fallocate
Created by : Mr Dk.
2023 / 05 / 02 22:56
Hangzhou, Zhejiang, China
Background
fallocate 用于为文件预分配或收回空间。
当我们需要一个指定长度的文件时，最简单的方法是，通过内存缓冲区不断向文件中写入，直到写到指定的长度。或者将文件指针直接修改为指定长度的位移处，并向文件中写入一次，那么文件长度会自动扩展到指定长度。
使用 fallocate 可以快速分配指定长度的未初始化数据块，达到同样的效果；另外，对于文件中已有的全 0 页，fallocate 也可以回收数据块的物理空间，而上层程序读取这个页中的字节时将直接返回全 0。这样可以实现 文件打洞。
这个 CLI 实际上是由 Linux 上的同名系统调用实现而来。
Usage
$ fallocate --help
Usage:
fallocate [options] <filename>
Preallocate space to, or deallocate space from a file.
Options:
-c, --collapse-range remove a range from the file
-d, --dig-holes detect zeroes and replace with holes
-i, --insert-range insert a hole at range, shifting existing data
-l, --length <num> length for range operations, in bytes
-n, --keep-size maintain the apparent size of the file
-o, --offset <num> offset for range operations, in bytes
-p, --punch-hole replace a range with a hole (implies -n)
-z, --zero-range zero and ensure allocation of a range
-x, --posix use posix_fallocate(3) instead of fallocate(2)
-v, --verbose verbose mode
-h, --help display this help
-V, --version display version
Arguments:
<num> arguments may be followed by the suffixes for
GiB, TiB, PiB, EiB, ZiB, and YiB (the "iB" is optional)
For more details see fallocate(1).
Preallocate
预分配一个 1MB 的文件：
$ fallocate -l 1MiB file
$ stat file
File: file
Size: 1048576 Blocks: 2048 IO Block: 4096 regular file
Device: 820h/2080d Inode: 29595 Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 1000/mrdrivingduck) Gid: ( 1000/mrdrivingduck)
Access: 2023-05-02 23:13:36.445550770 +0800
Modify: 2023-05-02 23:13:36.445550770 +0800
Change: 2023-05-02 23:13:36.445550770 +0800
Birth: 2023-05-02 23:13:36.445550770 +0800
这个文件有 2048 个 512B 的块。由于不需要对这些块进行初始化（写 0），所以 fallocate 很快就返回了。但是文件系统需要保证读取这些未初始化的块时需要返回全 0，否则这些块中可能会出现已经被删除掉的其它文件中的信息。
$ vim file
Deallocate
由于该文件的内容目前全部都是 0，因此这 1MB 的文件数据实际上不需要任何物理块来存储，仅需要在文件的元信息中标记即可。这样在读取全 0 页时，文件系统将直接返回 0。
$ fallocate -d -v file
file: 1 MiB (1048576 bytes) converted to sparse holes.
$ stat file
File: file
Size: 1048576 Blocks: 0 IO Block: 4096 regular file
Device: 820h/2080d Inode: 29595 Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 1000/mrdrivingduck) Gid: ( 1000/mrdrivingduck)
Access: 2023-05-02 23:22:56.385558933 +0800
Modify: 2023-05-02 23:23:06.965559107 +0800
Change: 2023-05-02 23:23:06.965559107 +0800
Birth: 2023-05-02 23:22:49.705557904 +0800
Keep Zero
也可以通过 -z 参数指定某个范围内的全 0 页一定要分配物理空间。比如对于刚才的文件，我们可以指定第一个 block 必须分配空间，用 -o 和 -l 分别指定范围的起始位置和长度：
$ fallocate -z -o 0 -l 1 file
$ stat file
File: file
Size: 1048576 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file
Device: 820h/2080d Inode: 29595 Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 1000/mrdrivingduck) Gid: ( 1000/mrdrivingduck)
Access: 2023-05-02 23:24:18.705553660 +0800
Modify: 2023-05-02 23:24:40.725548703 +0800
Change: 2023-05-02 23:24:40.725548703 +0800
Birth: 2023-05-02 23:24:16.525553837 +0800
由于当前文件系统的 I/O 单元大小为 4096 字节（8 个 512B），因此虽然指定的范围只有一个字节，但文件系统将会分配一整个 I/O 单元的物理空间。所以现在文件的前 4096 字节是有物理空间的。
同样，还是可以用刚才的 -d 参数检测文件中具有物理空间的全 0 页，并回收其物理空间：
$ fallocate -d -v file
file: 4 KiB (4096 bytes) converted to sparse holes.
$ stat file
File: file
Size: 1048576 Blocks: 0 IO Block: 4096 regular file
Device: 820h/2080d Inode: 29595 Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 1000/mrdrivingduck) Gid: ( 1000/mrdrivingduck)
Access: 2023-05-02 23:25:00.975552011 +0800
Modify: 2023-05-02 23:25:10.975551896 +0800
Change: 2023-05-02 23:25:10.975551896 +0800
Birth: 2023-05-02 23:24:16.525553837 +0800
References
stackoverflow - what is file hole and how can it be used? [closed]