Linux 魔法：多种空块填充技术详解与实践

引言

在日常的 Linux 系统管理、性能测试或安全工作中，我们经常需要快速创建特定大小的文件。无论是测试磁盘 I/O 性能、预留磁盘空间，还是安全擦除剩余空间，空块填充（即用空数据快速填充文件）都是一项核心技能。本文将深入探讨多种空块填充方法，并分析各自的优缺点和适用场景。

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一、 基础工具：dd 命令

dd（disk duplicator）是 Linux 中最经典、最强大的数据转换和复制工具，也是进行空块填充最常用的方法之一。

方法一：使用 /dev/zero 数据源

dd if=/dev/zero of=./testfile_dd_zero bs=1G count=1

• if=/dev/zero：输入文件（input file）。/dev/zero 是一个特殊的设备文件，它会无限地提供空字符（ASCII NULL, 0x00）。
• of=./testfile_dd_zero：输出文件（output file）。这里会在当前目录创建一个名为 testfile_dd_zero 的文件。
• bs=1G：块大小（block size）。这里设置为 1GB，意味着每次读写操作的数据量。
• count=1：块数量。指定要复制多少个 bs 大小的块。这里 1G * 1 = 1GB。

循环创建多个文件的示例：

# 创建3个10G的文件，名为 test1, test2, test3
for i in {1..3}; do
    dd if=/dev/zero of="/path/to/test${i}" bs=10G count=1 status=progress
done

status=progress 选项可以实时显示传输进度，非常实用。

方法二：使用 /dev/urandom 数据源（非空，但常用于填充）

如果需要填充随机数据（例如进行安全擦除），可以使用 /dev/urandom。

dd if=/dev/urandom of=./testfile_dd_random bs=100M count=10

这会创建一个 1GB 的充满随机数据的文件。虽然它不是“空”的，但在“填充”这个范畴内非常重要，因为它使得文件无法被压缩和恢复。

dd 命令的优缺点：

• 优点：极其通用，所有 Linux 发行版都自带，可精确控制块大小和数量。
• 缺点：对于创建大文件，速度相对较慢，因为它确实执行了写操作，会触发磁盘的实际写入。

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二、 高效工具：fallocate 命令

fallocate 是一个用于为文件预分配磁盘空间的命令。它是创建大文件时最快的方法。

方法三：使用 fallocate

fallocate -l 10G ./testfile_fallocate

• -l 10G：指定文件的长度（length），这里为 10GB。
• ./testfile_fallocate：要创建的文件名。

fallocate 的魔法在于：它并不像 dd 那样向文件写入大量数据，而是直接操作文件的元数据，在文件系统中为文件分配连续的磁盘块。这意味着它几乎是瞬间完成的，无论文件多大。

fallocate 的优缺点：

• 优点：速度极快，几乎是瞬间完成。
• 缺点：
  1. 并非所有文件系统都支持（主要在 ext4 和 xfs 等现代文件系统上工作良好，NFS 等可能不支持）。
  2. 创建的文件是“稀疏”的（见下文），在某些场景下（如测试真实写入性能）可能不符合要求。

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三、 便捷工具：truncate 命令

truncate 命令用于缩小或扩展文件到指定的大小。

方法四：使用 truncate

truncate -s 5G ./testfile_truncate

• -s 5G：设置文件大小为 5GB。

truncate 和 fallocate 类似，它创建的也是一个稀疏文件。操作系统报告文件大小是 5GB，但初始时磁盘上可能只占用了几 KB 的元数据空间。只有当文件被写入时，磁盘空间才会被真正分配。

稀疏文件的概念：
可以想象成一个大部分页面都是空白，但目录显示有1000页的笔记本。truncate 和 fallocate 创建了这个“目录”，而 dd 则实实在在地写满了每一页。

truncate 的优缺点：

• 优点：速度快，使用简单。
• 缺点：创建的是稀疏文件，实际磁盘占用与文件大小不一致，可能误导用户。

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四、 文件系统特定工具

某些文件系统有自己的创建大文件的工具。

方法五：在 XFS 文件系统上使用 xfs_io

xfs_io -f -c "falloc 0 8G" ./testfile_xfs

• -f：强制创建文件。
• -c "falloc 0 8G"：执行 falloc 命令，从偏移量 0 开始分配 8GB 空间。

这通常用于需要非常精细控制文件分配的特定测试场景。

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方法对比总结表

方法	命令示例	速度	磁盘 I/O	文件类型	适用场景
dd with /dev/zero	dd if=/dev/zero of=f bs=1G count=1	慢	高	普通文件	基准测试、安全擦除、兼容性要求高
dd with /dev/urandom	dd if=/dev/urandom of=f bs=1G count=1	很慢	很高	普通文件	安全擦除、创建不可压缩的测试数据
fallocate	fallocate -l 1G f	极快	极低	稀疏文件	快速预留空间、虚拟机磁盘预分配、快速测试
truncate	truncate -s 1G f	极快	极低	稀疏文件	快速设置文件大小、日志文件管理

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五、 实践应用场景

1. 磁盘 I/O 性能测试：

   # 使用 dd 测试写入速度
   dd if=/dev/zero of=./test_io bs=1G count=2 oflag=direct status=progress
   

   使用 oflag=direct 绕过缓存，得到更真实的写入速度。

2. 为虚拟机预分配磁盘：

   # 为KVM虚拟机创建一个20GB的qcow2镜像文件，并预分配空间
   qemu-img create -f qcow2 -o preallocation=falloc ./vm_disk.qcow2 20G
   

   其底层就利用了 fallocate 来快速分配空间。

3. 安全擦除磁盘剩余空间：

   # 用随机数据填充磁盘剩余空间，然后删除，防止数据恢复
   dd if=/dev/urandom of=/mount/point/fillfile bs=1M status=progress
   # 填满后...
   rm -f /mount/point/fillfile
   

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结语

工欲善其事，必先利其器。dd、fallocate 和 truncate 都是 Linux 系统管理中不可或缺的利器。理解它们的工作原理和差异，能够帮助我们在不同场景下选择最合适的工具：追求极速时用 fallocate，进行真实 I/O 压测时用 dd，而简单设置文件大小则用 truncate。希望本文能让大家对空块填充技术有更深刻的理解，从而在工作和学习中更加游刃有余。

温馨提示：操作前请务必确认输出文件路径（of 参数），错误的路径可能导致系统关键数据被覆盖，造成严重后果！