斷電時文件系統(tǒng)發(fā)生了什么？硬盤又發(fā)生了什么？下一次開機時寫到一半的文件在系統(tǒng)層面還在嗎？在底層還在嗎？

更進一步的, 文件系統(tǒng)如何保證事務(wù)性, 會不會存在某種極端情況導(dǎo)致例如最后幾個bit還沒寫完, 文件系統(tǒng)卻認(rèn)為它成功了的情況?

回答不限任何文件系統(tǒng)，謝謝！

下面是「北極」的回復(fù)分享

斷電的一瞬間，很多事情是無法確定的：

1. 你無法確定你試圖向設(shè)備驅(qū)動發(fā)送的寫指令是否成功，驅(qū)動程序本身一般都有緩存；

2. 即使寫指令正常返回，你也無法確定設(shè)備實際上是否寫成功，因為設(shè)備本身可能也有緩存。目前沒有設(shè)備能保證寫指令返回的情況下，所有數(shù)據(jù)一定成功的保存在介質(zhì)上(但部分廠商能保證少量數(shù)據(jù)一定能成功寫入)，對存儲設(shè)備的flush操作并非絕對可靠；

3. 哪些成功哪些失敗可能是亂序的，換句話說，如果先發(fā)送寫請求A，再發(fā)送寫請求B，并且都成功返回，掉電時請求A可能丟失，但B成功(NCQ功能)；

4. 機械式磁盤可能會出現(xiàn)丟失半截數(shù)據(jù)的情況(比如，一個512字節(jié)扇區(qū)只寫入了100字節(jié)，也就是題主說的bit級錯誤)，但這種一般都會通過校驗位檢測出來。

因為有以上這么多的限制，實際上文件系統(tǒng)一般沒辦法保證數(shù)據(jù)一定不丟失，甚至哪些丟失哪些能恢復(fù)也是不確定的。

一般來說，文件系統(tǒng)有以下的幾種策略：

1. 完全不管錯誤的事情，錯了就錯了；

2. 打標(biāo)記位的方式，如果懷疑有錯，通過磁盤檢測功能恢復(fù)；

3. 在設(shè)計上保證文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可恢復(fù)，但不保證用戶數(shù)據(jù)可恢復(fù)；

4. 能在用戶數(shù)據(jù)層面上保證數(shù)據(jù)的絕對正確。

第一種和第二種策略現(xiàn)在比較少見，FAT文件系統(tǒng)算是屬于這類；主流文件系統(tǒng)基本上都能保證第三種，比如NTFS之類的；第四種比較難，一般都要配合存儲驅(qū)動一起，多見于Flash介質(zhì)的專屬文件系統(tǒng)。

保證數(shù)據(jù)不損壞，具體的方案一般有：

方案1：Copy-On-Write，寫數(shù)據(jù)的時候不在原來的位置寫，而是先讀一份，然后寫到另外一個位置，當(dāng)確認(rèn)寫成功時，把文件系統(tǒng)的指針指向新的位置。如下圖：

實際應(yīng)用中，比這個情況復(fù)雜，因為Data2寫入的過程中，File1本身的一些信息(修改時間等)也發(fā)生了變化，所以CopyOnWrite產(chǎn)生的影響不止這一個塊，而是很多。

方案2：日志(Journal)技術(shù)。使用日志記錄meta-data甚至是數(shù)據(jù)塊的變化情況(NTFS就是這種策略)，一旦出現(xiàn)掉電情況，在日志中反推到一個正確的狀態(tài)上，就可以保證meta-data不損壞。

常見的方案就這兩種，當(dāng)然還有別的更復(fù)雜的技術(shù)，可以參考這個鏈接(Comparison of file systems)，但不管用什么方案，本質(zhì)上都是以犧牲性能為代價換取結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定。

最后回到題主的問題，文件系統(tǒng)如何保證數(shù)據(jù)的正確性？如果是指文件的數(shù)據(jù)部分，是無法保證的，因為文件系統(tǒng)無法確定數(shù)據(jù)到底寫沒寫進去，絕大多數(shù)文件系統(tǒng)只能保證自身結(jié)構(gòu)是正確的，但這個正確可能是回滾之后的狀態(tài)，具體回滾多少內(nèi)容，文件系統(tǒng)自己也不能保證。

這事說起來挺復(fù)雜的，不同文件系統(tǒng)，不同設(shè)備，不同介質(zhì)，效果都是有區(qū)別的。

下面是「馬濤」的回答分享

文件系統(tǒng)的設(shè)計一般是性能和數(shù)據(jù)完整性的妥協(xié)，如果你想要最高完整性，那么性能會差一些，如果你想要最高性能，那么數(shù)據(jù)完整性會差一些，僅此而已。當(dāng)然這些都是針對數(shù)據(jù)而言的，對于文件系統(tǒng)自身的元數(shù)據(jù)，一般設(shè)計者為了自身數(shù)據(jù)完整性的考慮都會有日志系統(tǒng)(比如ext4使用jbd2)，從而盡量保證文件系統(tǒng)在斷電時沒有問題或者問題很少(需要使用fsck來解決)，但是用戶數(shù)據(jù)是否完備是由用戶選擇和配置的，而文件系統(tǒng)會根據(jù)不同配置選擇不同的策略。

我們以Linux最通用的ext4為例，他有三種模式供用戶選擇data=writeback/ordered/journal，對應(yīng)的是數(shù)據(jù)落盤的三種方式，writeback是指元數(shù)據(jù)更新的時候數(shù)據(jù)不考慮是否落盤，所以掉電以后可能會看到一些亂七八糟的數(shù)據(jù)，ordered的意思是元數(shù)據(jù)更新在數(shù)據(jù)更新之后(如果你沒有更改元數(shù)據(jù)那就沒有辦法保證數(shù)據(jù)了)，還有一種是journal意思是數(shù)據(jù)也先寫journal再寫文件(double write),這種數(shù)據(jù)安全性最高，當(dāng)然性能也最差。詳細(xì)的介紹可以參加mount(8)。

說完文件系統(tǒng)，我們再說硬盤，硬盤在文件系統(tǒng)下面，所以文件系統(tǒng)是重度依賴硬盤來實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性的，而硬盤也提供了一些命令來保障文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性的語義。比如硬盤會提供flush命令，保證只要上層文件系統(tǒng)調(diào)用了這個命令，那么文件系統(tǒng)之前寫到硬盤里面的內(nèi)容必須落盤了(一般的硬盤有內(nèi)存cache，為了提高寫入性能會緩存一部分?jǐn)?shù)據(jù)，flush會命令硬盤將cache內(nèi)容落盤。當(dāng)然如果硬盤如果有電容可以保證cache即使掉電也會落盤，那么他也可以欺騙上層的文件系統(tǒng) :) )，這樣文件系統(tǒng)在寫入一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)以后必須調(diào)用flush，在得到硬盤的flush反饋以后再進行后面的工作。當(dāng)然現(xiàn)代硬盤還有一些FUA(Force Unit Access)之類的操作，這些是為了加速某類磁盤落盤的操作，本質(zhì)上即使硬盤不提供文件系統(tǒng)可以改成write+flush來實現(xiàn)(只是性能差一些)，如果感興趣大家可以自行g(shù)oogle之。

說完底層，還有一層要說一下，就是你的應(yīng)用是怎么寫文件和硬盤的，如果是buffer write(應(yīng)用只寫到操作系統(tǒng)的內(nèi)存，由操作系統(tǒng)延遲回寫到硬盤)，那么很大可能你在掉電之前一段時間寫入的數(shù)據(jù)都會不見了(操作系統(tǒng)還沒有回寫)，如果應(yīng)用是direct IO(應(yīng)用繞過操作系統(tǒng)內(nèi)存，直接寫硬盤)，那么可能只有掉電時刻正在寫入的數(shù)據(jù)不見了，當(dāng)然這里可能還涉及到direct IO的語義以及不同文件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，和文件系統(tǒng)相關(guān)，就需要具體問題具體分析了。

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總結(jié)

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