断电时文件系统发生了什么？硬盘又发生了什么？下一次开机时写到一半的文件在系统层面还在吗？在底层还在吗？

更进一步的, 文件系统如何保证事务性, 会不会存在某种极端情况导致例如最后几个bit还没写完, 文件系统却认为它成功了的情况?

回答不限任何文件系统，谢谢！

下面是「北极」的回复分享

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。

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。

下面是「马涛」的回答分享

文件系统的设计一般是性能和数据完整性的妥协，如果你想要最高完整性，那么性能会差一些，如果你想要最高性能，那么数据完整性会差一些，仅此而已。当然这些都是针对数据而言的，对于文件系统自身的元数据，一般设计者为了自身数据完整性的考虑都会有日志系统(比如ext4使用jbd2)，从而尽量保证文件系统在断电时没有问题或者问题很少(需要使用fsck来解决)，但是用户数据是否完备是由用户选择和配置的，而文件系统会根据不同配置选择不同的策略。

我们以Linux最通用的ext4为例，他有三种模式供用户选择data=writeback/ordered/journal，对应的是数据落盘的三种方式，writeback是指元数据更新的时候数据不考虑是否落盘，所以掉电以后可能会看到一些乱七八糟的数据，ordered的意思是元数据更新在数据更新之后(如果你没有更改元数据那就没有办法保证数据了)，还有一种是journal意思是数据也先写journal再写文件(double write),这种数据安全性最高，当然性能也最差。详细的介绍可以参加mount(8)。

说完文件系统，我们再说硬盘，硬盘在文件系统下面，所以文件系统是重度依赖硬盘来实现数据完整性的，而硬盘也提供了一些命令来保障文件系统数据完整性的语义。比如硬盘会提供flush命令，保证只要上层文件系统调用了这个命令，那么文件系统之前写到硬盘里面的内容必须落盘了(一般的硬盘有内存cache，为了提高写入性能会缓存一部分数据，flush会命令硬盘将cache内容落盘。当然如果硬盘如果有电容可以保证cache即使掉电也会落盘，那么他也可以欺骗上层的文件系统 :) )，这样文件系统在写入一些关键数据以后必须调用flush，在得到硬盘的flush反馈以后再进行后面的工作。当然现代硬盘还有一些FUA(Force Unit Access)之类的操作，这些是为了加速某类磁盘落盘的操作，本质上即使硬盘不提供文件系统可以改成write+flush来实现(只是性能差一些)，如果感兴趣大家可以自行google之。

说完底层，还有一层要说一下，就是你的应用是怎么写文件和硬盘的，如果是buffer write(应用只写到操作系统的内存，由操作系统延迟回写到硬盘)，那么很大可能你在掉电之前一段时间写入的数据都会不见了(操作系统还没有回写)，如果应用是direct IO(应用绕过操作系统内存，直接写硬盘)，那么可能只有掉电时刻正在写入的数据不见了，当然这里可能还涉及到direct IO的语义以及不同文件系统的具体实现，和文件系统相关，就需要具体问题具体分析了。

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