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解析Linux文件空洞填充的重要性及方法
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在Linux系統(tǒng)中，文件空洞填充是一項重要的技術(shù)，可以用于優(yōu)化文件存儲和使用。本文將深入探討文件空洞填充的概念、原理、應(yīng)用，以及如何進行文件空洞填充。
一、文件空洞填充的概念
文件空洞填充，指的是在文件中填充一個邏輯上的零字節(jié)，以占用磁盤空間，但不占用實際的物理存儲空間。它可以作為文件系統(tǒng)的一種優(yōu)化技術(shù)，可以使大文件占用更少的磁盤空間，提高文件系統(tǒng)的存儲效率。
在一個典型的文件系統(tǒng)中，每個文件都有一個或多個數(shù)據(jù)塊組成。當(dāng)文件中的數(shù)據(jù)不足以填滿一個數(shù)據(jù)塊時，會使用空洞（中間的未使用字節(jié)）來占位。這些空洞不占用實際的物理存儲空間，但會增加文件大小和磁盤消耗。
文件空洞填充用于填充這些空洞，使得文件變得更加緊湊，占用更少的磁盤空間。當(dāng)然，這種技術(shù)不能應(yīng)用于所有類型的文件。只有具有一定規(guī)律的、具有空洞日期的文件才能從中獲得更好的效益。
二、文件空洞填充的原理
理論上，每個數(shù)據(jù)塊至少需要占用一定的物理存儲空間。例如，在一個典型的文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)塊大小通常為4K（4096字節(jié)）。因此，當(dāng)文件沒有填滿完整的數(shù)據(jù)塊時，通常會使用空洞來占位，以填充數(shù)據(jù)塊。
文件空洞填充的原理，就是用零字節(jié)來代替這些未填充的數(shù)據(jù)，以占用磁盤空間并縮小文件大小。這些零字節(jié)本質(zhì)上不占用任何實際的存儲空間，但它們會被計入磁盤空間使用情況。
實現(xiàn)文件空洞填充的關(guān)鍵在于，如何將邏輯上的零字節(jié)映射到物理存儲空間，同時保持文件的完整性和可訪問性。通常，操作系統(tǒng)提供了一些函數(shù)或工具，以實現(xiàn)這種映射操作。
三、文件空洞填充的應(yīng)用
文件空洞填充可以用于優(yōu)化文件存儲和使用，以提高系統(tǒng)的存儲效率和性能。以下是一些常見的應(yīng)用場景：
1.數(shù)據(jù)庫文件
在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，經(jīng)常會有一些大型數(shù)據(jù)庫文件，這些文件通常會包含大量空洞。通過使用文件空洞填充技術(shù)，可以壓縮數(shù)據(jù)庫文件的大小，縮短讀寫時間，從而提高系統(tǒng)性能。
2.網(wǎng)絡(luò)開發(fā)
在網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中，文件空洞填充可以用于壓縮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的大小，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間和帶寬占用。例如，在文件傳輸協(xié)議中，可以將邏輯上的空洞視為本地主機上的零字節(jié)，以減少傳輸數(shù)據(jù)量。
3.虛擬機存儲
在虛擬機環(huán)境中，文件空洞填充可以用于優(yōu)化虛擬機磁盤的存儲空間。例如，在創(chuàng)建虛擬機鏡像文件時，可以使用文件空洞填充去掉空洞，以減少虛擬機系統(tǒng)占用的存儲空間。
4.日志文件
在日志系統(tǒng)中，日志文件通常會包含大量的空洞，例如在文件旋轉(zhuǎn)后的未使用的部分。可以使用文件空洞填充技術(shù)，壓縮日志文件的大小，減少存儲空間占用和磁盤消耗。
四、如何進行文件空洞填充
文件空洞填充可以使用一些工具或技術(shù)來實現(xiàn)，其中最常用的幾種包括：
1.fallocate命令
fallocate是一個Linux系統(tǒng)自帶的工具，它可以用來為文件分配磁盤空間?？梢允褂胒allocate命令來填充文件中的空洞，以實現(xiàn)文件空洞填充。例如：
fallocate -l 1G file
該命令將在file文件中分配一個1GB大小的空洞。
2.truncate命令
truncate是另一個Linux自帶的命令，它可以用來調(diào)整文件大小。可以使用truncate命令來向文件中添加空洞，例如：
truncate -s 1G file
該命令將在文件中添加一個1GB大小的空洞。
3.C程序
可以使用C語言程序來實現(xiàn)文件空洞填充。需要打開目標(biāo)文件，然后使用lseek函數(shù)在文件中定位到適當(dāng)?shù)奈恢?，然后使用write函數(shù)來向文件中寫入適當(dāng)長度的零字節(jié)。例如：
int fd = open(“file”, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
lseek(fd, 0, SEEK_END);
write(fd, “\0”, 1);
4.Python腳本
Python也提供了一些工具來實現(xiàn)文件空洞填充。其中最常用的是os模塊中的fallocate函數(shù)，例如：
import os
os.fallocate(fd, 0, size)
該函數(shù)可以用來在文件中填充一個指定大小的空洞。
文件空洞填充技術(shù)在Linux系統(tǒng)中是一項重要的優(yōu)化技術(shù)，可以用于優(yōu)化文件存儲和使用，以提高系統(tǒng)的存儲效率和性能。通過本文的介紹，您已經(jīng)了解了文件空洞填充的概念、原理和應(yīng)用，以及如何進行文件空洞填充。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ吆图夹g(shù)，以獲得更好的效益。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- linux手冊翻譯——fallocate(2)
- linux在文件末尾添加內(nèi)容
linux手冊翻譯——fallocate(2)
fallocate – manipulate file space
這是一個不可移植的、特定于臘鏈鬧 Linux 的系統(tǒng)調(diào)用。 For the portable, POSIX.1-specified method of ensuring that space is allocated for a file, see posix_fallocate(3).
fallocate() 允許調(diào)用者直接操作 fd 引用的文件所分配的磁盤空間，操作的字節(jié)范圍為。
mode 參數(shù)確定要在給定范圍上執(zhí)行的操作。 支持的操作的詳細信息在下面的小節(jié)中給出。
fallocate()的默認操作（即 mode =0）是在參數(shù) offset 和 len 指定的范圍內(nèi)分配磁盤空間。如果 offset + len 大于文件的大小，則文件大小將被修改。超過原范圍的區(qū)域?qū)怀跏蓟癁?。此默認行為與 posix_fallocate(3) 庫函數(shù)的行為非常相似，是實現(xiàn) posix_fallocate(3) 的更佳實現(xiàn)方法。
調(diào)用成功后，后續(xù)寫入 offset 和 len 指定的范圍不會因為磁盤空間不足而失敗。
注：這樣做的有什么用呢？根據(jù)博客 用fallocate進行”文件預(yù)留”或”文件打洞” ，可以有以下好處：
（1）可以讓文件盡可能的占用連續(xù)的磁喚李盤扇區(qū)，減少后續(xù)寫入和讀取文件時的磁盤尋道開銷；
（2）迅速占用磁盤空間，防止使用過程中所需空間不足。
（3）后面再追加數(shù)據(jù)的話，不會需要改變文件大小，所以后面將不涉及metadata的修改
如果在mode中指定了 FALLOC_FL_KEEP_SIZE 標(biāo)志，調(diào)用的行為類似，即依然會為文件分配磁盤空間,但是不會修改文件大小。這種預(yù)分配的方式可以用來優(yōu)化文件的append操作，也就是在執(zhí)行append的時候不需要再額外申請磁盤空間了。
如果在 mode 中指定了 FALLOC_FL_UNSHARE_RANGE 標(biāo)志，則共享文件數(shù)據(jù)范圍將成為文件私有的，以保證后續(xù)寫入不會因空間不足而失敗。 通常，這將通過對文件中的所有共享數(shù)據(jù)執(zhí)行寫時復(fù)制操作來完成。 并非所有文件系統(tǒng)都支持此標(biāo)志。
由于分配是以塊大小的塊完成的，fallocate() 可能會分配比指定范圍更大的磁盤空間。
當(dāng)mode指定為 FALLOC_FL_PUNCH_HOLE 時，會釋放指定范圍內(nèi)的空間，即創(chuàng)建一個輪罩空洞。在指定的范圍內(nèi)，部分的文件塊(即文件塊部分屬于該范圍)將會被置為0，全部的在范圍內(nèi)的文件塊，將會被從文件系統(tǒng)中刪除。成功調(diào)用后，后續(xù)的讀取將會返回0。
FALLOC_FL_PUNCH_HOLE 必須和 FALLOC_FL_KEEP_SIZE 通過或運算一起使用，換句話說， FALLOC_FL_PUNCH_HOLE 是不能修改文件的大小的。
并非所有文件系統(tǒng)都支持 FALLOC_FL_PUNCH_HOLE； 如果文件系統(tǒng)不支持該操作，則返回錯誤。 至少以下文件系統(tǒng)支持該操作：
當(dāng)mode指定為 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 標(biāo)志時，將從文件中刪除指定的字節(jié)范圍，而不會留下空洞。操作完成后，從 offset + len 開始位置的文件內(nèi)容將會被追加到 offset 處。文件大小會減少 len
文件系統(tǒng)可能會限制操作的粒度，以確保有效實施。 通常，offset 和 len 必須是文件系統(tǒng)邏輯塊大小的倍數(shù)，這取決于文件系統(tǒng)類型和配置。 如果文件系統(tǒng)有這樣的要求，如果違反了該要求，fallocate() 將失敗并顯示錯誤 EINVAL。
If the region specified by offset plus len reaches or passes the end of file, an error is returned; instead, use ftruncate(2) to truncate a file.
FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 標(biāo)志和其他標(biāo)志不兼容。
在 Linux 3.15 中，ext4（only for extent-based files）和 XFS 支持 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 標(biāo)志。
當(dāng)mode指定為 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 標(biāo)志時，將會指定范圍內(nèi)分配磁盤空間，填補空洞。成功調(diào)用后后續(xù)讀取將會返回0。
Zeroing is done within the filesystem preferably by converting the range into unwritten extents. This approach means that the specified range will not be physically zeroed out on the device (except for partial blocks at the either end of the range), and I/O is (otherwise) required only to update metadata.可能的意思是，更好不要將物理磁盤清零，而是配置一個為寫入的狀態(tài)，這樣讀取上來的pagecache就是0。這種情況下，僅僅需要修改文件元數(shù)據(jù)就可有了。
如果在mode中額外指定了FALLOC_FL_KEEP_SIZE標(biāo)志，調(diào)用的行為類似，但即使offset+len大于文件大小，文件大小也不會改變。 此行為與在指定 FALLOC_FL_KEEP_SIZE 的情況下預(yù)分配空間時相同。
并非所有文件系統(tǒng)都支持 FALLOC_FL_ZERO_RANGE； 如果文件系統(tǒng)不支持該操作，則返回錯誤。 至少以下文件系統(tǒng)支持該操作：
如果在mode中額外指定了 FALLOC_FL_INSERT_RANGE 標(biāo)志，那么將會在offset開始的位置插入一個大小為len的空洞，在不覆蓋文件內(nèi)容的前提下增加文件的空間。
此模式在操作粒度方面與 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 具有相同的限制。 如果不滿足粒度要求，fallocate() 將失敗并顯示錯誤 EINVAL。 如果偏移量等于或大于文件末尾，則返回錯誤。 對于此類操作（即在文件末尾插入一個洞），應(yīng)使用 ftruncate(2)。
FALLOC_FL_INSERT_RANGE 標(biāo)志與其他標(biāo)志不兼容。
目前只有XFS (since Linux 4.1) 和 ext4 (since Linux 4.2)支持此標(biāo)志。
n success, fallocate() returns zero. On error, -1 is returned and errno is set to indicate the error.
fallocate() is available on Linux since kernel 2.6.23. Supportis provided by glibc since version 2.10. The FALLOC_FL_* flagsare defined in glibc headers only since version 2.18.
fallocate() is Linux-specific.
linux在文件末尾添加內(nèi)容
在Linux，有幾種方法可以用來向文件的末尾大山拆追加內(nèi)容。
方法一、雙大于號>>
結(jié)合cat把一個文件的內(nèi)容追加到另外一個文件的末尾：
cat 1.txt >> 2.txt
結(jié)合echo向文件的末尾追加內(nèi)容：
echo “hello” >> 2.txt
注意：雙大于號”>>”表示內(nèi)容追加，但大于號”>”則是覆蓋目標(biāo)文件的內(nèi)容。
方法二、使用命令tee -a
tee -a 會輸出內(nèi)容到標(biāo)準輸出的同時，追加到文件file中。如果文件不存在，則創(chuàng)建滾棗；如果已經(jīng)存在，就在末尾唯閉追加內(nèi)容，而不是覆蓋?！禠inux就該這么學(xué)》一起學(xué)習(xí)
如果少了-a，則是覆蓋。
結(jié)合cat把一個文件的內(nèi)容追加到另外一個文件的末尾：
cat 1.txt | tee -a 2.txt
結(jié)合echo向文件的末尾追加內(nèi)容：
echo “hello” | tee -a 2.txt
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