1 掉电与文件系统一致性

由上一节文件系统的布局分析可知，当操作一个文件时，比如往/a目录下添加一个b，即添加/a/b文件，需要修改inode bitmap, inode table, block bitmap, data block。

这一系列的操作是非原子的，假如任何一个环节掉电，造成某些步骤丢失，就会造成数据的不完整，文件将无法正常访问。

2 append一个文件的全流程

而硬件是不可能原子执行的，因此会造成不一致性。

3 模拟文件系统不一致性案例

(1) 做一个image，用来模拟磁盘

dd if=/dev/zero of=image bs=1024 count=4096

(2).格式化为ext4文件系统

mkfs.ext4 -b 4096 image

(3).mount到test目录，写入一个ok.txt文件

sudo mount -o loop image test/
cd test/
sudo touch ok.txt
cd ..
sudo umount test

(4).查看磁盘详细信息

(base) leon\@pc:\~/io\$ dumpe2fs image
dumpe2fs 1.42.13 (17-May-2015)
Filesystem volume name:  <none>
Last mounted on:     /home/leon/io/test
Filesystem UUID:     759835e3-9508-4c57-b511-9c4f7e13f0ad
Filesystem magic number: 0xEF53
Filesystem revision #:  1 (dynamic)

…

Inode count:       1024
Block count:       1024
Reserved block count:   51
Free blocks:       982
Free inodes:       1012
First block:       0
Block size:        4096
Fragment size:      4096
Blocks per group:     32768
Fragments per group:   32768
Inodes per group:     1024

…

First inode:       11
Inode size:        128
Default directory hash:  half_md4
Directory Hash Seed:   9cf91d57-8528-4d39-b6ba-5f8e2e86fcb7
Group 0: (Blocks 0-1023) [ITABLE_ZEROED]
Checksum 0x240a, unused inodes 1012
主 superblock at 0, Group descriptors at 1-1
Block bitmap at 2 (+2), Inode bitmap at 18 (+18)
Inode表位于 34-65 (+34)
982 free blocks, 1012 free inodes, 2 directories, 1012个未使用的inodes
可用块数: 8-17, 19-33, 67-1023
可用inode数: 13-1024

(base) leon\@pc:\~/io\$

可以看到inode bitmap在18个块。

(5).查看inodebitmap块

dd if=image bs=4096 skip=18 | hexdump -C -n 32

由于ext4默认用掉11个inode，新创建的ok.txt文件后，inode bitmap用掉12位。

(6).现在模拟掉电，修改inode bitmap

vim -b image

:%!xxd –g 1

:%!xxd –r

找到inode bitmap块对应地址4096*18=0x12000

将bitmap改为ff 07

(7).重新mount访问，查看出错信息

(base) leon@pc:~/io/test$ sudo touch bad.txt

touch: 无法创建'bad.txt': 输入/输出错误

(base) leon@pc:~/io/test$ dmesg

掉电导致的不一致性，会出现各种奇怪的问题，甚至都无法修复；

任何软件的手段只能保持一致性，无法保证不丢失数据。

4 fsck

人为破坏data block，用fsck修复

修复原理，扫描bitmap和inode table的一致性。

早期Linux/Windows系统异常掉电后启动，都用fsck修复磁盘，速度很慢。

为提高速度，新系统都采用日志系统方式。

5 文件系统的日志

将要修改的行为，记录为一个日志，若操作磁盘过程掉电，开机根据日志回放，将磁盘操作全部重做一遍。磁盘操作完成，删除日志。

优点：保持文件系统的一致性，也提高速度。

EXT2/3/4都采用日志系统。

日志的几个阶段：

1.开始写日志

2.日志区写完日志，commited;

3.执行完一条日志，磁盘操作完成,checkpoint。

4.操作完成，free日志。

完整的日志方式，相当于每个数据都写了两遍，让系统变很慢，实际工程上会根据数据情况，做部分日志，即日志方式分为三种：速度递增，安全性递减

data=journal: 完整日志；

data = ordered: 只写元数据，且先写完数据块，再写元数据

data=writeback 只写元数据，循序不确定；ubuntu默认方式；

这样日志就分为5个阶段：

6 文件系统的调试工具

创建一个文件t.txt，df –h

(base) leon@pc:~/io$ **sudo debugfs -R 'stat /home/leon/io/t.txt' /dev/sda7**

sudo: 无法解析主机：pc: 连接超时
debugfs 1.42.13 (17-May-2015)
Inode: 13896517  Type: regular  Mode: 0664  Flags: 0x80000
Generation: 507799365  Version: 0x00000000:00000001
User: 1000  Group: 1000  Size: 17
File ACL: 0  Directory ACL: 0
Links: 1  Blockcount: 8
Fragment: Address: 0  Number: 0  Size: 0
ctime: 0x5f40e439:2182bba0 -- Sat Aug 22 17:24:09 2020
atime: 0x5f40e43b:c9589800 -- Sat Aug 22 17:24:11 2020
mtime: 0x5f40e439:2182bba0 -- Sat Aug 22 17:24:09 2020
crtime: 0x5f40e439:208e98b8 -- Sat Aug 22 17:24:09 2020
Size of extra inode fields: 32
EXTENTS:
(0):55636171
(END)

得到文件的数据块55636171

查看数据块内容

sudo **blkcat** /dev/sda7 55636171

sudo dd if=/dev/sda of=1 skip=$((55636171*8+824123392)) bs=512c count=1

debugfs 根据块号查inode号

sudo debugfs -R 'icheck 55636171' /dev/sda7

根据inode号，查文件路径

sudo debugfs -R 'ncheck 13896517' /dev/sda7

7 Copy On Write文件系统: btrfs

不用日志，实现文件系统一致性。每次写磁盘时，先将更新数据写入一个新的block，当新数据写入成功之后，再更新相关的数据结构指向新block。

COW稳健性系统的实现方式，有利于实现子卷和snapshot，类似git的思想：