Defragmentierung, einfach erklärt.

Was bedeutet Fragmentierung bei Festplatten?

Ein Dateisystem speichert eine Datei nicht Byte für Byte. Es vergibt Platz in Stücken fester Größe, sogenannten Clustern (auch Zuordnungseinheiten oder Blöcke genannt). Ein Cluster ist die kleinste Menge Speicherplatz, die eine Datei belegen kann. Eine 10 KB große Datei belegt auf einem Datenträger mit 4-KB-Clustern drei davon.

Im Idealfall liegen die Cluster einer Datei direkt nebeneinander. Tun sie das nicht und ist die Datei in mehreren getrennten Abschnitten über die Festplatte verteilt, ist sie fragmentiert.

Das passiert ganz von allein, einfach weil die Festplatte benutzt wird:

• Löschen hinterlässt Löcher. Wird eine Datei entfernt, werden ihre Cluster zur Lücke. Die nächste Datei, die kommt, ist vielleicht größer als die Lücke und wird deshalb aufgeteilt: ein Teil in die Lücke, der Rest dorthin, wo gerade Platz ist.
• Dateien wachsen. Hängst du an ein Dokument eine Seite oder an eine Logdatei einen weiteren Tag an, können die neuen Cluster oft nicht direkt hinter den alten liegen, weil dort schon eine andere Datei steht.
• Das Dateisystem setzt auf Tempo, nicht auf Ordnung. FAT, das Dateisystem von MS-DOS sowie Windows 95 und 98, macht typischerweise beim zuletzt vergebenen Cluster weiter und nimmt den nächsten freien. Das geht schnell und verstreut die Dateien mit der Zeit.

Genau genommen gibt es zwei Arten. Dateifragmentierung heißt, dass eine Datei in Stücke zerfallen ist. Fragmentierung des freien Speichers heißt, dass der leere Platz in kleine Lücken zerfallen ist, und sie verursacht die erste Art: Ist keine Lücke groß genug, kommt jede neue Datei in Stücken an.

Warum Fragmentierung Festplatten langsam macht

Eine Festplatte ist ein Stapel rotierender Scheiben mit einem Schreib-Lese-Kopf an einem schwenkbaren Arm. Bevor sie etwas lesen kann, muss der Arm den Kopf auf die richtige Spur fahren (die Positionierzeit), und danach muss sie warten, bis die richtige Stelle der Scheibe unter dem Kopf vorbeikommt (die Rotationslatenz). Erst dann fließen Daten, und zwar schnell, solange sie an einem Stück liegen.

Jedes zusätzliche Fragment bedeutet eine weitere Positionierung und eine weitere Wartezeit. Ingenieure bei Microsoft nannten diese beiden Verzögerungen „die zwei Hauptschuldigen“. Eine Datei in 50 Stücken kostet 50 davon statt einer.

Ein paar Millisekunden klingen nach nichts, aber in dieser Zeit hätte dieselbe Festplatte am Stück Dutzende oder sogar Hunderte Kilobyte lesen können. Deshalb fühlte sich eine fragmentierte Festplatte so zäh an: Programme brauchten länger zum Starten, und die Platte ratterte hörbar, während der Kopf hin- und hersprang.

Auch wo die Daten liegen, spielt eine Rolle. Beim Zone Bit Recording haben die äußeren Spuren mehr Sektoren als die inneren, deshalb ist der Anfang der Festplatte (der äußere Rand) ihr schnellster Bereich. Gute Defragmentierprogramme haben das genutzt.

Was beim Defragmentieren eigentlich passiert

Ein Defragmentierprogramm ist ein sorgfältiger Umzugshelfer. Für jede fragmentierte Datei sucht es einen freien Bereich, der groß genug ist, kopiert die Stücke der Reihe nach dorthin, prüft die Kopie, trägt den neuen Ort im Dateisystem ein und gibt erst dann die alten Cluster frei. Geht unterwegs etwas schief, liegt das Original noch da, wo es war.

Nebenbei erledigt ein gutes Defragmentierprogramm noch mehr:

• Es fasst den freien Speicher zusammen zu einem großen Bereich, damit neue Dateien an einem Stück Platz finden.
• Es platziert Dateien gezielt: System- und häufig genutzte Dateien an den schnellen Anfang der Festplatte, selten genutzte weiter nach hinten. Windows 98 ging so weit, Programmdateien genau in der Reihenfolge anzuordnen, in der Programme sie tatsächlich luden.
• Es lässt manches in Ruhe. Unter Windows 2000 konnten Dateien, die das System geöffnet hielt, etwa die Auslagerungsdatei und die Master File Table von NTFS, nicht verschoben werden, solange Windows lief. Manche Programme nahmen sie sich in einem eigenen Durchgang beim Systemstart vor.

Defragmentieren löscht nichts und macht eine Festplatte auch nicht größer. Es verschiebt nur Daten, damit die Festplatte sie mit weniger Kopfbewegungen lesen kann.

Die Defragmentierung in Windows 95 und 98

Für viele ist das die Defragmentierung: ein Fenster voller kleiner Kästchen, die langsam die Farbe wechselten, während sich das Programm durch Laufwerk C arbeitete. Es kam mit Windows 95 und stammte, wie der Befehl DEFRAG in MS-DOS 6, von Symantec, der Firma hinter den Norton Utilities und deren Speed Disk.

Ein Klick auf Details anzeigen öffnete die berühmte Karte. Ihre Legende erklärte jedes Kästchen:

• Optimierte (defragmentierte) DatenFertige Dateien: an einem Stück und an ihrem Platz.
• Nicht optimierte DatenDaten, die noch verschoben werden müssen, gekennzeichnet danach, wohin sie gehören: an den Anfang, in die Mitte oder ans Ende des Laufwerks.
• Freier SpeicherplatzLeere Cluster, die darauf warten, gefüllt zu werden.
• Daten, die nicht verschoben werdenDateien, die das Defragmentierprogramm genau dort lassen muss, wo sie sind.
• Fehlerhafter (beschädigter) Bereich des DatenträgersAls unbrauchbar markierte Cluster. Windows zeichnete sie als weißes Kästchen, durch das eine rote Linie läuft.
• Daten, die gerade gelesen werdenDie Blöcke, die der Kopf gerade aufnimmt.
• Daten, die gerade geschrieben werdenDie Stelle, an der diese Blöcke gerade abgelegt werden.

Ganz unten stand die Zeile, die das ganze Bild erklärt: „Jedes Kästchen steht für einen Cluster auf dem Datenträger.“ Im englischen Windows hieß sie „Each box represents one disk cluster.“ Die Farben hier stammen aus dem Design Classic 98 von Defragment.

Mit Windows 98 kam ein Kontrollkästchen hinzu: „Programmdateien neu anordnen, damit meine Programme schneller starten“ (englisch „Rearrange program files so my programs start faster“). Dahinter steckte der Intel Application Launch Accelerator: Ein kleines Programm namens Task Monitor hielt fest, welche Teile welcher Dateien jedes Programm beim Start las, und die Defragmentierung legte diese Teile genau in dieser Reihenfolge ab. In Intels eigenem Test von 1997 starteten Office-Programme in etwa 3,7 statt 11,3 Sekunden.

Die Karte erklärt auch ein berüchtigtes Ärgernis. Schrieb ein anderes Programm auf die Festplatte, während die Defragmentierung lief (ein Bildschirmschoner war ein typischer Übeltäter), war die Karte, die sie sich erstellt hatte, veraltet, und sie fing von vorn an. Viele erinnern sich an eine Defragmentierung, die nie über 10 % hinauszukommen schien.

Eine kurze Geschichte der Defragmentierung

1. 1986

   Diskeeper und DiskExpress

   Executive Software bringt Diskeeper für VAX/VMS-Minicomputer heraus, und Alsoft liefert DiskExpress für den Mac aus.

2. 1987

   Norton Speed Disk

   Speed Disk erscheint in der Advanced Edition der Norton Utilities 4.0 und wird zu einem der bekanntesten Defragmentierprogramme der DOS-Ära.

3. 1993

   MS-DOS 6.0: DEFRAG

   DOS bekommt einen eigenen Befehl DEFRAG: eine abgespeckte Version von Speed Disk, lizenziert von Symantec.

4. 1995

   Windows 95

   Die Defragmentierung, wieder mit Code von Symantec, bringt die Clusterkarte auf Millionen Bildschirme.

5. 1996

   Windows NT 4.0

   Kein Defragmentierprogramm im Lieferumfang, aber neue Systemfunktionen erlauben es Programmen wie Diskeeper, Cluster sicher zu verschieben, während Windows läuft.

6. 1998

   Windows 98

   Die Defragmentierung lernt, Programmdateien in der Reihenfolge anzuordnen, in der sie geladen werden – mit Intels Application Launch Accelerator.

7. 2000

   Windows 2000 und XP

   Ein Defragmentierprogramm, entwickelt mit Executive Software, den Machern von Diskeeper. Seine Balken zeigen fragmentierte Dateien rot, zusammenhängende Dateien blau, nicht verschiebbare Dateien grün und freien Speicherplatz weiß.

8. 2003

   Mac OS X 10.3 Panther

   Das Dateisystem des Mac defragmentiert kleine, stark fragmentierte Dateien nun von selbst, sobald sie geöffnet werden.

9. 2007

   Windows Vista

   Das Defragmentieren läuft jetzt nach Zeitplan im Hintergrund, und die Karte verschwindet.

10. 2009

    Windows 7

    Der Fortschritt ist wieder zu sehen, mehrere Laufwerke lassen sich gleichzeitig bearbeiten, und SSDs werden vom Defragmentieren ausgenommen.

11. 2012

    Windows 8: Laufwerke optimieren

    Das Programm bekommt einen neuen Namen und lernt, SSDs anders zu behandeln: Statt Daten zu verschieben, schickt es ihnen TRIM.

12. 2017

    APFS

    Apples neues Dateisystem ist für Flash-Speicher gemacht. Auf einer SSD stellt sich die Frage nach dem Defragmentieren gar nicht mehr.

Defragmentieren unter Windows 10 und 11

Windows macht es immer noch, du siehst es nur nicht. Das Programm heißt heute Laufwerke optimieren (such im Startmenü nach „Laufwerke defragmentieren und optimieren“), und standardmäßig läuft es einmal pro Woche von selbst.

• Auf einer Festplatte (HDD) analysiert es das Laufwerk und defragmentiert es.
• Auf einer SSD schickt es stattdessen ein Retrim: Es teilt dem Laufwerk mit, welche Blöcke nicht mehr belegt sind.
• Auf einem Wechseldatenträger wie einem USB-Stick oder einer SD-Karte, der mit FAT formatiert ist, tut es nichts.

Eine Ausnahme überrascht viele. Sind die Systemwiederherstellung oder andere Volumeschattenkopien aktiviert, defragmentiert Windows auch eine SSD, etwa einmal im Monat. Microsofts Storage-Team erklärte, dass ein stark fragmentiertes Volume Schattenkopien verlangsamt und an die Obergrenze des Dateisystems für die Zahl der Fragmente pro Datei stoßen kann.

Für Freunde der Kommandozeile: defrag C: /A analysiert ein Laufwerk, defrag C: /O führt die passende Optimierung für seinen Typ aus, und defrag C: /L führt auf einer SSD ein Retrim aus. Für eine vollständige Defragmentierung sollten mindestens 15 % des Laufwerks frei sein.

Sollte man eine SSD defragmentieren?

Nein. Eine SSD hat keinen Kopf und keine rotierende Scheibe, also gibt es weder Positionierzeit noch Wartezeit. Ihr Controller führt eine eigene Tabelle, die die Adressen, mit denen der Computer arbeitet, den Flash-Zellen zuordnet, in denen die Daten wirklich liegen, und er verteilt Schreibvorgänge absichtlich über den ganzen Chip. Eine Datei, die für Windows fragmentiert aussieht, kann innerhalb der SSD überall liegen, und sie lässt sich so oder so gleich schnell lesen.

Defragmentieren würde nur Daten neu schreiben, die an ihrem Platz völlig in Ordnung sind, und Flash-Speicher verträgt nur eine begrenzte Zahl von Schreibvorgängen. Samsung, einer der größten SSD-Hersteller, sagt klar, dass Defragmentieren nicht nötig ist, und empfiehlt, die automatische Defragmentierung für seine Laufwerke abzuschalten.

Was eine SSD dagegen braucht, ist TRIM: Das Betriebssystem teilt ihr mit, welche Blöcke frei sind, damit das Laufwerk sie vorab löschen und weiter schnell schreiben kann. Windows und macOS erledigen das automatisch, und die meisten Linux-Distributionen führen es regelmäßig per Timer aus.

Muss man einen Mac defragmentieren?

Fast nie. Zu Zeiten des klassischen Mac OS griff man zu Programmen wie DiskExpress und PlusOptimizer von Alsoft, Speed Disk aus den Norton Utilities oder TechTool Pro. Seit Mac OS X erledigt das System das meiste selbst.

• Mac OS X 10.2 führte die verzögerte Allokation ein: Das Dateisystem wartet, bevor es entscheidet, wohin neue Daten kommen, und kann so einen zusammenhängenden Platz finden.
• Mac OS X 10.3 Panther brachte die automatische Defragmentierung. Wird eine Datei unter 20 MB geöffnet, die in mehr als acht Stücke zerfallen ist, wird sie still und leise an einem Stück neu abgelegt.
• Hot File Clustering sammelt die am häufigsten gelesenen kleinen Dateien des Startvolumes in einem reservierten „heißen“ Bereich der Festplatte.

Apple selbst schrieb damals, mit Mac OS X müsse man wahrscheinlich gar nicht optimieren. Heutige Macs verwenden APFS auf SSDs, wo Fragmentierung keine Rolle spielt. Für APFS auf einer herkömmlichen Festplatte hat macOS einen Schalter: diskutil apfs defragment, gefolgt vom Volume und status, enable oder disable.

Defragmentierung unter Linux

Linux-Dateisysteme sind darauf ausgelegt, Fragmentierung zu vermeiden, statt sie hinterher zu beheben, deshalb ist eine Defragmentierung selten nötig.

• ext4 hält Dateien zusammen: mit Extents (ein Eintrag für eine lange Folge von Blöcken), mit verzögerter Allokation und indem es die Daten einer Datei nahe bei ihren Metadaten ablegt. Für den Einzelfall gibt es e4defrag.
• XFS bringt xfs_fsr mit, das die am stärksten fragmentierten Dateien neu ordnet, standardmäßig bis zu zwei Stunden pro Durchlauf.
• Btrfs hat btrfs filesystem defragment und die Mount-Option autodefrag, die standardmäßig ausgeschaltet ist. Vorsicht bei Snapshots: Defragmentieren hebt die gemeinsame Nutzung der Daten zwischen einer Datei und ihren Snapshot-Kopien auf, und der belegte Speicher kann wachsen.

Warum man so gern beim Defragmentieren zugeschaut hat

Irgendwo zwischen dem Rattern der Festplatte und den Kästchen, die von hell zu dunkel wechselten, wurde das Defragmentieren zu etwas, dem man zuschaute. Ein langsamer, geordneter Vorgang mit sichtbarem Ende, bei dem jeder Schritt alles ein bisschen ordentlicher macht, hat etwas seltsam Beruhigendes.

Bis heute suchen Menschen danach. 2018 berichtete TechCrunch über einen Twitch-Kanal, der rund um die Uhr nichts anderes tat, als eine DOS-Festplatte zu defragmentieren, und stundenlange Aufnahmen einer Defragmentierung unter Windows 98, samt Festplattengeräuschen, werden auf YouTube noch immer angeschaut.

Genau das ist die Idee hinter Defragment: die Ruhe, einer Festplatte beim Aufräumen zuzusehen, ohne eine echte Festplatte, die es nötig hätte. Dein iPhone oder iPad zeigt eine ausgedachte Festplatte, die endlos defragmentiert wird, in sechs Designs, darunter Classic 98, auf Wunsch mit der Uhrzeit daneben.

Häufige Fragen