硬碟寫到一半時斷電，文件系統里會發生什麼？

來源：知乎

知乎問題：

斷電時文件系統發生了什麼？硬碟又發生了什麼？下一次開機時寫到一半的文件在系統層面還在嗎？在底層還在嗎？

更進一步的, 文件系統如何保證事務性, 會不會存在某種極端情況導致例如最後幾個bit還沒寫完, 文件系統卻認為它成功了的情況?

回答不限任何文件系統，謝謝！

作者「北極」的回答：

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備驅動發送的寫指令是否成功，驅動程序本身一般都有緩存；

2. 即使寫指令正常返回，你也無法確定設備實際上是否寫成功，因為設備本身可能也有緩存。目前沒有設備能保證寫指令返回的情況下，所有數據一定成功的保存在介質上（但部分廠商能保證少量數據一定能成功寫入），對存儲設備的flush操作並非絕對可靠；

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

4. 機械式磁碟可能會出現丟失半截數據的情況（比如，一個512位元組扇區只寫入了100位元組，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。

因為有以上這麼多的限制，實際上文件系統一般沒辦法保證數據一定不丟失，甚至哪些丟失哪些能恢復也是不確定的。

一般來說，文件系統有以下的幾種策略：

1. 完全不管錯誤的事情，錯了就錯了；

2. 打標記位的方式，如果懷疑有錯，通過磁碟檢測功能恢復；

3. 在設計上保證文件系統結構上可恢復，但不保證用戶數據可恢復；

4. 能在用戶數據層面上保證數據的絕對正確。

第一種和第二種策略現在比較少見，FAT文件系統算是屬於這類；主流文件系統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動一起，多見於Flash介質的專屬文件系統。

保證數據不損壞，具體的方案一般有：

方案1：Copy-On-Write，寫數據的時候不在原來的位置寫，而是先讀一份，然後寫到另外一個位置，當確認寫成功時，把文件系統的指針指向新的位置。如下圖：

實際應用中，比這個情況複雜，因為Data2寫入的過程中，File1本身的一些信息（修改時間等）也發生了變化，所以CopyOnWrite產生的影響不止這一個塊，而是很多。

方案2：日誌（Journal）技術。使用日誌記錄meta-data甚至是數據塊的變化情況（NTFS就是這種策略），一旦出現掉電情況，在日誌中反推到一個正確的狀態上，就可以保證meta-data不損壞。

常見的方案就這兩種，當然還有別的更複雜的技術，可以參考這個鏈接（Comparison of file systems），但不管用什麼方案，本質上都是以犧牲性能為代價換取結構上的穩定。

最後回到題主的問題，文件系統如何保證數據的正確性？如果是指文件的數據部分，是無法保證的，因為文件系統無法確定數據到底寫沒寫進去，絕大多數文件系統只能保證自身結構是正確的，但這個正確可能是回滾之後的狀態，具體回滾多少內容，文件系統自己也不能保證。

這事說起來挺複雜的，不同文件系統，不同設備，不同介質，效果都是有區別的。

作者「馬濤」的回答：

文件系統的設計一般是性能和數據完整性的妥協，如果你想要最高完整性，那麼性能會差一些，如果你想要最高性能，那麼數據完整性會差一些，僅此而已。當然這些都是針對數據而言的，對於文件系統自身的元數據，一般設計者為了自身數據完整性的考慮都會有日誌系統（比如ext4使用jbd2），從而盡量保證文件系統在斷電時沒有問題或者問題很少（需要使用fsck來解決），但是用戶數據是否完備是由用戶選擇和配置的，而文件系統會根據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，對應的是數據落盤的三種方式，writeback是指元數據更新的時候數據不考慮是否落盤，所以掉電以後可能會看到一些亂七八糟的數據，ordered的意思是元數據更新在數據更新之後（如果你沒有更改元數據那就沒有辦法保證數據了），還有一種是journal意思是數據也先寫journal再寫文件（double write）,這種數據安全性最高，當然性能也最差。詳細的介紹可以參加mount(8)。

說完文件系統，我們再說硬碟，硬碟在文件系統下面，所以文件系統是重度依賴硬碟來實現數據完整性的，而硬碟也提供了一些命令來保障文件系統數據完整性的語義。比如硬碟會提供flush命令，保證只要上層文件系統調用了這個命令，那麼文件系統之前寫到硬碟裡面的內容必須落盤了（一般的硬碟有內存cache，為了提高寫入性能會緩存一部分數據，flush會命令硬碟將cache內容落盤。當然如果硬碟如果有電容可以保證cache即使掉電也會落盤，那麼他也可以欺騙上層的文件系統 ），這樣文件系統在寫入一些關鍵數據以後必須調用flush，在得到硬碟的flush反饋以後再進行後面的工作。當然現代硬碟還有一些FUA(Force Unit Access)之類的操作，這些是為了加速某類磁碟落盤的操作，本質上即使硬碟不提供文件系統可以改成write+flush來實現（只是性能差一些），如果感興趣大家可以自行google之。

說完底層，還有一層要說一下，就是你的應用是怎麼寫文件和硬碟的，如果是buffer write(應用只寫到操作系統的內存，由操作系統延遲回寫到硬碟)，那麼很大可能你在掉電之前一段時間寫入的數據都會不見了（操作系統還沒有回寫），如果應用是direct IO(應用繞過操作系統內存，直接寫硬碟)，那麼可能只有掉電時刻正在寫入的數據不見了，當然這裡可能還涉及到direct IO的語義以及不同文件系統的具體實現，和文件系統相關，就需要具體問題具體分析了。

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