Linux如何保證資料安全落盤

背景

      在許多IO場景中，我們經常需要確保資料已經安全的寫到磁碟上，以便在系統宕機重啟之後還能讀到這些數據。但我們都知道，linux系統的IO路徑還是很複雜的，分成很多層，每一層都可能會有buffer來加速IO讀寫。同時，用戶態的應用程式和函式庫函數也可能擁有自己的buffer，這又為IO路徑增加了一些複雜性。可見，要確保資料安全的寫到磁碟上，並不是簡單調一個write/fwrite就可以搞定的。

      那麼要怎麼做呢？很多人會想到很多辦法，例如：fflush()、fsync()、fdatasync()、sync()、open()使用O_DIRECT或O_SYNC標誌等。嗯，這些手段（或某些組合）的確可以確保資料安全的持久化，那麼它們之間有什麼區別呢？ fflush()和fsync()有啥差別？ O_DIRECT是啥意思，它可以確保資料安全的持久化嗎？ O_DIRECT和O_SYNC區別什麼？ O_SYNC和fsync()呢？ fsync能完成msync的功能嗎？本文將試圖理解、解釋這些概念的作用和差異。

Linux IO

      所謂一圖勝千言，為了解析清楚這些概念的區別，我特意畫了一張圖，仔細看，應該可以清晰的看出它們的作用和差異。

      這裡重點說O_DIRECT和O_SYNC，首先要明確的是，O_DIRECT只是說資料不會經過page cache（一般用在使用者狀態自己管理buffer）而是直接提交給區塊設備層，但不會同步等待資料安全寫入磁碟之後才回傳（例如資料可能還在區塊層排隊或是在磁碟自己的cache中）。而O_SYNC標誌，雖然資料還是會寫page cache，但是此時會採用write through的策略，並同步等待資料安全寫入磁碟後才會回傳。因此如果同時使用O_DIRECT和O_SYNC，則表示資料不會經過page cache並同步等待資料安全寫入磁碟才會傳回，當然這樣IO的效能會非常低。

      由於O_DIRECT會bypass page cache，因此如果有另一個行程使用普通的方式讀取文件，有可能會出現資料不一致的現象，這個也需要注意。

      為了做輔助說明，這裡我會貼一下我探討過程中看過的一些資料。首先是引用open系統呼叫：http://man7.org/linux/man-pages/man2/open.2.html 相關參數的說明：

     以及與innodb相關的文件：https://lwn.net/Articles/457667/

#    fsync與fdatasync的差異：http://man7.org/linux/man-pages/man2/fsync.2.html

#     msync:http://man7.org/linux/man-pages/man2/msync.2.html

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DAX

      其實還有IO模式，就是DAX（Direct Access ），看起來和O_DIRECT很像。這種模式需要filesystem和block driver都支援才可以，一般主要用在non volatile memory上，本質上也是繞過page cache直接操作設備。 DAX本文先不做深入探討，後面我會自己寫一個支援DAX模式的ramdisk塊設備驅動，然後格式化為ext4檔案系統並-o dax模式掛載，再來詳細研究DAX的IO路徑。

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