Por que o nível de fragmentação é tão grande em arquivos que contêm outros sistemas de arquivos?

Acabei de descobrir o que são arquivos esparsos e queria realizar algumas experiências com eles. No wiki você pode ler que os arquivos podem ser fragmentados facilmente. Eu queria verificar o quão ruim isso é. Criei um arquivo da seguinte maneira:

# truncate -s 10G sparse-file
# mkfs.ext4 -m 0 -L sparse ./sparse-file

Montei o arquivo esparso e coloquei um arquivo de 600M nele. O nível de fragmentação é assim:

# filefrag -v "/media/Grafi/sparse-file"
Filesystem type is: ef53
File size of /media/Grafi/sparse-file is 10737418240 (2621440 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..    1032:      36864..     37896:   1033:
   1:     1043..    1043:      37907..     37907:      1:
   2:     1059..    1059:      37923..     37923:      1:
   3:     9251..    9256:      46115..     46120:      6:
   4:    32768..   32770:      51200..     51202:      3:      69632:
   5:    34816..   55295:      77824..     98303:  20480:      53248:
   6:    55296..   57343:     114688..    116735:   2048:      98304:
   7:    57344..   69631:     120832..    133119:  12288:     116736:
   8:    69632..   81919:     102400..    114687:  12288:     133120:
   9:    81920..   98303:     135168..    151551:  16384:     114688:
  10:    98304..   98306:      57344..     57346:      3:     151552:
  11:   100352..  112639:     151552..    163839:  12288:      59392:
  12:   112640..  145407:     165888..    198655:  32768:     163840:
  13:   145408..  163839:     198656..    217087:  18432:
  14:   163840..  163842:      40960..     40962:      3:     217088:
  15:   165888..  178175:     217088..    229375:  12288:      43008:
  16:   178176..  202751:     231424..    255999:  24576:     229376:
  17:   202752..  206847:     258048..    262143:   4096:     256000:
  18:   206848..  216756:     276480..    286388:   9909:     262144:
  19:   229376..  229378:      43008..     43010:      3:     299008:
  20:   294912..  294914:      53248..     53250:      3:     108544:
  21:   524288..  524288:      55296..     55296:      1:     282624:
  22:   819200..  819202:      61440..     61442:      3:     350208:
  23:   884736..  884738:      63488..     63490:      3:     126976:
  24:  1048576.. 1048577:      67584..     67585:      2:     227328:
  25:  1081344.. 1081391:      69632..     69679:     48:     100352:
  26:  1572864.. 1572864:      71680..     71680:      1:     561152:
  27:  1605632.. 1605634:      73728..     73730:      3:     104448:
  28:  2097152.. 2097152:      75776..     75776:      1:     565248:
  29:  2097167.. 2097167:      75791..     75791:      1:             last
/media/Grafi/sparse-file: 25 extents found

Eu pensei que era por causa do recurso "esparso", mas parece que todos os arquivos que possuem outros sistemas de arquivos ficam fragmentados dessa maneira. Veja o seguinte exemplo:

Crie um arquivo cheio de zeros:

# dd if=/dev/zero of=./zero bs=1M count=2048 

Verifique seu nível de fragmentação:

# filefrag -v /media/Grafi/zero
Filesystem type is: ef53
File size of /media/Grafi/zero is 2147483648 (524288 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..   32767:    6172672..   6205439:  32768:
   1:    32768..   65535:    6205440..   6238207:  32768:
   2:    65536..   98303:    6238208..   6270975:  32768:
   3:    98304..  118783:    6270976..   6291455:  20480:
   4:   118784..  151551:    6324224..   6356991:  32768:    6291456:
   5:   151552..  184319:    6356992..   6389759:  32768:
   6:   184320..  217087:    6389760..   6422527:  32768:
   7:   217088..  249855:    6422528..   6455295:  32768:
   8:   249856..  282623:    6455296..   6488063:  32768:
   9:   282624..  315391:    6488064..   6520831:  32768:
  10:   315392..  348159:    6520832..   6553599:  32768:
  11:   348160..  380927:    6553600..   6586367:  32768:
  12:   380928..  413695:    6586368..   6619135:  32768:
  13:   413696..  446463:    6619136..   6651903:  32768:
  14:   446464..  479231:    6651904..   6684671:  32768:
  15:   479232..  511999:    6684672..   6717439:  32768:
  16:   512000..  524287:    6717440..   6729727:  12288:             last,eof
/media/Grafi/zero: 2 extents found

Então, basicamente, esse arquivo tem 17 extensões, mas da perspectiva humana, o arquivo tem dois pedaços

Agora crie um sistema de arquivos neste arquivo:

# mkfs.ext4 -m 0 -L ext /media/Grafi/zero

Verifique sua fragmentação novamente:

# filefrag -v /media/Grafi/zero

Filesystem type is: ef53
File size of /media/Grafi/zero is 2147483648 (524288 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..     257:    5505024..   5505281:    258:
   1:      265..     265:    5505289..   5505289:      1:
   2:      272..     273:    5505296..   5505297:      2:
   3:      289..     289:    5505313..   5505313:      1:
   4:     8481..    8486:    5507361..   5507366:      6:    5513505:
   5:    32768..   32769:    5509120..   5509121:      2:    5531648:
   6:    98304..   98305:    5511168..   5511169:      2:    5574656:
   7:   163840..  163841:    5513216..   5513217:      2:    5576704:
   8:   229376..  229377:    5515264..   5515265:      2:    5578752:
   9:   262144..  262144:    5517312..   5517312:      1:    5548032:
  10:   294912..  294913:    5519360..   5519361:      2:    5550080: last
/media/Grafi/zero: 8 extents found

Alguém sabe o que realmente aconteceu aqui? Por que o arquivo foi fragmentado através da criação de um sistema de arquivos? O que aconteceu com o length?

Adicionado:

O mkfs.ext4parâmetro -Enodiscardnão funciona. Com esta opção, posso ver a estrutura do arquivo filefrag(os blocos zerados). Mas depois de criar o sistema de arquivos dessa maneira, o arquivo fica fragmentado por algum motivo, não importa o quê. Talvez seja por causa dos metadados do sistema de arquivos que estão escritos e faz algo com o arquivo zerado. Eu não sei. Mas quando assisto a saída de filefrag, posso ver que sempre há +6 extensões (no caso do arquivo 2G). Talvez seja por causa do superbloco e suas 5 cópias? Mas isso ainda não explica por que o arquivo inteiro está fragmentado - ainda é o mesmo arquivo.

Há outra coisa. Quando eu recrio o sistema de arquivos neste arquivo:

# mkfs.ext4 -Enodiscard /media/Grafi/zero
mke2fs 1.43 (17-May-2016)
/media/Grafi/zero contains a ext4 file system
        created on Thu Jun  2 13:02:28 2016
Proceed anyway? (y,n) y
Creating filesystem with 524288 4k blocks and 131072 inodes
Filesystem UUID: 6d58dddc-439b-4175-9af6-8628f0d2a278
Superblock backups stored on blocks:
        32768, 98304, 163840, 229376, 294912

Allocating group tables: done
Writing inode tables: done
Creating journal (16384 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done

As extensões adicionadas desaparecem magicamente.

Parece que este foi um erro mke2fsque o levou a usar em fallocate(fd, PUNCH_HOLE, ...)vez de fallocate(fd, DISCARD_ZERO, ...)zerar o espaço nas tabelas de inodes (mesmo quando -E nodiscardfoi usado).

Enviei um relatório de bug para a linux-ext4@vger.kernel.orglista de emails upstream depois de verificar esse comportamento localmente e recebi um patch em uma hora, assunto:

e2fprogs: block zero/discard cleanups

Eles devem ser incluídos na versão e2fsprogs-1.45 e provavelmente na versão de manutenção 1.44.x. Se você deseja que eles sejam e2fsprogslançados em um fornecedor , recomendo que você faça o patch + construa seus e2fsprogs para verificar se isso está funcionando para você, relate o sucesso para linux-ext4que os patches cheguem mais cedo e envie um relatório de bug à sua distribuição preferida para que eles coloque os patches a montante em seus lançamentos.

$ /sbin/mkfs.ext4 test1
mke2fs 1.42.12 (29-Aug-2014)
Discarding device blocks: done
[...]

Agora há uma dica. Vamos ver o que o manual diz:

-E extended-options
discard
  Attempt  to  discard blocks at mkfs time (discarding blocks initially is useful
  on solid state devices and sparse / thin-provisioned storage). When the  device
  advertises that discard also zeroes data (any subsequent read after the discard
  and before write returns zero), then mark all not-yet-zeroed  inode  tables  as
  zeroed.  This significantly speeds up filesystem initialization. This is set as
  default.

Portanto, basicamente, o mkfs sabe que os dados antigos no armazenamento subjacente não importam mais, portanto podem ser descartados, e o armazenamento subjacente pode ter uma maneira melhor de fazê-lo, do que apenas substituindo por zeros. O que existe, o sistema de arquivos aqui pode simplesmente esquecer os blocos de dados.

Depois disso, o mkfs constrói qualquer estrutura de sistema de arquivos necessária, em um padrão de acesso um tanto aleatório, resultando em novos blocos de dados sendo alocados. O arquivo está escasso novamente e há alguma fragmentação.

Com -Enodiscardo resultado, talvez seja o que você esperava:

$ /sbin/mkfs.ext4 -Enodiscard test2
$ /usr/sbin/filefrag test2
test2: 2 extents found