深入了解磁盤碎片的產生,危害和整理

2020-07-21 19:29:51

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幾乎從硬盤誕生的時候開始，磁盤碎片的概念就產生了。最初的磁盤操作系統開發者設計了一個文件分配表，用來記錄哪些文件儲存在哪些扇區當中，這樣就允許一個文件可以儲存在不連續的扇區當中。

有了文件分配表，在操作系統上同一分區中移動文件時，不必移動儲存在扇區中的數據，只需修改文件分配表中的鏈接就可以了，刪除文件時也不必重寫文件所在的扇區，只需將文件分配表中該文件所在的扇區標記為空就可以了。

這樣的設計使得操作系統能夠更有效的利用磁盤空間，不過與此同時，也衍生出了一個新的概念―磁盤碎片。
扇區：硬盤中儲存數據的最小尋址單元，容量為512字節。后來又出現了簇的概念，它是扇區的擴展。

文件分配表(FAT)：被廣泛應用的組織和管理文件的文件系統。

(一)磁盤碎片的產生

接下來，我們將通過下圖來了解兩種磁盤碎片產生的典型過程。為了直觀，我們將下面這幅硬盤結構圖中的盤片部分簡單的劃分成3磁道共18扇區。我們不打算去考慮每個盤片有上千條磁道、每條磁道有上千個扇區的情況，也不考慮柱面的概念，忽略簇的概念，省略一切有礙理解的東西，用最簡單的圖，看清楚什么是磁盤碎片。

磁頭：用于讀取、寫入、清除數據，是硬盤中技術含量最高的部件。在音圈馬達的帶動下可沿Z移動到各條磁道。

盤片：表面涂有可記錄磁性的物質，用于存儲數據。在這幅圖片中，由灰色線將盤片劃分成了3條磁道，每條磁道又劃分出若干個單元格，這里每一個單元格代表一個扇區。

主軸：內有軸承、馬達，可帶動盤片高速旋轉。

音圈馬達：硬盤里的定位馬達，類似于音頻揚聲器里所用的馬達。

1、磁盤碎片產生的典型過程（例一）

圖中，系統正在向硬盤中寫入一個文件，名為“椰子”，該文件體積較大，需要占用5個扇區的空間，因此要完全寫入到硬盤當中需要較長的時間。磁頭從1號扇區開始順時針方向寫入文件，當2號扇區中的數據寫入完時，硬盤接到了一條新的命令―寫入文件“葡萄”，文件“葡萄”體積較小，只需占用1個扇區的空間，它被寫入到了扇區3當中。

這樣一來，由于3號扇區已經被占用，文件“椰子”剩下的數據就要從4號扇區開始寫入，最后，剩下的數據被寫入到了4至6號扇區。如圖，由于“葡萄”的插隊，文件椰子無法儲存在連續的扇區當中，被分割開的這兩段數據就被稱為磁盤碎片。

2、磁盤碎片產生的典型過程（例二）

例一中的硬盤經過一段時間的使用之后，內部儲存的文件發生了一些變化：一個新文件“西瓜”被寫入到了硬盤當中，之后文件“葡萄”被刪除了。

這時，硬盤接到了寫入文件“桔子”的命令，“桔子”需要占用3個扇區的儲存空間。如圖，現在硬盤中共有兩段不連續的可用空間，但任何一段單獨的可用空間都不足以容納整個“桔子”文件，不得已，“桔子”被拆分為兩部分寫入硬盤剩余的可用空間中，從而產生了磁盤碎片。

例一中的情況在下載大文件時十分常見，因為下載文件的過程不需要人為干預，所以一般人在下載文件的過程中都會做一些其它的事情。如：瀏覽網頁、玩游戲等等。瀏覽網頁的過程中瀏覽器會產生大量的“Internet 臨時文件”，玩游戲的過程中游戲程序也可能會產生臨時文件，或因內存不足導致操作系統改變了頁面文件的大小，這些情況都可能如例一般影響下載中的文件，產生磁盤碎片。實際使用中往往一部電影文件被下載到硬盤中之后會有數千個磁盤碎片。

例二中的情況是在刪除了舊文件、添加新文件時發生的。通常情況下，系統會在對文件來說足夠大的第一個連續可用空間上存儲文件。如果沒有足夠大的可用空間，系統會將盡可能多的文件保存在最大的可用空間上，然后將剩余數據保存在下一個可用空間上。因此，除非擁有容量無限大的硬盤，否則，在有限的硬盤空間中進行添加和刪除文件的操作就必然會有例二這種產生磁盤碎片的情況發生。當然，較實際需求大的硬盤空間可以減少這種情況的發生。

（二）磁盤碎片的危害

通常，磁盤碎片并不影響硬盤的正常工作，它的主要危害在于會降低硬盤的讀寫速度，不過當大量磁盤碎片存在于Windows的重要文件中時，也可能導致系統崩潰或數據丟失。磁盤碎片會降低硬盤讀寫速度的原因來自兩個方面。

1、觀察上圖，當硬盤讀取文件“橘子”時，磁頭需劃過圖中的陰影區域，但其中有一部分并不是“橘子”所在的扇區，因此，和讀取連續的文件比起來，讀取碎片“橘子”時，硬盤增加了等待盤片旋轉到指定扇區的潛伏期和磁頭切換磁道所需的尋道時間。同理，在寫入數據時，也會因無法將數據寫入到連續的扇區中而降低速度。

2、操作系統會在內存中劃分一部分區域作為緩存，有些硬盤也會為內置的緩沖區設置緩存功能，緩存的一項功能是“預取”：在硬盤讀取完指定扇區的數據之后、接到系統的下一條指令之前，磁頭接著讀取相鄰的若干扇區的數據并存入緩存中，如果系統接下來所需的數據正好就是相鄰扇區的數據，那么便可以直接從緩存中讀取而不用磁頭再尋址，提高了訪問速度。

緩存同樣可以增加硬盤的寫入速度。在實際生活中，一般的文件都會占用成千上萬個扇區的空間，根據緩存“預取”的原理，如果硬盤中的文件完全沒有磁盤碎片的話，那么“預取”的命中率就可以達到幾乎100%，但因為有磁盤碎片，通常“預取”的命中率只在50%左右。

（三）整理磁盤碎片

既然知道了磁盤碎片的危害，接下來就是要了解如何去除磁盤碎片。要去除硬盤中已經存在的磁盤碎片，通常的做法是使用專門的磁盤碎片整理程序，它可以分析硬盤中的磁盤碎片，移動并合并碎片文件，使每個文件都可以占用硬盤上單獨而連續的儲存空間。

1、使用Windows的磁盤碎片整理程序

對于使用Windows系統的用戶來說，進行磁盤碎片整理是很方便的，因為在Windows系統中自帶了一個磁盤碎片整理程序，您可以通過開始菜單運行這個程序。該程序界面簡單、使用十分方便，它和Windows系統的兼容性很好，而且免費，是大多數人的第一選擇。它最大的缺點是整理磁盤碎片的速度較慢。

2、使用其它的磁盤碎片整理程序
除了使用Windows自帶的磁盤碎片整理程序外，我們還可以選用其他軟件公司開發的磁盤碎片整理程序,在整理磁盤碎片方面的能力是Windows的整理程序無法比擬的。
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