文件系統(tǒng)要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是怎樣防止掉電或系統(tǒng)崩潰造成數(shù)據(jù)損壞，在此類意外事件中，導(dǎo)致文件系統(tǒng)損壞的根本原因在于寫文件不是原子操作，因?yàn)閷懳募婕暗牟粌H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，所以寫操作無法一步完成，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)寫入了硬盤數(shù)據(jù)塊中，但白寫了，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)就是為解決上述問題而誕生的。

它的原理是在進(jìn)行寫操作之前，把即將進(jìn)行的各個(gè)步驟（稱為transaction）事先記錄下來，保存在文件系統(tǒng)上單獨(dú)開辟的一塊空間上，這就是所謂的日志(journal)，也被稱為write-ahead logging，日志保存成功之后才進(jìn)行真正的寫操作、把文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)寫進(jìn)硬盤（稱為checkpoint），這樣萬一寫操作的過程中掉電，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)語叫做replay），避免了前述的數(shù)據(jù)損壞場(chǎng)景。

有人問如果保存日志的過程中掉電怎么辦？最初始的想法是把一條日志的數(shù)據(jù)一次性寫入硬盤，相當(dāng)于一個(gè)原子操作，然而這并不可行，因?yàn)橛脖P通常以512字節(jié)為單位進(jìn)行操作，日志數(shù)據(jù)一超過512字節(jié)就不可能一次性寫入了。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，只有在日志寫入成功之后才寫結(jié)束符，如果一條日志沒有對(duì)應(yīng)的結(jié)束符就會(huì)被視為無效日志，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)的寫操作完成之后就沒用了，占用的硬盤空間就可以釋放。保存日志的硬盤空間大小是有限的，被循環(huán)使用，所以日志也被稱為circular log。

至此可以總結(jié)一下日志文件系統(tǒng)的工作步驟了：

• Journal write : 把transaction寫入日志中；

• Journal commit : 在一條日志保存好之后，寫入結(jié)束符；

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

• Free : 回收日志占用的硬盤空間。

以上方式把用戶數(shù)據(jù)(user data)也記錄在日志中，稱為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題：

就是每一個(gè)寫操作涉及的元數(shù)據(jù)(metadata)和用戶數(shù)據(jù)(user data)實(shí)際上都要在硬盤上寫兩次，一次寫在日志里，一次寫在文件系統(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)損壞的方法是先寫入用戶數(shù)據(jù)(user data)、再寫日志，即在上述”Journal write”之前先寫用戶數(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

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