对存储设备来说，确保数据的准确记录和读取是其核心使命。鉴于NAND Flash独特的工作原理，当数据需要更新时，SSD往往会将新的数据直接存储到空白的PBA物理块地址上，随后建立LBA逻辑块地址与PBA的映射关系，并将LBA原先指向的旧数据标记无效。在这个过程中，如果遇到意外掉电导致数据未完整写入，或映射关系未正确更新，则可能会返回新旧数据混合的结果。
诚然，企业级SSD掉电数据保护功能可以极大程度防止此类情况发生，但对于数据库等数据准确性要求极高的应用场景，如果能有额外的数据完整性保障措施，那无疑将是锦上添花。今天我们来一起盘一盘保证数据完整性的另一个重要功能——原子写。
原子作为构成世间万物的基本单元，其概念在数据存储领域被赋予了新的意义。原子写保证了每一笔数据写入时的原子性，即，当单个写入命令的数据量不超过SSD的原子写能力时，数据要么完全写入，在读取时返回准确无误的新数据，要么完全没有写入，在读取时返回未经改动的旧数据，而不存在混合结果。
如图所示，该命名空间采用512B分区格式，一笔16KB数据写入，需使用LBA1-32地址。假设这32个LBA依次写入，当写入LBA16时系统意外掉电，对于不支持原子写的设备，LBA16之后的数据将保持原状，而LBA1至LBA15将指向新写入的数据，LBA16的状态则变得未知。当读取这笔数据时，会返回一个混乱、不确定的结果。
对于支持原子写的设备，由于新的数据并没有完整写入，因此并不会标记LBA1至LBA16的旧数据无效，读取时会返回全旧数据的结果；只有当16KB数据全部完成写入，旧数据才会被标记为无效并等待合适时机进行垃圾回收。这种机制确保了数据的一致性和完整性，避免了因意外断电而导致的数据混乱问题。
NVMe Spec 原子写规范解读
NVMe Spec定义了三种情况下的原子写：正常工作状态下的原子写、异常掉电时的原子写，以及 Compare & Write 融合操作下的原子写。前两个比较容易理解，异常掉电时的原子写能力通常不超过正常状态；融合操作下的原子写主要用于防止错误覆盖，即，写入前会先对LBA原本数据进行比对，避免“误伤”。
同时，原子写又被分为两个层级，首先是控制器层级，它是SSD可以提供的最基本的原子写能力，在所有支持的命名空间格式下都可以生效；其次是命名空间层级，其能力不低于控制器层级，二者也可以相等，NVMe Spec允许同一个NVMe SSD的不同命名空间支持的原子写能力存在差异，以便为不同业务带来各自所需的最佳性能和数据完整性要求。
此外，NVMe Spec还明确界定了命名空间原子写的边界，即，任何基于命名空间的原子写操作均不得跨过边界进行，这一概念和我们熟知的“4K对齐”有些相似，旨在增强原子写的性能和完整性。
原子写场景、层级、边界关系如下：
问题1：假设多个写命令均符合原子写要求，但写入地址存在重合，会发生什么？
例如，命令A和命令B均符合原子写要求，命令A需要在 LBA 0-3 中写入A，A，A，A；命令B需要在LBA 1-4 中写入B，B，B，B。控制器会对两个命令进行序列化处理，即命令A之后是命令B，或者命令B之后是命令A，每个命令都会以原子写的方式完成，而不是混合状态，最终结果如下：
问题2：假设写命令符合正常工作状态下的原子写要求，但执行时发生意外掉电，会发生什么？
此时原子写是否被执行，需参考AWUPF、NAWUPF以及NABSPF三个参数的设定情况，如果该命令需写入的数据量不超过AWUPF、NAWUPF，且不需要跨越NABSPF边界，则可以保证写入的原子性，即，数据完整写入，或数据完全没有写入并返回完整的旧数据。
NABO定义了命名空间允许的最大原子写边界的偏移量，其数值不会超过NABSN和NABSPF的限制。在部分写操作中，有时会遇到写命令符合原子写大小要求，但是与NABSN或NABSPF没有完全对齐的情况，通过引入NABO，将允许原子边界做出一定的偏移调整，确保该笔写命令能够以原子写的方式顺利完成。如果偏移后仍然有部分LBA跨越原子边界，将无法保证写入的原子性，如下图所示。
是否还有其它保证数据完整写入的方法？
在一些应用，特别是事务型交易中，需要保证在存储设备上的数据是完整的。如，MySQL的Double Write Buffer机制，它是针对InnoDB存储引擎的一个特性，旨在解决因系统故障导致的数据写入不完整的问题，以遵循数据库的ACID准则（Atomicity，Consistency，Isolation，Durability）。
A 原子性，每个事务要么被完全执行，要么全都不被执行
C 一致性，无论何种情况，甚至极端情况下，事务需要保持数据库数据的正确性、完整性和一致性
I 隔离性，在并发执行多个事务时，数据库需要保证每一个事务在它的修改全部完成之后，其他事务才可以看到该事务的最终状态，换句话说，不能让其他事务看到该事务的中间状态
D 持久性，事务完成后，它对于数据库的影响是永久性的
当InnoDB要写入一个数据页到硬盘时，首先会将这个数据页内容写入到Double Write Buffer中，写入完成后，再将这些内容写入到最终的数据文件中。如果过程中发生意外，InnoDB首先会检查Double Write Buffer，如果它的内容完整，那么直接采用它来重写数据文件，否则利用Redo Log来重新更新数据文件并舍弃Double Write Buffer中的不完整数据。
双重更新的机制有效确保了数据安全和关系一致，在处理一些极端情况下的数据恢复时可能更为灵活，但代价是写入数据量的成倍增加。将原子写移至堆栈底层由存储设备实现，可以有效减少额外写入问题，增加无日志文件系统的可靠性，简化应用设置并有效延长存储设备的使用寿命。
在PBlaze7 7940 SSD中，我们升级原子写能力至128KB，可以为更多业务场景带来高可靠的数据完整性支持，结合全路径数据保护、NVMe端到端数据保护、掉电数据保护等重要企业级功能，全方位保障用户数据的完整性与安全。