并发、缓存一致性与故障恢复

1. 锁层次

VFS 常见锁：

锁	保护
s_umount	super freeze/unmount
mount lock/seqlock	mount topology
i_rwsem	inode/目录操作
i_lock	inode state/flags/lists
d_lock	dentry fields
rename lock	rename/pathwalk sequence
file_lock	fdtable update
folio lock	page cache folio state
mapping xarray lock	page cache index

具体文件系统还有 transaction、extent、allocation group、journal、log 等锁。

2. Lockless fast path

• fd lookup 使用 RCU；
• pathwalk 优先 RCU-walk；
• dcache hash lookup 配合 sequence validation；
• mount/path rename 通过 seqlock 检测变化。

无锁读取不是无同步，而是读取后验证；失败需重试或转慢路径。

3. Dentry/inode 一致性

本地 fs 通常由 VFS mutation 更新 dcache；网络/stacked fs 可能通过 d_revalidate 检查远端/lower 状态。negative dentry timeout 和 attribute cache 会影响“何时看到新文件”。

4. Data/metadata ordering

持久化涉及：

application data
 -> page cache/DIO
 -> filesystem allocation
 -> journal/log/CoW transaction
 -> bio
 -> block layer
 -> device volatile cache
 -> media

文件系统只能在设备正确实现 flush/FUA 时兑现顺序。

5. fsync 语义

fsync 目标是该文件所需数据和 metadata；rename/create 的目录项持久性可能还需 parent fsync。不同文件系统的 journal/CoW 实现不同，但应用应使用通用 crash-safe protocol，而不依赖偶然行为。

6. Freeze/unmount

• freeze 阻断新写并同步，供 snapshot；
• unmount 先从 namespace detach，再等待/关闭 super；
• lazy unmount 只断开可见路径，活动引用仍存在；
• forced unmount 可能让后续 I/O 返回错误。

7. 崩溃恢复

• journal replay；
• log replay；
• orphan cleanup；
• checkpoint/roll-forward；
• CoW tree root 选择；
• fsck/offline repair；
• online scrub。

恢复机制无法修复所有硬件 silent corruption；checksum、scrub 和备份仍必要。

8. Writeback error

异步错误可能在后续 fsync 才报告。多进程对同一 inode 打开的 file 各自跟踪 errseq，应用必须检查并记录第一次持久化错误。

9. Deadlock 防护

存储路径分配内存常使用 GFP_NOFS/memalloc_nofs，避免回收再次进入同一文件系统。新增代码不能在 filesystem transaction lock 下随意 GFP_KERNEL 分配或调用可递归 VFS 操作。

10. 测试

• fsx/xfstests；
• fault injection；
• dm-flakey；
• 强制掉电；
• fsfreeze；
• ENOSPC/inode exhaustion；
• I/O error；
• concurrent rename/unlink/mmap；
• mount namespace stress。