[apue] 文件中的空洞 - goodcitizen

空洞的概念

linux 上普通文件的大小与占用空间是两个概念，前者表示文件中数据的长度，后者表示数据占用的磁盘空间，通常后者大于前者，因为需要一些额外的空间用来记录文件的某些统计信息或附加信息、以及切分为块的数据信息 (通常不会占用太多)。文件占用空间也可以小于文件尺寸，此时文件内部就存在空洞了。

所谓空洞其实就是没有分配存储空间的数据块，当访问这些数据块时，系统返回 0，就如同读到空文件一般，当写这些块时，系统再实地分配对应的存储空间。其实这个和内存中的虚址地址与物理地址的概念非常相似——操作系统可以预分配一大块内存地址，这个地址只是一段连续的数字，用来保证虚拟地址不会被其它人占用，而对应的物理地址只在用到时才分配，这样就避免了一下分配一大块内存带来的浪费问题。同理，如果抽象出一个文件地址和存储地址来的话，完全可以套用上面的结论：连续的文件地址保证用户可以访问任意偏移的文件数据；文件中的空洞又避免了一下子分配太多的物理存储带来的浪费。

所以空洞不光针对文件，也可以针对内存，可以将虚址中的缺页中断理解为填补内存空洞的过程，文件中也有类似的机制。不过也有一些差异，例如内存因进程间共享而引入的 copy-on-write 机制，文件中就没有。文件同一地址的数据如果被多个进程同时写入时，只有最后一个写入的会生效，前面的那些都会被覆盖，因为文件是系统级别的概念，不像内存一样专属于某个进程。

空洞的产生

下面分平台说明。

Linux

所有的类 Unix 系统都差不多，方法比较简单，满足以下两点即可：

• 设置文件的偏移量 (lseek) 超过文件尾端
• 并写了某些数据后 (write)

此时原文件末尾到新文件末尾之间将标记为空洞。甚至都不需要写一个程序，就可以验证：

$ echo "this is a test" > test.txt
$ ls -lh test.txt
-rw-rw-r-- 1 yunh yunh 15 Oct 30 16:14 test.txt

$ stat test.txt
  File: test.txt
  Size: 15        	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 805h/2053d	Inode: 35259462    Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/    yunh)   Gid: ( 1000/    yunh)
Access: 2021-10-30 16:15:00.767760242 +0800
Modify: 2021-10-30 16:14:58.160147599 +0800
Change: 2021-10-30 16:14:58.160147599 +0800
 Birth: -

$ du -sh test.txt
4.0K	test.txt

$ truncate -s 1M test.txt
$ ls -lh test.txt
-rw-rw-r-- 1 yunh yunh 1.0M Oct 30 16:16 test.txt

$ stat test.txt
  File: test.txt
  Size: 1048576   	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 805h/2053d	Inode: 35259462    Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/    yunh)   Gid: ( 1000/    yunh)
Access: 2021-10-30 16:15:00.767760242 +0800
Modify: 2021-10-30 16:16:02.914508936 +0800
Change: 2021-10-30 16:16:02.914508936 +0800
 Birth: -

$ du -sh test.txt
4.0K	test.txt

上面的例子中，标称 1MB 的 test.txt 文件只占用 4KB 空间。带有空洞的文件复制后还有空洞吗？这要看你用什么方式复制了，如果是 cp 答案是有，如果是 cat ＋ 重定向，没有，请看下面的例子：

$ cp test.txt foo.txt
$ cat test.txt > bar.txt
$ ls -lh *.txt
-rw-rw-r-- 1 yunh yunh 1.0M Oct 30 16:29 bar.txt
-rw-rw-r-- 1 yunh yunh 1.0M Oct 30 16:29 foo.txt
-rw-rw-r-- 1 yunh yunh 1.0M Oct 30 16:16 test.txt

$ stat *.txt
  File: bar.txt
  Size: 1048576   	Blocks: 2048       IO Block: 4096   regular file
Device: 805h/2053d	Inode: 35259560    Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/    yunh)   Gid: ( 1000/    yunh)
Access: 2021-10-30 16:29:21.921709008 +0800
Modify: 2021-10-30 16:29:21.925707851 +0800
Change: 2021-10-30 16:29:21.925707851 +0800
 Birth: -
  File: foo.txt
  Size: 1048576   	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 805h/2053d	Inode: 35259559    Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/    yunh)   Gid: ( 1000/    yunh)
Access: 2021-10-30 16:29:16.751224261 +0800
Modify: 2021-10-30 16:29:16.755223068 +0800
Change: 2021-10-30 16:29:16.755223068 +0800
 Birth: -
  File: test.txt
  Size: 1048576   	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 805h/2053d	Inode: 35259462    Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/    yunh)   Gid: ( 1000/    yunh)
Access: 2021-10-30 16:19:51.460219249 +0800
Modify: 2021-10-30 16:16:02.914508936 +0800
Change: 2021-10-30 16:16:02.914508936 +0800
 Birth: -

$ du -sh *.txt
1.0M	bar.txt
4.0K	foo.txt
4.0K	test.txt

cp 后的文件保留了相同的空洞，cat ＋ 重定向的则生成了没有空洞的文件。从另一个侧面说明读取空洞时，系统是返回了 0 的。

Windows

与类 Unix 系统不同，windows 使用稀疏文件 (sparse) 来表示含有空洞的文件。不光是概念上有区别，实现上也有差别，例如使用类似 linux 的超出文件末尾写策略，并不能生成一个稀疏文件。当然了，首先要保证文件系统是 NTFS，其次需要使用 windows 特定的 api 来完成这项工作。

• SetFilePointer (lseek)
• WriteFile (write)
• SetEndOfFile (n/a)

并且需要在这样做之前声明文件为稀疏文件，系统才会为它生成空洞节省空间：

DeviceIoControl(hFile, FSCTL_SET_SPARSE, NULL, 0, NULL, 0, &dwTemp, NULL);

hFile 为打开的文件句柄。widnows 的空洞本质上是一种数据压缩，将很多 0 压缩在一起，不过确确实实起到了节省存储空间的目的。

空洞的应用

下面的脚本可以搜索文件系统中带空洞的文件：

#! /bin/sh

function main()
{
    local path="."
    if [ $# -gt 0 ]; then 
        path="$1"
    fi

    echo "detect hole under ${path}"
    local size=0
    local space=0
    for file in $(find "${path}" -type f); do
        if [ -f "${file}" ]; then 
            size=$(stat -c "%s" "${file}")
            space=$(($(du -k "${file}" | awk '{print $1}')*1024))
            if [ ${size} -gt ${space} ]; then 
                echo "${file} has hole, space ${space}, size ${size}"
            fi
        else 
            # file-name has chinese character ?
            #echo "no ${file}"
            :
        fi
    done
    echo "done!"
}

main "$@"

在我的一台笔记本设备上的确产生了输出：

$ bash -f find_hole.sh /home 2>/dev/null
detect hole under /home
/home/yunh/snap/ohmygiraffe/common/.cache/mesa_shader_cache/index has hole, space 0, size 1310728
/home/yunh/.config/baidunetdisk/GPUCache/data_0 has hole, space 12288, size 45056
/home/yunh/.config/baidunetdisk/GPUCache/index has hole, space 45056, size 262512
/home/yunh/.config/baidunetdisk/GPUCache/data_3 has hole, space 98304, size 4202496
/home/yunh/.config/baidunetdisk/GPUCache/data_1 has hole, space 12288, size 270336
/home/yunh/.cache/mesa_shader_cache/index has hole, space 753664, size 1310728
/home/yunh/code/apue/04.chapter/foo.txt has hole, space 4096, size 1048576
/home/yunh/code/apue/04.chapter/test.txt has hole, space 4096, size 1048576
/home/yunh/code/apue/08.chapter/file.map has hole, space 20480, size 1048576
/home/yunh/.mozilla/firefox/g6azoga7.default-release/storage/default/https+++mail.126.com/cache/caches.sqlite has hole, space 86016, size 98304
/home/yunh/.mozilla/firefox/g6azoga7.default-release/storage/default/https+++126.com/cache/caches.sqlite has hole, space 86016, size 98304
/home/yunh/.mozilla/firefox/g6azoga7.default-release/storage/default/moz-extension+++d24d4498-4011-4423-805a-f6f4f5ace4f7^userContextId=4294967295/idb/3647222921wleabcEoxlt-eengsairo.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/g6azoga7.default-release/storage/default/https+++blog.csdn.net/cache/caches.sqlite has hole, space 61440, size 65536
/home/yunh/.mozilla/firefox/g6azoga7.default-release/cookies.sqlite has hole, space 98304, size 524288
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/moz-extension+++15f580b5-b741-4f58-b7b2-50144c678660^userContextId=4294967295/idb/3647222921wleabcEoxlt-eengsairo.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/http+++www.chinadegrees.cn/idb/3178482897EPkc.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++mail.126.com/cache/caches.sqlite has hole, space 176128, size 196608
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++translate.yandex.kz/idb/3977681304ystnro_ictoclel.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/moz-extension+++5cbf54b3-f5e8-493a-9096-76e3ad392e45^userContextId=4294967295/idb/3647222921wleabcEoxlt-eengsairo.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/http+++www.cdgdc.edu.cn/idb/3178482897EPkc.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++account.cnblogs.com/idb/1170976282GNEEEKROATNMDO.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/moz-extension+++f17a211a-4d0c-413c-8ced-df3b145f19ec^userContextId=4294967295/idb/3647222921wleabcEoxlt-eengsairo.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/moz-extension+++56a2ddfb-80ba-4bd7-913a-8ae756a8dc6f^userContextId=4294967295/idb/3647222921wleabcEoxlt-eengsairo.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/http+++www.chinadegrees.com.cn/idb/3178482897EPkc.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++126.com/cache/caches.sqlite has hole, space 122880, size 131072
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++126.com/idb/4197078560wnooriktbaorxi-pex.sqlite has hole, space 61440, size 65536
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++newtab.firefoxchina.cn/cache/caches.sqlite has hole, space 94208, size 98304
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++www.recaptcha.net/idb/548905059db.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/https+++blog.csdn.net/cache/caches.sqlite has hole, space 61440, size 65536
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/storage/default/moz-extension+++ae22fc49-8037-4c59-8299-2523bd5c1548^userContextId=4294967295/idb/3647222921wleabcEoxlt-eengsairo.sqlite has hole, space 45056, size 49152
/home/yunh/.mozilla/firefox/l7y3lhkj.default-esr/cookies.sqlite has hole, space 196608, size 524288

看起来像是用来做 cache 的，不明觉厉～

能想到的另一个应用场景就是下载大文件，例如一个 2GB 的文件，如果害怕因下载时间太长导致后面磁盘空间不足而失败的情况，可以预先将文件扩展到 2GB，再分别填充其中的数据。不过这个更像是 windows 上的 SetEndOfFile 的应用场景，因为需要事先分配这么多存储空间，而不是像文件空洞那样只给一个标称的 2GB 文件而实际不分配存储空间。从这个角度看，windows 确实有一定的优势，因为在 linux 上占用 2GB 空间还真不是几个调用就可以搞定的。

还能想到的一个场景就是分块下载，这个和文件空洞确实可以产生一些化学反应。当大文件被切分为多个数据块同时下载以提高速度时，传统的方式是按块号顺序合并，如果中间有一个块没有下载完成，那么之后的数据块都不能合并到目标文件里去。如果使用文件空洞，哪个块下载完了就可以先合并到目标文件，不存在合并顺序的问题，从而解决上面的问题，防止太多块文件留存在文件系统中。不过只要还有一个块没下载完，文件就是不完整的，肯定会影响后期的解压、播放、加载，因此并没有解决很大的问题。

最终结论就是，文件空洞并没有内存空洞那么有用，如果你遇到过它的应用场景，欢迎在评论区拍砖斧正~~

[1]. lseek函数与文件空洞

[2]. windows稀疏文件