解析linux 文件空洞填充的重要性及方法 (linux 文件空洞 填充)
解析Linux文件空洞填充的重要性及方法
在Linux系统中，文件空洞填充是一项重要的技术，可以用于优化文件存储和使用。本文将深入探讨文件空洞填充的概念、原理、应用，以及如何进行文件空洞填充。
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个逻辑上的零字节，以占用磁盘空间，但不占用实际的物理存储空间。它可以作为文件系统的一种优化技术，可以使大文件占用更少的磁盘空间，提高文件系统的存储效率。
在一个典型的文件系统中，每个文件都有一个或多个数据块组成。当文件中的数据不足以填满一个数据块时，会使用空洞（中间的未使用字节）来占位。这些空洞不占用实际的物理存储空间，但会增加文件大小和磁盘消耗。
文件空洞填充用于填充这些空洞，使得文件变得更加紧凑，占用更少的磁盘空间。当然，这种技术不能应用于所有类型的文件。只有具有一定规律的、具有空洞日期的文件才能从中获得更好的效益。
二、文件空洞填充的原理
理论上，每个数据块至少需要占用一定的物理存储空间。例如，在一个典型的文件系统中，数据块大小通常为4K（4096字节）。因此，当文件没有填满完整的数据块时，通常会使用空洞来占位，以填充数据块。
文件空洞填充的原理，就是用零字节来代替这些未填充的数据，以占用磁盘空间并缩小文件大小。这些零字节本质上不占用任何实际的存储空间，但它们会被计入磁盘空间使用情况。
实现文件空洞填充的关键在于，如何将逻辑上的零字节映射到物理存储空间，同时保持文件的完整性和可访问性。通常，操作系统提供了一些函数或工具，以实现这种映射操作。
三、文件空洞填充的应用
文件空洞填充可以用于优化文件存储和使用，以提高系统的存储效率和性能。以下是一些常见的应用场景：
1.数据库文件
在数据库管理系统中，经常会有一些大型数据库文件，这些文件通常会包含大量空洞。通过使用文件空洞填充技术，可以压缩数据库文件的大小，缩短读写时间，从而提高系统性能。
2.网络开发
在网络开发中，文件空洞填充可以用于压缩网络数据包的大小，减少数据传输的时间和带宽占用。例如，在文件传输协议中，可以将逻辑上的空洞视为本地主机上的零字节，以减少传输数据量。
3.虚拟机存储
在虚拟机环境中，文件空洞填充可以用于优化虚拟机磁盘的存储空间。例如，在创建虚拟机镜像文件时，可以使用文件空洞填充去掉空洞，以减少虚拟机系统占用的存储空间。
4.日志文件
在日志系统中，日志文件通常会包含大量的空洞，例如在文件旋转后的未使用的部分。可以使用文件空洞填充技术，压缩日志文件的大小，减少存储空间占用和磁盘消耗。
四、如何进行文件空洞填充
文件空洞填充可以使用一些工具或技术来实现，其中最常用的几种包括：
1.fallocate命令
fallocate是一个Linux系统自带的工具，它可以用来为文件分配磁盘空间。可以使用fallocate命令来填充文件中的空洞，以实现文件空洞填充。例如：
fallocate -l 1G file
该命令将在file文件中分配一个1GB大小的空洞。
2.truncate命令
truncate是另一个Linux自带的命令，它可以用来调整文件大小。可以使用truncate命令来向文件中添加空洞，例如：
truncate -s 1G file
该命令将在文件中添加一个1GB大小的空洞。
3.C程序
可以使用C语言程序来实现文件空洞填充。需要打开目标文件，然后使用lseek函数在文件中定位到适当的位置，然后使用write函数来向文件中写入适当长度的零字节。例如：
int fd = open(“file”, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
lseek(fd, 0, SEEK_END);
write(fd, “\0”, 1);
4.Python脚本
Python也提供了一些工具来实现文件空洞填充。其中最常用的是os模块中的fallocate函数，例如：
import os
os.fallocate(fd, 0, size)
该函数可以用来在文件中填充一个指定大小的空洞。
文件空洞填充技术在Linux系统中是一项重要的优化技术，可以用于优化文件存储和使用，以提高系统的存储效率和性能。通过本文的介绍，您已经了解了文件空洞填充的概念、原理和应用，以及如何进行文件空洞填充。在实际应用中，可以根据实际情况选择适当的工具和技术，以获得更好的效益。
相关问题拓展阅读：
linux手册翻译——fallocate(2)
fallocate – manipulate file space
这是一个不可移植的、特定于腊链闹 Linux 的系统调用。 For the portable, POSIX.1-specified method of ensuring that space is allocated for a file, see posix_fallocate(3).
fallocate() 允许调用者直接操作 fd 引用的文件所分配的磁盘空间，操作的字节范围为。
mode 参数确定要在给定范围上执行的操作。 支持的操作的详细信息在下面的小节中给出。
fallocate()的默认操作（即 mode =0）是在参数 offset 和 len 指定的范围内分配磁盘空间。如果 offset + len 大于文件的大小，则文件大小将被修改。超过原范围的区域将会被初始化为0。此默认行为与 posix_fallocate(3) 库函数的行为非常相似，是实现 posix_fallocate(3) 的更佳实现方法。
调用成功后，后续写入 offset 和 len 指定的范围不会因为磁盘空间不足而失败。
注：这样做的有什么用呢？根据博客 用fallocate进行”文件预留”或”文件打洞” ，可以有以下好处：
（1）可以让文件尽可能的占用连续的磁唤李盘扇区，减少后续写入和读取文件时的磁盘寻道开销；
（2）迅速占用磁盘空间，防止使用过程中所需空间不足。
（3）后面再追加数据的话，不会需要改变文件大小，所以后面将不涉及metadata的修改
如果在mode中指定了 FALLOC_FL_KEEP_SIZE 标志，调用的行为类似，即依然会为文件分配磁盘空间,但是不会修改文件大小。这种预分配的方式可以用来优化文件的append操作，也就是在执行append的时候不需要再额外申请磁盘空间了。
如果在 mode 中指定了 FALLOC_FL_UNSHARE_RANGE 标志，则共享文件数据范围将成为文件私有的，以保证后续写入不会因空间不足而失败。 通常，这将通过对文件中的所有共享数据执行写时复制操作来完成。 并非所有文件系统都支持此标志。
由于分配是以块大小的块完成的，fallocate() 可能会分配比指定范围更大的磁盘空间。
当mode指定为 FALLOC_FL_PUNCH_HOLE 时，会释放指定范围内的空间，即创建一个轮罩空洞。在指定的范围内，部分的文件块(即文件块部分属于该范围)将会被置为0，全部的在范围内的文件块，将会被从文件系统中删除。成功调用后，后续的读取将会返回0。
FALLOC_FL_PUNCH_HOLE 必须和 FALLOC_FL_KEEP_SIZE 通过或运算一起使用，换句话说， FALLOC_FL_PUNCH_HOLE 是不能修改文件的大小的。
并非所有文件系统都支持 FALLOC_FL_PUNCH_HOLE； 如果文件系统不支持该操作，则返回错误。 至少以下文件系统支持该操作：
当mode指定为 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 标志时，将从文件中删除指定的字节范围，而不会留下空洞。操作完成后，从 offset + len 开始位置的文件内容将会被追加到 offset 处。文件大小会减少 len
文件系统可能会限制操作的粒度，以确保有效实施。 通常，offset 和 len 必须是文件系统逻辑块大小的倍数，这取决于文件系统类型和配置。 如果文件系统有这样的要求，如果违反了该要求，fallocate() 将失败并显示错误 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 标志和其他标志不兼容。
在 Linux 3.15 中，ext4（only for extent-based files）和 XFS 支持 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 标志。
当mode指定为 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 标志时，将会指定范围内分配磁盘空间，填补空洞。成功调用后后续读取将会返回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，更好不要将物理磁盘清零，而是配置一个为写入的状态，这样读取上来的pagecache就是0。这种情况下，仅仅需要修改文件元数据就可有了。
如果在mode中额外指定了FALLOC_FL_KEEP_SIZE标志，调用的行为类似，但即使offset+len大于文件大小，文件大小也不会改变。 此行为与在指定 FALLOC_FL_KEEP_SIZE 的情况下预分配空间时相同。
并非所有文件系统都支持 FALLOC_FL_ZERO_RANGE； 如果文件系统不支持该操作，则返回错误。 至少以下文件系统支持该操作：
如果在mode中额外指定了 FALLOC_FL_INSERT_RANGE 标志，那么将会在offset开始的位置插入一个大小为len的空洞，在不覆盖文件内容的前提下增加文件的空间。
此模式在操作粒度方面与 FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE 具有相同的限制。 如果不满足粒度要求，fallocate() 将失败并显示错误 EINVAL。 如果偏移量等于或大于文件末尾，则返回错误。 对于此类操作（即在文件末尾插入一个洞），应使用 ftruncate(2)。
FALLOC_FL_INSERT_RANGE 标志与其他标志不兼容。
目前只有XFS (since Linux 4.1) 和 ext4 (since Linux 4.2)支持此标志。
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在文件末尾添加内容
在Linux，有几种方法可以用来向文件的末尾大山拆追加内容。
方法一、双大于号>>
结合cat把一个文件的内容追加到另外一个文件的末尾：
cat 1.txt >> 2.txt
结合echo向文件的末尾追加内容：
echo “hello” >> 2.txt
注意：双大于号”>>”表示内容追加，但大于号”>”则是覆盖目标文件的内容。
方法二、使用命令tee -a
tee -a 会输出内容到标准输出的同时，追加到文件file中。如果文件不存在，则创建滚枣；如果已经存在，就在末尾唯闭追加内容，而不是覆盖。《Linux就该这么学》一起学习
如果少了-a，则是覆盖。
结合cat把一个文件的内容追加到另外一个文件的末尾：
cat 1.txt | tee -a 2.txt
结合echo向文件的末尾追加内容：
echo “hello” | tee -a 2.txt
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