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[26467] 2021-07-02_为什么Linux和macOS不需要碎片整理

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-07-02_为什么Linux和macOS不需要碎片整理 为 什 么   L i n u x   和   m a c O S   不 需 要 碎 片 整 理 L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 7 - 0 2 以 下 文 章 来 源 于 真 没 什 么 逻 辑   ， 作 者 D r a v e n e s s 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 真 没 什 么 逻 辑 真 没 什 么 逻 辑 为 什 么 这 么 设 计 （ W h y ’ s   T H E   D e s i g n ） 是 一 系 列 关 于 计 算 机 领 域 中 程 序 设 计 决 策 的 文 章 ， 我 们 在 这 个 系 列 的 每 一 篇 文 章 中 都 会 提 出 一 个 具 体 的 问 题 并 从 不 同 的 角 度 讨 论 这 种 设 计 的 优 缺 点 、 对 具 体 实 现 造 成 的 影 响 。 如 果 你 有 想 要 了 解 的 问 题 ， 可 以 在 文 章 下 面 留 言 。 相 信 今 天 很 多 的 软 件 工 程 师 使 用 的 都 是   L i n u x   或 者   m a c O S   系 统 ， 与   W i n d o w s   不 同 ， 我 们 很 难 看 到 磁 盘 碎 片 整 理 这 一 概 念 ， 从 个 人 的 经 验 来 看 ， 作 者 在 过 去 七 八 年 没 有 在   m a c O S   中 整 理 过 磁 盘 的 碎 片 ， 你 在 今 天 的 磁 盘 工 具 中 也 找 不 到 相 关 的 操 作 ， 只 能 通 过   d i s k u t i l   命 令 设 置 某 一 块 磁 盘 是 否 开 启 或 者 关 闭 碎 片 整 理 。 图 图   1   -   m a c O S   磁 盘 工 具 磁 盘 工 具 我 们 在   前 一 篇 文 章   中 曾 经 分 析 过 为 什 么 早 期   W i n d o w s   操 作 系 统 每 隔 一 段 时 间 可 能 需 要 整 理 磁 盘 上 的 碎 片 [ ^ 1 ] ， 该 问 题 背 后 有 两 个 原 因 ， 其 一 是   W i n d o w s   使 用 的   F A T   是 很 简 单 的 文 件 系 统 ， 该 文 件 系 统 的 设 计 决 定 了 同 一 份 文 件 可 能 会 散 落 在 磁 盘 的 不 同 位 置 ， 其 二 是 固 态 硬 盘 在 上 古 时 代 没 有 普 及 ， 机 械 硬 盘 的 随 机 读 写 性 能 很 差 。 L i n u x   和   m a c O S   系 统 不 需 要 碎 片 整 理 的 原 因 与   W i n d o w s   需 要 碎 片 整 理 的 原 因 正 好 相 反 ： 真 没 什 么 逻 辑 真 没 什 么 逻 辑   . 系 统 设 计 、 微 服 务 架 构 和 云 原 生 技 术
L i n u x   和   m a c O S   使 用 的 文 件 系 统 或 者 降 低 了 碎 片 发 生 的 概 率 或 者 实 现 自 动 整 理 碎 片 的 特 性 ； 固 态 硬 盘 与 机 械 硬 盘 具 有 不 同 的 特 性 ， 碎 片 整 理 可 能 不 仅 对 提 高 读 写 性 能 没 有 显 著 的 帮 助 ， 还 不 利 于 硬 件 的 使 用 寿 命 ； 文 件 系 统 文 件 系 统 L i n u x   一 般 都 使 用   E x t 2 、 E x t 3   和   E x t 4   文 件 系 统 ， 今 天 的 大 多 数   L i n u x   发 行 版 都 选 择 了   E x t 4 。 与   W i n d o w s   将 多 个 文 件 连 续 存 储 的 方 式 不 同 ， L i n u x   会 把 文 件 散 落 到 磁 盘 的 不 同 地 方 存 储 ， 同 时 在 文 件 之 间 留 下 一 些 空 间 ， 保 证 文 件 在 修 改 或 者 更 新 时 不 会 造 成 碎 片 。 图 图   2   -   L i n u x   文 件 系 统 文 件 系 统 [ ^ 2 ] 今 天 的   m a c O S   多 数 都 使 用   A P F S   文 件 系 统 [ ^ 3 ] ， 它 是 苹 果 专 门 为 固 态 硬 盘 等 设 备 优 化 的 文 件 系 统 。 更 早 的   H F S   和   H F S + 都 是 用 了 基 于 区 块 （ E x t e n t ） 的 设 计 ， 每 个 区 块 都 包 含 序 号 和 一 段 连 续 的 存 储 空 间 ， 这 种 分 配 方 式 会 在 文 件 系 统 中 查 找 几 个 连 续 的 区 块 来 提 供 所 需 的 空 间 。
图 图   3   -   m a c O S   文 件 系 统 文 件 系 统 无 论 是   L i n u x   还 是   m a c O S ， 它 们 的 文 件 系 统 都 是 基 于 区 块 设 计 的 ， 而 磁 盘 的 空 间 分 配 也 相 对 比 较 合 理 ， 所 以 不 会 出 现 W i n d o w s   系 统 上 碎 片 化 的 磁 盘 。 除 了 文 件 系 统 在 设 计 就 避 免 了 碎 片 的 出 现 之 外 ， L i n u x   和   m a c O S   也 都 是 引 入 了 延 迟 分 配 空 间 的 策 略 ， 它 们 会 通 过 缓 冲 区 尽 可 能 延 迟 磁 盘 写 入 的 时 间 ， 这 样 不 仅 能 够 降 低 刷 盘 的 概 率 ， 还 能 增 加 文 件 写 入 相 邻 区 块 的 概 率 ， 然 而 这 种 机 制 并 不 是 没 有 副 作 用 ， 在 系 统 断 电 或 者 崩 溃 时 可 能 会 丢 失 更 多 的 数 据 。 如 果 磁 盘 上 确 实 出 现 了 碎 片 ， 那 么   L i n u x   和   m a c O S   的 文 件 系 统 也 会 尝 试 移 动 出 现 碎 片 的 文 件 ， 不 需 要 额 外 的 碎 片 整 理 工 具 ， 这 种 设 计 带 来 的 用 户 体 验 会 比 手 动 触 发 耗 时 较 长 的 碎 片 整 理 好 很 多 。 m a c O S   上 的   H F S +   系 统 还 支 持 实 时 的 去 碎 片 化 ， 当 满 足 以 下 条 件 时 会 触 发 碎 片 整 理 [ ^ 4 ] ： 文 件 小 于   2 0   M B ； 文 件 存 储 在   8   个 以 上 的 区 块 上 ； 文 件 在 过 去 一 分 钟 没 有 被 更 新 ； 系 统 已 经 启 动 了 三 分 钟 ； 在 多 数 情 况 下 ， 这 些 操 作 系 统 中 的 磁 盘 碎 片 比 例 都 非 常 低 ， 只 有 在 磁 盘 空 间 不 足 时 才 会 开 始 出 现 碎 片 ， 所 以 在 这 时 我 们 其 实 需 要 的 是 一 个 更 大 的 磁 盘 或 者 更 新 的 电 脑 ， 而 不 是 整 理 磁 盘 上 的 碎 片 。 固 态 硬 盘 固 态 硬 盘 固 态 硬 盘 其 实 已 经 是 有 着 三 十 年 历 史 的 存 储 介 质 了 ， 但 是 由 于 固 态 硬 盘 的 价 格 在 过 去 一 直 都 十 分 昂 贵 ， 所 以 没 有 在 数 据 中 心 和 个 人 电 脑 中 普 及 开 来 。 哪 怕 是 在 今 天 ， 机 械 磁 盘 的 价 格 与 固 态 硬 盘 相 比 也 有 比 较 明 显 的 优 势 。
图 图   4   -   固 态 硬 盘 和 机 械 硬 盘 价 格 对 比 固 态 硬 盘 和 机 械 硬 盘 价 格 对 比 新 型 的 存 储 介 质 带 来 了 全 新 的 特 性 和 性 能 ， 我 们 在 前 一 篇 文 章 中 曾 经 介 绍 过 ， 因 为 机 械 硬 盘 的 机 械 结 构 ， 所 以 它 的 随 机 I / O   与 顺 序 的   I / O   性 能 可 能 相 差 几 百 倍 ， 碎 片 整 理 可 以 将 散 落 在 磁 盘 上 的 数 据 合 并 到 一 处 ， 随 机   I / O   的 次 数 减 少 自 然 也 会 提 高 读 写 文 件 的 性 能 。 固 态 硬 盘 的 顺 序   I / O   和 随 机   I / O   在 性 能 上 虽 然 也 有 差 异 ， 但 是 差 距 可 能 在 十 几 倍 到 几 十 倍 之 间 ， 而 固 态 硬 盘 的 随 机   I / O 延 迟 也 比 机 械 磁 盘 好 几 十 倍 甚 至 上 千 倍 ， 到 现 在 来 看 整 理 固 态 硬 盘 上 的 碎 片 虽 然 有 收 益 ， 但 是 也 比 较 有 限 。 图 图   5   -   N A N D   闪 存 的 演 进 闪 存 的 演 进 作 为 电 子 元 件 的 固 态 硬 盘 虽 然 有 着 较 好 的 性 能 表 现 ， 但 是 固 态 硬 盘 都 有 循 环 擦 写 的 次 数 限 制 ， 也 被 称 作   P / E 。 它 的 寿 命 与 机 械 硬 盘 相 比 却 比 较 有 限 。 如 果 一 个   5 1 2   G B   的 固 态 硬 盘 的 擦 写 数 目 是   1 0 0 0   次 ， 每 次 写 满 数 据 都 会 消 耗 一 次 寿 命 ， 等 擦 写 次 数 达 到   1 0 0 0   次 之 后 硬 盘 就 会 报 废 ， 碎 片 整 理 其 实 就 是 主 动 移 动 硬 盘 上 的 数 据 ， 自 然 会 影 响 硬 件 的 寿 命 。
总 结 总 结 在 软 件 工 程 中 有 一 个 非 常 有 趣 的 现 象 ， 做 硬 件 和 基 础 架 构 的 工 程 师 都 在 拼 命 优 化 系 统 的 性 能 ， 然 而 应 用 层 的 工 程 师 很 多 时 候 并 不 在 乎 性 能 上 的 微 小 差 异 ， 而 这 也 是 工 作 职 责 上 的 差 异 带 来 的 结 果 ， 不 同 的 位 置 决 定 了 不 同 的 关 注 点 。 硬 件 的 演 进 和 革 新 深 深 地 影 响 着 上 层 软 件 的 设 计 ， 想 要 设 计 出 通 用 的 系 统 是 异 常 困 难 的 ， 在 设 计 文 件 系 统 时 如 果 不 考 虑 底 层 硬 件 的 特 性 ， 也 就 无 法 充 分 利 用 硬 件 提 供 的 性 能 并 得 到 期 望 的 结 果 。 这 里 简 单 总 结 一 下   L i n u x   和   m a c O S   不 需 要 碎 片 整 理 的 两 个 原 因 ： 文 件 系 统 基 于 区 块 分 配 的 设 计 使 得 磁 盘 上 出 现 碎 片 的 概 率 很 低 ， 延 迟 分 配 和 自 动 的 整 理 策 略 解 放 了 操 作 系 统 的 使 用 者 ， 在 多 数 情 况 下 不 需 要 考 虑 磁 盘 的 碎 片 化 ； 固 态 硬 盘 的 随 机 读 写 性 能 远 远 好 于 机 械 硬 盘 ， 随 机 读 写 和 顺 序 读 写 虽 然 也 有 性 能 差 异 ， 但 是 没 有 机 械 硬 盘 的 差 异 巨 大 ， 而 频 繁 的 碎 片 整 理 也 会 影 响 固 态 硬 盘 的 使 用 寿 命 ； 参 考 资 料 参 考 资 料 [ ^ 1 ] :   为 什 么 早 期 的   W i n d o w s   需 要 整 理 碎 片   h t t p s : / / d r a v e n e s s . m e / w h y s - t h e - d e s i g n - w i n d o w s - d e f r a g m e n t a t i o n / [ ^ 2 ] :   I s   t h e r e   a   t o o l   t o   v i s u a l i z e   a   f i l e s y s t e m   a l l o c a t i o n   m a p   o n   L i n u x ?   h t t p s : / / u n i x . s t a c k e x c h a n g e . c o m / q u e s t i o n s / 3 0 7 4 3 / i s - t h e r e - a - t o o l - t o - v i s u a l i z e - a - f i l e s y s t e m - a l l o c a t i o n - m a p - o n - l i n u x [ ^ 3 ] :   W i k i p e d i a :   A p p l e   F i l e   S y s t e m   h t t p s : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i / A p p l e _ F i l e _ S y s t e m [ ^ 4 ] :   H F S +   a n d   F i l e   S y s t e m   F r a g m e n t a t i o n   h t t p s : / / d e v e l o p e r c o a c h . c o m / f i l e - s y s t e m - f r a g m e n t a t i o n / - - -   E O F   - - - 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓ 阅 读 原 文
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