Linux系统的数据写入机制--延迟写入

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我们都知道，在Linux关机的之前都会要运行一个命令那就是sync,这个命令是同步的意思，那为什么要运行这个？而且之前的数据改变我们已经看见了，为什么还要运行这个命令？要回答这个问题就要说一下Linux在这方面的执行机制。

首先我们要从buffer和cache说起，如下图：

buffer和cache都可以翻译成缓存，但是到底有什么区别呢？

cache：

目的是为了数据重复使用，在一定程度上解决读的效率，这里就是用来存放经常用到的数据，而不用每次都去磁盘上面读取，如果本次操作用到的数据没有，则会到磁盘上去寻找。这样就可以在一定程度上协议快速和慢速设备（比如：CPU和硬盘），另外cache也有换进换出机制，就是把原来经常用到，现在不常用的清除掉，这样就可以有空间放最近访问的数据了，以达到下次访问就直接从cache中读取。

buffer：

为了提高写如磁盘时的效率，其实也是为了协调快慢设备，避免造成把数据都提交到写入磁盘队列造成拥堵，因为内核把数据提交到写入队列不可能不管，它必须要等到有返回值才行。所以buffer的作用是先把数据写入（Linux中的write()函数）到buffer中，然后后台再去根据其他机制，把buffer中的数据提交到队列，最终完整同步到磁盘的过程。

我们知道用户发起的程序都会运行在内存中的用户空间内，这时候数据是放在内存中的，如果我们此时需要保存数据，这时候系统其实是先调用一个write()函数，然后再调用sync()或者fsync()函数（对于任何程序来说只要想把数据写入磁盘其过程都一样，有些也有例外）。

顺便说一句，这也就是为什么有人说Linux比Windows消耗内存的原因。

用户空间： 常规进程所在区域，用户发起的，此区域的代码不能直接访问硬件

内核空间： 操作系统所在区域，能访问硬件

当调用了write()函数时，该函数一旦返回正常值，我们可能就认为数据已经写入到了磁盘，但实际上，操作系统在实现磁盘文件的IO时，为了保证IO的效率，会在内存中使用一段专门的地址空间，该空间叫做内核空间，而内核空间之内又会有一段是用作IO的数据缓冲区（这个缓冲区就是buffer），write()函数的作用就是把数据写入到内核空间的IO缓冲区中。

内核空间的IO缓冲区也有一定大小，当该缓冲区没有写满时或者没有到一个同步周期时，会持续的把write()函数传递的数据写入到该缓冲区中，而当该缓冲区写满或者到了一个同步周期，则会把该缓冲区的内容提交到输出队列，当需要数据到达队列队首的时候，开始执行真正的磁盘IO操作，把数据写入磁盘（这里虽然用了写入磁盘，但是真正的动作不是移动而是复制，复制完成之后，内核空间的IO缓冲区才会释放该数据占用的空间）。这种方式叫做延迟写入。

所以这就会出现一个问题，当调用了write()函数后并不等于数据真的保存到了磁盘，但是这里又会有一个错觉，就是你再次请求该文件的时候，可以显示你最后一次更新的内容，其实这个内容并不是从磁盘上读取过来的，而是从用户空间的缓冲区读取的。接着刚才提到的问题，如果数据在内核空间的IO缓冲区内，而此时操作系统出现故障、断电等异常情况就会造成数据丢失。

为了解决数据丢失问题，Unix系统提供了sync、fsync和fdatasync三个函数。

函数	功能
sync	函数返回0表示成功，该函数负责把所有内核空间中IO缓冲区内修改过的内容推送到输入队列，然后就返回，它并不等待所有磁盘IO操作完成。所以即使调用了sync函数，也不等于成功保存到磁盘了。
fsync	函数返回0表示成功，与sync不同，它只会对指定文件描述符的单一文件生效，强制与该文件相连的所有修改过的数据传送到磁盘上，并且等待磁盘IO完毕，然后返回。当该函数返回0时，才真正表示成功保存到磁盘。数据库会在调用了write()之后调用fsync()。
fdatasync	它与fsync类似，它只影响文件数据部分，不涉及数据属性，比如inode信息。所以相对于fsync它需要较少的写磁盘操作。