硬盘写到一半断电时文件系统发生了什么？
电脑工作时，硬盘就像一个忙碌的仓库管理员，不断地接收、整理和存储数据。文件写到一半突然断电，就好像这个管理员在搬运货物时，仓库的大门突然关上了，而且是强制性的。这对于文件系统来说，绝对是一场灾难，它会让原本有序的仓库瞬间陷入混乱。
首先，我们要明白文件系统是什么。你可以把它想象成管理硬盘上所有数据的一套规则和结构。它负责记录哪些文件存放在哪里，每个文件有多大，以及这些空间是否已经被占用。最常见的两种文件系统是NTFS（Windows常用）和ext4（Linux常用），虽然它们具体的实现细节不同，但面对突然断电时的基本问题是类似的。
当你的电脑正在向硬盘写入数据时，这个过程其实比你想象的要复杂得多。系统并不会直接把数据一股脑儿扔到硬盘的某个固定位置。相反，它会经历几个步骤：
1. 准备写入： 文件系统需要先找到一块“空地”来存放你的数据，并记录下这个位置。它还需要更新文件的元数据，比如文件名、大小、创建日期等等。
2. 实际数据写入： 数据块会被发送到硬盘的物理扇区进行存储。
3. 更新文件分配表/目录结构： 文件系统最关键的一步是更新它自己的索引，也就是记录哪个文件占用了哪些扇区。这个更新过程至关重要，它就像给仓库管理员在索引卡上勾画出货物的具体位置。
突然断电，就像在上述某个环节戛然而止。
想象一下，你正要把一本厚厚的书的最后一页粘到书脊上，但手里的胶水瓶子突然被抽走了。
数据不完整： 如果断电发生在数据块还没有完全写入硬盘的物理扇区时，那么你写到一半的文件就是不完整的。一部分数据可能被写进去了，另一部分则没有。这块硬盘上就留下了一个“半成品”文件，它无法被正常打开和使用，因为它不是一个完整的文件。
文件系统结构损坏： 更糟糕的是，如果断电发生在文件系统更新其内部索引结构的关键时刻，那么问题就更严重了。文件系统维护着一个叫做“文件分配表”（FAT）或者“节点”（inode）这样的结构，用来追踪文件。如果这个结构在写入过程中被中断，那么文件系统就不知道哪些扇区是属于这个文件的，哪些是空闲的，哪些扇区本来应该被标记为空闲但现在却被错误地关联到了一个未完成的文件。这会导致：
文件丢失： 原本存在的文件可能因为目录结构损坏而变得无法访问，系统会认为它们不存在。
磁盘空间误判： 硬盘报告的可用空间可能不准确，因为文件系统不知道哪些空间实际上已经被占用（但属于一个损坏的文件）或者哪些空间本应是空的但现在被错误地标记为已占用。
目录结构混乱： 文件夹可能打不开，或者里面的文件列表变得一团糟。
整个文件系统无法挂载： 在极端情况下，文件系统的核心结构完全损坏，导致整个分区无法被操作系统识别和使用，需要进行格式化才能恢复。
为什么会出现这种情况？
这和计算机的缓存机制有关。为了提高效率，操作系统和硬盘驱动器都会使用缓存（cache）。数据在被真正写入硬盘的物理介质之前，会先被保存在内存中的缓存里。只有当缓存中的数据累积到一定程度，或者收到特定的指令时，才会一次性地批量写入硬盘。
如果断电发生在数据还在内存缓存里，还没有被刷新到硬盘物理介质上的话，那么这些数据就彻底丢失了。即使有些数据已经开始写入硬盘，但如果文件系统的元数据更新还没有完成，那也无法构成一个完整、可用的文件。
那么，有什么补救措施吗？
大多数现代文件系统都有一定的容错和恢复机制。比如：
日志（Journaling）： NTFS和ext4都使用了日志技术。在进行写操作之前，文件系统会先把要做的更改记录到一个“日志”里。写完日志后，才开始实际执行更改。如果写到一半断电了，系统重启时会先检查日志。如果发现有未完成的操作，它会根据日志中的记录来回滚（撤销）这些操作，或者尝试完成它们，从而最大程度地恢复文件系统的完整性。这就像仓库管理员在操作前先写一张计划表，即使操作被打断，他也能从计划表知道下一步该怎么做。
磁盘检查工具： 像Windows的`chkdsk`命令或者Linux的`fsck`工具，可以在系统重启后运行，扫描文件系统，查找并尝试修复损坏的区域，重新组织文件分配信息。
举个例子来说明日志的作用：
假设你要写一个文件，这个操作包含两个步骤：
1. 在目录中创建一个新的文件条目。
2. 将数据写入硬盘的特定扇区。
没有日志时： 如果在步骤1完成后，步骤2开始前断电，那么目录里会出现一个文件条目，但它指向的数据扇区是空的，或者数据不完整。文件系统就会出现不一致。
有日志时：
1. 在日志中记录：“我要创建一个文件条目，并将数据写入扇区X”。
2. 执行步骤1：在目录中创建文件条目。
3. 执行步骤2：将数据写入扇区X。
4. 在日志中标记：“步骤2已完成”。
如果断电发生在步骤2进行到一半，那么系统重启后会检查日志。它发现日志里记录了“步骤2已完成”的标记不存在，就会知道这个文件创建过程是中断的。然后，它可以通过回滚操作（删除目录里的文件条目）来恢复到断电前的状态。如果断电发生在步骤2全部完成后，但还没有在日志中标记“步骤2已完成”，那么系统重启后会发现日志里有一条未完成的操作，它会知道已经完成了步骤1和步骤2，只是日志没来得及更新。
总而言之，硬盘写到一半断电，对文件系统来说，就是一场突如其来的混乱。它可能导致数据丢失、文件损坏，甚至整个文件系统无法使用。虽然现代文件系统有自己的保护机制，但这种操作中断永远是硬盘和数据安全的潜在威胁。这也是为什么在进行重要操作时，要确保供电稳定，避免不必要的断电。
首先，我们要明白文件系统是什么。你可以把它想象成管理硬盘上所有数据的一套规则和结构。它负责记录哪些文件存放在哪里，每个文件有多大，以及这些空间是否已经被占用。最常见的两种文件系统是NTFS（Windows常用）和ext4（Linux常用），虽然它们具体的实现细节不同，但面对突然断电时的基本问题是类似的。
当你的电脑正在向硬盘写入数据时，这个过程其实比你想象的要复杂得多。系统并不会直接把数据一股脑儿扔到硬盘的某个固定位置。相反，它会经历几个步骤：
1. 准备写入： 文件系统需要先找到一块“空地”来存放你的数据，并记录下这个位置。它还需要更新文件的元数据，比如文件名、大小、创建日期等等。
2. 实际数据写入： 数据块会被发送到硬盘的物理扇区进行存储。
3. 更新文件分配表/目录结构： 文件系统最关键的一步是更新它自己的索引，也就是记录哪个文件占用了哪些扇区。这个更新过程至关重要，它就像给仓库管理员在索引卡上勾画出货物的具体位置。
突然断电，就像在上述某个环节戛然而止。
想象一下，你正要把一本厚厚的书的最后一页粘到书脊上，但手里的胶水瓶子突然被抽走了。
数据不完整： 如果断电发生在数据块还没有完全写入硬盘的物理扇区时，那么你写到一半的文件就是不完整的。一部分数据可能被写进去了，另一部分则没有。这块硬盘上就留下了一个“半成品”文件，它无法被正常打开和使用，因为它不是一个完整的文件。
文件系统结构损坏： 更糟糕的是，如果断电发生在文件系统更新其内部索引结构的关键时刻，那么问题就更严重了。文件系统维护着一个叫做“文件分配表”（FAT）或者“节点”（inode）这样的结构，用来追踪文件。如果这个结构在写入过程中被中断，那么文件系统就不知道哪些扇区是属于这个文件的，哪些是空闲的，哪些扇区本来应该被标记为空闲但现在却被错误地关联到了一个未完成的文件。这会导致：
文件丢失： 原本存在的文件可能因为目录结构损坏而变得无法访问，系统会认为它们不存在。
磁盘空间误判： 硬盘报告的可用空间可能不准确，因为文件系统不知道哪些空间实际上已经被占用（但属于一个损坏的文件）或者哪些空间本应是空的但现在被错误地标记为已占用。
目录结构混乱： 文件夹可能打不开，或者里面的文件列表变得一团糟。
整个文件系统无法挂载： 在极端情况下，文件系统的核心结构完全损坏，导致整个分区无法被操作系统识别和使用，需要进行格式化才能恢复。
为什么会出现这种情况？
这和计算机的缓存机制有关。为了提高效率，操作系统和硬盘驱动器都会使用缓存（cache）。数据在被真正写入硬盘的物理介质之前，会先被保存在内存中的缓存里。只有当缓存中的数据累积到一定程度，或者收到特定的指令时，才会一次性地批量写入硬盘。
如果断电发生在数据还在内存缓存里，还没有被刷新到硬盘物理介质上的话，那么这些数据就彻底丢失了。即使有些数据已经开始写入硬盘，但如果文件系统的元数据更新还没有完成，那也无法构成一个完整、可用的文件。
那么，有什么补救措施吗？
大多数现代文件系统都有一定的容错和恢复机制。比如：
日志（Journaling）： NTFS和ext4都使用了日志技术。在进行写操作之前，文件系统会先把要做的更改记录到一个“日志”里。写完日志后，才开始实际执行更改。如果写到一半断电了，系统重启时会先检查日志。如果发现有未完成的操作，它会根据日志中的记录来回滚（撤销）这些操作，或者尝试完成它们，从而最大程度地恢复文件系统的完整性。这就像仓库管理员在操作前先写一张计划表，即使操作被打断，他也能从计划表知道下一步该怎么做。
磁盘检查工具： 像Windows的`chkdsk`命令或者Linux的`fsck`工具，可以在系统重启后运行，扫描文件系统，查找并尝试修复损坏的区域，重新组织文件分配信息。
举个例子来说明日志的作用：
假设你要写一个文件，这个操作包含两个步骤：
1. 在目录中创建一个新的文件条目。
2. 将数据写入硬盘的特定扇区。
没有日志时： 如果在步骤1完成后，步骤2开始前断电，那么目录里会出现一个文件条目，但它指向的数据扇区是空的，或者数据不完整。文件系统就会出现不一致。
有日志时：
1. 在日志中记录：“我要创建一个文件条目，并将数据写入扇区X”。
2. 执行步骤1：在目录中创建文件条目。
3. 执行步骤2：将数据写入扇区X。
4. 在日志中标记：“步骤2已完成”。
如果断电发生在步骤2进行到一半，那么系统重启后会检查日志。它发现日志里记录了“步骤2已完成”的标记不存在，就会知道这个文件创建过程是中断的。然后，它可以通过回滚操作（删除目录里的文件条目）来恢复到断电前的状态。如果断电发生在步骤2全部完成后，但还没有在日志中标记“步骤2已完成”，那么系统重启后会发现日志里有一条未完成的操作，它会知道已经完成了步骤1和步骤2，只是日志没来得及更新。
总而言之，硬盘写到一半断电，对文件系统来说，就是一场突如其来的混乱。它可能导致数据丢失、文件损坏，甚至整个文件系统无法使用。虽然现代文件系统有自己的保护机制，但这种操作中断永远是硬盘和数据安全的潜在威胁。这也是为什么在进行重要操作时，要确保供电稳定，避免不必要的断电。
网友意见
这事说起来挺复杂的，不同文件系统，不同设备，不同介质，效果都是有区别的。
断电的一瞬间，很多事情是无法确定的：
1. 你无法确定你试图向设备驱动发送的写指令是否成功，驱动程序本身一般都有缓存；
2. 即使写指令正常返回，你也无法确定设备实际上是否写成功，因为设备本身可能也有缓存。目前没有设备能保证写指令返回的情况下，所有数据一定成功的保存在介质上（但部分厂商能保证少量数据一定能成功写入），对存储设备的flush操作并非绝对可靠；
3. 哪些成功哪些失败可能是乱序的，换句话说，如果先发送写请求A，再发送写请求B，并且都成功返回，掉电时请求A可能丢失，但B成功（NCQ功能）；
4. 机械式磁盘可能会出现丢失半截数据的情况（比如，一个512字节扇区只写入了100字节，也就是题主说的bit级错误），但这种一般都会通过校验位检测出来。
因为有以上这么多的限制，实际上文件系统一般没办法保证数据一定不丢失，甚至哪些丢失哪些能恢复也是不确定的。
一般来说，文件系统有以下的几种策略：
1. 完全不管错误的事情，错了就错了；
2. 打标记位的方式，如果怀疑有错，通过磁盘检测功能恢复；
3. 在设计上保证文件系统结构上可恢复，但不保证用户数据可恢复；
4. 能在用户数据层面上保证数据的绝对正确。
第一种和第二种策略现在比较少见，FAT文件系统算是属于这类；主流文件系统基本上都能保证第三种，比如NTFS之类的；第四种比较难，一般都要配合存储驱动一起，多见于Flash介质的专属文件系统。
保证数据不损坏，具体的方案一般有：
方案1：Copy-On-Write，写数据的时候不在原来的位置写，而是先读一份，然后写到另外一个位置，当确认写成功时，把文件系统的指针指向新的位置。如下图：
实际应用中，比这个情况复杂，因为Data2写入的过程中，File1本身的一些信息（修改时间等）也发生了变化，所以CopyOnWrite产生的影响不止这一个块，而是很多。
方案2：日志（Journal）技术。使用日志记录meta-data甚至是数据块的变化情况（NTFS就是这种策略），一旦出现掉电情况，在日志中反推到一个正确的状态上，就可以保证meta-data不损坏。
常见的方案就这两种，当然还有别的更复杂的技术，可以参考这个链接（Comparison of file systems），但不管用什么方案，本质上都是以牺牲性能为代价换取结构上的稳定。
最后回到题主的问题，文件系统如何保证数据的正确性？如果是指文件的数据部分，是无法保证的，因为文件系统无法确定数据到底写没写进去，绝大多数文件系统只能保证自身结构是正确的，但这个正确可能是回滚之后的状态，具体回滚多少内容，文件系统自己也不能保证。
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