解决方案

结论是我对磁盘实际工作方式的假设错了。我的新假设是：

1. 写入是线性的。要么从第一个字节写到最后一个字节，要么反过来。当发生崩溃时，写入会在中途停止。
2. 小于磁盘扇区大小的写入会让操作系统读取该扇区，修改其数据并写回。在硬件层面，读写都不会小于一个扇区。扇区至少为512字节（如今通常为4K）。
3. 像 btrfs inspect-internal dump-super <path> 这样的工具可以让你查看扇区大小。但你需要sudo权限。文件系统的实现各不相同且复杂，无法确切知道你这个文件内部的扇区边界在哪里，边界甚至可能分布不规律。
4. CRC是检测写入是否在中途停止的一个好方法。

结论：你需要把元数据冗余存放在文件中的固定位置。你必须至少有两份完全相同的副本。覆盖时，先覆盖其中一个副本，将其force() 写入磁盘，然后再覆盖另一个副本。读取时，读取两份副本，要么两者相同，要么其中一个的CRC不正确。

这就是我能接受的方案。感谢大家，尤其是 @Slaw的帮助。