Linux- 由映射文件I/O问题引出的SIGBUS & 空洞文件（Sparse File）

SIGBUS

SIGBUS是一个在Unix-like操作系统中的信号，它通常表示非法访问内存，而这种非法访问的原因与常见的SIGSEGV（段错误）有所不同。以下是可能导致SIGBUS的常见情况：

1. 未对齐的内存访问：某些硬件平台要求数据（如整数或浮点数）在内存中以特定的地址对齐（如2或4的倍数）。如果程序试图在这些平台上访问未对齐的数据，就可能收到SIGBUS。

2. 映射文件I/O问题：使用mmap()系统调用映射文件到内存并尝试访问文件后面的内容可能会产生SIGBUS。例如，如果文件在被映射后被截断，那么当程序尝试访问被截断部分的数据时，就会得到SIGBUS。

3. 硬件故障：虽然不常见，但内存损坏或其他硬件问题有时可能导致SIGBUS。

4. 堆栈溢出：在某些系统上，尝试超出预分配的堆栈空间可能会导致SIGBUS，而不是更常见的SIGSEGV。

5. 访问不存在的内存页：如果程序尝试访问一个标记为不存在的内存页，那么可能会得到SIGBUS。

应对SIGBUS的策略与处理其他运行时错误类似，需要检查代码以找出可能的问题，并使用调试工具帮助诊断。

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映射文件I/O问题

当使用 mmap() 系统调用将文件映射到进程的内存地址空间时，基本上是在告诉操作系统：“请将这个文件的内容让我像内存一样直接访问它。” 实际的文件内容并不会立即加载到物理内存中；相反，操作系统会设置页面表条目以反映文件的内容，然后只在实际访问这些地址时才从磁盘加载内容。这被称为按需分页（demand paging）。

考虑以下场景：

1. 使用 mmap() 映射了一个文件，长度为100字节。
2. 接着，另一个进程（或可能是同一个进程的另一个部分）截断该文件，使其长度变为50字节。
3. 现在，我们的进程尝试访问映射中的第60字节。

由于该字节已经不再文件中，操作系统不知道应该返回什么。这时，它会发送 SIGBUS 信号给进程。这样，进程就知道它试图访问的数据不再存在。

为什么不使用 SIGSEGV（通常用于无效的内存访问）呢？因为这不是一个真正的段错误。地址本身是有效的，但由于文件被截断，该地址不再反映任何文件内容。为了区分这两种情况，操作系统选择发送 SIGBUS。

如何处理这种情况？通常，我们需要确保在使用 mmap() 映射的文件不会在需要它时被其他进程或线程截断。如果这种情况可能发生，我们的程序需要能够适当地处理 SIGBUS，或者至少在这种情况下能够优雅地失败。

在UNIX和类UNIX系统上，ftruncate() 函数经常与文件系统上的"空洞"（holes）相关联。下面，我们来详细了解一下。

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空洞文件（Sparse File）

空洞文件（sparse file）是一个文件，其中有些部分没有分配存储空间，通常这些部分的内容都被视为零。这些未分配空间的部分就是所谓的“空洞”。这意味着，如果我们有一个大部分由零组成的非常大的文件，只为其中的非零部分分配磁盘空间，而为零部分不分配，那么该文件在磁盘上实际占用的空间会小于其表面大小。文件系统知道这些“空洞”并会在需要时适当地处理它们。

使用ftruncate()创建空洞文件：

ftruncate() 函数可以调整已打开文件的大小。如果我们使用 ftruncate() 将文件扩展到比其当前大小更大的大小，新添加的部分不会有实际磁盘空间与之关联，从而形成一个空洞。

例如，考虑以下的程序段：

int fd = open("sparsefile", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
ftruncate(fd, 1024 * 1024); // 将文件大小设置为1MB
close(fd);
1
2
3

在上面的代码执行后，sparsefile 的大小会报告为1MB，但它在磁盘上可能实际上占用的空间远远小于这个数值，因为文件中的内容全都是未初始化的，并被视为零。这样，文件系统就为我们创建了一个空洞文件。

为什么要使用空洞文件？

1. 节省空间：特别是在处理大量包含零的数据时，使用空洞文件可以节省大量磁盘空间。

2. 快速文件创建：如果我们知道将创建一个非常大的文件，但一开始只需要使用其中的一小部分，使用空洞文件可以避免预先分配大量不必要的磁盘空间。

需要注意的是，不是所有的文件系统都支持空洞文件，但许多现代文件系统（如ext3、ext4和xfs）都支持。