文件系統(tǒng)要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是怎樣防止掉電或系統(tǒng)崩潰造成數(shù)據(jù)損壞，在此類(lèi)意外事件中，導(dǎo)致文件系統(tǒng)損壞的根本原因在于寫(xiě)文件不是原子操作，因?yàn)閷?xiě)文件涉及的不僅僅是用戶數(shù)據(jù)，還涉及元數(shù)據(jù)(metadata)包括 Superblock、inode bitmap、inode、data block bitmap等，所以寫(xiě)操作無(wú)法一步完成，如果其中任何一個(gè)步驟被打斷，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的不一致或損壞。

舉一個(gè)簡(jiǎn)化的例子，我們對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行寫(xiě)操作，要涉及以下步驟：

1. 從data block bitmap中分配一個(gè)數(shù)據(jù)塊；

2. 在inode中添加指向數(shù)據(jù)塊的指針；

3. 把用戶數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)塊。

• 如果步驟2完成了，3未完成，結(jié)果是數(shù)據(jù)損壞，因?yàn)樵撐募J(rèn)為數(shù)據(jù)塊是自己的，但里面的數(shù)據(jù)其實(shí)是垃圾；

• 如果步驟2完成了，1未完成，結(jié)果是元數(shù)據(jù)不一致，因?yàn)樵撐募呀?jīng)把數(shù)據(jù)塊據(jù)為己有，然而文件系統(tǒng)卻還認(rèn)為該數(shù)據(jù)塊未分配、隨后又可能會(huì)把該數(shù)據(jù)塊分配給別的文件、造成數(shù)據(jù)覆蓋；

• 如果步驟1完成了、2未完成，結(jié)果就是文件系統(tǒng)分配了一個(gè)數(shù)據(jù)塊，但是沒(méi)有任何文件用到這個(gè)數(shù)據(jù)塊，造成空間浪費(fèi)；

• 如果步驟3完成了，2未完成，結(jié)果就是用戶數(shù)據(jù)寫(xiě)入了硬盤(pán)數(shù)據(jù)塊中，但白寫(xiě)了，因?yàn)槲募恢肋@個(gè)數(shù)據(jù)塊是自己的。

日志文件系統(tǒng)(Journal File System)就是為解決上述問(wèn)題而誕生的。

它的原理是在進(jìn)行寫(xiě)操作之前，把即將進(jìn)行的各個(gè)步驟（稱(chēng)為transaction）事先記錄下來(lái)，保存在文件系統(tǒng)上單獨(dú)開(kāi)辟的一塊空間上，這就是所謂的日志(journal)，也被稱(chēng)為write-ahead logging，日志保存成功之后才進(jìn)行真正的寫(xiě)操作、把文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)硬盤(pán)（稱(chēng)為checkpoint），這樣萬(wàn)一寫(xiě)操作的過(guò)程中掉電，下次掛載文件系統(tǒng)之前把保存好的日志重新執(zhí)行一遍就行了（術(shù)語(yǔ)叫做replay），避免了前述的數(shù)據(jù)損壞場(chǎng)景。

有人問(wèn)如果保存日志的過(guò)程中掉電怎么辦？最初始的想法是把一條日志的數(shù)據(jù)一次性寫(xiě)入硬盤(pán)，相當(dāng)于一個(gè)原子操作，然而這并不可行，因?yàn)橛脖P(pán)通常以512字節(jié)為單位進(jìn)行操作，日志數(shù)據(jù)一超過(guò)512字節(jié)就不可能一次性寫(xiě)入了。所以實(shí)際上是這么做的：給每一條日志設(shè)置一個(gè)結(jié)束符，只有在日志寫(xiě)入成功之后才寫(xiě)結(jié)束符，如果一條日志沒(méi)有對(duì)應(yīng)的結(jié)束符就會(huì)被視為無(wú)效日志，直接丟棄，這樣就保證了日志里的數(shù)據(jù)是完整的。

一條日志在它對(duì)應(yīng)的寫(xiě)操作完成之后就沒(méi)用了，占用的硬盤(pán)空間就可以釋放。保存日志的硬盤(pán)空間大小是有限的，被循環(huán)使用，所以日志也被稱(chēng)為circular log。

至此可以總結(jié)一下日志文件系統(tǒng)的工作步驟了：

1. Journal write : 把transaction寫(xiě)入日志中；

2. Journal commit : 在一條日志保存好之后，寫(xiě)入結(jié)束符；

3. Checkpoint : 進(jìn)行真正的寫(xiě)操作，把元數(shù)據(jù)(metadata)和用戶數(shù)據(jù)(user data)寫(xiě)入文件系統(tǒng)；

4. Free : 回收日志占用的硬盤(pán)空間。

以上方式把用戶數(shù)據(jù)(user data)也記錄在日志中，稱(chēng)為Data Journaling，Linux EXT3文件系統(tǒng)就支持這種方式，這種方式存在效率問(wèn)題：

就是每一個(gè)寫(xiě)操作涉及的元數(shù)據(jù)(metadata)和用戶數(shù)據(jù)(user data)實(shí)際上都要在硬盤(pán)上寫(xiě)兩次，一次寫(xiě)在日志里，一次寫(xiě)在文件系統(tǒng)上。元數(shù)據(jù)倒也罷了，用戶數(shù)據(jù)通常比較大，拷貝幾個(gè)GB的電影文件也要乘以2實(shí)在是降低了效率。

一個(gè)更高效的方式是Metadata Journaling，不把用戶數(shù)據(jù)(user data)記錄在日志中，它防止數(shù)據(jù)損壞的方法是先寫(xiě)入用戶數(shù)據(jù)(user data)、再寫(xiě)日志，即在上述”Journal write”之前先寫(xiě)用戶數(shù)據(jù)，這樣就保證了只要日志是有效的，那么它對(duì)應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)也是有效的，一旦發(fā)生掉電故障，最壞的結(jié)果也就是最后一條日志沒(méi)記完，那么對(duì)應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)也會(huì)丟，效果與Data Journaling丟棄日志一樣，重要的是文件系統(tǒng)的一致性和完整性是有保證的。

Metadata Journaling又叫Ordered Journaling，大多數(shù)文件系統(tǒng)都采用這種方式。像Linux EXT3文件系統(tǒng)也是可以選擇Data Journaling還是Ordered Journaling的。

參考資料：
Crash Consistency: FSCK and Journaling

推薦閱讀：

1、Linux 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)工具 ss 命令使用詳解
2、一文理解 Linux 平均負(fù)載，附排查工具
3、Linux 系統(tǒng)常用命令速查手冊(cè)
4、Linux！為何他一人就寫(xiě)出這么強(qiáng)的系統(tǒng)，中國(guó)卻做不出來(lái)？
5、5分鐘帶你了解 Linux 常用命令全稱(chēng)！
6、Linux 的文件系統(tǒng)及文件緩存知識(shí)點(diǎn)整理

關(guān)注微信公眾號(hào)「杰哥的IT之旅」，后臺(tái)回復(fù)「1024」查看更多內(nèi)容，回復(fù)「加群」備注：地區(qū)-職業(yè)方向-昵稱(chēng) 即可加入讀者交流群。

     

      
       

        

         

          

           

            

             

              
             
             

              點(diǎn)個(gè)[在看]，是對(duì)杰哥最大的支持！