對文件讀寫的支持一般由操作系統(tǒng)提供的統(tǒng)一接口，而操作系統(tǒng)抽象接口由文件系統(tǒng)實現(xiàn)具體操作。文件系統(tǒng)除了提供基本的讀寫服務，還需要對權限控制，元數(shù)據(jù)訪問，基本的錯誤恢復進行保證。而讀寫性能永遠是文件系統(tǒng)的最重要方面，是眾多文件系統(tǒng)存在的原因所在。但是一些基本的讀寫保證卻是文件系統(tǒng)無法做到的，如原子性寫，斷電數(shù)據(jù)保護，斷電數(shù)據(jù)跨界，增量寫保護等等。本文主要從這些角度來深入對文件讀寫的討論。

原子性寫入

一般的硬盤最小的讀寫單位是扇區(qū)(Sector)，一般為512字節(jié)，在閃存上(Flash Memory)，最小的讀單位要遠小于最小寫單位。因此，首先讀寫一個硬盤上的幾個字節(jié)都會獲得一個扇區(qū)大小的數(shù)據(jù)，扇區(qū)大小也是影響文件系統(tǒng)的讀寫的一個因素。另一方面，原子性寫入是一個需要考慮的問題，既然最小寫單位是一個扇區(qū)，那么當寫入一個文件一個扇區(qū)大小的數(shù)據(jù)時，是否保證一定會寫入一個扇區(qū)大小數(shù)據(jù)成功？如果在寫入一個扇區(qū)一半的時候斷電，顯然寫入就失敗了，硬盤是否保證斷電后仍然完成剩余寫入是原子寫的保證，這通常被現(xiàn)代硬盤驅動通過自身的電源支持，一般來說，現(xiàn)代硬盤自身的電源足夠完成斷電后一個扇區(qū)的寫入操作以此來保證原子寫。

措施:當硬件不保證原子性寫入時，通常需要應用層采取一定手段來保證。可以采用兩段式提交的方式來完成，應用層自身在寫入文件時在文件首部保存原時間和修改時間，然后寫入數(shù)據(jù)和修改“修改時間”并flush到硬盤上，當成功寫入后，再次改變文件原時間并并flush。這個可以保證如果在寫入失敗時，應用層可以得知文件錯誤并采取一定措施挽回，比如回滾機制。

增量寫保證

增量寫指的是當需要append數(shù)據(jù)到一個文件或者創(chuàng)建一個新文件時，當調用操作系統(tǒng)提供的write操作進行時，通常是寫入操作系統(tǒng)提供的寫緩存中，由操作系統(tǒng)決定何時寫入到硬盤上。這時，一般的程序員都知道需要flush()或者fsync()來強制刷新到硬盤上。通常來說操作系統(tǒng)會先需要擴大文件大小再寫入數(shù)據(jù)。這時，如果在擴大文件大小以后寫入數(shù)據(jù)時斷電，這時填充文件增量空間的數(shù)據(jù)可能是“垃圾”數(shù)據(jù)，當重新啟動程序時可能會得到一個已經(jīng)更新文件大小的充滿“垃圾”數(shù)據(jù)的文件。部分系統(tǒng)可能會實現(xiàn)先寫入數(shù)據(jù)再擴大文件大小這時就保證了“垃圾”數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)。

措施:當系統(tǒng)不支持增量寫保證時，應用層保存一個文件大小，然后先寫入數(shù)據(jù)并成功后，再修改文件大小來保證應用層能得知增量寫是否成功并采取回滾措施。

安全覆蓋寫

指的是當一個應用向一個文件的指定地址范圍內寫入數(shù)據(jù)時，不管是系統(tǒng)崩潰還是斷電都不會導致超出這個范圍的數(shù)據(jù)改變。也就是說，即使斷電和崩潰時，可能發(fā)生錯誤的只能是這個范圍內的數(shù)據(jù)。考慮以下情景，當我們向一個文件的頭兩個字節(jié)覆蓋寫數(shù)據(jù)時，但是操作系統(tǒng)會向硬盤寫入一個最小寫單位的數(shù)據(jù)，這時如果發(fā)生斷電，當重啟后，文件系統(tǒng)的錯誤檢測系統(tǒng)可能會“自作聰明”的檢測到意外事故，然后讀出這個扇區(qū)并置零返回。

措施:每次寫入文件時使用一個最小寫單位的數(shù)據(jù)寫入。

小結

大多數(shù)目前實現(xiàn)和硬件自身電影支持是可以保證上述陷阱不會發(fā)生，但是如果想要打造一個健壯的、多平臺的軟件時，這些讀寫陷阱是需要考慮。