操作系统中的文件系统一致性检查（fsck）机制

描述
文件系统一致性检查是操作系统维护文件系统完整性的重要机制。当系统异常关闭（如断电、系统崩溃）时，正在进行的文件操作可能被中断，导致文件系统元数据（如超级块、inode、数据块位图）处于不一致状态。fsck（File System Check）就是用于检测和修复这种不一致性的工具。

不一致性问题类型

1. 磁盘块丢失：inode指向了数据块，但位图显示该块空闲
2. 磁盘块重复分配：多个inode指向同一个数据块
3. 错误的inode链接计数：实际目录项数与inode记录的链接数不匹配
4. 非法inode编号：目录项指向不存在的inode

检查过程详解

阶段1：检查块和大小（块一致性）

• 扫描所有inode，建立两个数据结构：
  • 已用块表：记录每个被inode引用的块号
  • 预期块数表：记录每个inode应该包含的块数
• 检查数据块位图，验证：
  • 所有被标记为"已用"的块确实被某个inode引用
  • 没有inode引用被标记为"空闲"的块
• 修复方法：
  • 对于丢失的块：将其加入位图的"已用"状态
  • 对于重复分配的块：复制受影响的数据块，为每个inode分配独立副本

阶段2：检查目录一致性（路径名检查）

• 遍历所有目录项，验证：
  • 每个目录项指向的inode编号有效
  • 特殊目录项("."和"..")正确指向当前目录和父目录
• 修复方法：
  • 删除指向无效inode的目录项
  • 修复错误的特殊目录项引用

阶段3：检查链接计数（连接性验证）

• 重新计算每个inode的实际引用数（通过扫描目录项）
• 与inode中记录的链接计数比较
• 修复方法：
  • 如果实际计数 > 记录计数：更新inode中的链接计数
  • 如果实际计数 < 记录计数：创建丢失的目录项或删除孤立的inode

阶段4：检查重复块和坏块

• 检测多个inode指向同一数据块的情况
• 验证所有块号在有效范围内
• 修复方法：
  • 为冲突的inode分配新数据块并复制内容
  • 移除指向无效块号的引用

阶段5：修复自由块列表

• 根据前几个阶段的结果重建准确的空间块位图
• 确保位图与实际磁盘使用情况完全一致

现代改进

• 日志文件系统（如ext4、NTFS）通过在操作前记录意图来减少fsck需求
• 写时复制文件系统（如ZFS、Btrfs）通过事务性更新避免不一致性

fsck通过这种系统化的多阶段检查，能有效恢复大多数文件系统不一致问题，保障数据安全。