Linux固件烧写中的陷阱：文件系统异步写入引发的问题

在工业生产中，固件烧写是确保产品正常运行的关键环节。本文通过一个实际案例，揭示了Linux系统下因文件写入异步性导致的固件烧写不完全问题。
?客户案例

客户产线上批量生产时，用SD卡进行固件烧写，烧写完成后蜂鸣器提示，产线工人听到蜂鸣器鸣叫后就直接断电重启，进入测试环节，结果在测试中发现有部分产品启动就出现异常。客户用解压方式烧写系统固件，解压命令执行完后，再运行一个二进制可执行程序，然后鸣叫蜂鸣器。乍一看逻辑非常正确，没有任何问题。可问题却较高概率出现，问题出在哪里呢？后来经过反复排查，发现客户解压脚本里的可执行程序里面还有二次解压操作，而且用system()调用了Linux的Shell命令。System()调用Shell命令会生成一个新的子进程，这样蜂鸣器鸣叫和二次解压分别在不同进程中，两者没有同步，解压完成和蜂鸣器鸣叫没有必然的先后顺序。按照蜂鸣器鸣叫就断电重启，这样就不可避免的出现了解压尚未完成就被断电的情况，从而引起文件烧写不完全，系统启动异常。下面围绕该问题，对Linux文件系统写文件操作进行一些说明。
?原理说明

由于Linux系统存在页高速缓存，对写入的内容起到了缓存作用，用户的写操作实际上会被延迟。当页高速缓存中的数据比后台存储的数据新的时候，这些数据就被称作脏数据。发生以下三种情况时，脏页才会被写回磁盘：

1. 当空闲内存低于一个特定的阈值时，内核必须将脏页写回磁盘以释放内存。
2. 当脏页在内存中驻留时间超过一个特定的阈值时，内核必须将超时的脏页写回磁盘，以确保脏页不会无限期地驻留在内存中。
3. 当用户进程调用 sync()和 fsync()系统调用时，内核会按照要求执行回写操作。

?应对方案

如果更新脚本在解压命令后没有sync指令，或者程序更新代码在执行解压或者写操作后没有调用fsync()函数执行写操作，Linux系统就会按照默认机制来实现写操作；如果没有达到如上前2个条件，发生了断电操作，则会导致写入数据不完整。

在程序更新脚本里，解压后必须执行sync指令完成写入同步，或者应用程序代码在写操作后调用fsync()函数完成写同步操作，确保数据写入存储器。