Почему уровень фрагментации настолько велик в файлах, которые содержат другие файловые системы?

Я только что узнал, что такое редкие файлы , и хотел провести с ними эксперименты. На вики вы можете прочитать, что файлы могут быть легко фрагментированы. Я хотел проверить, насколько это плохо. Я создал файл следующим образом:

# truncate -s 10G sparse-file
# mkfs.ext4 -m 0 -L sparse ./sparse-file

Я установил разреженный файл и поместил в него файл 600M. Уровень фрагментации выглядит следующим образом:

# filefrag -v "/media/Grafi/sparse-file"
Filesystem type is: ef53
File size of /media/Grafi/sparse-file is 10737418240 (2621440 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..    1032:      36864..     37896:   1033:
   1:     1043..    1043:      37907..     37907:      1:
   2:     1059..    1059:      37923..     37923:      1:
   3:     9251..    9256:      46115..     46120:      6:
   4:    32768..   32770:      51200..     51202:      3:      69632:
   5:    34816..   55295:      77824..     98303:  20480:      53248:
   6:    55296..   57343:     114688..    116735:   2048:      98304:
   7:    57344..   69631:     120832..    133119:  12288:     116736:
   8:    69632..   81919:     102400..    114687:  12288:     133120:
   9:    81920..   98303:     135168..    151551:  16384:     114688:
  10:    98304..   98306:      57344..     57346:      3:     151552:
  11:   100352..  112639:     151552..    163839:  12288:      59392:
  12:   112640..  145407:     165888..    198655:  32768:     163840:
  13:   145408..  163839:     198656..    217087:  18432:
  14:   163840..  163842:      40960..     40962:      3:     217088:
  15:   165888..  178175:     217088..    229375:  12288:      43008:
  16:   178176..  202751:     231424..    255999:  24576:     229376:
  17:   202752..  206847:     258048..    262143:   4096:     256000:
  18:   206848..  216756:     276480..    286388:   9909:     262144:
  19:   229376..  229378:      43008..     43010:      3:     299008:
  20:   294912..  294914:      53248..     53250:      3:     108544:
  21:   524288..  524288:      55296..     55296:      1:     282624:
  22:   819200..  819202:      61440..     61442:      3:     350208:
  23:   884736..  884738:      63488..     63490:      3:     126976:
  24:  1048576.. 1048577:      67584..     67585:      2:     227328:
  25:  1081344.. 1081391:      69632..     69679:     48:     100352:
  26:  1572864.. 1572864:      71680..     71680:      1:     561152:
  27:  1605632.. 1605634:      73728..     73730:      3:     104448:
  28:  2097152.. 2097152:      75776..     75776:      1:     565248:
  29:  2097167.. 2097167:      75791..     75791:      1:             last
/media/Grafi/sparse-file: 25 extents found

Я думал, что это из-за «разреженной» функции, но похоже, что все файлы с другими файловыми системами фрагментированы таким образом. Посмотрите на следующий пример:

Создайте файл, полный нулей:

# dd if=/dev/zero of=./zero bs=1M count=2048 

Проверьте уровень фрагментации:

# filefrag -v /media/Grafi/zero
Filesystem type is: ef53
File size of /media/Grafi/zero is 2147483648 (524288 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..   32767:    6172672..   6205439:  32768:
   1:    32768..   65535:    6205440..   6238207:  32768:
   2:    65536..   98303:    6238208..   6270975:  32768:
   3:    98304..  118783:    6270976..   6291455:  20480:
   4:   118784..  151551:    6324224..   6356991:  32768:    6291456:
   5:   151552..  184319:    6356992..   6389759:  32768:
   6:   184320..  217087:    6389760..   6422527:  32768:
   7:   217088..  249855:    6422528..   6455295:  32768:
   8:   249856..  282623:    6455296..   6488063:  32768:
   9:   282624..  315391:    6488064..   6520831:  32768:
  10:   315392..  348159:    6520832..   6553599:  32768:
  11:   348160..  380927:    6553600..   6586367:  32768:
  12:   380928..  413695:    6586368..   6619135:  32768:
  13:   413696..  446463:    6619136..   6651903:  32768:
  14:   446464..  479231:    6651904..   6684671:  32768:
  15:   479232..  511999:    6684672..   6717439:  32768:
  16:   512000..  524287:    6717440..   6729727:  12288:             last,eof
/media/Grafi/zero: 2 extents found

Таким образом, в основном, этот файл имеет 17 экстентов, но с человеческой точки зрения, файл состоит из двух частей

Теперь создайте файловую систему в этом файле:

# mkfs.ext4 -m 0 -L ext /media/Grafi/zero

Проверьте его фрагментацию снова:

# filefrag -v /media/Grafi/zero

Filesystem type is: ef53
File size of /media/Grafi/zero is 2147483648 (524288 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..     257:    5505024..   5505281:    258:
   1:      265..     265:    5505289..   5505289:      1:
   2:      272..     273:    5505296..   5505297:      2:
   3:      289..     289:    5505313..   5505313:      1:
   4:     8481..    8486:    5507361..   5507366:      6:    5513505:
   5:    32768..   32769:    5509120..   5509121:      2:    5531648:
   6:    98304..   98305:    5511168..   5511169:      2:    5574656:
   7:   163840..  163841:    5513216..   5513217:      2:    5576704:
   8:   229376..  229377:    5515264..   5515265:      2:    5578752:
   9:   262144..  262144:    5517312..   5517312:      1:    5548032:
  10:   294912..  294913:    5519360..   5519361:      2:    5550080: last
/media/Grafi/zero: 8 extents found

Кто-нибудь знает, что на самом деле здесь произошло? Почему файл был фрагментирован путем создания на нем файловой системы? Что случилось с length?

Добавлено:

mkfs.ext4Параметр -Enodiscardне работает. С помощью этой опции я вижу структуру файла в filefrag(обнуленные блоки). Но после создания файловой системы таким образом, файл становится фрагментированным по какой-либо причине, несмотря ни на что. Может быть, это из-за написанных метаданных файловой системы и что-то делает с обнуленным файлом. Я не знаю. Но когда я смотрю вывод filefrag, я вижу, что всегда есть +6 экстентов (в случае файла 2G). Может это из-за суперблока и его 5 копий? Но это все еще не объясняет, почему весь файл фрагментирован - это все тот же файл.

Есть еще одна вещь. Когда я воссоздаю файловую систему в этом файле:

# mkfs.ext4 -Enodiscard /media/Grafi/zero
mke2fs 1.43 (17-May-2016)
/media/Grafi/zero contains a ext4 file system
        created on Thu Jun  2 13:02:28 2016
Proceed anyway? (y,n) y
Creating filesystem with 524288 4k blocks and 131072 inodes
Filesystem UUID: 6d58dddc-439b-4175-9af6-8628f0d2a278
Superblock backups stored on blocks:
        32768, 98304, 163840, 229376, 294912

Allocating group tables: done
Writing inode tables: done
Creating journal (16384 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done

Добавленные экстенты волшебным образом исчезают.

Похоже, что это было ошибкой, mke2fsкоторая заставляла его использовать fallocate(fd, PUNCH_HOLE, ...)вместо fallocate(fd, DISCARD_ZERO, ...)обнуления пространства в таблицах inode (даже когда оно -E nodiscardиспользовалось).

Я отправил отчет об ошибке в linux-ext4@vger.kernel.orgсписок рассылки после проверки локально, и через час получил исправление, тема:

e2fprogs: block zero/discard cleanups

Они должны быть включены в выпуск e2fsprogs-1.45 и, скорее всего, в служебный выпуск 1.44.x. Если вы хотите, чтобы они были e2fsprogsвыпущены вендором , я бы порекомендовал исправить + собрать ваши e2fsprogs, чтобы убедиться, что это работает для вас, сообщить об успехе, linux-ext4чтобы патчи появились быстрее, а затем отправить отчет об ошибке в ваш любимый дистрибутив, чтобы они вытащите вышестоящие патчи в их релизы.

$ /sbin/mkfs.ext4 test1
mke2fs 1.42.12 (29-Aug-2014)
Discarding device blocks: done
[...]

Теперь есть подсказка. Давайте посмотрим, что говорится в руководстве:

-E extended-options
discard
  Attempt  to  discard blocks at mkfs time (discarding blocks initially is useful
  on solid state devices and sparse / thin-provisioned storage). When the  device
  advertises that discard also zeroes data (any subsequent read after the discard
  and before write returns zero), then mark all not-yet-zeroed  inode  tables  as
  zeroed.  This significantly speeds up filesystem initialization. This is set as
  default.

Итак, в основном, mkfs знает, что старые данные в базовом хранилище больше не имеют значения, поэтому их можно отбросить, и базовое хранилище может иметь лучший способ сделать это, чем просто перезаписать нулями. Что и есть, файловая система здесь может просто забыть о блоках данных.

После этого mkfs строит любую структуру файловой системы, которая ему нужна, в некоторой схеме произвольного доступа, в результате чего выделяются новые блоки данных. Файл снова редкий, и есть некоторая фрагментация.

С -Enodiscardрезультатом, возможно, то, что вы ожидали:

$ /sbin/mkfs.ext4 -Enodiscard test2
$ /usr/sbin/filefrag test2
test2: 2 extents found