崩溃一致性：FSCK 与日志

持久化更新中的崩溃问题

磁盘一次只完成一块写入。追加文件块时必须改 inode、数据位图和新数据块。若崩溃发生在这些写入之间，可能出现位图与 inode 不符、空间泄漏或读到旧垃圾内容。理想情况是整个操作原子完成，从一种一致磁盘镜像直接到达另一种。

用文件系统检查程序事后修复

早期做法是允许不一致出现，重启后再运行 fsck 一类工具。检查程序遍历全部 inode、位图和目录，找出不匹配项并修正。方法实现简单，但大容量磁盘扫描耗时很长，恢复期间文件系统不可用。

日志：先写意图再改真实结构

日志把一次操作的全部意图先追加到专用日志区并强制落盘，然后再修改真正的 inode、位图和数据。崩溃后只需扫描日志，重放已提交事务或丢弃未提交事务，即可迅速回到一致状态，无需全盘扫描。

日志的几种常见模式

数据日志把用户数据和元数据都写入日志，一致性最强但写放大明显。元数据日志只记录元数据，数据直接落盘，崩溃后可能读到旧内容。有序模式保证数据先于对应元数据提交。实现时需在性能、空间占用和安全保证之间权衡。

常见误区

• 误以为磁盘能原子完成多块写入
• 日志提交前未强制刷盘，导致日志自身不完整
• 只修元数据而忽略用户可能读到垃圾数据

最低标准 C11 · 完整程序 · 下载 .c

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Tiny file-system crash-consistency demo\n");
    printf("Operation: append one data block (update inode, bitmap, data)\n\n");
    printf("Crash after 1 write:\n");
    printf("  data only     -> write lost, still consistent\n");
    printf("  inode only    -> pointer to garbage, bitmap mismatch\n");
    printf("  bitmap only   -> leaked block, no owner\n\n");
    printf("Crash after 2 writes:\n");
    printf("  inode+bitmap  -> metadata OK, garbage data\n");
    printf("  inode+data    -> bitmap mismatch\n");
    printf("  bitmap+data   -> leaked block\n\n");
    printf("Journaling solution: write transaction to log, commit, then checkpoint.\n");
    printf("Recovery: replay committed transactions only.\n");
    return 0;
}

在本地编译

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror ostep-42-journaling.c -o example && ./example

预期结果

Tiny file-system crash-consistency demo
Operation: append one data block (update inode, bitmap, data)

Crash after 1 write:
  data only     -> write lost, still consistent
  inode only    -> pointer to garbage, bitmap mismatch
  bitmap only   -> leaked block, no owner

Crash after 2 writes:
  inode+bitmap  -> metadata OK, garbage data
  inode+data    -> bitmap mismatch
  bitmap+data   -> leaked block

Journaling solution: write transaction to log, commit, then checkpoint.
Recovery: replay committed transactions only.

CHECK YOUR UNDERSTANDING

合上答案，试着解释。

追加一块数据时，若 inode 和数据块已写入但位图未更新，磁盘上会出现什么不一致？fsck 与日志分别如何处理？

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