大量小文件的实时同步方案

传统的文件同步方案有rsync(单向) 和 unison(双向)等，它们需要扫描所有文件后进行比对，差量传输。如果文件数量达到了百万甚至千万量级，扫描所有文件将非常耗时。而且正在发生变化的往往是其中很少的一部分，这是非常低效的方式。

之前看了Amazon的Dynamo的设计文档，它们每个节点的数据是通过Hash Tree来实现同步，既有通过日志来同步的软实时特点(msyql, bdb等)，也可以保证最终数据的一致性(rsync, unison等)。Hash Tree的大体思路是将所有数据存储成树状结构，每个节点的Hash是其所有子节点的Hash的Hash，叶子节点的Hash是其内容的Hash。这样一旦某个节点发生变化，其Hash的变化会迅速传播到根节点。需要同步的系统只需要不断查询跟节点的hash，一旦有变化，顺着树状结构就能够在logN级别的时间找到发生变化的内容，马上同步。

文件系统天然的是树状结构，尽管不是平衡的数。如果文件的修改时间是可靠的，可以表征文件的变化，那就可以用它作为文件的Hash值。另一方面，文件的修改通常是按顺序执行的，后修改的文件比早修改的文件具有更大的修改时间，这样就可以把一个目录内的最大修改时间作为它的修改时间，以实现Hash Tree。这样，一旦某个文件被修改，修改时间的信息就会迅速传播到根目录。

一般的文件系统都不是这样做的，目录的修改时间表示的是目录结构最后发生变化的时间，不包括子目录，否则会不堪重负。因为我们需要自己实现这个功能，利用Linux 2.6内核的新特性inotify获得某个目录内文件发生变化的信息，并把其修改时间传播到它的上级目录(以及再上级目录)。Python 有 pyinotify，watch.py的代码如下：

 

#!/usr/bin/python

from pyinotify import *
import os, os.path

flags = IN_CLOSE_WRITE|IN_CREATE|IN_Q_OVERFLOW
dirs = {}
base = '/log/lighttpd/cache/images/icon/u241'
base = 'tmp'

class UpdateParentDir(ProcessEvent):
    def process_IN_CLOSE_WRITE(self, event):
        print 'modify', event.pathname
        mtime = os.path.getmtime(event.pathname)
        p = event.path
        while p.startswith(base):
            m = os.path.getmtime(p)
            if m < mtime:
                print 'update', p
                os.utime(p, (mtime,mtime))
            elif m > mtime:
                mtime = m
            p = os.path.dirname(p)

    process_IN_MODIFY = process_IN_CLOSE_WRITE

    def process_IN_Q_OVERFLOW(self, event):
        print 'over flow'
        max_queued_events.value *= 2

    def process_default(self, event):
        pass

wm = WatchManager()
notifier = Notifier(wm, UpdateParentDir())
dirs.update(wm.add_watch(base, flags, rec=True, auto_add=True))

notifier.loop()

<textarea class="Python" style="display: none;" cols="80" rows="40" name="code" readonly="65535">#!/usr/bin/python from pyinotify import * import os, os.path flags = IN_CLOSE_WRITE|IN_CREATE|IN_Q_OVERFLOW dirs = {} base = '/log/lighttpd/cache/images/icon/u241' base = 'tmp' class UpdateParentDir(ProcessEvent): def process_IN_CLOSE_WRITE(self, event): print 'modify', event.pathname mtime = os.path.getmtime(event.pathname) p = event.path while p.startswith(base): m = os.path.getmtime(p) if m < mtime: print 'update', p os.utime(p, (mtime,mtime)) elif m > mtime: mtime = m p = os.path.dirname(p) process_IN_MODIFY = process_IN_CLOSE_WRITE def process_IN_Q_OVERFLOW(self, event): print 'over flow' max_queued_events.value *= 2 def process_default(self, event): pass wm = WatchManager() notifier = Notifier(wm, UpdateParentDir()) dirs.update(wm.add_watch(base, flags, rec=True, auto_add=True)) notifier.loop() </textarea>

 

在已经有Hash Tree的时候，同步就比较简单了，不停地获取根目录的修改时间并顺着目录结构往下找即可。需要注意的是，在更新完文件后，需要设置修改时间为原文件的修改时间，目录也是，保证Hash Tree的一致性，否则没法同步。mirror.py的代码如下

#!/usr/bin/python

import sys,time,re,urllib
import os,os.path
from os.path import exists, isdir, getmtime

src = sys.argv[1]
dst = sys.argv[2]

def local_mirror(src, dst):
    if exists(dst) and mtime == getmtime(dst):
        return
    if not isdir(src):
        print 'update:', dst
        open(dst,'wb').write(open(src).read())
    else:
        if not exists(dst):
            os.makedirs(dst)
        for filename in os.listdir(src):
            local_mirror(os.path.join(src,filename), os.path.join(dst,filename))
    os.utime(dst, (mtime,mtime))

def get_info(path):
    f = urllib.urlopen(path)
    mtime = f.headers.get('Last-Modified')
    if mtime:
        mtime = time.mktime(time.strptime(mtime, '%a, %d %b %Y %H:%M:%S %Z'))
    content = f.read()
    f.close()
    return int(mtime), content

p = re.compile(r'([\d.]+?) +([\w/]+)')

def remote_mirror(src, dst):
    mtime, content = get_info(src)
    if exists(dst) and mtime == int(getmtime(dst)):
        return
    print 'update:', dst, src
    if not src.endswith('/'):
        open(dst,'wb').write(content)
    else:
        if not exists(dst):
            os.makedirs(dst)
        for mt,filename in p.findall(content):
            mt = int(float(mt))
            lpath = dst+filename
            if not exists(lpath) or int(getmtime(lpath)) != mt:
                remote_mirror(src+filename, lpath)
    os.utime(dst, (mtime,mtime))

if src.startswith('http://'):
    mirror = remote_mirror
else:
    mirror = local_mirror

while True:
    mirror(src, dst)
    time.sleep(1)

<textarea class="Python" style="display: none;" cols="80" rows="60" name="code" readonly="65535">#!/usr/bin/python import sys,time,re,urllib import os,os.path from os.path import exists, isdir, getmtime src = sys.argv[1] dst = sys.argv[2] def local_mirror(src, dst): if exists(dst) and mtime == getmtime(dst): return if not isdir(src): print 'update:', dst open(dst,'wb').write(open(src).read()) else: if not exists(dst): os.makedirs(dst) for filename in os.listdir(src): local_mirror(os.path.join(src,filename), os.path.join(dst,filename)) os.utime(dst, (mtime,mtime)) def get_info(path): f = urllib.urlopen(path) mtime = f.headers.get('Last-Modified') if mtime: mtime = time.mktime(time.strptime(mtime, '%a, %d %b %Y %H:%M:%S %Z')) content = f.read() f.close() return int(mtime), content p = re.compile(r'([\d.]+?) +([\w/]+)') def remote_mirror(src, dst): mtime, content = get_info(src) if exists(dst) and mtime == int(getmtime(dst)): return print 'update:', dst, src if not src.endswith('/'): open(dst,'wb').write(content) else: if not exists(dst): os.makedirs(dst) for mt,filename in p.findall(content): mt = int(float(mt)) lpath = dst+filename if not exists(lpath) or int(getmtime(lpath)) != mt: remote_mirror(src+filename, lpath) os.utime(dst, (mtime,mtime)) if src.startswith('http://'): mirror = remote_mirror else: mirror = local_mirror while True: mirror(src, dst) time.sleep(1) </textarea>

 

如果源文件不在同一台机器上，可以通过NFS等共享过来。或者可以通过支持列目录的HTTP服务器来访问远程目录，mirror.py 已经支持这种访问方式。server.py 是用webpy做的一个简单的只是列目录的文件服务器。由于瓶颈在IO上，它的性能不是关键。server.py的代码如下：

#!/usr/bin/python

import os,os.path
import web
import time

root = 'tmp'

HTTP_HEADER_TIME = '%a, %d %b %Y %H:%M:%S %Z'

class FileServer:
    def GET(self, path):
        path = root + path
        if not os.path.exists(path):
            return 404
        mtime = time.localtime(os.path.getmtime(path))
        web.header('Last-Modified', time.strftime(HTTP_HEADER_TIME, mtime))
        if os.path.isdir(path):
            for file in os.listdir(path):
                if file.startswith('.'): continue
                p = os.path.join(path,file)
                m = os.path.getmtime(p)
                if os.path.isdir(p):
                    file += '/'
                print m, file
        else:
            print open(path,'rb').read()

urls = (
   "(/.*)", "FileServer",
)

if __name__ == '__main__':
    web.run(urls, globals())

<textarea class="Python" style="display: none;" cols="80" rows="35" name="code" readonly="65535">#!/usr/bin/python import os,os.path import web import time root = 'tmp' HTTP_HEADER_TIME = '%a, %d %b %Y %H:%M:%S %Z' class FileServer: def GET(self, path): path = root + path if not os.path.exists(path): return 404 mtime = time.localtime(os.path.getmtime(path)) web.header('Last-Modified', time.strftime(HTTP_HEADER_TIME, mtime)) if os.path.isdir(path): for file in os.listdir(path): if file.startswith('.'): continue p = os.path.join(path,file) m = os.path.getmtime(p) if os.path.isdir(p): file += '/' print m, file else: print open(path,'rb').read() urls = ( "(/.*)", "FileServer", ) if __name__ == '__main__': web.run(urls, globals()) </textarea>

 

为了获得更好性能，以达到更好的实时性，Hash Tree最好是平衡的，比如BTree。如果一个文件发生变化，同步它需要进行的IO操作为N*M，其中N为数的层数，M为每层的文件数目。现在我们N为2，M最大为10000，适当减少它可以获得更好的性能，比如N为4，M为100。在以后创建目录结构时，最好能够考虑这方面的因素。

之前hongqn推荐过一个利用inotify的文件同步方案，同步方式类似于mysql和bdb等，由于过于复杂导致不可靠而没有采用。上面这个方案只用了一百多行Python代码就基本解决问题了，是不是很帅？:-)