比ls快8倍？百万级文件遍历的奇技淫巧

1.问题背景
在Linux下当我们操作一个文件数较少的目录时，例如执行ls列出当前目录下所有的文件，这个命令可能会瞬间执行完毕，但是当一个目录下有上百万个文件时，执行ls命令会发生什么呢，带着疑问，我们做了如下实验(实验中使用的存储设备为NVMe接口的SSD)：

[root@localhost /data1/test_ls]# for i in {1..1000000}; do echo 'AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA' > $i.txt ; done
[root@localhost /data1/test_ls]# time ls -l | wc -l
1000001

real    0m5.802s
user    0m2.544s
sys      0m3.328s

可以看到，统计一个包含1000000个小文件的目录下的文件个数花费了将近6秒的时间，那么文件个数多造成ls缓慢的原因是什么呢，且听我们详细分析。

2.原理分析
众所周知，strace是分析系统调用的利器，所以我们用strace来分析在大目录下执行ls命令的结果，其中这样的输出引起了我们的注意：

…
getdents(3, /* 1024 entries /, 32768) = 32768
getdents(3, / 1024 entries /, 32768) = 32768
getdents(3, / 1024 entries /, 32768) = 32768
getdents(3, / 1024 entries /, 32768) = 32768
brk(0) = 0x12e8000
brk(0x1309000) = 0x1309000
getdents(3, / 1024 entries /, 32768) = 32768
mremap(0x7f93b6246000, 2461696, 4919296, MREMAP_MAYMOVE) = 0x7f93b5d95000
getdents(3, / 1024 entries /, 32768) = 32768
getdents(3, / 1024 entries /, 32768) = 32768
getdents(3, / 1024 entries */, 32768) = 32768
brk(0) = 0x1309000
brk(0x132a000) = 0x132a000
…
可以看到，在大目录下执行ls命令会频繁调用getdents这一系统调用，实际上我们通过查看coreutils的ls.c源码可以发现：

 static void
 print_dir (const char *name, const char *realname)
 {
   register DIR *dirp;
   register struct dirent *next;
   register uintmax_t total_blocks = 0;
   static int first = 1;

   errno = 0;
   dirp = opendir (name);
   ...
   while (1)
     {    
       /* Set errno to zero so we can distinguish between a readdir failure
      and when readdir simply finds that there are no more entries.  */
       errno = 0; 
       if ((next = readdir (dirp)) == NULL)
     {    
       if (errno)
         {    
           /* Save/restore errno across closedir call.  */
           int e = errno;
           closedir (dirp);
           errno = e; 

           /* Arrange to give a diagnostic after exiting this loop.  */
           dirp = NULL;
         }    
       break;
     }    
...
ls会首先调用opendir打开一个目录，然后循环调用readdir这个glibc中的函数直到遇到目录流的结尾，也即读完所有的目录项(dentry)为止。我们首先看一下man page里面对于readdir的定义：

struct dirent *readdir(DIR *dirp);
readdir返回一个指向dirent结构体的指针，指向目录流dirp中的下一个目录项，所以在print_dir的循环中，每次从目录流中取出一个目录项并赋值给next变量。既然说到目录流(directory stream)，我们顺便看一下glibc中对它的定义：

#define __dirstream DIR

struct __dirstream
  {
    int fd;            /* File descriptor.  */

    __libc_lock_define (, lock) /* Mutex lock for this structure.  */

    size_t allocation;        /* Space allocated for the block.  */
    size_t size;        /* Total valid data in the block.  */
    size_t offset;        /* Current offset into the block.  */

    off_t filepos;        /* Position of next entry to read.  */

    /* Directory block.  */
    char data[0] __attribute__ ((aligned (__alignof__ (void*))));
  };
从上面的定义中可以看到，目录流实则维护一个buffer，这个buffer的大小由allocation来确定，那么问题来了，allocation值什么时候确定，其实是在opendir过程中确定下来的。opendir的调用路径如下所示：

__opendir-->__opendirat-->__alloc_dir
在__alloc_dir中，

DIR *
internal_function
__alloc_dir (int fd, bool close_fd, int flags, const struct stat64 *statp)
{
    ...
    const size_t default_allocation = (4 * BUFSIZ < sizeof (struct dirent64)
                     ? sizeof (struct dirent64) : 4 * BUFSIZ);
    size_t allocation = default_allocation;
    ...
    DIR *dirp = (DIR *) malloc (sizeof (DIR) + allocation);
    ...

    dirp->fd = fd;
    ...
    dirp->allocation = allocation;
    dirp->size = 0;
    dirp->offset = 0;
    dirp->filepos = 0;

    return dirp;
}

会分配sizeof(DIR) + allocation大小的内存空间，最后将allocation赋值给目录流dirp的allocation变量。allocation的默认值通过比较4*BUFSIZ的大小和dirent64结构体的大小(<32768)来确定，BUFSIZ的大小在以下几个头文件中定义：

stdio.h:        #define BUFSIZ _IO_BUFSIZ
libio.h:        #define _IO_BUFSIZ _G_BUFSIZ
_G_config.h:    #define _G_BUFSIZ 8192

回看一下strace中的输出，getdents第三个参数以及返回值32768就是这么来的。
讲完目录流的buffer大小是怎么确定的之后，让我们回到readdir的glibc实现。

DIRENT_TYPE *
__READDIR (DIR *dirp)
{
    DIRENT_TYPE *dp;
    ...
    do
    {
        size_t reclen;
        if (dirp->offset >= dirp->size)
        {
            /* We've emptied out our buffer.  Refill it.  */
            size_t maxread;
            ssize_t bytes;
#ifndef _DIRENT_HAVE_D_RECLEN
            /* Fixed-size struct; must read one at a time (see below).  */
            maxread = sizeof *dp;
#else
            maxread = dirp->allocation;
#endif
            bytes = __GETDENTS (dirp->fd, dirp->data, maxread);
            ...
            dirp->size = (size_t) bytes;

            /* Reset the offset into the buffer.  */
            dirp->offset = 0;
        }

        dp = (DIRENT_TYPE *) &dirp->data[dirp->offset];

#ifdef _DIRENT_HAVE_D_RECLEN
        reclen = dp->d_reclen;
#else
        assert (sizeof dp->d_name > 1);
        reclen = sizeof *dp;
        dp->d_name[sizeof dp->d_name] = '\0';
#endif
        dirp->offset += reclen;

#ifdef _DIRENT_HAVE_D_OFF
        dirp->filepos = dp->d_off;
#else
        dirp->filepos += reclen;
#endif

      /* Skip deleted files.  */
    } while (dp->d_ino == 0);
    ...
    return dp;
}

这段代码的逻辑还是比较清晰的，首先判断目录流的偏移量有没有超过buffer的大小，如果超过，则说明已经读完缓冲区中的所有内容，需要重新调用getdents读取，getdents一次最多读取32768个字节(有_DIRENT_HAVE_D_RECLEN定义时为dirp->allocation)，并将读取到的buffer返回给dirp->data，读取到的字节数返回给dirp->size，然后重置偏移量为0。如果没有超过buffer大小，则从dirp->offset开始读，然后将偏移量增加reclen个字节作为下次读取的起点，reclen记录在目录项结构体dirent的d_reclen变量中，表示当前目录项的长度，dirent(DIRENT_TYPE)这个结构体的定义如下所示:

struct dirent
{
    __ino_t d_ino;  /* inode number */
    __off_t d_off;  /* offset to the next dirent */
    unsigned short int d_reclen;   /* length of this record */
    unsigned char d_type;   /* type of file */
    char d_name[256];   /* filename */
};

总结一下以上整个过程就是，ls命令每次调用readdir都会从目录流中读取一个目录项，如果目录流的buffer读完，就会重新调用getdents填充这一buffer，下次从新buffer的开头开始读，buffer的默认大小为32K，这也就意味着如果一个目录下有大量的目录项(目录项的总大小可以通过ls -dl查看)，则执行ls命令时将会频繁地调用getdents，导致目录下的文件数越多时ls的执行时间越长。

3.解决方法
既然glibc中readdir的buffer大小我们没法控制，何不绕过readdir直接调用getdents，在这个系统调用中我们可以直接控制buffer的大小，以下就是一个简单的例子listdir.c：

#define _GNU_SOURCE
#include      /* Defines DT_* constants */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define handle_error(msg) \
        do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

struct linux_dirent {
    long           d_ino;
    off_t          d_off;
    unsigned short d_reclen;
    char           d_name[];
};

#define BUF_SIZE 1024*1024*5

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, nread;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct linux_dirent *d;
    int bpos;
    char d_type;

    fd = open(argc > 1 ? argv[1] : ".", O_RDONLY | O_DIRECTORY);
    if (fd == -1)
        handle_error("open");

    for ( ; ; ) {
        nread = syscall(SYS_getdents, fd, buf, BUF_SIZE);
        if (nread == -1)
            handle_error("getdents");

        if (nread == 0)
            break;

        printf("--------------- nread=%d ---------------\n", nread);
        printf("inode#    file type  d_reclen  d_off   d_name\n");
        for (bpos = 0; bpos < nread;) {
            d = (struct linux_dirent *) (buf + bpos);
            printf("%8ld  ", d->d_ino);
            d_type = *(buf + bpos + d->d_reclen - 1);
            printf("%-10s ", (d_type == DT_REG) ?  "regular" :
                             (d_type == DT_DIR) ?  "directory" :
                             (d_type == DT_FIFO) ? "FIFO" :
                             (d_type == DT_SOCK) ? "socket" :
                             (d_type == DT_LNK) ?  "symlink" :
                             (d_type == DT_BLK) ?  "block dev" :
                             (d_type == DT_CHR) ?  "char dev" : "???");
            printf("%4d %10lld  %s\n", d->d_reclen,
                    (long long) d->d_off, d->d_name);
            bpos += d->d_reclen;
        }
    }

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

在这段代码中，我们将getdents的buffer大小设置为5M，编译执行这段代码，我们得到如下结果：

[root@localhost /data1]# time ./listdir test_rm | wc -l
1000016

real    0m0.755s
user    0m0.432s
sys     0m0.320s

统计目录中的文件数由默认的5.802s缩短为0.755s，可以看到提升还是较为明显的。

4. 总结
   其实不止是ls命令，其他一些命令如rm -r等的实现中都会用到glibc中的readdir函数，所以如果遇到操作百万级文件的大目录这种场景(当然实践中不提倡一个目录下放这么多文件)，不妨直接调用getdents并加上自己的一些逻辑，这样就可以在实现标准命令功能的基础上，还能获得其不具备的性能提升。
   

原文链接

https://cloud.tencent.com/developer/article/1143454

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