Linux下有什么真正断电可靠的文件系统？
要理解这个问题，我们得先聊聊文件系统在写入数据时的过程，以及断电是如何成为其“克星”的。
文件系统的写入过程与断电的威胁
传统的文件系统（比如早期的一些FAT系列）或者一些非日志型文件系统，在进行文件写入时，大致会经历以下几个步骤：
1. 修改文件元数据 (Metadata): 例如，文件大小改变了，文件所在的目录需要更新文件列表等等。这些元数据通常存储在特定的区域，比如 inode 表。
2. 修改文件数据块 (Data Blocks): 实际的文件内容被写入到磁盘的某个扇区或块中。
3. 更新文件系统的超级块 (Superblock): 超级块是文件系统的“心脏”，记录了文件系统的整体信息，比如总块数、空闲块信息、inode 信息等。
如果在一个写入操作过程中，比如正在更新元数据，但磁盘还没有来得及将所有修改同步到物理介质上就突然断电了，那么文件系统就可能处于一个不一致的状态。
例子1： 如果先修改了元数据，但在写入数据块时断电，那么文件大小可能更新了，但数据块中的内容是旧的，或者根本没有写入。
例子2： 如果数据块写入完成了，但更新超级块时断电，文件系统可能认为数据已经写入，但实际上它记录的空闲块信息、文件大小等可能与实际不符，导致后续操作出错。
这种不一致的状态，在没有防护措施的文件系统里，轻则导致文件损坏，重则导致整个文件系统无法挂载。
日志文件系统（Journaling File Systems）——Linux的守护神
为了应对这种威胁，现代Linux系统普遍采用的是日志文件系统。它的核心思想是：在对实际文件系统进行修改之前，先把要进行的修改操作记录在一个“日志”（Journal）区域。
这个日志区域是按顺序写入的，所以即使断电，一旦系统恢复，文件系统可以检查日志，根据日志的记录来完成或者回滚那些未完成的操作，从而保证文件系统在断电后仍然处于一个一致的状态。
日志文件系统主要有两种模式：
Ordered Mode (有序模式): 这是许多Linux文件系统（如ext3/ext4）的默认模式。它保证了数据块的写入一定发生在对应的元数据写入之前。写入过程大致是：先将数据写入磁盘的数据区，然后将元数据写入磁盘的元数据区，最后把这些操作的记录写入日志。如果断电发生在某个阶段，系统恢复时会根据日志来确保文件系统的一致性。
Writeback Mode (写回模式): 这种模式效率更高，因为它不保证数据块的写入先于元数据。日志记录的是元数据变化，但数据块的写入时间不固定。这样在某些情况下可以提高性能，但如果在写入数据块和写入元数据之间发生断电，并且日志只记录了元数据变化，恢复后可能会发现元数据指向的数据块内容是旧的甚至是无效的，导致数据不一致。Linux文件系统通常不使用这种模式来保证数据完整性。
Data Mode (数据模式): 更加严格，它会将所有数据块的更改和元数据的更改都写入日志。这提供了最高级别的一致性保证，但通常会带来显著的性能损失，所以一般不常用。
在Linux下，我们最常遇到的，也是大家普遍认为“断电可靠”的，主要指的是那些实现了良好日志机制的文件系统。
Linux下比较可靠的文件系统选择
基于日志文件系统的原理，以下是Linux下几个在断电可靠性方面表现优异的文件系统：
1. ext4 (Fourth Extended Filesystem):
可靠性机制： ext4 是 Linux 下最常用且最成熟的文件系统之一。它是一个日志文件系统，支持 Ordered Mode。在写入数据时，它会先将要更改的元数据和数据块的信息写入日志区域，然后才执行实际的写入操作。如果断电，系统重启后会检查日志，回放未完成的操作，从而恢复到一致状态。
特性增强：
Extents: 相比于ext3使用间接块来指向数据块，ext4使用extents来连续地分配和管理磁盘空间。这不仅提高了性能，还简化了日志的记录和恢复过程，因为连续的数据块可以作为一个整体被日志记录。
Journal Checksumming: ext4的日志区域本身也使用了校验和，这能帮助检测日志区域本身的损坏，进一步提高恢复的准确性。
Delayed Allocation: 延迟分配会在文件数据被写入磁盘之前，先将需要分配的块信息缓存起来，等到所有需要分配的块都确定下来后再一次性分配。这有利于更好的空间利用和性能，也间接帮助了日志的有序写入。
实际应用： 绝大多数Linux发行版的默认文件系统都是ext4，因为它在性能、稳定性和可靠性之间取得了很好的平衡。
2. XFS:
可靠性机制： XFS 是一个高性能的日志文件系统，同样使用日志来保证断电时的恢复能力。它采用的是一种称为 "antiunmounting" 的日志技术，或者说是 "realtime journaling"。XFS 的日志会记录所有元数据的更改，并且它采用了一种更为精细的日志策略。
特性增强：
Journal Metadata: XFS 的日志主要记录元数据的更改。它有一个专门的日志区域（log section），以及一个用于存储大量元数据的 B+树结构（Allocation Groups）。
GuaranteedRate I/O: XFS 的设计最初是为了SGI的IRIX系统，非常适合处理大文件和高性能I/O。它的日志机制经过了大量实际生产环境的检验。
Atomic Operations: XFS 被设计为支持原子操作，这意味着一组相关的元数据更改要么全部成功，要么全部失败，从而确保了文件系统的一致性。
实际应用： XFS 尤其在服务器环境、大型文件存储和高性能计算场景下非常受欢迎。它在处理大量小文件和超大文件方面有不错的表现，并且其日志机制在断电恢复方面也非常可靠。
3. Btrfs (Btree File System):
可靠性机制： Btrfs 是一个更现代化的文件系统，它采用了写时复制（CopyonWrite, COW）的机制。这意味着当修改文件或元数据时，它不会直接覆盖旧的数据，而是将修改后的新数据写入新的位置，然后更新指针指向新的数据。旧的数据块会保持不变，直到新的写入操作完全完成且系统确定旧数据不再需要时才会被垃圾回收掉。
特性增强：
CopyonWrite (COW): 这是Btrfs的核心。由于写入操作不会覆盖旧数据，即使在写入过程中断电，旧的数据（或文件系统的先前一致状态）仍然保留在磁盘上。当系统重启后，Btrfs会尝试找到一个最近的、可用的快照（snapshot）来恢复，或者通过检查B树的结构来确定文件系统的有效状态。
Checksumming: Btrfs 对所有数据和元数据都进行校验和计算和存储。在读取时会验证校验和，如果发现不匹配，它会自动尝试从其他副本读取（如果配置了多副本）或者报告错误。这极大地增强了数据完整性。
Snapshots: COW的特性使得创建文件系统快照（包括只读和读写快照）非常高效且几乎没有性能损失。这些快照本身也可以作为断电恢复的一种手段。
RAID Support: Btrfs 内置了 RAID 功能，可以配置数据和元数据副本，进一步提高了数据冗余和可靠性。
实际应用： Btrfs 在许多Linux发行版中（如Fedora、openSUSE）已经成为默认文件系统。它提供了许多高级功能，如透明压缩、去重等，并且在数据完整性和断电恢复方面有其独特的优势，尤其是其写时复制机制在面对断电时能提供一种“回溯”到上一个一致状态的能力。
4. ZFS (Zettabyte File System):
可靠性机制： ZFS 和 Btrfs 一样，也使用了写时复制（CopyonWrite, COW）的机制。ZFS 是一个非常成熟的“一体化”文件系统和卷管理器，其设计哲学就是数据完整性至上。
特性增强：
CopyonWrite (COW): 和Btrfs类似，所有写入操作都是新的数据写入到新的位置，然后更新指针。这使得ZFS在断电时非常健壮，因为旧的数据块不会被破坏。
EndtoEnd Data Integrity: ZFS 使用强大的校验和算法（如SHA256）来校验所有数据的每一个块，从磁盘到内存再到应用程序。这能检测并纠正数据传输或存储过程中发生的任何位翻转错误（bit rot）。
Transactional Writes: ZFS的写入是事务性的。这意味着整个文件系统的状态变化都是原子性的。
RAIDZ / Mirroring: ZFS原生支持各种级别的RAID（RAIDZ1, RAIDZ2, RAIDZ3）和镜像，可以配置多个副本，并能利用这些副本进行数据自动修复。
Snapshots & Clones: 同样基于COW，ZFS的快照和克隆（clones）非常高效，是其可靠性保障的重要组成部分。
实际应用： ZFS 最初由Sun Microsystems开发，后来通过OpenZFS项目得到了开源社区的持续发展。虽然在Linux上使用ZFS需要通过DKMS模块（因为其GPL许可限制），但它在企业级存储、NAS设备和对数据完整性要求极高的场景中备受推崇，是断电可靠性的金字招牌之一。
总结与选型建议
在Linux下，真正意义上的“断电可靠”主要依赖于日志文件系统或写时复制（COW）机制。
对于大多数用户和通用场景： ext4 是一个非常稳妥的选择。它成熟、稳定，并且在性能和可靠性之间取得了很好的平衡。默认的Ordered Mode日志模式加上校验和，能很好地应对大多数断电情况。
对于追求高性能和处理大文件的场景： XFS 是一个优秀的替代品。它的日志机制经过了严格的生产环境考验，在处理大量文件和高负载 I/O 时表现出色。
对于需要高级功能（如快照、内置RAID、校验和）且愿意接受新技术的用户： Btrfs 是一个非常有吸引力的选项。它的写时复制和全面的校验和机制提供了强大的数据保护能力。
对于对数据完整性有极致追求的企业级用户或存储专家： ZFS 是不二之选。它的写时复制、端到端校验和以及强大的RAID实现，使其成为可靠性方面几乎无可挑剔的文件系统，但需要注意其在Linux上的使用方式和许可问题。
需要再次强调的是，“断电可靠”并非绝对意义上的“数据永不丢失”或“永不受损”。在极端情况下，例如SSD/HDD硬件损坏、控制器故障，或者文件系统日志区域本身受到物理损坏，任何文件系统都可能无法幸免。
因此，最佳实践是：
1. 选择一个可靠的文件系统（如上述的ext4, XFS, Btrfs, ZFS）。
2. 定期备份重要数据到独立的介质上。
3. 使用UPS（不间断电源）来平滑应对突发断电。
通过结合这些措施，才能最大程度地保证数据的安全和系统的稳定性。
网友意见
2018年的问题，今天才看到，2018年那会我应该正好在VxWorks做相关的内容：高可靠文件系统的开发维护，也就是那个（bug巨多的）HRFS。
先说一些结论吧：
1. 不存在绝对可靠的文件系统
2. 可靠性要依赖于硬件，只依靠软件无法实现完整的可靠性
3. 可靠性仅仅指的是元数据（meta-data）
4. 可靠性与性能有冲突
5. 非可靠性相关的：实时性跟性能也有冲突
可靠文件系统的设计原理很简单，本质上就是copy-on-write，设置transaction point，保证transaction point提交的时候，所有依赖的数据都被正确的写入即可。
原理很简单，可以说这个设计，给一个编程水平高一点的本科毕业生都能搞定，但实际实现出来根本不是那么一回事。
最核心的一个问题就是，如何保证数据被确认写下去了？要知道硬件为了提升性能，有硬件缓存（不管是HDD还是SSD），还可能乱序写（SATA-NCQ），还可能多队列（NvME），那么软件怎么保证到transaction point的位置的时候，数据是真的被写下去了？
有人会说，发一个SYNC指令（硬件flush）不行吗？理论上是可以的，至少按照规范来说SATA命令集里是有SYNC指令的，但硬件能不能保证就是另外一回事了。
对于SSD设备，当年SSD刚出来的时候（大概十年前了），就遇到一些劣质的（但是是正规厂商的）SSD产品，对SYNC命令执行不满足期望值，实际并没有SYNC成功。这种情况下，软件用任何手段都无法保证文件系统可靠性。（顺便说一句，没有规范要求硬件写一个扇区的操作是“原子“的，所以理论上一个扇区可能是会写一半的，虽然极其罕见）
对于EMMC设备，EMMC规范里有提到一个可靠写（reliable write）的标志，但设备万一不支持，那么EMMC也不可靠了。
对于USB设备，USB驱动里如果不集成SYNC命令，或者U盘控制器不支持这个命令，那么U盘也不可靠。
对于SPI flash一类的设备，这些都是通过MMIO的方式映射的，总线上的信号可能根本保证不了可靠写，那么文件系统的可靠性就无从谈起。
所以高可靠性文件系统，到实际应用场景就会发现，有各种坑。甚至客户的flash会有比特翻转的问题，但flash焊死在板子上，换不了……你说你搞不定？对不起，客户是上帝，上帝要求你搞定……
搞定硬件可靠性就没问题了吗？也不是，可靠性需要依赖SYNC，SYNC对软件性能是一个极大的破坏，题主描述里提到了HRFS，我可以给点数据，HRFS在关闭SYNC以后（自然也就失去了可靠性），性能提升10-50倍。
其实，也不是没办法降低SYNC的影响，用多组copy-on-write，或者长一点的journal（日志），把多个提交点的内容都记录一下来就可以了。甚至长journal可以抵消一些硬件的不可靠性。出错时回滚一个日志记录不行，就回滚2个，回滚3个……只要你硬盘有空间，然后也不发SYNC了，只要我写的足够多，肯定会把硬件cache写满，写满了自然就刷了。
但这相当于用空间换性能，用空间换可靠性，本质上要看硬件的缓存有多大，而工业级的SSD，缓存可能是上GB的，设计一个日志长达10G的文件系统？客户不疯，开发也疯了。要知道日志多，代码逻辑越复杂，bug可能性更高。
所以即使是一个软件上完美无瑕无bug的文件系统，要实现高可靠性，前置条件也很多。
所以PC操作系统，还有服务器操作系统，选择了另外一条路：搞不定可靠性，那么就从另外一个角度，出错了checkdisk去修复，或者干脆提供一个更可靠的供电系统（UPS）。
Linux和Windows的文件系统实际上更依赖于check disk，虽然EXT和NTFS都有日志系统，也都有check disk，假设文件系统的可靠性是99.9%，check disk能修复99%的错误，那么整体的可靠性就可以达到99.999%了。
Linux和Windows的这种设计思路，比RTOS里的那种高可靠文件系统要更实际一些，也更简单一些，照顾的硬件种类更多，对硬件要求也不是特别高。
因为是两年前的问题，我不确定题主现在是不是已经解决了，对于Linux来说，提供一些方案：
1. 关掉各种缓存，用性能换可靠性；
2. 强制fsck，或者实现一个掉电检测机制，然后每次掉电就fsck；
在RTOS里，性能、可靠性、实时性都是互斥的，只能选择其中的某一个。
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