如何做到 0-2 秒複製 100G 文件？

cp 引發的思考

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 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 起來爲什麼會這麼快呢？

sh-4.4# time cp ./test.txt ./test.txt.cp  
  
real 0m0.107s  
user 0m0.008s  
sys 0m0.085s

一個 SATA 機械盤的寫能力能到 150 M/s （大部分的機械盤都是到不了這個值的）就算非常不錯了，正常情況下，copy 一個 100G 的文件至少要 682 秒（100 G/ 150 M/s），也就是 11 分鐘。

實際情況卻是 cp 一秒沒到就完成了工作，驚呆了，爲啥呢？

更詭異的是：他的文件系統只有 40 G，爲啥裏面會有一個 100 G 的文件呢？

同事把我找來，看看這個詭異的問題。

分析文件

我讓他先用 du 命令看一下，卻只有 2M ，根本不是 100G，這是怎麼回事？

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 12:22:00.888871000 +0000  
Modify: 2021-03-13 12:22:46.562243000 +0000  
Change: 2021-03-13 12:22:46.562243000 +0000  
 Birth: -

stat 命令輸出解釋：

• Size 爲 107374182400（知識點：單位是字節），也就是 100G；

• Blocks 這個指標顯示爲 4096（知識點：一個 Block 的單位固定是 512 字節，也就是一個扇區的大小），這裏表示爲 2M。

劃重點：

• Size 表示的是文件大小，這個也是大多數人看到的大小；

• Blocks 表示的是物理實際佔用空間。

同事問道：“文件大小和實際物理佔用，這兩個竟然不是相同的概念 ！爲什麼是這樣？”

“看來，我們必須得深入文件系統才能理解了，來，我給你好好講講。”

文件系統

文件系統聽起來很高大上，通俗話就用來存數據的一個容器而已，本質和你的行李箱、倉庫沒有啥區別，只不過文件系統存儲的是數字產品而已。

我有一個視頻文件，我把這個視頻放到這個文件系統裏，下次來拿，要能拿到我完整的視頻文件數據，這就是文件系統，對外提供的就是存取服務。

現實的存取場景

例如你到火車站使用寄存服務：

存行李的時候，是不是要登記一些個人信息？對吧，至少自己名字要寫上。可能還會給你一個牌子，讓你掛手上，這個東西就是爲了標示每一個唯一的行李。

取行李的時候，要報自己名字，有牌子的給他牌子，然後工作人員才能去特定的位置找到你的行李。

劃重點：存的時候必須記錄一些關鍵信息（記錄 ID、給身份牌），取的時候才能正確定位到。

文件系統

回到我們的文件系統，對比上面的行李存取行爲，可以做個簡單的類比。

• 登記名字就是在文件系統記錄文件名；

• 生成的牌子就是元數據索引；

• 你的行李就是文件；

• 寄存室就是磁盤（容納東西的物理空間）；

• 管理員整套運行機制就是文件系統。

上面的對應並不是非常嚴謹，僅僅是幫助大家理解文件系統而已，讓大家知道其實文件系統是非常樸實的一個東西，思想都來源於生活。

空間管理

現在思考文件系統是怎麼管理空間的？

如果，一個連續的大磁盤空間給你使用，你會怎麼使用這段空間呢？

直觀的一個想法，我把進來的數據就完整的放進去。

這種方式非常容易實現，屬於眼前最簡單，以後最麻煩的方式。因爲會造成很多空洞，明明還有很多空間位置，但是由於整個太大，形狀不合適（數據大小），哪裏都放不下。因爲你要放一個完整的空間。

怎麼改進？有人會想，既然整個放不進去，那就剁碎了唄。這裏塞一點，那裏塞一點，就塞進去了。

對，思路完全正確。改進的方式就是切分，把空間按照一定粒度切分。每個小粒度的物理塊命名爲 Block，每個 Block 一般是 4K 大小，用戶數據存到文件系統裏來自然也是要切分，存儲到磁盤上各個角落。

圖示標號表示這個完整對象的 Block 的序號，用來複原對象用的。

隨之而來又有一個問題：你光會切成塊還不行，取文件數據的時候，還得把它們給組合起來纔行。

所以，要有一個表記錄文件對應所有 Block 的位置，這個表被文件系統稱爲 inode。

寫文件的流程是這樣的：

• 先寫數據：數據先按照 Block 粒度存儲到磁盤的各個位置；

• 再寫元數據：然後把 Block 所在的各個位置保存起來，即 inode（我用一本書來表示）。

讀文件流程則是：

• 先讀 inode，找到各個 Block 的位置；

• 然後讀數據，構造一個完整的文件，給到用戶。

inode/block 概念

好，我們現在來看看 inode，直觀地感受一下：

這個 inode 有文件元數據和 Block 數組（長度是 15），數組中前兩項指向 Block 3 和 Block 11，表示數據在這兩個塊中存着。

你肯定會意識到：Block 數組只有 15 個元素，每個 Block 是 4K， 難道一個文件最大隻能是 15 * 4K = 60 K？

這是絕對不行的！

最簡單的辦法就是：把這個 Block 數組長度給擴大！

比如我們想讓文件系統最大支持 100G 的文件，Block 數組需要這麼長：

(10010241024)/4 = 26214400

Block 數組中每一項是 4 個字節，那就需要 (26214400*4)/1024/1024 = 100M。

爲了支持 100G 的文件，我們的 Block 數組本身就得 100M ！

並且對每個文件都是如此 ！即使這個文件只有 1K！ 這將是巨大浪費！

肯定不能這麼幹，解決方案就是間接索引，按照約定，把這 15 個槽位分作 4 個不同類別來用：

1. 前 12 個槽位（也就是 0 - 11 ）我們成爲直接索引；

2. 第 13 個位置，我們稱爲 1 級索引；

3. 第 14 個位置，我們稱爲 2 級索引；

4. 第 15 個位置，我們稱爲 3 級索引。

直接索引：能存 12 個 block 編號，每個 block 4K，就是 48K，也就是說，48K 以內的文件，前 12 個槽位存儲編號就能完全 hold 住。

一級索引：也就是說這裏存儲的編號指向的 block 裏面存儲的也是 block 編號，裏面的編號指向用戶數據。一個 block 4K，每個元素 4 字節，也就是有 1024 個編號位置可以存儲。

所以，一級索引能尋址 4M（1024 * 4K）空間。

二級索引：二級索引是在一級索引的基礎上多了一級而已，換算下來，有了 4M 的空間用來存儲用戶數據的編號。所以二級索引能尋址 4G（4M/4 * 4K）的空間。

三級索引：三級索引是在二級索引的基礎上又多了一級，也就是說，有了 4G 的空間來存儲用戶數據的 block 編號。所以二級索引能尋址 4T（4G/4 * 4K）的空間。

所以，在這種文件系統（如 ext2）上，通過這種間接塊索引的方式，最大能支撐的文件大小 = 48K + 4M + 4G + 4T ，約等於 4 T。

這種多級索引尋址性能表現怎麼樣？

在不超過 12 個數據塊的小文件的尋址是最快的，訪問文件中的任意數據理論只需要兩次讀盤，一次讀 inode，一次讀數據塊。

訪問大文件中的數據則需要最多五次讀盤操作：inode、一級間接尋址塊、二級間接尋址塊、三級間接尋址塊、數據塊。

爲什麼 cp 那麼快？

接下來我們要寫入一個奇怪的文件，這個文件很大，但是真正的數據只有 8K：

在 [0 , 4K] 這位置有 4K 的數據。

在 [1T , 1T+4K] 處也有 4K 數據。

中間沒有數據，這樣的文件該如何寫入硬盤？

1. 創建一個文件，這個時候分配一個 inode；

2. 在 [0 , 4K] 的位置寫入 4K 數據，這個時候只需要 一個 block，把這個編號寫到 block[0] 這個位置保存起來；

3. 在 [1T , 1T+4K] 的位置寫入 4K 數據，這個時候需要分配一個 block，因爲這個位置已經落到三級索引才能表現的空間了，所以需要還需要分配出 3 個索引塊；

4. 寫入完成，close 文件。

實際存儲如圖：

這個時候，我們的文件看起來是超大文件，size 等於 1T + 4K ，但裏面實際的數據只有 8K，位置分別是 [0 , 4K] ，[1T , 1T+4K]。

由於沒寫數據的地方不用分配物理 block 塊，所以實際佔用的物理空間只有 8K。

重點：文件 size 只是 inode 裏面的一個屬性，實際物理空間佔用則是要看用戶數據放了多少個 block ，沒寫數據的地方不用分配物理 block 塊。

這樣的文件其實就是稀疏文件， 它的邏輯大小和實際物理空間是不相等的。

所以當我們用 cp 命令去複製一個這樣的文件時，那肯定迅速就完成了。

總結

好，我們再深入思考下，文件系統爲什麼能做到這一點？

• 首先，最關鍵的是把磁盤空間切成離散的、定長的 block 來管理；

• 然後，通過 inode 能查找到所有離散的數據（保存了所有的索引）；

• 最後，實現索引塊和數據塊空間的後分配。

這三點是層層遞進的。

後記

我把這點小知識給小夥伴講了一小時，看到他感動欲哭的表情，我覺得他學 fei 了，非常滿意。

是我想太多了嗎？中午喫飯都沒叫我。

作者：OSC 開源社區

來源：https://mp.weixin.qq.com/s/GqKHhAd93iQorDeGyHBMnA

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