一、序

周末电脑突然关机，开机进入UEFI，发现启动项全部丢失（我有2快固态硬盘，分别安装了win11和Ubuntu22.04）。

原因猜测：固态可能有所损坏；平时有一些非正常关机（独显直连的情况下有时候不手动息屏，自动息屏后无法唤醒屏幕，一直黑屏，只能重启）；其它。

由于Ubuntu安装简单，没有什么资料，于是我重新安装了Ubuntu（我有一个ventory启动盘，里面放了几个镜像，装系统很方便），想通过Ubuntu修复Windows引导，用了一些软件（比如什么testdisk），发现win11那块固态的分区丢失了，整个硬盘表现为没有分区的状态（这种原因相比应该是固态损坏导致分区表丢失了）。

在Ubuntu上用testdisk对这块硬盘进行修复，可以检测到丢失分区，但是只能恢复EFI分区，这肯定是无法正常启动Windows的。

于是我又使用Windows PE进行修复（我去无忧下载了几个PE的ISO，直接放在ventory里面启动的），使用DiskGenius恢复了硬盘的分区。

再次启动Windows，又报错0e,01,0f等错误。修复了半天，没搞好，遂使用华硕UEFI里面的云端还原功能来还原系统。

结果，它还原的时候把我电脑所有的硬盘都格式化了，还没提示😤😤，还是第一次遇到（通常只会格式化安装系统的硬盘）。

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接着就是想着恢复数据了，以前使用的是机械硬盘，使用DiskGenius就可以恢复数据，这次发现不行。又使用了Disk Drill，Recuva等等（国产软件不用想）。

均无果，拿winhex软件看了一下硬盘，发现硬盘数据全变0，无法恢复。

winhex：是一款功能强大的磁盘编辑和数据恢复工具。可以用来磁盘编辑和数据恢复、磁盘和文件分析、数据处理和编辑、安全和取证。实用用途举例：你要出售一块机械硬盘，它是比较容易恢复删除、格式化之前的数据的，你可以使用winhex进行多次清理。

现在民间最好数据恢复工具应该是PC3000吧（价格好几万，不是很了解，国内好像有chao板的），由俄罗斯的 ACE Laboratory 公司开发。它包括专业硬件和专用软件，可以直接和硬盘的控制器通信。

但是问了淘宝商家，固态硬盘格式化后也无法借此恢复（能的话，我的数据也不值恢复的费用）。

所以本文就做知识记录与分享吧。

二、机械硬盘和固态硬盘的物理结构与工作原理

2.1 机械硬盘

2.11 基本结构

HDD 是一种使用旋转磁盘（盘片）的存储设备，它利用磁性材料在盘片表面上创建磁场，以存储和读取数据。

其主要部件包括：

• 盘片（Platter）：通常是由铝合金、陶瓷或玻璃制成的圆形盘片，数据存储在其表面上。
• 磁头（Read/Write Head）：位于磁盘上方或下方的读写头部件，负责在盘片上读取和写入数据。
• 马达：用于旋转盘片的电动马达，使盘片以高速旋转。
• 传动臂（Actuator Arm）：带有磁头的传动臂，负责在盘片上移动，定位到正确的磁道读取或写入数据。

体积大、读写慢、数据不易丢失（硬件损坏也能较大程度恢复数据）。

2.12 工作原理

磁场表示数据：

• 磁性材料被分成许多微小的区域，每个区域称为一个位（Bit）。
• 当磁头写入数据时，它会改变盘片表面上每个位的磁性状态，即改变磁场的方向。
  • 如果磁场朝向上，表示二进制 1；
  • 如果磁场朝向下，表示二进制 0。

数据读取：

• 当计算机需要读取数据时，控制器发送指令给磁头。
• 传动臂定位磁头到正确的磁道，并旋转盘片找到数据所在的扇区。
• 磁头测量磁场变化，将数据转换为电信号，传输给计算机进行处理。

数据写入：

• 计算机将要写入的数据转换为磁场变化。
• 磁头定位到目标位置，将数据的磁场模式写入盘片表面。

旋转速度：

• 机械硬盘的性能受到旋转速度的影响。通常以每分钟转数（RPM）来衡量，常见的速度为 5400 RPM、7200 RPM，甚至更高。

2.2 固态硬盘

2.21 基本结构

固态硬盘是一种使用闪存存储数据的硬盘，其主要部件包括：

• 存储芯片（NAND Flash Chips）：由多个存储单元组成的芯片，用于存储数据。
• 控制器（Controller）：管理芯片、数据传输和读写操作的主要部件。
• DRAM 缓存：用于临时存储数据和加速访问的缓存器件。

NAND 闪存的基本组成：

• 晶体管：NAND 闪存中的存储单元是由晶体管构成的，每个存储单元包含一个或多个晶体管。
• 控制门（Control Gate）：晶体管中有一个控制门，用于控制存储单元是否写入电荷。
• 浮动栅（Floating Gate）：控制门和晶体管之间有一个浮动栅，用于存储电荷。当存储单元需要写入数据时，电荷会被注入到浮动栅中。
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SSD体积小，速度快，数据不易恢复。

2.22 工作原理

SSD和HDD原理不同，简单来说一个是利用磁场一个是利用电场。

写入数据：

• 当需要写入数据时，控制器会向特定的存储单元发送写入信号。
• 存储单元中的控制门会打开，允许电荷通过，并存储到浮动栅中。
• 通过在浮动栅中存储电荷的数量和状态来表示数据的位，通常是高电荷表示1，低电荷或无电荷表示0。

擦除数据：

• SSD 中的存储单元不能直接覆盖写入数据，因此在需要擦除数据时，需要将存储单元中的浮动栅的电荷状态清除为初始状态。
• 擦除操作会将浮动栅中的电荷全部释放，将存储单元恢复为无电荷状态。

读取数据：

• 当需要读取数据时，控制器会向特定的存储单元发送读取信号。
• 存储单元中的电荷状态会影响到控制门的电流流动，通过检测电流的大小来判断存储单元中的电荷状态。
• 这样就实现了读取操作，读取数据的过程不会改变存储单元中的电荷状态。

三、机械硬盘和固态硬盘的垃圾回收机制

机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）在垃圾回收（GC）（Garbage Collection）机制上有显著的区别，因为它们的存储技术不同。

3.1 机械硬盘GC

机械硬盘（HDD）没有明确的垃圾回收机制。

1. 机械硬盘通常不涉及垃圾回收的概念，因为数据的存储是基于磁场的，而不是像固态硬盘那样基于电场。
2. 覆盖写入：
   • 当文件被删除时，操作系统只是将其标记为可用空间，而不会立即擦除原始数据。
   • 新的数据可能会覆盖已删除的数据，使其不再可访问，但实际的数据擦除不会立即发生。
3. 数据恢复：
   • 由于机械硬盘不涉及垃圾回收，删除的文件仍然可能在磁盘上存在，只是不再被操作系统所识别。
   • 数据恢复工具可以通过扫描磁盘表面来找回已删除的数据，即使被覆盖也有可能部分或完全恢复。

3.2 固态硬盘GC

1. 擦除操作的限制：

   • 固态硬盘中的 NAND 闪存存储单元需要在写入新数据之前进行擦除操作。
   • 由于 NAND 闪存的特性，无法直接在单个存储单元上执行擦除操作（将存储单元中的浮动栅的电荷全部释放，将其恢复为初始状态，即无电荷或低电荷状态。），而是需要对整个块（Block）进行擦除，这可能涉及多个存储单元。
   • 擦除会减少SSD寿命，尤其是全盘格式化。

2. 垃圾回收策略：

   • 固态硬盘通常具有内置的垃圾回收策略，以确保可用空间的最大化和数据写入性能的最优化。
   • 当文件被删除时，固态硬盘可能不会立即擦除相应的存储单元，而是将其标记为垃圾数据。
   • 垃圾回收器定期执行擦除操作，将标记为垃圾的存储单元擦除为可用状态，以便存储新的数据。

3. 写入放大问题：

   • 垃圾回收操作可能导致写入放大（Write Amplification）问题，即实际写入到 NAND 闪存中的数据量可能大于应用程序实际写入的数据量。
   • 写入放大效应的原因：SSD写入前需要确保该存储单元是无电荷状态，但擦除要以Block为单位，写于少量数据却可能擦除较大区域；NAND flash的性能维护问题。
   • 写入放大可能会影响固态硬盘的性能和寿命。

4. TRIM命令：

   • 操作系统可以通过发送 TRIM 命令来通知固态硬盘已删除的数据块，以加速垃圾回收过程。
   • TRIM 命令告诉固态硬盘哪些存储单元不再被使用，并在空闲时间进行擦除 （立即擦除的说法时不准确的）。
   • 没有 TRIM 支持时，固态硬盘可能需要在写入新数据才先擦除旧数据，这会降低写入速度。

比较2和4，可知：固态硬盘开启TRIM指令后，删除的数据会在较短时间内被擦除，不开启TRIM时短时间内则有机会恢复删除的数据（没有写新数据）。擦除操作会在短时间内进行，但并不是马上进行，这还与操作系统、GC算法、SSD控制器设计等有关。但无论如何，都比不开启TRIM指令时的写数据时擦除快。

3.3 TRIM指令开启和关闭

win7及其之后的系统支持TRIM指令。

Windows查看状态：

fsutil behavior query DisableDeleteNotify

开启和关闭用管理员身份运行命令。

开启TRIM：

fsutil behavior set DisableDeleteNotify 0

关闭TRIM（不建议）：

fsutil behavior set DisableDeleteNotify 1

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TRIM指令开启和关闭状态下文件恢复测试：

拿一个Samsung的256G固态来做测试。

原来的文件：

先关闭TRIM指令，并格式化硬盘。

使用winhex可以看到底层数据并没有被删除（注意winhex应该使用管理员身份运行，选项-常规设置里面第一个）：

这表明，不开启TRIM指令时，SSD不会马上进行GC，数据是可以恢复的。

现在使用winhex或者其他任何数据恢复软件都可以恢复的。

比如：

浪费时间，我就不恢复了，注意恢复的文件应该保存到其他硬盘，避免恢复的文件覆盖未恢复的文件。

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现在开启TRIM指令，随便复制个文件到硬盘，再格式化。

数据完全擦除。

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注意，开启TRIM指令，也有可能在短时间内成功恢复数据。因为它是在“合适的时间”擦除，可能几秒，也可能是几分钟后。

开启TRIM时，SSD的文件删除、快速格式化、慢格式化，都会在较短时间内擦除相应的存储单元。

四、做好数据备份

我通常会将编程项目push到GitHub，编辑文档也会开启云端同步。所以这次SSD被意外格式化，损失不大，不过可惜了好多好看的视频😊．

可以单独拿一个机械硬盘做备份，定期做好备份,备份可能遇到一些情况,比如主机要备份的文件时常增减,需要移动硬盘与之同步(或者进行历史多版本备份),可以借助一些软件来实现这种同步，比如:

• FreeFileSync：这是一个开源免费的文件夹和文件同步工具，具有直观的用户界面和强大的功能。它支持双向同步、增量备份、过滤器等功能，可以满足各种同步需求。

• SyncToy：这是由微软开发的免费文件同步工具（不过官网下架了，可以去第三方下载），适用于Windows系统。它可以帮助用户在不同位置的文件夹之间同步文件，并提供了多种同步模式，包括复制、更新、合并等。

• rsync：对于Linux和macOS用户，rsync是一个非常强大的命令行工具，可以实现本地和远程文件夹之间的同步。它支持增量同步、压缩传输等功能。虽然是命令行工具，但具有丰富的选项和灵活性。在终端中输入
  man rsync 可以查看其详细用法和选项。

• GoodSync：这是一个跨平台的同步工具，支持Windows、macOS、Linux以及移动设备等多种平台。它提供了实时同步、备份、文件版本控制等功能，同时具有直观的界面和强大的配置选项。

重要存储使用RAID:

1. RAID 0：数据被分割成多个块，并且在多个硬盘上同时写入，以提高性能。RAID 0没有冗余，因此不提供数据容错能力。
2. RAID 1：数据在两个硬盘上完全镜像备份，提供冗余以增强数据的可靠性。RAID 1的容量等于单个硬盘的容量。
3. RAID 5：数据被划分成多个块，并且每个块及其校验信息被分布式地存储在所有硬盘上，以提高性能和容错能力。RAID 5至少需要三块硬盘，并且可以容忍一块硬盘的故障。
4. RAID 6：类似于RAID 5，但提供更高的容错能力。RAID 6至少需要四块硬盘，并且可以容忍两块硬盘的故障。
5. RAID 10：也称为RAID 1+0，是RAID 1和RAID 0的组合。数据被分割并复制到多个硬盘上，以提高性能和容错能力。