تجزئة نظام الملفات

The following example is a simplification of an otherwise complicated subject. Consider the following scenario: A new disk has had five files, named A, B, C, D and E, saved continuously and sequentially in that order. Each file is using 10 blocks of space. (Here, the block size is unimportant.) The remainder of the disk space is one free block. Thus, additional files can be created and saved after file E.

If the file B is deleted, a second region of ten blocks of free space is created, and the disk becomes fragmented. The empty space is simply left there, marked as available for later use, then used again as needed.^[b] The file system could defragment the disk immediately after a deletion, but doing so would incur a severe performance penalty at unpredictable times.

Now, a new file called F, which requires seven blocks of space, can be placed into the first seven blocks of the newly freed space formerly holding the file B, and the three blocks following it will remain available. If another new file called G, which needs only three blocks, is added, it could then occupy the space after F and before C.

If subsequently F needs to be expanded, since the space immediately following it is occupied, there are three options for the file system:

1. Adding a new block somewhere else and indicating that F has a second extent
2. Moving files in the way of the expansion elsewhere, to allow F to remain contiguous
3. Moving file F so it can be one contiguous file of the new, larger size

The second option is probably impractical for performance reasons, as is the third when the file is very large. The third option is impossible when there is no single contiguous free space large enough to hold the new file. Thus the usual practice is simply to create an extent somewhere else and chain the new extent onto the old one.

Material added to the end of file F would be part of the same extent. But if there is so much material that no room is available after the last extent, then another extent would have to be created, and so on. Eventually the file system has free segments in many places and some files may be spread over many extents. Access time for those files (or for all files) may become excessively long.

يحدث تجزئة الملفات الفردية عندما يُقسّم ملف واحد إلى أجزاء متعددة (تُسمى امتدادات في أنظمة الملفات القائمة على الامتدادات). ورغم أن أنظمة ملفات القرص تحاول الحفاظ على تجاور الملفات الفردية، إلا أن ذلك لا يكون ممكنًا في كثير من الأحيان دون تأثير سلبي كبير على الأداء. وعادةً ما تأخذ أدوات فحص نظام الملفات وإلغاء تجزئته تجزئة الملفات في الحسبان فقط ضمن إحصائية "نسبة التجزئة".

يحدث تجزئة المساحة الحرة (غير المخصصة) عندما توجد عدة مناطق غير مستخدمة في نظام الملفات حيث يمكن كتابة ملفات أو بيانات وصفية جديدة. وعادةً ما ينتج تجزئة المساحة الحرة غير المرغوب فيها عن حذف الملفات أو اقتطاعها، ولكن قد تقوم أنظمة الملفات أيضًا بإدراج أجزاء ("فقاعات") من المساحة الحرة عمدًا لتسهيل توسيع الملفات المجاورة (انظر منع التجزئة أدناه).

يشير تجزئة الملفات، أو تجزئة الملفات المرتبطة، أو تجزئة الملفات على مستوى التطبيق، إلى عدم وجود مرجعية متبادلة (داخل وسيط التخزين) بين الملفات المرتبطة. وعلى عكس النوعين السابقين من التجزئة، يُعد تشتت الملفات مفهومًا أكثر غموضًا، إذ يعتمد بشكل كبير على نمط الوصول لتطبيقات محددة. وهذا ما يجعل قياسه أو تقديره بموضوعية أمرًا بالغ الصعوبة. ومع ذلك، يُمكن القول إنه النوع الأكثر أهمية من التجزئة، حيث وجدت الدراسات أن الملفات الأكثر استخدامًا تميل إلى أن تكون صغيرة الحجم مقارنةً بمعدل نقل البيانات المتاح على القرص في الثانية. ^{[ 4 ]}

لتجنب تجزئة الملفات ذات الصلة وتحسين تجاور الملفات (أو ما يُسمى في هذه الحالة بتجاور الملفات )، لا بد من وضع افتراضات أو إجراء ملاحظات دقيقة حول كيفية عمل التطبيقات. ومن الافتراضات الشائعة جدًا أنه من المفيد الاحتفاظ بالملفات الأصغر حجمًا في مجلد واحد معًا، وترتيبها وفقًا لترتيب نظام الملفات الطبيعي. ورغم أن هذا الافتراض غالبًا ما يكون منطقيًا، إلا أنه ليس صحيحًا دائمًا. فعلى سبيل المثال، قد يقرأ تطبيق ما عدة ملفات مختلفة، ربما في مجلدات مختلفة، بنفس ترتيب كتابتها. وبالتالي، قد يكون نظام الملفات الذي يُرتب جميع عمليات الكتابة بالتتابع أسرع بالنسبة لهذا التطبيق.

قد تتعرض الفهارس أو الكتالوجات التي يستخدمها نظام الملفات نفسه للتجزؤ بمرور الوقت، نتيجةً لإنشاء أو تغيير أو حذف البيانات التي تحتويها. ويُعدّ هذا الأمر أكثر أهميةً عندما يحتوي المجلد على عدد كبير من الملفات الصغيرة جدًا مقارنةً باحتوائه على عدد أقل من الملفات الكبيرة. وبحسب تصميم نظام الملفات، قد تتعرض الملفات أو المناطق التي تحتوي على تلك البيانات للتجزؤ أيضًا (كما هو موضح أعلاه بالنسبة للملفات "العادية")، بغض النظر عن أي تجزئة لسجلات البيانات الفعلية المحفوظة داخل تلك الملفات أو المناطق. ^{[ 5 ]}

بالنسبة لبعض أنظمة الملفات (مثل NTFS ^{[ c ]} و HFS / HFS Plus ^{[ 6 ]} )، لا يمكن إجراء عملية الترتيب / الفرز / الضغط اللازمة لتحسين هذه البيانات بسهولة أثناء استخدام نظام الملفات. ^{[ 7 ]}

تحاول التقنيات الاستباقية تقليل التجزئة إلى أدنى حد ممكن عند كتابة البيانات على القرص. وأبسط هذه التقنيات هي إلحاق البيانات بجزء موجود في مكانه كلما أمكن ذلك، بدلاً من تخصيص كتل جديدة لجزء جديد.

تحاول العديد من أنظمة الملفات الحالية تخصيص أجزاء أطول مسبقًا، أو أجزاء من مساحات تخزين حرة مختلفة، تُسمى " امتدادات" ، للملفات التي تُضاف إليها البيانات بشكل نشط. وهذا يمنع إلى حد كبير تجزئة الملفات عند إضافة البيانات إلى عدة ملفات في وقت واحد، وبالتالي يمنع تشابكها بشكل مفرط. ^{[ 9 ]}

إذا كان الحجم النهائي لملفٍ ما معروفًا، يُمكن تخصيص مساحة تخزين مُسبقة له بالكامل. على سبيل المثال، يُمكن تغيير حجم ملف التبديل (ملف الصفحة) في نظام التشغيل مايكروسوفت ويندوز ديناميكيًا أثناء التشغيل العادي، مما قد يؤدي إلى تجزئته بشكل كبير. يُمكن تجنب ذلك بتحديد ملف صفحة بنفس الحد الأدنى والحد الأقصى للحجم، مما يُؤدي فعليًا إلى تخصيص مساحة تخزين مُسبقة للملف بأكمله.

يحد برنامج BitTorrent وتطبيقات مشاركة الملفات الأخرى من نوع نظير إلى نظير من التجزئة عن طريق تخصيص المساحة الكاملة اللازمة للملف مسبقًا عند بدء التنزيلات . ^{[ 12 ]}

تُعدّ تقنية التخصيص المؤجل في أنظمة الملفات XFS و HFS+ ^{[ 13 ]} و ZFS تقنية حديثة نسبيًا ؛ وتُعرف هذه التقنية أيضًا باسم "التخصيص عند التفريغ" في نظامي الملفات reiser4 و ext4 . عند الكتابة إلى نظام الملفات، تُحجز كتل النظام، ولكن لا تُحدد مواقع الملفات بعد. لاحقًا، عندما يُجبر نظام الملفات على تفريغ التغييرات نتيجةً لضغط الذاكرة أو إتمام معاملة، يكون لدى مُخصِّص الذاكرة معرفة أفضل بخصائص الملفات. تحاول معظم أنظمة الملفات التي تعتمد هذا النهج تفريغ الملفات في دليل واحد بشكل متجاور. وبافتراض شيوع عمليات القراءة المتعددة من دليل واحد، تتحسن موضعية المرجع. ^{[ 14 ]} كما يُرتب نظام الملفات reiser4 تخطيط الملفات وفقًا لجدول تجزئة الدليل، بحيث تُقرأ الملفات دائمًا بالتسلسل عند الوصول إليها بترتيب نظام الملفات الطبيعي (كما يُحدده الأمر readdir ). ^{[ 15 ]}

تحاول التقنيات الاسترجاعية الحد من التجزئة، أو آثارها السلبية، بعد حدوثها. توفر العديد من أنظمة الملفات أدوات إلغاء التجزئة ، التي تحاول إعادة ترتيب أجزاء الملفات، وأحيانًا تقليل تشتتها (أي تحسين تجاورها، أو موضع مرجعها ) عن طريق الاحتفاظ بالملفات الأصغر في مجلدات ، أو هياكل مجلدات، أو حتى تسلسلات ملفات قريبة من بعضها البعض على القرص.

يقوم نظام الملفات HFS Plus بإلغاء تجزئة الملفات التي يقل حجمها عن 20 ميجابايت والتي يتم تقسيمها إلى 8 أجزاء أو أكثر عند فتح الملف بشكل شفاف. ^{[ 16 ]}

كان نظام الملفات الذكي (SFS) الخاص بجهاز كومودور أميغا، والذي أصبح الآن قديمًا، يقوم بإلغاء تجزئة الملفات تلقائيًا أثناء استخدام النظام. وتتميز عملية إلغاء التجزئة بأنها لا تعتمد على حالة النظام تقريبًا (باستثناء الموقع الذي تعمل عليه)، مما يسمح بإيقافها واستئنافها فورًا. وخلال عملية إلغاء التجزئة، يتم ضمان سلامة البيانات ، سواءً البيانات الوصفية أو البيانات العادية.