rename()是原子性的吗？

Question

我无法通过实验来检查这个问题，也无法从手册中收集到相关信息。

假设我有两个进程，一个将文件1从目录1移动(rename)到目录2。同时另一个进程正在复制目录1和目录2的内容到另一个位置。是否可能出现这样的情况，即在第一个进程移动之前复制了目录1，并且在移动后复制了目录2，导致目录1和目录2都显示文件1。

基本上，rename()是原子系统调用吗？

谢谢。

- Lipika Deka

Answer 1

是和否。

假设操作系统没有崩溃，rename()是原子性的。它不能被任何其他文件系统操作拆分。

如果系统崩溃，您可能会看到ln()操作。

还要注意，在网络文件系统上操作时，当操作成功时，您可能会收到ENOENT错误。本地文件系统不会这样做。

- Joshua

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阅读在线手册第2节中的man页面，包括link()、rename()、creat()、open()、unlink()、read()和write()。有两个API用于显式锁定，但忽略它们的程序可以轻松通过锁定。此外，在网络文件系统上不要信任flock()和相关函数（无参考：您应该知道这是计算机科学中无法解决的问题，实现可能会失败）。O_EXCL并不存在，这在过去使事情更加困难。 - Joshua

我的来源是“如果系统崩溃，您可能会看到一个ln()操作。”就是内核源代码本身。 - Joshua

ln() 操作用于创建硬链接。一旦在新位置创建完成，就会在旧位置执行 remove() 操作。这就是重命名操作。虽然这两个操作都是原子性的。 - Alexis Wilke

内核实现取决于文件系统，但这里是Linux ext4文件系统的实现：https://elixir.bootlin.com/linux/v5.19.3/source/fs/ext4/namei.c#L3887 - 似乎首先将inode标记为脏，然后创建新链接，之后删除旧链接。如果内核在中途崩溃，则最终结果可能是两个链接和脏标记。我猜测（但没有调查是否正确），下一次挂载期间的日志恢复将修复最终结果，以匹配留下旧状态或新状态的原子行为，具体取决于精确的崩溃位置。 - Mikko Rantalainen

@MikkoRantalainen：很可能，你是正确的。不同的文件系统做不同的事情。minix fs（因为它非常简单而方便学习）肯定有一种故障模式，你会看到一个ln操作（带有一个错误的链接计数，将由fsck修复）。 - Joshua

Answer 2

这个回答可能有点晚，但是......是的，rename() 是原子的，但不是你问题中的那种。 在Linux下，rename(2)说：

然而，在覆盖时，oldpath和newpath都指向正在重命名的文件的时间窗口可能会出现。

但是rename()在非常重要的意义上仍然是原子的：如果您使用它来覆盖文件，则最终将得到旧版本或新版本之一，没有其他东西。

[更新：但正如@jonas-wielicki在评论中指出的那样，您需要确保正在重新命名的文件实际上具有最新的内容，使用fsync()等工具进行同步]

如果newpath已经存在，它将被原子替换（受几个条件的限制；请参见下面的错误），因此没有另一个进程尝试访问newpath会发现它丢失的时刻。

如果看到 ERRORS，您会发现重命名可能会失败，但永远不会破坏原子性。

这全部来自Linux手册页。 我不知道的是，如果您在运行不同操作系统的服务器上运行网络文件系统，是否可以保证客户端确保原子性。 我怀疑。

- Adrian Ratnapala

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重命名文件夹是否也适用于同样的情况？ - proteneer

@proteneer 是的，但可能不是你想要的方式。除非它是空的，否则您不允许覆盖现有目录。对于空目录，我猜您会获得原子性保证。 - Adrian Ratnapala

在覆盖的情况下，重命名之前调用flush非常重要，以确保数据实际上被写入文件。否则，在崩溃的情况下，可能最终只得到一个空文件（rename()成功，但数据尚未写入磁盘，然后崩溃->空文件）。 - Jonas Schäfer

Answer 3

我不确定你问题中的“基本上”部分是否有效。除非两者之间存在某种同步，否则原子重命名的方式并不重要。如果目录复制在重命名之前到达，则文件1将出现在两个位置。

我不确定你是指线程还是进程，但如果两者都有锁定机制，则线程锁定明显更简单，因为它们无需跨进程边界。

- boatcoder

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如果正确使用，rename() 是在工作进程之间分配工作负载的一种完全合法的方式。 - Joshua

@Joshua：是的，但Mark0978说得对：尽管在一个文件系统上的“重命名（rename()）”是原子性的（因为读取两个不同目录的内容不是原子操作），但OP所描述的过程是有竞争条件的，这意味着在你读取directory1和directory2之间进行重命名操作。请注意，虽然“重命名（rename()）”是原子性的，但该过程仍然存在竞争条件。 - caf

@caf：Mark正在使用草人论点。你需要从两个进程中都使用rename()函数。 - Joshua

这不是一个草人论点。他想要重命名是原子性的，暗示着他不希望在重命名时被中断。他暗示要使用多个进程或线程（不确定他知道两者之间的区别），并希望确保重命名不会在复制过程中被卡住。所有这些都指向需要更好地理解竞态条件的人。他在这里问错了问题，担心了错误的事情。当汽车驶向峡谷燃烧时，汽车的颜色并不重要。 - boatcoder

@Joshua: 你需要重新阅读原始问题。它有一个进程在执行rename()，同时还有另一个进程在将"directory1和directory2的内容复制到另一个位置"。第二个进程至少需要进行不同的“读取directory1的内容”和“读取directory2的内容”的步骤，甚至在开始任何复制/重命名操作之前，正是这些步骤会与第一个进程中的rename()竞争。 - caf

除非Juggler在第二个进程中并不是想说“复制”，否则我必须同意rename（）的原子性与所提到的问题无关。 - Alexis Wilke

Answer 4

GNU libc 手册中提到：

rename的一个有用特性是，newname的含义会“原子地”从之前任何已存在的同名文件更改为其新含义（即被称为oldname的文件）。在旧含义和新含义之间不存在newname不存在的瞬间。如果操作期间系统崩溃，则可能同时存在两个名称；但只要newname存在，它就始终完好无损。

- shaftdiesel