Sparse-Datei

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Eine Sparse-Datei (engl. sparse file; sparse für „dünnbesetzt“, „spärlich“ oder „zerstreut“) bezeichnet eine Datei, die in einem Dateisystem sehr kompakt gespeichert wird, wenn sie teilweise aus unbestimmten Inhaltsbereichen besteht. In einer Sparse-Datei wechseln sich Bereiche, in denen sich explizit aufgezeichnete Daten befinden, mit Bereichen ab, die als Löcher bezeichnet werden und keinen Platz auf dem Speichermedium belegen.

Grundlagen[Bearbeiten]

Prinzip einer Sparse-Datei: Unbestimmte Bereiche der Datei brauchen nicht gespeichert zu werden, stattdessen werden nur die Informationen über deren Umfang in den Metadaten der Datei gespeichert

Es handelt sich um eine platzsparende Speicherungsform für Dateien, die viele aufeinanderfolgende Bytes mit unbestimmtem Inhalt enthalten. Diese Art der Speicherung kommt aus der Welt der inodebasierten Dateisysteme und ist heute vor allem typisch für alle modernen unixartigen Betriebssysteme. Im Allgemeinen ist vom Dateisystem vorgegeben, dass diese unbestimmten Bereiche bei lesendem Zugriff als Datensequenzen aus Nullbytes wiedergegeben werden.

Bei einer Sparse-Datei werden nur die Teile im Hintergrundspeicher abgelegt, die auch tatsächlich beschrieben worden sind. So kann z. B. eine Datei mit einer nominellen Länge von 100 GiB effektiv nur einen logischen Block im Dateisystem umfassen, wenn etwa nur an einer Stelle in der Datei Daten geschrieben wurden.

Eine solche Form der Speicherung kann sehr sinnvoll bei einigen Formen von Binärdatenbanken sein, sowie bei der Abbildung von Partitionen in eine Datei.

Nicht alle Betriebssysteme und Dateisysteme unterstützen Sparse-Dateien, die in einem Loch enden.

Probleme bei der Verwendung[Bearbeiten]

Sparse-Dateien können problematisch werden, wenn sie kopiert werden. Ein Problemfall dabei besteht dann, wenn das Dateisystem der Zielpartition nicht die Fähigkeit besitzt, Sparse-Dateien anzulegen, und außerdem nicht genügend freier Speicherplatz existiert, um die komplette Datei inklusive der dann explizit zu speichernden Nullbytes aufzunehmen. Ein solches Problem kann etwa beim Zurückspielen von Backups auftreten.

Ein ähnlich gelagertes Problem tritt dann auf, wenn ein Kopier- oder Backupprogramm nicht in der Lage ist, die Charakteristik der Datei überhaupt zu erkennen; Sparse-Dateien werden nämlich nicht automatisch erzeugt, sondern bedürfen einer bestimmten Zugriffstechnik.

Ein weiteres Problemfeld besteht in der automatischen Fragmentierung: Sparse-Dateien werden aufgrund ihrer Anlage sozusagen inhärent fragmentiert und sind damit natürlicherweise beim Plattenzugriff nicht optimal zu erreichen. Ein lineares Einlesen einer Sparse-Datei kann daher recht zeitintensiv werden, was bei Datenbanken durchaus von Bedeutung sein kann.

NTFS Sparse[Bearbeiten]

Das Windows-Dateisystem NTFS verfügt im Gegensatz zu unixbasierten Dateisystemen seit Version 3 über ein spezielles Dateiattribut, welches das Eingabe-/Ausgabesubsystem des Windowsdateisystems veranlasst, für zusammenhängende Bereiche einer Datei, die lediglich aus Nullwerten besteht, keinen Speicher auf dem Datenträger zu belegen.

Sowohl normale als auch komprimierte Daten können von NTFS als Sparse-Datei behandelt werden. Unter Windows Server 2003 und Windows XP kann eine einmal als Sparse-Datei deklarierte Datei von NTFS nicht mehr in eine normale Datei umgewandelt werden. Bei späteren Windows-Versionen ist dies nur möglich, wenn keine Löcher mehr vorhanden sind.[1]

Die für unixbasierte Dateisysteme genannten Probleme bestehen im Prinzip in gleicher Weise bei NTFS, wobei allerdings das Dateiattribut dafür sorgt, dass zumindest nach den generellen Programmierrichtlinien geschriebene Programme Sparse-Dateien transparent kopieren können, ohne dass die Sparse-Eigenschaft verloren geht.

Behandlung von Sparse-Dateien unter unixartigen Betriebssystemen[Bearbeiten]

Erzeugen von Sparse-Dateien[Bearbeiten]

Sparse-Dateien lassen sich mit dem Unix-Kommando dd erzeugen:

dd if=/dev/zero of=sparsefile bs=1 count=1 seek=9999999

Dieses exemplarische Kommando erzeugt eine 10 Megabyte große Sparse-Datei, in dem es den Schreibzeiger mittels seek auf die Position 9999999 setzt, und dann ein Byte schreibt.

Das Erzeugen von Sparse-Dateien, die in einem „Loch“ enden, ist bei manchen dd-Implementierungen nur indirekt möglich. Dazu muss zunächst eine Datei erzeugt werden, die wie im obigen Beispiel auf geschriebenen Daten endet. Danach kann der letzte Datenanteil der Datei mit Hilfe des Systemaufrufs truncate() bzw. ftruncate() entfernt werden. Dies gilt beispielsweise für Solaris. Für Linux reicht es count=0 zu setzen, um zu verhindern, dass nach dem „Loch“ noch Daten geschrieben werden. Unter Linux wird, wenn count=0 gesetzt wurde, ohne Schreiboperation nur ein ftruncate() ausgeführt, was eine Sparsedatei ohne ein vom Nullbyte verschiedenes Zeichen darin anlegt.

Mit dem GNU-dd lässt sich eine identische Datei auch mit dem folgenden verkürzten Aufruf erzeugen.

dd of=sparsefile bs=1 count=0 seek=10000000

Erkennen von Sparse-Dateien[Bearbeiten]

Bei Sparse-Dateien unterscheidet sich die logische und physische Dateigröße. Während die logische Dateigröße auch die Nullbytes umfasst, bezeichnet die physische Dateigröße den Platz, den die Datei tatsächlich im Dateisystem benötigt.

Die option -s des Unix-Kommandos ls zeigt zusätzlich die physische Dateigröße an, allerdings in Blocks. Mit -k wird auch die logische Größe in Blocks angezeigt, mit -h werden beide im lesbaren Format angezeigt:

 ls -lhs sparse-file
 ls -lhk sparse-file

Alternativ kann mit dem Unix-Kommando du die logische Dateigröße angezeigt werden, allerdings zunächst auch in Blocks. Die Option --block-size 1 zeigt die physische Größe in Bytes an, während --bytes die logische Größe in Bytes anzeigt:

 du --block-size 1 sparse-file
 du --bytes sparse-file

Anwendungsbeispiel[Bearbeiten]

Im Folgenden wird ein 10MB große Sparse-File erzeugt. Beim Vergleich mit einer 3MB großen Datei fällt erst durch einen einfachen du-Aufruf auf, dass es sich um ein Sparse-File handelt, welches nur 10 Blöcke auf der Festplatte benötigt.

> dd if=/dev/zero of=sparsefile bs=1 count=0 seek=10M
0+0 Datensätze ein
0+0 Datensätze aus
0 Bytes (0 B) kopiert, 2,9615e-05 s, 0,0 kB/s
> dd if=/dev/urandom of=normalfile bs=1M count=3
3+0 Datensätze ein
3+0 Datensätze aus
3145728 Bytes (3,1 MB) kopiert, 1,71034 s, 1,8 MB/s
> ls -lh
insgesamt 3,1M
-rw-r--r-- 1 sven users 3,0M 18. Mai 03:08 normalfile
-rw-r--r-- 1 sven users 10M 18. Mai 03:06 sparsefile
> du *
3075 normalfile
10 sparsefile

Behandlung von Sparse-Dateien unter Microsoft Windows[Bearbeiten]

Erzeugen von Sparse-Dateien[Bearbeiten]

Eine Datei lässt sich mit dem Windows-Kommando fsutil als Sparse-Datei kennzeichnen:

fsutil sparse setflag <Dateiname>

Dadurch werden bei zukünftigen Schreiboperationen ungeschriebene Bereiche der Datei nicht auf dem Datenträger allokiert. Um bereits vorhandene Bereiche einer als Sparse-Datei markierten Datei freizugeben, kann ebenfalls das Kommando verwendet werden:

fsutil sparse setrange <Dateiname> <Position in Byte> <Länge in Byte>

Dadurch wird der angegebene Bereich de-allokiert. Zu beachten ist dabei, dass nur vollständige Blöcke, deren Länge ein Vielfaches von 64 KiB betragen und deren Startpositionen sich an Vielfachen von 64 KiB befinden, freigegeben werden können.

Um diese Operationen programmgesteuert durchzuführen, kann die Kernel-Funktion DeviceIoControl mit den Kontrollcodes FSCTL_SET_SPARSE und FSCTL_SET_ZERO_DATA verwendet werden. Letzterer Code funktioniert auch bei Dateien, die keine Sparse-Dateien sind, jedoch werden die Datenbereiche nicht freigegeben, sondern mit Null-Bytes gefüllt.

Erkennen von Sparse-Dateien[Bearbeiten]

Ob eine Datei eine Sparse-Datei ist, kann ebenfalls mit dem fsutil-Kommando ermittelt werden:

fsutil sparse queryflag <Dateiname>

Um die tatsächlich alloziierten Bereiche aufzulisten, wird das Kommando wie folgt aufgerufen:

fsutil sparse queryrange <Dateiname>

Erzeugen von Sparse-Dateien mit MsSQL[Bearbeiten]

Das Erzeugen von Sparse-Dateien durch MSSQL ab Version 2005 ist als Datenbank-Snapshot möglich. Die folgenden SQL-Anweisungen erzeugen eine Sparse-Datei der Größe 2 Gigabyte unter dem Namen C:\UnCompressed\Dummy_Snap.mdf

 CREATE DATABASE [Dummy]
 ON PRIMARY (NAME=N'Dummy',FILENAME=N'C:\UnCompressed\Dummy.mdf',SIZE=2097152KB)
 LOG ON  (NAME=N'Dummy_log',FILENAME=N'C:\UnCompressed\Dummy_log.ldf')
 GO
 CREATE DATABASE [Dummy_Snap]
 ON PRIMARY (NAME=N'Dummy',FILENAME=N'C:\UnCompressed\Dummy_Snap.mdf')
 AS SNAPSHOT OF [Dummy]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. FSCTL_SET_SPARSE control code (Windows). Microsoft, abgerufen am 17. Januar 2013 (englisch).

Weblinks[Bearbeiten]