快速文件備份軟件的設(shè)計和實現(xiàn)

胡平平，王晶杰

（北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100192）

0 引 言

操作系統(tǒng)提供的文件復(fù)制功能雖然可以實現(xiàn)文件備份，但功能簡單，使用時操作繁瑣，尤其是備份分散在不同文件夾下的多個文件時，更是存在下述問題：①需逐個確認(rèn)每一個文件是否復(fù)制，需要人為干預(yù)因此延長了備份時間，一旦選錯還會導(dǎo)致新文件被舊文件覆蓋的嚴(yán)重后果；②若選擇全部復(fù)制，則不僅會導(dǎo)致新文件被舊文件覆蓋的后果，且會復(fù)制很多沒必要復(fù)制的文件，延長了備份時間；③對于文件夾的復(fù)制，只能選擇全部覆蓋或放棄，同樣存在②中的問題。微軟的免費同步軟件SyncToy和Usov Lab的同步軟件AllwaySync功能強大，用于文件備份時雖沒有上述問題，但使用前都需要配置，過程繁瑣，修改不方便，還需要在計算機中保存較大的配置文件 （大小和所備份的文件數(shù)量有關(guān)），每次使用時也需要多次操作才能完成備份。為解決上述問題，本文提出了快速文件備份的思想，并依此實現(xiàn)了快速備份軟件。它只需一個簡單且很小的文本配置文件，運行后無需人工干預(yù)，便可自動快速完成多個保存在不同位置的文件到多個目標(biāo)的備份。

速度、安全性和可靠性是備份處理的重要指標(biāo)。為了提高速度，文獻(xiàn) ［1－4］采用差異傳輸?shù)姆椒ǎ瑐浞輹r只復(fù)制文件變化的部分，通過減少復(fù)制數(shù)據(jù)量提高備份速度，該方法非常適合于備份大型文件和遠(yuǎn)程備份，但處理復(fù)雜且需要保存差異文件，不適合小文件本地備份；文獻(xiàn) ［5－8］采用監(jiān)控的方法，隨時記錄文件的改變情況，備份改動的文件，目的是為了數(shù)據(jù)安全或?qū)崟r備份；文獻(xiàn) ［9］采用多路編碼傳輸備份文件，主要特點是備份的可靠性，在部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失時，由編碼數(shù)據(jù)和部分原數(shù)據(jù)可恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)；文獻(xiàn) ［10］以 “簇”為單位監(jiān)控文件的變化，實現(xiàn)基于扇區(qū)重組的文件級快速備份和恢復(fù)；文獻(xiàn) ［11］用兩級鏈表管理備份文件的信息，通過消除備份服務(wù)器上重復(fù)文件的方法節(jié)省存儲空間。上述備份方法均不適合本文的情況。

本文提出的文件備份思想除了通過自動判斷無需復(fù)制的文件、“單源多目的”復(fù)制和簡化操作來實現(xiàn)快速備份外，還在備份處理的實現(xiàn)中采用高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、分級存儲和動態(tài)存儲再分配等技術(shù)，不僅高效、快速地的實現(xiàn)了海量文件信息的存儲，而且最大限度地降低了系統(tǒng)存儲空間的使用量，進(jìn)一步提高了處理速度。此外，通過充分使用操作系統(tǒng)內(nèi)嵌的文件處理功能完成文件的復(fù)制操作，保證了文件備份的可靠性和安全性。

1 快速文件備份軟件設(shè)計

快速文件備份的主要思想是自動判斷所有要備份文件的復(fù)制必要性，自動跳過無需復(fù)制的相同文件，并支持多種備份方式以進(jìn)一步提高備份速度。在處理實現(xiàn)上，通過使用高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和高效的動態(tài)存儲策略，盡可能降低了系統(tǒng)內(nèi)存的使用量，在保證復(fù)制文件數(shù)量不受限的實用性前提下，最大限度地提高了處理速度。

快速文件備份處理遵循以下原則：①文件名相同的文件為同一個文件；②修改時間晚的文件是新文件；③修改時間相同時，長度大的文件是新文件。

1.1 備份方式

快速備份處理由獨立的備份任務(wù)構(gòu)成，每個任務(wù)可以指定一個源文件夾 （或磁盤）和最多5個目標(biāo)文件夾 （或磁盤），除了能夠完成普通意義上的備份外，還可以通過命令行參數(shù)或配置文件支持多種備份方式，具體是：

普通備份：這是默認(rèn)的備份方式，將指定源文件夾中指定類型的所有文件復(fù)制到指定的多個目標(biāo)文件夾中，如果目標(biāo)文件夾中存在該文件，則只復(fù)制更新的文件；否則在目標(biāo)文件夾中生成該文件。

含文件夾備份：在普通備份方式的基礎(chǔ)上，復(fù)制對象包含指定源文件夾中的所有子文件夾和這些文件夾中的所有文件。

確認(rèn)備份：在普通備份方式的基礎(chǔ)上，對要進(jìn)行復(fù)制的文件提請用戶確認(rèn)。該功能是為了在用戶不確定時，防止新文件覆蓋更重要的舊文件而設(shè)，提高安全性。

測試備份：在普通備份方式的基礎(chǔ)上，只顯示要復(fù)制文件的信息，而不進(jìn)行實際的復(fù)制操作。

指定日期備份：在普通備份方式的基礎(chǔ)上，只復(fù)制指定日期以后修改的文件。時間選項的輸入方式簡單靈活，單字母O 表示日期是當(dāng)天，可只輸入日、日和月或日月年。

更新備份：在普通備份方式的基礎(chǔ)上，只復(fù)制目標(biāo)文件夾中已經(jīng)存在的文件或文件夾的更新版本。

同步備份：在普通備份方式的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)文件夾中指定類型的所有文件復(fù)制到源文件夾中。實際上是雙向備份，即保證所有文件夾中的文件或文件夾都是最新的。

排除備份：在普通備份方式的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)文件夾中有但源文件夾中沒有的文件刪除，即保證目標(biāo)文件夾中的文件和源文件夾中的一致。

配置文件備份：通過指定的配置文件進(jìn)行備份處理。配置文件是普通的文本文件，可以一次完成多個備份任務(wù)，每個備份任務(wù)可選不同的多種備份方式。

上面的各種備份方式中，除了同步備份和更新備份及排除備份不能共存外，其它備份方式均可以并存。如更新備份和排除備份選項同時有效時，備份完成后，目標(biāo)文件夾中將只剩在源文件夾也存在的文件。

1.2 文件信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在快速文件備份軟件中，由于文件內(nèi)容的復(fù)制處理是調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)完成的，軟件運行時需要存儲的只是文件和文件夾的信息。為了實現(xiàn)不限量文件備份和快速處理，僅存儲備份處理必須的文件信息，以保證備份處理所需存儲空間的最小化。

存儲文件和文件夾信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

該結(jié)構(gòu)占用20字節(jié)。

眾所周知Windows操作系統(tǒng)中文件和文件夾名稱字符串長度在1至255字節(jié)之間，VC 系統(tǒng)中也定義了值為256的常量＿M(jìn)AX＿PATH 作為其最大存儲長度，用該長度的字符串?dāng)?shù)組來存儲文件或文件夾名是最簡單且不會出錯的處理方法。但作者對各類磁盤中文件和文件夾名稱長度的統(tǒng)計表明，實際的文件名稱平均長度在14至23字節(jié)之間，如果按上述方式存儲，上面的每個結(jié)構(gòu)都要增加252字節(jié)，平均浪費在241 至232 字節(jié)之間，占結(jié)構(gòu)本身的82%至88%。這就造成存儲空間的巨大浪費。在文件數(shù)量多時，甚至?xí)箓浞萏幚硪虼鎯臻g不夠而失敗，嚴(yán)重影響了實用性。為此，上面兩個結(jié)構(gòu)中僅設(shè)置了文件和文件夾名稱字符串指針，實際字符串內(nèi)容則采用動態(tài)存儲再分配策略，連續(xù)地存儲在其它的動態(tài)空間中。這樣可以極大地減少所需的存儲空間。例如，某系統(tǒng)盤文件數(shù)量為60 851個，名稱字符串總長度為907 274字節(jié)，平均長度14.9字節(jié)。若用通常的存儲方式需要15 577 856 （60 851×256）字節(jié)，而本文的方法只用了476 個2KB 存儲塊，共計1 218 252（60 851×4＋2048×476），節(jié)省了92.2%的空間。

1.3 動態(tài)存儲再分配方案

除了上面通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計減少存儲空間的需求外，用分級存儲和動態(tài)存儲再分配策略，還可以進(jìn)一步減少存儲文件和文件夾信息的空間，且極大地提高動態(tài)存儲分配的處理速度。

在備份軟件處理之前，文件和文件夾的數(shù)量是未知的，因此必須用動態(tài)存儲方式儲放文件信息。但備份處理的過程又有其特殊性，即從第一個對象開始，依次為每一個對象申請空間，直到搜索完所有的對象為止，此過程不需要釋放任何申請到的空間，所有申請的空間是在使用完后一次性全部釋放。

系統(tǒng)的動態(tài)存儲管理 （DMM）是為空間的可隨意申請和釋放而優(yōu)化設(shè)計的，每申請一個空間，除了所申請的空間外，還需要額外的空間存放管理信息，且申請時為了最佳匹配，還要進(jìn)行大量的存儲空間搜索處理。以VC＋＋中malloc（）函數(shù)為例，DEBUG 版本 （以下簡稱D 版）下，如果要申請長度L 的空間，則所需的實際空間AL 為8＋（36＋L＋15）＆～15，每次內(nèi)存分配的浪費空間AL－L 在44 （L%16＝12時）至59 （L%16＝13時）之間。類似地，RE LEASE版本 （以下簡稱R 版）下，AL 為8＋ （L＋15）＆～15，每次內(nèi)存分配的浪費空間在8 （L%16＝0 時）至23 （L%16＝1時）之間。而申請長度L 在1至255之間的處理平均需執(zhí)行的匯編語句：D 版2089 條，R 版1781 條（這些數(shù)據(jù)是對代碼的分析和統(tǒng)計計算所得，由于篇幅所限，詳細(xì)的分析過程省略，下文同）。可見，直接使用系統(tǒng)提供的動態(tài)空間申請函數(shù)為每一個文件和文件夾信息申請空間不僅浪費大，而且處理時間長。為此，本文設(shè)計了動態(tài)存儲再分配方案來解決這個問題。

所謂動態(tài)存儲再分配 （DMRA）方案是將零散的動態(tài)存儲申請轉(zhuǎn)換為集中申請，并利用簡單的本地分配策略對已申請的存儲空間進(jìn)行有效的再分配。現(xiàn)以短數(shù)據(jù)連續(xù)動態(tài)存儲為例加以說明。

圖1是用malloc（）連續(xù)為N 個短數(shù)據(jù)單獨申請存儲空間的分布情況。其中P1至PN為申請到的N 個數(shù)據(jù)存儲區(qū)域的指針，每個實箭頭線表示對malloc （）函數(shù)的一次調(diào)用，得到的存儲區(qū)域用粗線矩形表示，其陰影部分為DMM 占用的額外空間。

圖1 為N 個短數(shù)據(jù)單獨申請存儲空間的分布

圖2是用DMRA 方案為N 個短數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲分配的分布情況。BP1至BPM為調(diào)用malloc（）函數(shù)得到的存儲空間指針，虛箭頭線表示本地分配策略為N 個數(shù)據(jù)進(jìn)行的分配。

圖2 DMRA 方法為N 個短數(shù)據(jù)申請存儲空間的分布

從上圖中可以看出，DMRA 方案具有更高的存儲空間利用率和較少的malloc（）調(diào)用次數(shù)，而本地分配處理非常簡單，因此DMRA 具有更快的速度。DMRA 僅需實現(xiàn)一個和malloc（）完全相同函數(shù)，其原型為：void＊DMRAalloc（size＿t size）。

DMRA 分兩級管理存儲空間，第一級是存儲塊指針（即上述BP1至BPM），它們被存儲在一個線性動態(tài)指針數(shù)組中；第二級是對應(yīng)的存儲塊，每個塊的長度是固定的2 KB，為實際申請的存儲空間。DMRAalloc（）函數(shù)被第一次調(diào)用時會為BPi申請一個初始長度的指針數(shù)組空間，并用malloc（）申請第一個存儲塊作為當(dāng)前存儲塊BPcnt，然后返回其起始地址作為所申請的存儲空間指針，當(dāng)前分配位置為size。后續(xù)調(diào)用DMRAalloc（）時，如果BPcnt當(dāng)前分配位置到塊尾的空間大于size，則返回BPcnt的當(dāng)前分配位置，當(dāng)前分配位置后移size；否則用malloc（）申請一個新存儲塊作為BPcnt，并按前述方法再分配。如果存儲塊數(shù)量超過了其動態(tài)指針數(shù)組的長度，則用realloc（）延長該指針數(shù)組的長度，繼續(xù)處理直到所有的對象都分配了空間。由于大部分情況下只需返回當(dāng)前存儲塊的當(dāng)前分配位置，因此DMRA 的本地分配處理僅需很少的指令，D 版為47條，R 版為14條。是直接調(diào)用malloc （）的近44 （2089／47）和127 （1781／14）倍。可見DMRA 有非常快的速度。

一般情況下，一個備份任務(wù)完成后，可以一次性地釋放所有的存儲塊和動態(tài)指針空間，但本文的快速備份一次可能處理多個備份任務(wù)，因此可對上述DMRA 進(jìn)行改進(jìn)，在處理下一個備份任務(wù)完前，僅需記住已經(jīng)申請的存儲塊數(shù)量M，將當(dāng)前塊設(shè)置為BP0，當(dāng)前分配位置清零，便可繼續(xù)使用DMRAalloc（）函數(shù)，只在需要使用新的存儲塊且存儲塊數(shù)量超過M 時，才申請新的存儲塊并遞增M。改進(jìn)的DMRA 在大多數(shù)情況下無需申請存儲塊，其本地分配處理D 版為61條指令，R 版為24條指令。

為了驗證DMRA 在存儲空間和處理速度方面的效果，作者專門編制了用DMRA 方法存儲磁盤上所有文件和文件夾名稱字符串的測試程序，表1是該程序?qū)δ秤嬎銠C4個磁盤的實際測試結(jié)果。其中的空間比就是程序的實際數(shù)據(jù)，而速度比則是根據(jù)DMRA 實際的本地分配次數(shù)和調(diào)用malloc（）次數(shù)，按前面的代碼量統(tǒng)計分析結(jié)果計算的。可以看出，D 版DMRA 使用的空間幾乎是直接分配方法的1／4（25%至33.4%），R 版則是一半左右 （54%至63%）。速度方面，DMRA 在各種情況下都有較大的優(yōu)勢，D 版DMRA 的速度是直接分配方法的23至28倍，R 版則是更高的37至50倍。

表1 4個不同磁盤的實際測試數(shù)據(jù)

1.4 文件信息存儲結(jié)構(gòu)

快速備份軟件需要存儲的動態(tài)數(shù)據(jù)有3類：文件夾信息DIR 結(jié)構(gòu)、文件信息FILEINFO 結(jié)構(gòu)和名稱字符串。前兩個分別是長20B和28B的固定長度對象，后一個是長度在2B至256B之間 （含字符串的結(jié)束符）的變長度對象。為了方便處理并充分發(fā)揮DMRA 的作用，將這3個對象分兩級用兩套獨立的DMRA 區(qū)存儲，其存儲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 快速備份軟件中文件信息的存儲結(jié)構(gòu)

圖3中DIR 和FILEINFO 數(shù)據(jù)存儲在第一級DMRA區(qū)，存儲塊指針為BPAi，所有的字符串則存儲在第二級DMRA 區(qū)，存儲塊指針為BPm。第一級DMRA 區(qū)中，Dj為J 個鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的DIR 數(shù)據(jù)，F(xiàn)k為K 個鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的FILEINFO 數(shù)據(jù)；第二級DMRA 區(qū)中，Sj為J 個DIR 數(shù)據(jù)的文件夾名稱字符串，而sk為K 個FILEINFO 數(shù)據(jù)的文件名稱字符串。

為了實現(xiàn)快速處理，F(xiàn)ILEINFO 數(shù)據(jù)中既有文件信息，也有非空的文件夾信息。若某個FILEINFO 數(shù)據(jù)中存放的是文件夾信息，則其后連續(xù)存放的就是該文件夾下所有文件的信息。如此設(shè)計，這些文件可共用一個文件夾數(shù)據(jù)作為它們的全路徑信息，而不用在文件信息中存儲路徑信息，也不用為每一個文件求解全路徑，從而加快了處理速度。

2 快速文件備份軟件實現(xiàn)方法

快速備份軟件主處理算法流程如圖4所示。圖4中每次搜索源文件夾中所有文件或文件夾信息之前，都要復(fù)位DMRA 的當(dāng)前塊和當(dāng)前分配位置。圖5是快速備份軟件將源文件夾中所有匹配文件向指定的目標(biāo)文件夾復(fù)制處理算法流程圖。圖5 中的F ［i］就是FILEINFO 的第i個數(shù)據(jù)信息。

需要注意的是，圖5 中創(chuàng)建CDP 前還要排除CDP 是“X：＼”（X 是盤符）的情況，另外所有的文件操作都可能出現(xiàn)錯誤，必須根據(jù)錯誤的情況決定是否繼續(xù)處理，如：若是目標(biāo)磁盤空間不夠的錯誤，則可以繼續(xù)進(jìn)行其余文件的復(fù)制。為了突出重點，這些處理都沒有在流程圖中畫出。

3 快速備份軟件的使用方法

為了方便使用，快速備份軟件在使用方法上最大限度地和Windows的控制臺復(fù)制命令xcopy兼容。配置文件的設(shè)計也非常簡單，只有3個關(guān)鍵字 “Src＝”、“Dest＝”和“Opt＝”，分別用以指定源文件夾、目標(biāo)文件夾和選項參數(shù)。由這3個關(guān)鍵字開始的連續(xù)文本行即構(gòu)成一個參數(shù)塊，各參數(shù)塊之間至少空一行，任何行中從符號 “；”開始的內(nèi)容為注釋內(nèi)容。每個參數(shù)塊構(gòu)成一個獨立的備份任務(wù)，參數(shù)塊中關(guān)鍵字的數(shù)量和順序不限，大小寫不限，但以最后一個有效的 “Src＝”為源文件夾參數(shù)，以最后5個有效的“Dest＝”為目標(biāo)文件夾參數(shù)，以多個 “Opt＝”參數(shù)中有效的內(nèi)容為選項。下面是配置文件一個參數(shù)塊的示例：

圖4 快速備份軟件主處理算法

圖5 快速備份軟件文件復(fù)制處理算法

上述備份任務(wù)是將D 盤temp文件夾下所有子文件夾中的所有后綴為TXT 的文件以更新備份的方式同時備份到E盤temp文件夾和C盤temp＼temp文件夾下，復(fù)制前需要確認(rèn)，且文件的日期是今年9月10日以后的。

快速備份軟件可以在Windows的控制臺下直接鍵入帶參數(shù)的命令使用，如：

HpBk d：＼temp〔.txt e：＼temp c：＼temp＼temp／r／s／a／10－9

將完成和上面配置文件中相同的備份任務(wù)，其中假設(shè)快速備份軟件的可執(zhí)行文件名是“HpBk.exe”。

最簡單且最快捷的使用方法是將所有的備份任務(wù)編寫在配置文件中 （設(shè)配置文件名是BkCfg.txt），在該配置文件所在文件夾中建立一個后綴為 “BAT”的批處理文件（如 “MyBk.bat”），該批處理文件也是一個文本文件，且只有一行：

HpBk／fBkCfg.txt

在系統(tǒng)菜單或桌面創(chuàng)建一個MyBk.bat文件的快捷方式，需要備份時，運行這個快捷方式即可完成所有的備份任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文針對大量分散存儲文件的備份問題進(jìn)行了探討，提出了快速備份方法，并給出了實現(xiàn)該方法的備份軟件詳細(xì)設(shè)計方法。設(shè)計中提出的動態(tài)存儲再分配方案能夠?qū)?nèi)存需求量減少1／2至3／4，且處理速度提高了20至50倍，該方法對解決類似情況的動態(tài)存儲問題也有一定的參考價值。文中給出的快速備份軟件的處理方法具有較好的實用性和較高的可靠性，所設(shè)計的軟件在多年的使用過程中效果良好。

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