[!NOTE]
本系列文章已進行全域去敏與匿名化處理，專案代號統一為 DataGateway，內網 IP 統一為 10.0.0.x。

回顧前幾天的進度，我們利用 usb_disk.img 作為共用空間，一端透過 USB ConfigFS 餵給 Windows PC，另一端透過 losetup 掛載在 Raspberry Pi 上。

從系統架構圖來看，這似乎非常完美。硬體端的資料送進 DataGateway，寫入虛擬磁碟後，插著 USB 的那台 Windows PC 就能立刻把 .csv 開起來看。

但如果你真的這麼做，你會發現一場災難。檔案會憑空消失、磁區會變成亂碼、甚至 Windows 會跳出「磁碟結構毀損且無法讀取」的警告。

歡迎來到分散式與儲存系統中最經典的惡夢：「雙腦分裂 (Split-Brain)」。

問題情境：什麼是雙腦分裂？

FAT32 是一種非常古老、簡單且假設單一使用者的檔案系統。它依賴檔案分配表 (File Allocation Table) 來記錄哪個檔案放在硬碟的哪個磁區。

當你在 Linux (Raspberry Pi) 或 Windows 系統中掛載一個 FAT32 磁碟時，作業系統會做一件事：快取 (Cache) 檔案分配表。
作業系統為了效能，會把檔案目錄樹與可用空間記錄讀進 RAM 裡，然後盡可能都在記憶體中操作，等到必要時（或者使用者點擊「安全移除硬體」時）才寫回實體硬碟。

現在我們的情境是：

1. Windows (第一顆大腦) 把 usb_disk.img 掛載起來，讀取了它認為的 FAT 表。
2. Linux (第二顆大腦) 也用 losetup 把 usb_disk.img 掛載起來，也讀取了另一份 FAT 表。

毀滅場景推演：

• 護理師在 Windows 上開啟隨身碟，看到裡面是空的。這時 Windows 在記憶體裡記住：「目前可用空間是 256MB，沒有任何檔案」。
• 同一時間，DataGateway 的感測器收到了新資料，Linux 決定寫入一份 patient_123.csv。Linux 修改了它自己 RAM 裡的 FAT 表，把資料寫進硬碟的某個磁區 A。
• 接著，護理師在 Windows 裡看見隨身碟是空的，決定新增一個文字檔 note.txt。Windows 依照它自己的快取，認為磁區 A 是空的，於是直接把 note.txt 寫進磁區 A。

轟！
Windows 直接覆蓋了 Linux 剛剛寫入的二進位資料。
而且因為 Linux 完全不知道 Windows 修改了硬碟，Linux 接下來若要讀取 patient_123.csv，讀出來的就會是 Windows 寫進去的 note.txt 亂碼，最終導致 FAT 表完全崩潰。

[!CAUTION]
絕對禁止多個作業系統同時掛載同一個 Block Device (除非使用特製的 Cluster File System，如 OCFS2 或 GFS2，但 Windows 都不支援)。這會導致不可逆的資料毀損！

雙腦危機的核心衝突

為什麼一般的隨身碟不會發生這種事？
因為你把實體隨身碟插到電腦 A，再拔下來插到電腦 B。這是一個互斥 (Mutually Exclusive) 的操作。
當隨身碟在空中時，不會有任何作業系統對它進行寫入，因此每次掛載，OS 讀取到的 FAT 表永遠是最新的。

但在我們的 DataGateway 架構中，這顆 usb_disk.img 是虛擬的，它可以無時無刻被兩個作業系統透過不同路徑存取，導致我們失去了硬體層面上的互斥鎖 (Hardware Mutex)。

解決方案的探索與架構演進

為了解決這個致命的架構缺陷，我們在開發初期嘗試了幾條路：

❌ 嘗試一：Sync 大法好？

有工程師提議，只要 Linux 在寫入後立刻執行 sync 指令強制作業系統將緩存刷入硬碟，Windows 端不就能看到新資料了嗎？
失敗。 雖然 Linux 把資料寫下去了，但 Windows 不會知道。Windows 依然相信它在插入隨身碟那一刻快取在 RAM 裡的 FAT 結構。除非你把 USB 拔掉重插，否則 Windows 永遠看不到新檔案。

❌ 嘗試二：讓 USB 唯讀就好？

既然同時寫入會毀滅世界，那我們用 ConfigFS 把 USB 設為唯讀 (echo 1 > lun.0/ro)，只有 Linux 能寫，Windows 只能讀。這樣總行了吧？
失敗。 就算 Windows 是唯讀，它依然會有快取問題。Linux 寫入的新資料，Windows 不拔掉重插一樣看不見。更慘的是，某些醫療軟體在讀取資料庫時，會習慣在隨身碟裡產生 .tmp 或 .lock 鎖定檔，如果 USB 是唯讀的，這些軟體會直接報錯崩潰。

✅ 最終架構：軟體互斥鎖 (Software Mutex)

我們必須用軟體機制，還原「隨身碟被拔下」的這個物理動作。

核心概念只有一句話：
同一時間，usb_disk.img 只能被其中一方掛載。

1. 當 USB 纜線未連接 PC 時：Linux 獨佔掛載這個虛擬磁碟，不斷將感測器資料寫入。
2. 當偵測到 USB 纜線已連接 PC，且有電力供應時：Linux 必須立刻釋放 (umount) 這顆虛擬磁碟，然後才啟用 USB Gadget 讓 Windows 掛載。
3. 當 USB 纜線拔除時：關閉 USB Gadget，Linux 重新將磁碟掛載回來，繼續寫入後續的感測器資料。

這就是我們實作的「智慧卸載」機制。
這聽起來很直觀，但在沒有實體按鈕的無頭設備 (Headless) 上，我們怎麼知道 USB 線被插上了？而且，如果在插上的那一瞬間，Linux 剛好正在寫入資料，直接卸載會不會導致資料遺失？

明天，我們將實作一套精密的 USB 狀態監聽機制，在千分之一秒內完成磁碟控制權的奪取與移交！