Linux固件燒寫中的陷阱：文件系統(tǒng)異步寫入引發(fā)的問題

在工業(yè)生產(chǎn)中，固件燒寫是確保產(chǎn)品正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過一個(gè)實(shí)際案例，揭示了Linux系統(tǒng)下因文件寫入異步性導(dǎo)致的固件燒寫不完全問題。
?客戶案例

客戶產(chǎn)線上批量生產(chǎn)時(shí)，用SD卡進(jìn)行固件燒寫，燒寫完成后蜂鳴器提示，產(chǎn)線工人聽到蜂鳴器鳴叫后就直接斷電重啟，進(jìn)入測(cè)試環(huán)節(jié)，結(jié)果在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)有部分產(chǎn)品啟動(dòng)就出現(xiàn)異常?？蛻粲媒鈮悍绞綗龑懴到y(tǒng)固件，解壓命令執(zhí)行完后，再運(yùn)行一個(gè)二進(jìn)制可執(zhí)行程序，然后鳴叫蜂鳴器。乍一看邏輯非常正確，沒有任何問題。可問題卻較高概率出現(xiàn)，問題出在哪里呢？后來經(jīng)過反復(fù)排查，發(fā)現(xiàn)客戶解壓腳本里的可執(zhí)行程序里面還有二次解壓操作，而且用system()調(diào)用了Linux的Shell命令。System()調(diào)用Shell命令會(huì)生成一個(gè)新的子進(jìn)程，這樣蜂鳴器鳴叫和二次解壓分別在不同進(jìn)程中，兩者沒有同步，解壓完成和蜂鳴器鳴叫沒有必然的先后順序。按照蜂鳴器鳴叫就斷電重啟，這樣就不可避免的出現(xiàn)了解壓尚未完成就被斷電的情況，從而引起文件燒寫不完全，系統(tǒng)啟動(dòng)異常。下面圍繞該問題，對(duì)Linux文件系統(tǒng)寫文件操作進(jìn)行一些說明。
?原理說明

由于Linux系統(tǒng)存在頁高速緩存，對(duì)寫入的內(nèi)容起到了緩存作用，用戶的寫操作實(shí)際上會(huì)被延遲。當(dāng)頁高速緩存中的數(shù)據(jù)比后臺(tái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)新的時(shí)候，這些數(shù)據(jù)就被稱作臟數(shù)據(jù)。發(fā)生以下三種情況時(shí)，臟頁才會(huì)被寫回磁盤：

1. 當(dāng)空閑內(nèi)存低于一個(gè)特定的閾值時(shí)，內(nèi)核必須將臟頁寫回磁盤以釋放內(nèi)存。
2. 當(dāng)臟頁在內(nèi)存中駐留時(shí)間超過一個(gè)特定的閾值時(shí)，內(nèi)核必須將超時(shí)的臟頁寫回磁盤，以確保臟頁不會(huì)無限期地駐留在內(nèi)存中。
3. 當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用 sync()和 fsync()系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核會(huì)按照要求執(zhí)行回寫操作。

?應(yīng)對(duì)方案

如果更新腳本在解壓命令后沒有sync指令，或者程序更新代碼在執(zhí)行解壓或者寫操作后沒有調(diào)用fsync()函數(shù)執(zhí)行寫操作，Linux系統(tǒng)就會(huì)按照默認(rèn)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)寫操作；如果沒有達(dá)到如上前2個(gè)條件，發(fā)生了斷電操作，則會(huì)導(dǎo)致寫入數(shù)據(jù)不完整。

在程序更新腳本里，解壓后必須執(zhí)行sync指令完成寫入同步，或者應(yīng)用程序代碼在寫操作后調(diào)用fsync()函數(shù)完成寫同步操作，確保數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。