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同步內(nèi)核緩沖區(qū)sync、fsync和fdatasync函數(shù)

2014-09-30 0 個(gè)評(píng)論來(lái)源：FMsunyh

同步內(nèi)核緩沖區(qū)

1.緩沖區(qū)簡(jiǎn)介

人生三大錯(cuò)覺(jué)之一：在調(diào)用函數(shù)write()時(shí)，我們認(rèn)為該函數(shù)一旦返回，數(shù)據(jù)便已經(jīng)寫到了文件中.但是這種概念只是宏觀上的.實(shí)際上，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某些文件I/O時(shí)（如磁盤文件），為了保證I/O的效率，在內(nèi)核通常會(huì)用到一片專門的區(qū)域（內(nèi)存或獨(dú)立的I/O地址空間）作為I/O數(shù)據(jù)緩沖區(qū).它用在輸入輸出設(shè)備和CPU之間，用來(lái)緩存數(shù)據(jù)，使得低速的設(shè)備和高速的CPU能夠協(xié)調(diào)工作避免低速的輸入輸出設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間占用CPU，減少系統(tǒng)調(diào)用，提高了CPU的工作效率.

2.不同步的write()

傳統(tǒng)的UNIX或LINUX系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)使用了內(nèi)核緩沖區(qū)，設(shè)有高速緩沖區(qū)或頁(yè)面高速緩沖區(qū)，大多數(shù)磁盤I/O都通過(guò)緩沖區(qū)進(jìn)行.當(dāng)將數(shù)據(jù)寫入文件時(shí)，內(nèi)核通常先將該數(shù)據(jù)復(fù)制到其中一個(gè)緩沖區(qū)，如果該緩沖區(qū)尚未寫滿，則并不將其排入輸出隊(duì)列，而是等待其寫滿或者當(dāng)內(nèi)核需要重用該緩沖區(qū)以便存放其他磁盤塊數(shù)據(jù)時(shí)，再將該緩沖區(qū)排入輸出隊(duì)列；然后待其到達(dá)隊(duì)首時(shí)，才進(jìn)行實(shí)際的I/O操作.這種輸出方式被稱為延遲寫.
當(dāng)調(diào)用write()函數(shù)寫出數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)一旦寫到該緩沖區(qū)（關(guān)鍵：只是寫到緩沖區(qū)），函數(shù)便立即返回.此時(shí)寫出的數(shù)據(jù)可以用read()讀回，也可以被其他進(jìn)程讀到，但是并不意味著它們已經(jīng)被寫到了外部永久存儲(chǔ)介質(zhì)上，即使調(diào)用close()關(guān)閉文件后也可能如此. 因?yàn)榫彌_區(qū)的數(shù)據(jù)可能還在等待輸出.
因此，從數(shù)據(jù)被實(shí)際寫到磁盤的角度來(lái)看，用write()寫出的文件數(shù)據(jù)與外部存儲(chǔ)設(shè)備并不是完全同步的.不同步的時(shí)間間隔非常短，一般只有幾秒或十幾秒，具體取決于寫出的數(shù)據(jù)量和I/O數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài).盡管不同步的時(shí)間間隔很短，但是如果在此期間發(fā)生掉電或者系統(tǒng)崩潰，則會(huì)導(dǎo)致所寫數(shù)據(jù)來(lái)不及寫至磁盤而丟失的情況.
注意：內(nèi)核將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)“寫”到標(biāo)準(zhǔn)輸入磁盤文件中，這里“寫”不是將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到磁盤文件中，而是拷貝到磁盤文件中，也就說(shuō)此時(shí)磁盤文件中還保留一份緩沖區(qū)內(nèi)容的備份.如圖1所示.做出這一設(shè)計(jì)也是有其道理的，如果寫出到磁盤文件上，磁盤壞了或滿了等等，總之就是無(wú)法將數(shù)據(jù)送出，假如沒(méi)備份，那數(shù)據(jù)不是丟掉了.也就是說(shuō)內(nèi)核會(huì)等待寫入磁盤動(dòng)作完成后，才放心的將備份的數(shù)據(jù)刪除掉.在下文討論的三個(gè)函數(shù)中也將涉及到這個(gè)過(guò)程.

圖1 數(shù)據(jù)傳入過(guò)程示意圖

為了保證磁盤上實(shí)際文件系統(tǒng)與緩沖區(qū)高速緩存中內(nèi)容的一致性，UNIX系統(tǒng)提供了sync、fsync和fdatasync三個(gè)函數(shù).

3.sync函數(shù)

頭文件：#include<unistd.h>
定義函數(shù)：void sync(void)；
返回值：若成功則返回0，若出錯(cuò)則返回-1，同時(shí)設(shè)置errno以指明錯(cuò)誤.
函數(shù)說(shuō)明：
sync負(fù)責(zé)將系統(tǒng)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)“寫入”磁盤，以確保數(shù)據(jù)的一致性和同步性.注意：sync函數(shù)只是將所有修改過(guò)的塊緩沖區(qū)排入寫隊(duì)列，然后就返回，他并不等待實(shí)際I/O操作結(jié)束.所以不要認(rèn)為調(diào)用了sync函數(shù)，就覺(jué)得數(shù)據(jù)已安全的送到磁盤文件上，有可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但是sync函數(shù)是無(wú)法得知的.
系統(tǒng)守候進(jìn)程一般每隔一段時(shí)間調(diào)用一次sync函數(shù)，確保定期刷新內(nèi)核的塊緩存.UNIX系統(tǒng)中，系統(tǒng)守候進(jìn)程update會(huì)周期性地（一般每個(gè)30秒）調(diào)用sync函數(shù).命令sync(1)也調(diào)用sync函數(shù).

4.fsync函數(shù)

頭文件：#include<unistd.h>
定義函數(shù)：int fsync(int filedes)；
返回值：若成功則返回0，若出錯(cuò)則返回-1，同時(shí)設(shè)置errno以指明錯(cuò)誤.
函數(shù)說(shuō)明：
與sync函數(shù)不同，fsync函數(shù)只對(duì)由文件描符filedes指定的單一文件起作用，強(qiáng)制與描述字fildes相連文件的所有修改過(guò)的數(shù)據(jù)（包括核內(nèi)I/O緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)）傳送到外部永久介質(zhì)，即刷新fildes給出的文件的所有信息，并且等待寫磁盤操作結(jié)束，然后返回.調(diào)用 fsync()的進(jìn)程將阻塞直到設(shè)備報(bào)告?zhèn)魉鸵呀?jīng)完成.這個(gè)fsync就安全點(diǎn)了.
一個(gè)程序在寫出數(shù)據(jù)之后，如果繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)處理之前要求確保所寫數(shù)據(jù)已寫到磁盤，則應(yīng)當(dāng)調(diào)用fsync().例如，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用通常會(huì)在調(diào)用write()保存關(guān)鍵交易數(shù)據(jù)的同時(shí)也調(diào)用fsync().這樣更能保證數(shù)據(jù)的安全可靠.

5.fdatasync函數(shù)

頭文件：#include<unistd.h>
定義函數(shù)：int fdatasync(int filedes)；
返回值：若成功則返回0，若出錯(cuò)則返回-1，同時(shí)設(shè)置errno以指明錯(cuò)誤.
函數(shù)說(shuō)明：
fdatasync函數(shù)類似于fsync函數(shù)，但它只影響文件數(shù)據(jù)部分，強(qiáng)制傳送用戶已寫出的數(shù)據(jù)至物理存儲(chǔ)設(shè)備，不包括文件本身的特征數(shù)據(jù).這樣可以適當(dāng)減少文件刷新時(shí)的數(shù)據(jù)傳送量.而除數(shù)據(jù)外，fdatasync還會(huì)同步更新文件的屬性.

6.錯(cuò)誤代碼

EBADF：文件描述符無(wú)效，或文件已關(guān)閉.
EIO ：讀寫的過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤 .
EROFS， EINVAL：文件所在的文件系統(tǒng)不支持同步.

7.fflush()與fsync()的聯(lián)系

內(nèi)核I/O緩沖區(qū)是由操作系統(tǒng)管理的空間，而流緩沖區(qū)是由標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)管理的用戶空間.fflush()只刷新位于用戶空間中的流緩沖區(qū).fflush()返回后，只保證數(shù)據(jù)已不在流緩沖區(qū)中，并不保證它們一定被寫到了磁盤.此時(shí)，從流緩沖區(qū)刷新的數(shù)據(jù)可能已被寫至磁盤，也可能還待在內(nèi)核I/O緩沖區(qū)中.要確保流I/O寫出的數(shù)據(jù)已寫至磁盤，那么在調(diào)用fflush()后還應(yīng)當(dāng)調(diào)用fsync().

8.綜述

雖然延遲寫減少了磁盤讀寫次數(shù)，但是卻降低了文件內(nèi)容的更新速度，使得欲寫到文件中數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有寫到磁盤上。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，這種延遲可能造成文件更新內(nèi)容的丟失。

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