3. 状态快照与增量保存：全量快照、差异快照、压缩与合并

在Crash边界恢复体系中，状态快照是持久化保存系统或应用关键内存状态的核心手段。全量快照、差异快照、压缩与合并三层技术共同构成了高效、可迁移的恢复基线。本章聚焦其原理、实现流程、配置方法及工程调优要点。

3.1 快照类型与适用场景

3.2 全量快照实现流程

1. 挂起执行流：在安全点（如中断处理完成、任务切换前）冻结目标进程/线程。
2. 内存区域枚举：遍历所有已映射的虚拟内存区域（VMA），记录地址、大小、权限。
3. 逐页拷贝：按页（通常4KB）读取物理/虚拟内存，写入快照文件头部元数据 + 页面数据。
4. 元数据持久化：写入快照版本号、时间戳、寄存器上下文（可选）、校验和。
5. 恢复执行：写完成后解锁执行流。

以下是一个简化的全量快照写入流程（C 伪代码）：

void full_snapshot(const char *path, task_t *task) {
    snapshot_file_t *sf = snapshot_create(path);
    // 1. 写入快照头部
    sf->header.magic   = SNAP_MAGIC;
    sf->header.version = SNAP_VERSION;
    sf->header.timestamp = get_timestamp();
    sf->header.checksum = 0; // 临时占位
    // 2. 遍历进程内存映射
    vma_list_t *vma = task->vma_list;
    while (vma) {
        sf_region_t reg = { .start = vma->start, .size = vma->size };
        snapshot_write_region(sf, ®);
        // 3. 逐页拷贝数据
        for (addr_t a = vma->start; a < vma->start + vma->size; a += PAGE_SIZE) {
            uint8_t page[PAGE_SIZE];
            copy_page(task, a, page); // 从源地址复制
            snapshot_write_page(sf, a, page);
        }
        vma = vma->next;
    }
    // 4. 计算并写入全局校验和
    sf->header.checksum = crc32(sf->buffer, sf->offset);
    snapshot_close(sf);
}

3.3 差异快照实现

差异快照依赖写时跟踪（Write Tracking）。常用方法有：

• 硬件 dirty bit：利用 CPU 页表脏位，在写入时由 MMU 置位，快照线程扫描并清零。
• 软件 shadow page：在内存管理器中维护一份写保护副本，写前触发缺页中断并记录。

差异快照生成步骤：

1. 在上一轮全量快照完成后，开启写跟踪（如设置页表脏位监控）。
2. 等待一段时间或收到 checkpoint 触发。
3. 挂起执行流，遍历所有监控页面，生成“脏页位图”（dirty bitmap）。
4. 只将位图中标记为脏的页面复制到差异快照文件。
5. 清除脏位，恢复执行。

3.4 压缩与合并策略

压缩：对快照数据（全量或差异）施加流式压缩算法。推荐的压缩配置：

合并：当积累 n 个差异快照后，可将“全量快照 + 后序所有差异快照”合并成一个新的全量快照，删除旧差异链。合并流程：

• 加载基快照到内存。
• 按时间顺序应用每个差异快照中的脏页更新。
• 将最终状态写为新的全量快照。
• 原子替换快照文件（先写临时文件，再 rename）。

3.5 配置与命令示例（基于 SimEnv-Checkpoint 框架）

YAML 配置快照策略：

snapshot:
  mode: hybrid                  # full | diff | hybrid
  baseline_interval: 3600       # 全量快照间隔（秒）
  diff_interval: 60             # 差异快照间隔（秒）
  compression: zstd
  compression_level: 3
  merge_policy:
    max_diff_count: 10          # 差异快照数达到10后自动合并
    merge_window: "00:00"       # 在每天0点合并（可选）
  output_dir: /var/checkpoints/

命令行触发快照：

checkpointctl --pid 1234 --action snapshot --type diff
checkpointctl --pid 1234 --action merge --target /tmp/merged.snap
checkpointctl --pid 1234 --action list

API 调用示例（Python 绑定）：

import crlib

snap = crlib.Checkpoint(pid=1234)
snap.create(type="diff", compress=True, level=3)
snap.merge(base="/path/base.snap", diffs=["diff1.snap", "diff2.snap"], output="merged.snap")

3.6 常见错误与优化