写入方式、COW 与写放大

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Linux 写入方式、COW 与写放大（Write Amplification）

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1️⃣ 写时复制（Copy-On-Write, COW）

定义

多个进程或对象共享同一块内存/文件页，当某个进程写入时，内核才真正复制一份新的副本，保证原有共享者不受影响。

核心思想

读共享，写复制

典型应用场景

• fork() 子进程继承父进程地址空间（写时才复制页）

• mmap(MAP_PRIVATE) 映射文件，写入触发复制

• 文件系统（ZFS/Btrfs/APFS）写入数据块时生成新块，不覆盖旧块

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2️⃣ 写入方式对比

写方式	是否涉及 COW	说明
正常写 (fwrite → write)	❌	用户缓冲 → 内核缓冲 → 文件，独立通道
直写 (write + O_SYNC / O_DIRECT)	❌	数据直接落盘，无共享页复制
mmap (MAP_SHARED)	❌	修改直接影响文件，共享进程可见
mmap (MAP_PRIVATE)	✅	写时触发 COW，进程得到私有副本

结论：COW 只在 mmap(MAP_PRIVATE) 或 fork 场景出现，正常写和直写不触发 COW。

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3️⃣ 内核层控制点

写方式	内核参数 / 控制点	说明
正常写	vm.dirty_ratio / vm.dirty_background_ratio	控制 page cache 脏页比例，决定何时刷盘
	vm.dirty_expire_centisecs / vm.dirty_writeback_centisecs	脏页过期时间 / 后台写回间隔
	mount -o sync / O_DSYNC / fdatasync()	强制同步落盘
直写	O_SYNC / O_DSYNC / O_DIRECT	阻塞写或绕过 page cache
	文件系统挂载选项 sync	强制同步写入
	块设备参数 queue/nr_requests, scheduler	I/O 调度器与队列大小影响延迟
mmap(MAP_SHARED)	vm.dirty_* 系列参数	脏页写回策略，和正常写一致
	msync() / fadvise(DONTNEED)	用户显式控制写回或丢弃缓存
mmap(MAP_PRIVATE, COW)	写时复制机制	写页触发缺页异常 → 内核复制页
	overcommit_memory / overcommit_ratio	fork + COW 的内存分配策略
	transparent_hugepage	大页 COW 行为，fork + THP 可能高成本
	KSM (Kernel Samepage Merging)	跨进程页合并，间接影响 COW

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4️⃣ 数据库类比

数据库组件	写方式类比	是否触发 COW
MongoDB Diagnostic log	正常写	❌
WiredTiger journal	直写 (O_SYNC)	❌
MMAPv1 引擎 (已废弃)	mmap	✅ MAP_PRIVATE 时事务隔离使用 COW-like 行为

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5️⃣ 写放大（Write Amplification）判断方法

5.1 应用层 → 内核层

• 症状：应用写少，但 Dirty 增长大于写入量

• 工具：strace -e trace=write,mmap -p <pid>

5.2 内核层 → 文件系统

• 症状：块设备写量大于应用写量

• 工具：

pidstat -d -p <pid> 1
iostat -dx 1
cat /proc/diskstats

5.3 磁盘层（SSD / RAID）

• 症状：NAND 写量 > Host 写量

• 工具：

iostat -d -k /dev/nvme0n1
smartctl -A /dev/nvme0n1 | egrep "Data_Units_Written|Host_Writes_32MiB"

写放大因子 (WAF)：

WAF = 实际磁盘写入字节 / 应用写入字节

• 理想接近 1

• 文件系统通常 1.1~2

• 数据库 + SSD 可能 2~5

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6️⃣ 内核脏页参数调优（示例）

参数	建议值	说明
dirty_background_bytes	64~256 MB	后台写回启动阈值
dirty_bytes	512 MB~2 GB	应用阻塞写回阈值
dirty_ratio	5~10%	内存百分比模式
/proc/meminfo:Dirty	< dirty_bytes 50%	写回调度正常
/proc/meminfo:Writeback	不长期高	I/O 系统跟不上

MongoDB Diagnostic log 场景：

• dirty_background_bytes = 64~128MB

• dirty_bytes = 512MB~1GB
  保证日志落盘及时、避免写放大或阻塞。

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7️⃣ 可视化 & 脚本思路

可视化：

• 绘制 mmap(MAP_SHARED vs MAP_PRIVATE) 写入示意图

• 两个进程共享文件页

• 写入 MAP_PRIVATE 时触发缺页复制，MAP_SHARED 直接修改共享页

脚本思路：

1. 自动采集 /proc/meminfo + dirty_* 参数

2. 统计应用写入 (pidstat)

3. 统计块设备写入 (iostat)

4. 查询 SSD 内部写入 (smartctl)

5. 计算三层 WAF，输出“合理 / 偏高 / 偏低”

可以直接评估写放大是否存在，并判断系统参数是否合理。

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如果你希望，我可以帮你 画一个直观的 mmap MAP_PRIVATE vs MAP_SHARED 的示意图，同时写一个 一键检测写放大的脚本，可以直接在生产环境跑。

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