文件打洞 (Hole Punching) 及其应用

一个文件的长度和它实际所占用的磁盘空间很可能是不同的,这主要涉及到稀疏文件(sparse file)和文件打洞(hole punching)的概念。这两个特性需要操作系统和文件系统的支持,目前Linux的ext4、XFS等文件系统都支持这两个特性。

稀疏文件 (Sparse File)

了解系数文件最直观的例子是,创建一个文件,然后用lseek定位到较大的偏移量,在这个偏移量实际写一些内容,这时实际占用的磁盘空间很小,但文件的长度却比较大。比如:

#include <fcntl.h>
#include <assert.h>

int main()
{
    // 打开两个文件file_normal和file_sparse
    int fd = open("file_normal", O_RDWR|O_CREAT, 0755);
    int fd_sparse = open("file_sparse", O_RDWR|O_CREAT, 0755);
    assert(fd != -1);

    // 一个从0写入3个字节,一个从1000偏移写入3个字节
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    lseek(fd_sparse, 100000, SEEK_SET);
    write(fd, "ABCDEFG", 3);
    write(fd_sparse, "ABCDEFG", 3);
    close(fd);
    close(fd_sparse);
    return 0;
}

ls-s选项可以在第一列打印出文件所占的磁盘空间:

zjc@~$ ./sparse_file
zjc@~$ ls -lsh file*
4.0K -rwxr-xr-x. 1 zjc zjc 3 9月 28 11:45 file_normal
4.0K -rwxr-xr-x. 1 zjc zjc 98K 9月 28 11:45 file_sparse

可以看到,两个文件的长度分别为3字节和98K字节,但是占用的磁盘空间却是相同的,即文件系统的最小存储单元4 KB。这时因为file_sparse在100000偏移量前根本没有使用磁盘块。

文件打洞 (Hole Punching)

上边例子中稀疏文件,是通过在空文件中的某个偏移量写入了3个字节得到的。而某些情况下,一个文件开始并非稀疏的,它已经占用了若干的磁盘空间,这时如果文件中间的一些数据没有用了,我们为了减小文件所占用的磁盘空间,就只能通过文件打洞 (Hole Punching)的方式将非稀疏文件转为稀疏文件。

具体方法是通过fallocate系统调用。通过man 2 fallocate,我们可以看到fallocate调用的原型如下:[1]

#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */
#include

int fallocate(int fd, int mode, off_t offset, off_t len);

此调用的常规用法可以称为“allocation”: 指定mode为0,此时会将文件的[offset, offset+len)区域的内容写为0。

我们要用它做文件打洞,这种用法可以对应地称为“deallocation”:我们指定modeFALLOC_FL_PUNCH_HOLE|FALLOC_FL_KEEP_SIZE,这时[offset, offset+len)区域中的块就会被“打洞”,从而减小文件的磁盘占用。

正是由于fallocate系统调用的“allocation”模式将的文件的一段全置零,所以我们正好可以用这一个调用先“allocation”,再“deallocation”测试文件打洞功能。

注意:虽然man page中写明只包含fcntl.h即可,但是在我的CentOS 7系统中还需要包含linux/falloc.h,否则会出现以下编译错误:

hole_punching.c: In function 'main':
hole_punching.c:33:25: error: 'FALLOC_FL_PUNCH_HOLE' undeclared (first use in this function)
ret = fallocate(fd, FALLOC_FL_PUNCH_HOLE|FALLOC_FL_KEEP_SIZE, 409600, 1024000);
^
hole_punching.c:33:25: note: each undeclared identifier is reported only once for each function it appears in
hole_punching.c:33:46: error: 'FALLOC_FL_KEEP_SIZE' undeclared (first use in this function)
ret = fallocate(fd, FALLOC_FL_PUNCH_HOLE|FALLOC_FL_KEEP_SIZE, 409600, 1024000);

我们测试的例程如下:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
// 注意在CentOS 7中还需要包含linux/falloc.h:
#include <linux/falloc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <assert.h>

int main()
{
    off_t offset;
    int ret;
    struct stat st; 

    // do allocation
    printf("===== Allocation =====\n");
    int fd = open("./file_nohole", O_RDWR|O_CREAT, 0755);
    assert(fd != -1);
    ret = fallocate(fd, 0 , 0, 1024000);
    assert(ret == 0); 
    offset = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    printf("SEEK_END offset:\t %d\n", offset);
    fstat(fd, &st);
    printf("fstat:\t\t\t file size %d, %d allocated (%d Bytes).\n",
                            st.st_size, st.st_blocks, st.st_blocks * 512);
    close(fd);

    // do dedallocation
    printf("==== Deallocation ====\n");
    fd = open("./file_withhole", O_RDWR|O_CREAT, 0755);
    assert(fd != -1);
    ret = fallocate(fd, 0 , 0, 1024000);
    ret = fallocate(fd, FALLOC_FL_PUNCH_HOLE|FALLOC_FL_KEEP_SIZE, 409600, 1024000);
    assert(ret == 0); 
    offset = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    printf("SEEK_END offset:\t %d\n", offset);
    fstat(fd, &st);
    printf("fstat:\t\t\t file size %d, %d allocated (%d Bytes).\n",
                            st.st_size, st.st_blocks, st.st_blocks * 512);
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果:

zjc@~$ ./hole_punching
===== Allocation =====
SEEK_END offset: 1024000
fstat: file size 1024000, 2000 allocated (1024000 Bytes).
==== Deallocation ====
SEEK_END offset: 1024000
fstat: file size 1024000, 800 allocated (409600 Bytes).

zjc@~$ ls -lsh file*
1000K -rwxr-xr-x. 1 zjc zjc 1000K Sep 28 11:59 file_nohole
400K -rwxr-xr-x. 1 zjc zjc 1000K Sep 28 11:59 file_withhole

可以看到无论是用struct stat中的st_blocks字段还是ls-s选项,都告诉我们”file_withhole”这个文件被打出了一个600 KB的洞(1000 K –> 400 K)。

打洞在MySQL页压缩中的应用

在我以前的文章中曾经分析过MySQL InnoDB的透明页压缩 [2],这种压缩机制就是基于文件打洞的。详细可以看下那篇博客,下边在简单说明下:

InnoDB以InnoDB页为单元进行存储,对于一般的情况,InnoDB页默认为16KB,文件系统默认为4KB。当InnoDB要存储一个页时,会对16KB进行压缩,压缩后大小为12KB,那么12KB到16KB之间的内容会首先被填零,然后用fallocate作“deallocation”打洞,这样额外的一个文件系统块就因压缩而被节约了;同样,若压缩后的页小于8 KB或小于4 KB,那么分别就可以节约8 KB 或 12 KB。


[1] fallocate – manipulate file space, http://man7.org/linux/man-pages/man2/fallocate.2.html

[2] MySQL InnoDB透明页压缩的简单分析, https://blog.jcix.top/2017-04-16/transparent_page_compression/

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