多出7.8GB空間？揭秘iOS 10.3黑科技文件管理APFS系統(tǒng)

　　2016年6月14日，蘋果在 WWDC 上正式宣布了全新的文件格式——Apple File System（簡(jiǎn)稱 APFS）。根據(jù) Apple 提供的初版開(kāi)發(fā)者文檔介紹，APFS 的具體解釋是：針對(duì)閃存/SSD 存儲(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，提供了更強(qiáng)大的加密、寫入時(shí)復(fù)制（Copy-on-write）元數(shù)據(jù)、空間分享、文件和目錄克隆、快照、目錄大小快速調(diào)整、原子級(jí)安全存儲(chǔ)基元（Atomic safe-save primitives），以及改進(jìn)的文件系統(tǒng)底層技術(shù)。

　　現(xiàn)在，當(dāng)用戶升級(jí)iOS 10.3系統(tǒng)后，會(huì)將整個(gè)文件系統(tǒng)升級(jí)為 APFS，得益于這個(gè)新系統(tǒng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)打開(kāi)應(yīng)用、切換后臺(tái)應(yīng)用時(shí)感覺(jué)比之前流暢了，而設(shè)備內(nèi)的可用存儲(chǔ)空間也比以前變多了。

　　是的，蘋果這是做好了充分準(zhǔn)備，將讓APFS替代此前舊的文件系統(tǒng)HFS+。那么APFS文件系統(tǒng)究竟有什么革新之處呢，它將能夠?yàn)橛脩魝儙?lái)怎樣的變化呢？

　　為什么要做更新

　　在詳解 APFS 之前，我們必須先從HFS+開(kāi)始講講文件系統(tǒng)對(duì)蘋果的重要性。操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的軟件機(jī)構(gòu)稱為文件管理系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱文件系統(tǒng)，也就是我們理解的在存儲(chǔ)設(shè)備上組織文件的方法。

　　HFS+文件系統(tǒng)是蘋果第三代文件系統(tǒng)，最早期型號(hào)的Mac使用了名為MFS（Macintosh File System）的文件系統(tǒng)，但很快蘋果又在1985年推出了 HFS 文件系統(tǒng)，那時(shí)Mac 512K還是蘋果的旗艦級(jí)產(chǎn)品，這套系統(tǒng)存在了十幾年，直到1998年，蘋果在HFS的基礎(chǔ)上升級(jí)出了HFS+文件系統(tǒng)，隨著擁有4GB硬盤的G3 PowerMacs一起到來(lái)。在那之后，家用電腦的存儲(chǔ)能力可以說(shuō)增長(zhǎng)了好幾千倍，為了對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備，HFS+也被分成了多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的方向，擁有不同的功能。

　　HFS+不僅作為Mac的文件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)從1998年沿用至今，而且同樣也是iPod及iOS設(shè)備的文件系統(tǒng)基礎(chǔ)。HFS+推出之時(shí)市面上仍以軟盤和HDD作為主要存儲(chǔ)設(shè)備，基本沒(méi)有為現(xiàn)在流行的閃存和SSD作優(yōu)化。算上原始的HFS基礎(chǔ)，這套老舊的系統(tǒng)已經(jīng)使用了30年。

　　30年時(shí)間里，計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展日新月異，HFS+在應(yīng)付現(xiàn)代硬件和軟件都已經(jīng)力不從心，存在元數(shù)據(jù)以大字節(jié)序保存、單線程訪問(wèn)、不支持稀疏文件、寫時(shí)復(fù)制等等一大堆缺點(diǎn)，不僅速度很慢，而且用久了之后會(huì)出現(xiàn)卡、崩潰之類的情況。是時(shí)候該出現(xiàn)一個(gè)全新的替代系統(tǒng)了。

　　APFS強(qiáng)在哪？

　　APFS在基本的文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上就遠(yuǎn)比HFS+先進(jìn)，HFS+為32位文件ID，而APFS支持64位索引節(jié)點(diǎn)，時(shí)間戳間距從HFS+的1秒降低至1納秒，配合著現(xiàn)代處理器和 SSD 遠(yuǎn)低于1秒的文件操作時(shí)間，所以在低延遲性上足以讓用戶感受到某種使用體驗(yàn)的飛躍。

　　APFS還原生支持SSD的FTL和Trim，所以性能上當(dāng)然更強(qiáng)、空間利用率更高，另外與HFS+固定形式的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，APFS是個(gè)具有擴(kuò)展性的文件系統(tǒng)，可以在未來(lái)增加更多新特性、API，為用戶提供更多樣化的服務(wù)。

　　通俗地說(shuō)APFS幾大新特性：

　　一、解決了空間占用的不合理

　　這得益于APFS的兩大功能：文件克?。–lones）和空間共享（Space Sharing），以及從克隆衍生的磁盤快照?？寺「淖兞艘酝募到y(tǒng)復(fù)制文件時(shí)必須額外騰出空間來(lái)儲(chǔ)存這份復(fù)制文檔的問(wèn)題，在 APFS 下，復(fù)制文件不會(huì)產(chǎn)生同等的空間占用，它只儲(chǔ)存有變化的數(shù)據(jù)，然后快速地提取出來(lái)。這意味著文件的復(fù)制速度會(huì)變得很快，而無(wú)論你復(fù)制多少份文件，它都不需要額外騰出大量存儲(chǔ)空間來(lái)“安置”它們了。

　　在macOS和iOS中，以往我們重復(fù)調(diào)用應(yīng)用，或者應(yīng)用之間進(jìn)行調(diào)用時(shí)，就會(huì)涉及到復(fù)制，復(fù)制一遍，就得騰出雙倍空間，復(fù)制幾遍，就要好幾倍空間。但升級(jí)為APFS系統(tǒng)后，不管怎樣調(diào)用，都只需額外占用 1 倍的空間，可以說(shuō)徹底解決了應(yīng)用運(yùn)行中很關(guān)鍵的存儲(chǔ)和讀取問(wèn)題。

　　在克隆的原理基礎(chǔ)上，蘋果又進(jìn)一步給APFS加入了相似的磁盤快照（Snapshot），解決了備份占用時(shí)間長(zhǎng)、空間大的問(wèn)題。快照和克隆一樣，都是只有文件發(fā)生變化的那一部分才會(huì)占用更多的空間，所以你大可以更頻繁的去備份數(shù)據(jù)，而不用擔(dān)心它們把你的磁盤占滿，更不用擔(dān)心備份和恢復(fù)備份浪費(fèi)掉漫長(zhǎng)的時(shí)間了。

　　空間共享解決的可能是大家最為心塞的問(wèn)題：系統(tǒng)盤已滿。傳統(tǒng)的硬盤分區(qū)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)盤被占得滿滿的，但別的存儲(chǔ)盤又很空的尷尬情況。而 APFS 則利用一項(xiàng)名為Space Sharing的新技術(shù)，將存儲(chǔ)分區(qū)模擬成整體的“容器”，容器相對(duì)獨(dú)立，但是在需要的時(shí)候，又是歸于APFS的統(tǒng)籌之下，某一個(gè)出現(xiàn)容量不夠時(shí)，整個(gè)APFS下的冗余空間可以隨意調(diào)配，這意味著每個(gè)容器的空間可以根據(jù)操作系統(tǒng)的指令，自由收放大小，除非整個(gè)存儲(chǔ)盤已經(jīng)填滿，否則將再不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)盤空間不足的情況。

　　二、讓文件處理速度變快

　　APFS能夠讓人感覺(jué)系統(tǒng)和應(yīng)用的響應(yīng)速度變快，除了前面的克隆功不可沒(méi)，還有I/O QoS。I/O QoS翻譯過(guò)來(lái)叫做“輸入輸出進(jìn)程服務(wù)質(zhì)量”，也叫進(jìn)程服務(wù)質(zhì)量。當(dāng)處理關(guān)鍵應(yīng)用和多媒體應(yīng)用時(shí)，多個(gè)輸入輸出路線會(huì)對(duì)操作網(wǎng)絡(luò)造成擁堵，QoS就是確保其中重要進(jìn)程不受延遲或丟棄，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)高速運(yùn)行的技術(shù)。

　　APFS在借助各項(xiàng)新技術(shù)整體提升了與SSD的適配度的同時(shí)，也通過(guò)借助I/O QoS（服務(wù)質(zhì)量）改善文件操作延遲，對(duì)數(shù)據(jù)的不同訪問(wèn)被劃分到不同的優(yōu)先級(jí)中，優(yōu)先處理那些對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是緊要的——感知明顯的操作，所以在使用中，用戶就會(huì)明顯地感覺(jué)到“快”。

　　以往NFS+在設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到硬件性能的上下兼容，自帶元數(shù)據(jù)全局鎖，為照顧低頻處理器，所以一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)文件系統(tǒng)。但到了如今多核處理器的年代，這顯然已經(jīng)造成了文件處理速度的瓶頸，于是APFS打開(kāi)了這把“鎖”，相當(dāng)于給高性能多核處理器和SSD之間開(kāi)放了一條更大的“高速公路”，路面更寬，對(duì)“交通”的管制也更規(guī)范合理了。

　　三、讓數(shù)據(jù)變得更加安全

　　數(shù)據(jù)安全有兩個(gè)方面，第一是它使用安全，可恢復(fù)，不害怕崩潰、不害怕在讀取中丟失；第二個(gè)就是它的加密安全。

　　APFS比NFS+更先進(jìn)的一個(gè)方面就是它對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)上。首先APFS有崩潰保護(hù)機(jī)制（Crash Protection），用戶在編輯文件時(shí)，原有數(shù)據(jù)不會(huì)立刻被覆蓋掉，修改產(chǎn)生的變量會(huì)在文件系統(tǒng)用新的位置來(lái)保存，只有確定新數(shù)據(jù)已經(jīng)編輯完畢，才會(huì)最終完成覆蓋。即便是軟件崩潰或者發(fā)生斷電等意外，也可以最大程度確保數(shù)據(jù)等安全。

　　加密技術(shù)（Encryption）將原先的文件加密方式進(jìn)行了整合，分為無(wú)加密、單密鑰加密、多密鑰加密三個(gè)模式。其中多密鑰加密允許用戶使用不同的密鑰分別給設(shè)備、文件、單個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，這個(gè)不僅是系統(tǒng)級(jí)的也是硬件級(jí)的，意味著即便是別人獲得了你的硬件解鎖方法，依然無(wú)法獲取里面的數(shù)據(jù)。

　　iOS 10.3你能感受到的變化

　　升級(jí)iOS 10.3的同學(xué)們，同時(shí)iOS的文件系統(tǒng)也升級(jí)到了APFS，這個(gè)升級(jí)甚至不需要你做任何額外操作，數(shù)據(jù)也依舊全部保留完整（當(dāng)然做備份這個(gè)習(xí)慣還是要的）。

　　大家議論不已的升級(jí)之后可用空間有不同程度的增加，就是因?yàn)锳PFS改善了文件存儲(chǔ)機(jī)制，同名文件在iOS系統(tǒng)中只會(huì)占用一份空間。一些大容量App的調(diào)用也不像以前那樣，必須有1倍多的冗余空間才能完成，自然就為設(shè)備存儲(chǔ)釋放了更多的空間。

　　升級(jí) iOS 10.3之后，不少用戶反饋開(kāi)機(jī)速度變快，打開(kāi)、切換應(yīng)用感覺(jué)更快，是因?yàn)?APFS 在應(yīng)用運(yùn)行中通過(guò)進(jìn)程分配調(diào)整優(yōu)先級(jí)，分層次分批次地運(yùn)行，而反饋到iOS設(shè)備屏幕上，你會(huì)看到應(yīng)用很快被打開(kāi)，其實(shí) APFS 還在分配其他文件一一啟動(dòng)，只不過(guò)在那個(gè)瞬間對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，就已經(jīng)是打開(kāi)應(yīng)用了。當(dāng)然，各位感興趣的話也可以試一試SHSH備份，看看是不是備份速度也有了提升。

　　此外，iOS 10.3在數(shù)據(jù)安全性上也有了增強(qiáng)。這不僅對(duì)用戶很重要，其實(shí)對(duì)開(kāi)發(fā)者同樣重要，這意味著更可靠的數(shù)據(jù)保存，更可靠的 API 調(diào)用，還能對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行比較方便的備份了。

　　APFS還擴(kuò)大了巨型文件的支持以及時(shí)間的準(zhǔn)確度，對(duì)于需要精準(zhǔn)時(shí)間支持的數(shù)據(jù)，APFS有了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。支持的單一文件大小上限從現(xiàn)在的8 exabyte大幅增加到2^63 bytes，App的體積限制得到開(kāi)放了。

　　不過(guò)也需要提醒大家，您設(shè)備上的32位應(yīng)用可能過(guò)一段時(shí)間就無(wú)法適應(yīng)iOS了，開(kāi)發(fā)者必須更新將App更到64位。

　　更快的時(shí)代 這只是序幕

　　APFS是不是蘋果在軟件層面的殺手锏？我們說(shuō)：是的。盡管它現(xiàn)在剛剛在iOS設(shè)備上得到應(yīng)用，我們也能感受到它對(duì)文件管理系統(tǒng)的一系列技術(shù)革新，從HFS+到APFS，必定是飛躍式發(fā)展。

　　未來(lái)，APFS將通用于iOS、macOS、watchOS和tvOS這四個(gè)蘋果主要的操作系統(tǒng)中，結(jié)束蘋果此前所說(shuō)的“混亂”局面，讓蘋果產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的一致，實(shí)現(xiàn)代碼的一致，從而讓四大系統(tǒng)的更新維護(hù)、跨系聯(lián)動(dòng)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、新技術(shù)同步上，都實(shí)現(xiàn)真正的統(tǒng)一。

　　從筆者今天升級(jí)iOS 10.3的過(guò)程來(lái)看，APFS對(duì)HFS+的替代兼容很安全，沒(méi)有發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，也沒(méi)有發(fā)生App無(wú)法訪問(wèn)的情況。但macOS上涉及到磁盤分區(qū)還有更復(fù)雜的問(wèn)題，我們還要進(jìn)一步看APFS針對(duì)更多設(shè)備的表現(xiàn)。而APFS也需要一段磨合時(shí)間，才能讓大家看到更多的進(jìn)化成果。

　　無(wú)論如何，這是一個(gè)必須更快的時(shí)代，APFS既是這個(gè)時(shí)代呼之欲出的產(chǎn)物，也是推動(dòng)蘋果設(shè)備變快甚至未來(lái)可能更多設(shè)備變快的技術(shù)助力。嘗試和享受新科技，這就是升級(jí)iOS 10.3的理由，這只是開(kāi)始。