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為什么這么設(shè)計(Why’s THE Design)是一系列關(guān)于計算機領(lǐng)域中程序設(shè)計決策的文章，我們在這個系列的每一篇文章中都會提出一個具體的問題并從不同的角度討論這種設(shè)計的優(yōu)缺點、對具體實現(xiàn)造成的影響。

相信今天很多的軟件工程師使用的都是 Linux 或者 macOS 系統(tǒng)，與 Windows 不同，我們很難看到磁盤碎片整理這一概念，從個人的經(jīng)驗來看，作者在過去七八年沒有在 macOS 中整理過磁盤的碎片，你在今天的磁盤工具中也找不到相關(guān)的操作，只能通過 diskutil 命令設(shè)置某一塊磁盤是否開啟或者關(guān)閉碎片整理。

圖 1 - macOS 磁盤工具

我們在 前一篇文章 中曾經(jīng)分析過為什么早期 Windows 操作系統(tǒng)每隔一段時間可能需要整理磁盤上的碎片[^1]，該問題背后有兩個原因，其一是 Windows 使用的 FAT 是很簡單的文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)的設(shè)計決定了同一份文件可能會散落在磁盤的不同位置，其二是固態(tài)硬盤在上古時代沒有普及，機械硬盤的隨機讀寫性能很差。

• Linux 和 macOS 系統(tǒng)不需要碎片整理的原因與 Windows 需要碎片整理的原因正好相反：
• Linux 和 macOS 使用的文件系統(tǒng)或者降低了碎片發(fā)生的概率或者實現(xiàn)自動整理碎片的特性;

固態(tài)硬盤與機械硬盤具有不同的特性，碎片整理可能不僅對提高讀寫性能沒有顯著的幫助，還不利于硬件的使用壽命;

文件系統(tǒng)

Linux 一般都使用 Ext2、Ext3 和 Ext4 文件系統(tǒng)，今天的大多數(shù) Linux 發(fā)行版都選擇了 Ext4。與 Windows 將多個文件連續(xù)存儲的方式不同，Linux 會把文件散落到磁盤的不同地方存儲，同時在文件之間留下一些空間，保證文件在修改或者更新時不會造成碎片。

圖 2 - Linux 文件系統(tǒng)[^2]

今天的 macOS 多數(shù)都使用 APFS 文件系統(tǒng)[^3]，它是蘋果專門為固態(tài)硬盤等設(shè)備優(yōu)化的文件系統(tǒng)。更早的 HFS 和 HFS+ 都是用了基于區(qū)塊(Extent)的設(shè)計，每個區(qū)塊都包含序號和一段連續(xù)的存儲空間，這種分配方式會在文件系統(tǒng)中查找?guī)讉€連續(xù)的區(qū)塊來提供所需的空間。

圖 3 - macOS 文件系統(tǒng)

無論是 Linux 還是 macOS，它們的文件系統(tǒng)都是基于區(qū)塊設(shè)計的，而磁盤的空間分配也相對比較合理，所以不會出現(xiàn) Windows 系統(tǒng)上碎片化的磁盤。

除了文件系統(tǒng)在設(shè)計就避免了碎片的出現(xiàn)之外，Linux 和 macOS 也都是引入了延遲分配空間的策略，它們會通過緩沖區(qū)盡可能延遲磁盤寫入的時間，這樣不僅能夠降低刷盤的概率，還能增加文件寫入相鄰區(qū)塊的概率，然而這種機制并不是沒有副作用，在系統(tǒng)斷電或者崩潰時可能會丟失更多的數(shù)據(jù)。

如果磁盤上確實出現(xiàn)了碎片，那么 Linux 和 macOS 的文件系統(tǒng)也會嘗試移動出現(xiàn)碎片的文件，不需要額外的碎片整理工具，這種設(shè)計帶來的用戶體驗會比手動觸發(fā)耗時較長的碎片整理好很多。macOS 上的 HFS+ 系統(tǒng)還支持實時的去碎片化，當(dāng)滿足以下條件時會觸發(fā)碎片整理[^4]：

• 文件小于 20 MB;
• 文件存儲在 8 個以上的區(qū)塊上;
• 文件在過去一分鐘沒有被更新;
• 系統(tǒng)已經(jīng)啟動了三分鐘;

在多數(shù)情況下，這些操作系統(tǒng)中的磁盤碎片比例都非常低，只有在磁盤空間不足時才會開始出現(xiàn)碎片，所以在這時我們其實需要的是一個更大的磁盤或者更新的電腦，而不是整理磁盤上的碎片。

固態(tài)硬盤

固態(tài)硬盤其實已經(jīng)是有著三十年歷史的存儲介質(zhì)了，但是由于固態(tài)硬盤的價格在過去一直都十分昂貴，所以沒有在數(shù)據(jù)中心和個人電腦中普及開來。哪怕是在今天，機械磁盤的價格與固態(tài)硬盤相比也有比較明顯的優(yōu)勢。

圖 4 - 固態(tài)硬盤和機械硬盤價格對比

新型的存儲介質(zhì)帶來了全新的特性和性能，我們在前一篇文章中曾經(jīng)介紹過，因為機械硬盤的機械結(jié)構(gòu)，所以它的隨機 I/O 與順序的 I/O 性能可能相差幾百倍，碎片整理可以將散落在磁盤上的數(shù)據(jù)合并到一處，隨機 I/O 的次數(shù)減少自然也會提高讀寫文件的性能。

固態(tài)硬盤的順序 I/O 和隨機 I/O 在性能上雖然也有差異，但是差距可能在十幾倍到幾十倍之間，而固態(tài)硬盤的隨機 I/O 延遲也比機械磁盤好幾十倍甚至上千倍，到現(xiàn)在來看整理固態(tài)硬盤上的碎片雖然有收益，但是也比較有限。

圖 5 - NAND 閃存的演進

作為電子元件的固態(tài)硬盤雖然有著較好的性能表現(xiàn)，但是固態(tài)硬盤都有循環(huán)擦寫的次數(shù)限制，也被稱作 P/E。它的壽命與機械硬盤相比卻比較有限。如果一個 512 GB 的固態(tài)硬盤的擦寫數(shù)目是 1000 次，每次寫滿數(shù)據(jù)都會消耗一次壽命，等擦寫次數(shù)達(dá)到 1000 次之后硬盤就會報廢，碎片整理其實就是主動移動硬盤上的數(shù)據(jù)，自然會影響硬件的壽命。

總結(jié)

在軟件工程中有一個非常有趣的現(xiàn)象，做硬件和基礎(chǔ)架構(gòu)的工程師都在拼命優(yōu)化系統(tǒng)的性能，然而應(yīng)用層的工程師很多時候并不在乎性能上的微小差異，而這也是工作職責(zé)上的差異帶來的結(jié)果，不同的位置決定了不同的關(guān)注點。

硬件的演進和革新深深地影響著上層軟件的設(shè)計，想要設(shè)計出通用的系統(tǒng)是異常困難的，在設(shè)計文件系統(tǒng)時如果不考慮底層硬件的特性，也就無法充分利用硬件提供的性能并得到期望的結(jié)果。這里簡單總結(jié)一下 Linux 和 macOS 不需要碎片整理的兩個原因：

• 文件系統(tǒng)基于區(qū)塊分配的設(shè)計使得磁盤上出現(xiàn)碎片的概率很低，延遲分配和自動的整理策略解放了操作系統(tǒng)的使用者，在多數(shù)情況下不需要考慮磁盤的碎片化;
• 固態(tài)硬盤的隨機讀寫性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于機械硬盤，隨機讀寫和順序讀寫雖然也有性能差異，但是沒有機械硬盤的差異巨大，而頻繁的碎片整理也會影響固態(tài)硬盤的使用壽命;

到最后，我們還是來看一些比較開放的相關(guān)問題，有興趣的讀者可以仔細(xì)思考一下下面的問題，與前面的問題不同，作者會在后面的文章中解答這兩個問題：

• 為什么固態(tài)硬盤的擦寫次數(shù)有上限?
• 機械硬盤在哪些情況下更容易損壞?

如果對文章中的內(nèi)容有疑問或者想要了解更多軟件工程上一些設(shè)計決策背后的原因，可以在博客下面留言，作者會及時回復(fù)本文相關(guān)的疑問并選擇其中合適的主題作為后續(xù)的內(nèi)容。

參考資料

[^1]: 為什么早期的 Windows 需要整理碎片 https://draveness.me/whys-the-design-windows-defragmentation/

[^2]: Is there a tool to visualize a filesystem allocation map on Linux? https://unix.stackexchange.com/questions/30743/is-there-a-tool-to-visualize-a-filesystem-allocation-map-on-linux

[^3]: Wikipedia: Apple File System https://en.wikipedia.org/wiki/Apple_File_System

[^4]: HFS+ and File System Fragmentation https://developercoach.com/file-system-fragmentation/

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