Linux下自動(dòng)清理大量文件的方案探究

定期清理過期文件和垃圾文件，維持文件系統(tǒng)合理的空間使用率，是一個(gè)系統(tǒng)管理員的日常工作。對于中小規(guī)模文件系統(tǒng)而言，簡單的系統(tǒng)命令或者腳本都就可以實(shí)現(xiàn)；但是對于擁有數(shù)億甚至數(shù)十億數(shù)文件的大型、超大型文件系統(tǒng)，文件清理就變成一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。如果確定哪些文件需要被清理，怎樣清理大批量文件，怎樣確保清理性能，都是系統(tǒng)管理員需要解決的難題。本文探討了 Linux 下大批量文件自動(dòng)清理的相關(guān)命令和方法，以及實(shí)際操作中的最佳實(shí)踐。

文件自動(dòng)清理的需求
系統(tǒng)管理員的手中，管理著企業(yè)最有價(jià)值的資產(chǎn)——數(shù)據(jù)；而占據(jù)企業(yè)級(jí)服務(wù)器操作系統(tǒng)市場半壁江山的 Linux，更是讓 Linux 系統(tǒng)管理員成為最重要的資產(chǎn)管理員。管理員的職責(zé)，就是讓有限的 IT 資源，存儲(chǔ)最有價(jià)值的數(shù)據(jù)。1991 年 IBM 推出 3.5 英寸 1GB 硬盤的時(shí)候，管理員洞悉硬盤上的每個(gè)文件，人工就可以實(shí)現(xiàn)文件管理；而今天 PB 級(jí)的存儲(chǔ)設(shè)備，則給文件管理帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。
文件刪除操作，用過 Linux 的人都應(yīng)該可以完成。那么以下這些文件刪除操作，你能完成哪些？
刪除整個(gè)文件系統(tǒng)中以特定后綴結(jié)尾的文件、
在一個(gè)有 1 百萬的文件系統(tǒng)中刪除某個(gè)指定文件、
從一個(gè)千萬級(jí)的文件系統(tǒng)里，刪除指定日期創(chuàng)建的 10 萬個(gè)文件、
在億級(jí)文件系統(tǒng)里，每天執(zhí)行文件系統(tǒng)清理，刪除 1 年前產(chǎn)生的上百萬文件....
下面要討論就是如何實(shí)現(xiàn)以上文件刪除操作的策略和方法，如果以上操作對你來說輕而易舉，可以忽略本文。
對于清理文件系統(tǒng)而言，我們可以簡單的把清理任務(wù)分成兩大類，清理過期文件和清理垃圾文件。

過期文件
任何數(shù)據(jù)都有自己的生命周期，數(shù)據(jù)的生命周期曲線告訴我們，數(shù)據(jù)在產(chǎn)生和產(chǎn)生之后的一段時(shí)間內(nèi)的價(jià)值最大，然后數(shù)據(jù)價(jià)值隨著時(shí)間衰減。當(dāng)數(shù)據(jù)生命周期結(jié)束時(shí)，就應(yīng)該刪除這些過期文件，將存儲(chǔ)空間釋放出來留給有價(jià)值的數(shù)據(jù)。
垃圾文件
系統(tǒng)運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的臨時(shí)文件，些應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)文件，系統(tǒng)錯(cuò)誤產(chǎn)生的 Trace 文件，Core Dump 等等，在這些文件被處理后，就失去了保留價(jià)值，這些文件可以統(tǒng)稱為垃圾文件。及時(shí)清理垃圾文件，有助于系統(tǒng)維護(hù)和管理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定有效的運(yùn)行。

文件自動(dòng)清理的概述
文件自動(dòng)清理的特點(diǎn)與方法
在指定絕對路徑下刪除一個(gè)文件，rm 就可以實(shí)現(xiàn)；如果只知道文件名，不知道路徑，我們可以通過 `find` 找到它，然后刪除。推而廣之，如果我們可以根據(jù)預(yù)設(shè)的條件找到指定文件，我們就可以實(shí)施刪除操作。這也就是文件自動(dòng)清理的基本思路，根據(jù)預(yù)設(shè)條件生成待刪除文件列表，然后執(zhí)行定期清除任務(wù)實(shí)施刪除操作。
對于過期文件而言，他們共同標(biāo)志是時(shí)間戳，根據(jù)不同的文件系統(tǒng)，可能是文件創(chuàng)建時(shí)間，訪問時(shí)間，過期時(shí)間等不同的時(shí)間屬性。由于過期文件大多存在于歸檔系統(tǒng)上，這類文件的特點(diǎn)是數(shù)量巨大，對于大型系統(tǒng)而言，每天的過期文件數(shù)量都可能達(dá)到數(shù)十萬甚至百萬的數(shù)量級(jí)。對于如此規(guī)模的文件數(shù)量，掃描文件系統(tǒng)，生成文件列表就需要大量的時(shí)間，所以文件清理性能是此類人物不得不考慮的問題。
對于垃圾文件而言，有可能會(huì)是存放在特定目錄下的文件，也有可能是是以特殊后綴名結(jié)尾的文件，還有可能是因?yàn)橄到y(tǒng)錯(cuò)誤產(chǎn)生的 0 尺寸或者超大尺寸的文件，對于這些文件而言，文件數(shù)量一般不大，但是種類比較繁多，情況比較復(fù)雜，需要根據(jù)系統(tǒng)管理員的經(jīng)驗(yàn)，制定比較細(xì)致的文件查詢條件，定期掃描，生成文件列表，然后進(jìn)行進(jìn)一步處理。

相關(guān) Linux 命令簡介
常用的文件系統(tǒng)管理命令包括 `ls`，`rm`，`find` 等等。鑒于這些命令都是常見的系統(tǒng)管理命令，在此不做贅述，詳細(xì)用法請參見命令幫助或者 Linux 使用手冊。由于大規(guī)模文件系統(tǒng)一般都存儲(chǔ)在專用的文件系統(tǒng)上，這些文件系統(tǒng)都提供了獨(dú)有的命令進(jìn)行文件系統(tǒng)管理。本文實(shí)踐章節(jié)以 IBM 的 GPFS 文件系統(tǒng)舉例，以下簡要介紹 GPFS 的若干文件系統(tǒng)管理命令。
mmlsattr
此命令主要用于查看 GPFS 文件系統(tǒng)中文件的擴(kuò)展屬性，如存儲(chǔ)池信息，過期時(shí)間等屬性。
mmapplypolicy
GPFS 采用策略對文件進(jìn)行管理，此命令可以根據(jù)用戶定義的策略文件，對 GPFS 文件系統(tǒng)執(zhí)行各種操作，具有非常高的效率。

大批量文件自動(dòng)清理的難點(diǎn)
Linux 文件刪除機(jī)制
Linux 是通過 link 的數(shù)量來控制文件刪除，只有當(dāng)一個(gè)文件不存在任何 link 的時(shí)候，這個(gè)文件才會(huì)被刪除。每個(gè)文件都有 2 個(gè) link 計(jì)數(shù)器—— i_count 和 i_nlink。i_count 的意義是當(dāng)前使用者的數(shù)量，i_nlink 的意義是介質(zhì)連接的數(shù)量；或者可以理解為 i_count 是內(nèi)存引用計(jì)數(shù)器，i_nlink 是硬盤引用計(jì)數(shù)器。再換句話說，當(dāng)文件被某個(gè)進(jìn)程引用時(shí)，i_count 就會(huì)增加；當(dāng)創(chuàng)建文件的硬連接的時(shí)候，i_nlink 就會(huì)增加。
對于 rm 而言，就是減少 i_nlink。這里就出現(xiàn)一個(gè)問題，如果一個(gè)文件正在被某個(gè)進(jìn)程調(diào)用，而用戶卻執(zhí)行 rm 操作把文件刪除了，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？當(dāng)用戶執(zhí)行 rm 操作后，ls 或者其他文件管理命令不再能夠找到這個(gè)文件，但是進(jìn)程卻依然在繼續(xù)正常執(zhí)行，依然能夠從文件中正確的讀取內(nèi)容。這是因?yàn)?，`rm` 操作只是將 i_nlink 置為 0 了；由于文件被進(jìn)程飲用的緣故，i_count 不為 0，所以系統(tǒng)沒有真正刪除這個(gè)文件。i_nlink 是文件刪除的充分條件，而 i_count 才是文件刪除的必要條件。
對于單個(gè)文件刪除而言，我們可能完全不需要關(guān)心這個(gè)機(jī)制，但是對于大批量文件刪除，這卻是一個(gè)非常重要的因素，請?jiān)试S我在隨后章節(jié)中詳細(xì)闡述，此處請先記下 Linux 的文件刪除機(jī)制。

生成待刪除列表
當(dāng)一個(gè)文件夾下面有 10 個(gè)文件的時(shí)候，`ls` 可以一目了然，甚至可以用 `ls – alt` 查看所有文件的詳細(xì)屬性；當(dāng)文件變成 100 個(gè)的時(shí)候，`ls` 可能只能看一看文件名了；文件數(shù)量上漲到 1000，多翻幾頁可能還能接受；如果是 10，000 呢？ `ls` 可能需要等上半天才能有結(jié)果；再擴(kuò)展成 100，000 的時(shí)候，絕大多數(shù)系統(tǒng)可能都沒有反應(yīng)，或者“Argument list too long”了。不止是 `ls` 會(huì)遇到這樣的問題，其它的常用 Linux 系統(tǒng)管理命令都會(huì)遇到類似的問題，Shell 有參數(shù)來限制命令的長度。就算我們可以通過修改 Shell 參數(shù)來擴(kuò)展命令長度，但這并不能提高命令的執(zhí)行效率。對一個(gè)超大規(guī)模的文件系統(tǒng)而言，等待 `ls` 和 `find` 等常用文件管理命令的返回的時(shí)間是不可接受的．
那么我們?nèi)绾文軌蛟诟髷?shù)量級(jí)的文件系統(tǒng)上生成刪除文件列表呢？一個(gè)高性能的文件系統(tǒng)索引是一個(gè)好方法，不過高性能的文件索引是少數(shù)人的專利（這也解釋了為什么 google 和 baidu 能這么賺錢）。好在如此規(guī)模的文件系統(tǒng)一般都只存在于高性能文件系統(tǒng)里面，這些文件系統(tǒng)都提供了非常強(qiáng)大的文件管理功能。譬如前面提到的 IBM 通用并行文件系統(tǒng)（GPFS）的 mmapplypolicy，通過直接掃描 inode 來快速掃描整個(gè)文件系統(tǒng)，并能夠根據(jù)指定條件返回文件列表。下面會(huì)演示如何根據(jù)時(shí)間戳和文件類型來獲取文件列表。

死鎖對文件刪除性能的影響
對于一個(gè)每天定時(shí)執(zhí)行文件刪除任務(wù)系統(tǒng)，首先生成待刪除文件，然后把該列表作為輸入執(zhí)行刪除操作；如果某天待刪除列表特別大，導(dǎo)致第一天的刪除任務(wù)還沒有完成，第二天的刪除任務(wù)就啟動(dòng)了，會(huì)有什么結(jié)果呢？
第一天還沒有來得及被刪除的文件會(huì)出現(xiàn)在第二天的刪除文件列表中，然后第二天的文件刪除進(jìn)程會(huì)把它做為輸出執(zhí)行刪除操作。此時(shí)，第一天的刪除進(jìn)程和第二天的刪除都會(huì)嘗試去刪除相同的文件，系統(tǒng)拋出大量的 unlink 失敗的錯(cuò)誤，刪除性能會(huì)受到很大的影響。刪除性能的下降，會(huì)導(dǎo)致第二天的文件依然沒有被刪除，第三天的刪除進(jìn)程會(huì)加劇刪除文件的死鎖，進(jìn)入刪除性能下降的惡性循環(huán)。
如果簡單的刪除第一天生成的待刪除列表，能夠解決上述問題嗎？不能。如前文所述的 Linux 文件刪除機(jī)制，刪除第一天的文件列表文件只能把該文件的 i_nlink 清零，當(dāng)?shù)谝惶斓奈募h除進(jìn)程沒有結(jié)束的時(shí)候，該文件的 i_count 就不為零，因而該文件不會(huì)被刪除。直到該進(jìn)程處理完列表中的所有文件，進(jìn)程退出，第一天的待刪除列表文件才真正被刪除了。
我們至少需要在新的文件刪除進(jìn)程啟動(dòng)以前，把系統(tǒng)中其它的文件刪除進(jìn)程終止，才能保證不會(huì)發(fā)生刪除死鎖的情況。但是這樣做，依然存在一些弊端?？紤]到極端情況下，如果連續(xù)一段時(shí)間刪除進(jìn)程都無法在一個(gè)周期內(nèi)完成刪除任務(wù)，那么待刪除列表就會(huì)不斷增長，文件掃描時(shí)間會(huì)延長，進(jìn)而擠占文件刪除進(jìn)程的工作時(shí)間，陷入另外一個(gè)惡性循環(huán)。
而且實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)刪除列表特別巨大時(shí)，刪除進(jìn)程的工作性能也有所下降。而一個(gè)適當(dāng)大小的參數(shù)輸入文件，能夠保證進(jìn)程有效執(zhí)行。所以，按照固定尺寸將待刪除列表文件分割成一系列文件，能夠讓刪除操作穩(wěn)定高效的執(zhí)行。而且，在存儲(chǔ)和主機(jī)性能允許的前提下，分割為多個(gè)文件還可以允許我們并發(fā)執(zhí)行多個(gè)刪除進(jìn)程。

大批量文件自動(dòng)清理的最佳實(shí)踐
GPFS 文件系統(tǒng)下大規(guī)模額外年間自動(dòng)清理的最佳實(shí)踐
以下是在一個(gè)千萬級(jí)的 GPFS 文件系統(tǒng)上進(jìn)行的文件自動(dòng)清理實(shí)踐：硬件環(huán)境為兩臺(tái) IBMx3650 服務(wù)器和存儲(chǔ)容量為 50TB 的 DS4200 磁盤陣列，安裝了 Linux 操作系統(tǒng)和 GPFS v3.2。目標(biāo)是每天 2：00AM 執(zhí)行文件清理操作，刪除 30 天以前的文件和所有以 tmp 為結(jié)尾的文件。
mmapplypolicy 掃描結(jié)果顯示該系統(tǒng)上有 323,784,950 個(gè)文件，158,696 個(gè)文件夾。