納東西的物理空間)
- 管理員整套運(yùn)行機(jī)制就是文件系統(tǒng)
上面的對(duì)應(yīng)并不是非常嚴(yán)謹(jǐn)，僅僅是幫助大家理解文件系統(tǒng)而已，讓大家知道其實(shí)文件系統(tǒng)是非常樸實(shí)的一個(gè)東西，思想都來(lái)源于生活。
②空間管理
現(xiàn)在思考文件系統(tǒng)是怎么管理空間的?如果，一個(gè)連續(xù)的大磁盤空間給你使用，你會(huì)怎么使用這段空間呢?
直觀的一個(gè)想法，我把進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)就完整的放進(jìn)去。
這種方式非常容易實(shí)現(xiàn)，屬于眼前最簡(jiǎn)單，以后最麻煩的方式。因?yàn)闀?huì)造成很多空洞，明明還有很多空間位置，但是由于整個(gè)太大，形狀不合適(數(shù)據(jù)大小)，哪里都放不下。因?yàn)槟阋乓粋€(gè)完整的空間。
怎么改進(jìn)?有人會(huì)想，既然整個(gè)放不進(jìn)去，那就剁碎了唄。這里塞一點(diǎn)，那里塞一點(diǎn)，就塞進(jìn)去了。
對(duì)，思路完全正確。改進(jìn)的方式就是切分，把空間按照一定粒度切分。每個(gè)小粒度的物理塊命名為 Block，每個(gè) Block 一般是 4K 大小，用戶數(shù)據(jù)存到文件系統(tǒng)里來(lái)自然也是要切分，存儲(chǔ)到磁盤上各個(gè)角落。
圖示標(biāo)號(hào)表示這個(gè)完整對(duì)象的 Block 的序號(hào)，用來(lái)復(fù)原對(duì)象用的。
隨之而來(lái)又有一個(gè)問題：你光會(huì)切成塊還不行，取文件數(shù)據(jù)的時(shí)候，還得把它們給組合起來(lái)才行。
所以，要有一個(gè)表記錄文件對(duì)應(yīng)所有 Block 的位置，這個(gè)表被文件系統(tǒng)稱為inode。
寫文件的流程是這樣的：
- 先寫數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)先按照 Block 粒度存儲(chǔ)到磁盤的各個(gè)位置。
- 再寫元數(shù)據(jù)：然后把 Block 所在的各個(gè)位置保存起來(lái)，即 inode(我用一本書來(lái)表示)。
讀文件流程則是：
- 先讀 inode，找到各個(gè) Block 的位置。
- 然后讀數(shù)據(jù)，構(gòu)造一個(gè)完整的文件，給到用戶。
inode/block 概念
好，我們現(xiàn)在來(lái)看看 inode，直觀地感受一下：
這個(gè) inode 有文件元數(shù)據(jù)和 Block 數(shù)組(長(zhǎng)度是 15)，數(shù)組中前兩項(xiàng)指向 Block 3 和 Block 11，表示數(shù)據(jù)在這兩個(gè)塊中存著。
你肯定會(huì)意識(shí)到：Block 數(shù)組只有 15 個(gè)元素，每個(gè) Block 是 4K， 難道一個(gè)文件最大只能是 15*4K=60K ?
這是絕對(duì)不行的! 最簡(jiǎn)單的辦法就是：把這個(gè) Block 數(shù)組長(zhǎng)度給擴(kuò)大!
比如我們想讓文件系統(tǒng)最大支持 100G 的文件，Block 數(shù)組需要這么長(zhǎng)：(100*1024*1024)/4=26214400。
Block 數(shù)組中每一項(xiàng)是 4 個(gè)字節(jié)，那就需要(26214400*4)/1024/1024=100M。
為了支持 100G 的文件，我們的 Block 數(shù)組本身就得 100M ! 并且對(duì)每個(gè)文件都是如此 !即使這個(gè)文件只有 1K! 這將是巨大浪費(fèi)!
肯定不能這么干，解決方案就是間接索引，按照約定，把這 15 個(gè)槽位分作 4 個(gè)不同類別來(lái)用：
- 前 12 個(gè)槽位(也就是 0 - 11 )我們成為直接索引
- 第 13 個(gè)位置，我們稱為 1 級(jí)索引
- 第 14 個(gè)位置，我們稱為 2 級(jí)索引
- 第 15 個(gè)位置，我們稱為 3 級(jí)索引
直接索引：能存 12 個(gè) block 編號(hào)，每個(gè) block 4K，就是 48K，也就是說，48K 以內(nèi)的文件，前 12 個(gè)槽位存儲(chǔ)編號(hào)就能完全 hold 住。
一級(jí)索引：也就是說這里存儲(chǔ)的編號(hào)指向的 block 里面存儲(chǔ)的也是 block 編號(hào)，里面的編號(hào)指向用戶數(shù)據(jù)。
一個(gè) block 4K，每個(gè)元素 4 字節(jié)，也就是有 1024 個(gè)編號(hào)位置可以存儲(chǔ)。所以，一級(jí)索引能尋址 4M(1024 * 4K)空間 。
二級(jí)索引：二級(jí)索引是在一級(jí)索引的基礎(chǔ)上多了一級(jí)而已，換算下來(lái)，有了 4M 的空間用來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的編號(hào)。所以二級(jí)索引能尋址 4G (4M/4 * 4K) 的空間。
三級(jí)索引：三級(jí)索引是在二級(jí)索引的基礎(chǔ)上又多了一級(jí)，也就是說，有了 4G 的空間來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的 block 編號(hào)。所以二級(jí)索引能尋址 4T (4G/4 * 4K) 的空間。
所以，在這種文件系統(tǒng)(如ext2)上，通過這種間接塊索引的方式，最大能支撐的文件大小 = 48K+4M+4G+4T ，約等于 4T。
這種多級(jí)索引尋址性能表現(xiàn)怎么樣?在不超過 12 個(gè)數(shù)據(jù)塊的小文件的尋址是最快的，訪問文件中的任意數(shù)據(jù)理論只需要兩次讀盤，一次讀 inode，一次讀數(shù)據(jù)塊。
訪問大文件中的數(shù)據(jù)則需要最多五次讀盤操作：inode、一級(jí)間接尋址塊、二級(jí)間接尋址塊、三級(jí)間接尋址塊、數(shù)據(jù)塊。
為什么 cp 那么快?接下來(lái)我們要寫入一個(gè)奇怪的文件，這個(gè)文件很大，但是真正的數(shù)據(jù)只有 8K：
- 在 [0,4K] 這位置有 4K 的數(shù)據(jù)
- 在 [1T , 1T+4K] 處也有 4K 數(shù)據(jù)
中間沒有數(shù)據(jù)，這樣的文件該如何寫入硬盤?
- 創(chuàng)建一個(gè)文件，這個(gè)時(shí)候分配一個(gè) inode。
- 在 [ 0，4K ] 的位置寫入 4K 數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候只需要 一個(gè) block，把這個(gè)編號(hào)寫到 block[0] 這個(gè)位置保存起來(lái)。
- 在 [ 1T，1T+4K ] 的位置寫入 4K 數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候需要分配一個(gè) block，因?yàn)檫@個(gè)位置已經(jīng)落到三級(jí)索引才能表現(xiàn)的空間了，所以需要還需要分配出 3 個(gè)索引塊。。
- 寫入完成，close 文件。
實(shí)際存儲(chǔ)如圖：
這個(gè)時(shí)候，我們的文件看起來(lái)是超大文件，size 等于 1T+4K ，但里面實(shí)際的數(shù)據(jù)只有 8K，位置分別是 [ 0，4K ]，[ 1T，1T+4K ]。
由于沒寫數(shù)據(jù)的地方不用分配物理 block 塊，所以實(shí)際占用的物理空間只有 8K。
重點(diǎn)：文件 size 只是 inode 里面的一個(gè)屬性，實(shí)際物理空間占用則是要看用戶數(shù)據(jù)放了多少個(gè) block ，沒寫數(shù)據(jù)的地方不用分配物理 block 塊。
這樣的文件其實(shí)就是稀疏文件， 它的邏輯大小和實(shí)際物理空間是不相等的。 所以當(dāng)我們用 cp 命令去復(fù)制一個(gè)這樣的文件時(shí)，那肯定迅速就完成了。
好，我們?cè)偕钊胨伎枷拢募到y(tǒng)為什么能做到這一點(diǎn)?
- 首先，最關(guān)鍵的是把磁盤空間切成離散的、定長(zhǎng)的 block 來(lái)管理。
- 然后，通過 inode 能查找到所有離散的數(shù)據(jù)(保存了所有的索引)。
- 最后，實(shí)現(xiàn)索引塊和數(shù)據(jù)塊空間的后分配。
這三點(diǎn)是層層遞進(jìn)的。
后記
我把這點(diǎn)小知識(shí)給小伙伴講了一小時(shí)，看到他感動(dòng)欲哭的表情，我覺得他學(xué) fei 了，非常滿意。是我想太多了嗎?中午吃飯都沒叫我。
作者：奇伢
編輯：陶家龍
出處：轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)奇伢云存儲(chǔ)(ID：qiyacloud)
