cp 引發(fā)的思考

今天同事用 cp 命令，把他給驚到了！背景是這樣的：他用 cp 拷貝了一個(gè) 100 G的文件，竟然一秒不到就拷貝完成了！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(wèn)題。

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 1200.888871000 +0000 Modify： 2021-03-13 1246.562243000 +0000 Change： 2021-03-13 1246.562243000 +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??；

Blocks 表示的是物理實(shí)際占用空間；

同事問(wèn)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?！?/p>

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(guò)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。

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。

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?。?，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(wèn)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 = 60 K ？ 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 = 26214400Block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(shuō)，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(shuō)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(shuō)，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(guò)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 4 T。這種多級(jí)索引尋址性能表現(xiàn)怎么樣？在不超過(guò) 12 個(gè)數(shù)據(jù)塊的小文件的尋址是最快的，訪問(wèn)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(wèn)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；

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 8 K，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。

總結(jié)好，我們?cè)偕钊胨伎枷?，文件系統(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(guò) 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。

責(zé)任編輯：haq