2025q1 Homework1 (ideas)

contributed by <LinMarc1210>

作業書寫規範:

• 無論標題和內文中，中文和英文字元之間要有空白字元 (對排版和文字搜尋有利)
• 文字訊息 (尤其是程式執行結果) 請避免用圖片來表示，否則不好搜尋和分類
• 共筆書寫請考慮到日後協作，避免過多的個人色彩，用詞儘量中性
• 不要在筆記內加入 [TOC] : 筆記左上方已有 Table of Contents (TOC) 功能，不需要畫蛇添足
• 不要變更預設的 CSS 也不要加入任何佈景主題: 這是「開發紀錄」，用於評分和接受同儕的檢閱
• 當在筆記中貼入程式碼時，避免非必要的行號，也就是該手動將 c= 或 cpp= 變更為 c 或 cpp。行號只在後續討論明確需要行號時，才要出現，否則維持精簡的展現。可留意「你所不知道的 C 語言: linked list 和非連續記憶體」裡頭程式碼展現的方式
• HackMD 不是讓你張貼完整程式碼的地方，GitHub 才是！因此你在開發紀錄只該列出關鍵程式碼 (善用 diff 標示)，可附上對應 GitHub commit 的超連結，列出程式碼是為了「檢討」和「便於他人參與討論」
• 留意科技詞彙的使用，請參見「資訊科技詞彙翻譯」及「詞彙對照表」
• 不要濫用 :::info, :::success, :::warning 等標示，儘量用清晰的文字書寫。:::danger 則僅限授課教師作為批注使用
• 避免過多的中英文混用，已有明確翻譯詞彙者，例如「鏈結串列」(linked list) 和「佇列」(queue)，就使用該中文詞彙，英文則留給變數名稱、人名，或者缺乏通用翻譯詞彙的場景
• 在中文敘述中，使用全形標點符號，例如該用「，」，而非 ","。注意書名號的使用，即 〈 和 〉，非「小於」和「大於」符號
• 避免使用不必要的 emoji 字元

Linux 核心專題: simplefs

專題自己建構一個檔案系統稱為 simplefs，並且連接到 linux VFS (Virtual File System) ，使得我們可以在 kernel 裡面使用 simplefs ，作者首先透過實驗比較 simplefs 與現有的檔案系統，使用 FIO test 工具幾個項目，而作者有提到他原以為 simplefs 的 IOPS（每秒輸入／輸出）應該比更複雜的 ext4 和 btrfs 次數更少，但結果出來效率卻更好，而影片中提到可能是因為 simplefs 還沒有去做額外的處理，比如 journal。

因此我就去查了 journal 是什麼，得知 journal 是一種日誌檔案系統，使用一種叫做 circular log 的資料結構去儲存尚未被提交到檔案系統的變更，而資料必須被寫入才能儲存變更，例如刪除檔案其實有好幾個動作，但我們可能在剛釋放完 inode 結構時，檔案系統 crash 掉，導致後續 inode bitmap 和 block bitmap 沒有釋放而不能使用，因此 journal 可以避免這樣的連續動作被切斷，可以即時紀錄。所以較複雜的 ext4, btrfs 可能就會讀寫的比較慢，因為他們具備 journaling 的功能，但優勢則是因不會每次直接對 disk 做讀寫，而是批次將 journal 的內容寫入 disk，因此這些檔案系統的 CPU 使用量, Issued rwts 都比 simplefs 更好（更低）。

接下來作者介紹 simplefs 的設計，其設計因為講求直觀，所以跟我們在作業系統學習的檔案系統相似，並且用寫檔來逐一解釋檔案系統追蹤檔案的過程。

將 simplefs 掛載上去之後，開始進行測試建立映像檔，而檔案系統中會先透過 root inode ，然後去找 extent block，這時 extent block (metadata) 應該要指向資料實際存放的 raw block ，但若在分配 extent block 時，裡面是亂的值，則無法指向正確的位置，因此在分配之前先清空 extent block，才可以使用 dd if=/dev/random 去初始化。

那如果要刪除檔案，我們要先專注在 dentry 上面，刪除檔案時 dentry 內部也要連帶刪除除存檔案資訊的該 block ，但是這樣會造成後面所有 block 都要往前移動去補位，以維持 dentry 的緊密性，因此作者只使用 mark=non-used 的方式去標記此檔案已被刪除，這樣就可以在刪除檔案時只須更改一個 block。

simplefs 在實作 journal 的設計是將原本寫入檔案的步驟分成三大步：

1. write data to disk
2. write metadata to journal
3. write metadata to disk

這樣就是 atomic （不可分割的）的設計，並且在不管什麼時候斷電，都能復原原本的資料，因為在 metadata 被正式寫入 disk 之前都不會正式生效，也就是 disk 還不認為 data 真的被寫入了，因此在 1 和 2 之間斷電，也只需要重寫一次 metadata 到 journal 就好，就像是資料完全沒被寫到 disk 一樣，如果在 2 和 3 之間斷電，也只需要再從已經寫好 metadata 的 journal 繼續將 metadata 寫入至 disk 即可。其 atomic 的點是要等所有的 metadata 都被完成變更後，才會一併被寫進去 disk，因此不會發生前述「剛釋放完 inode 結構時，檔案系統 crash 掉，導致後續 inode bitmap 和 block bitmap 沒有釋放而不能使用」，因為這些都是 metadata 的變更，會一併寫到 journal 才正式寫到 disk。