磁盘碎片整理，一次讲清楚。

什么是磁盘碎片？

文件系统并不是一个字节一个字节地存放文件。它按固定大小的块来分配空间，这种块叫作簇（也叫分配单元或块），是一个文件所能占用的最小磁盘空间。在簇大小为 4 KB 的磁盘上，一个 10 KB 的文件要占用三个簇。

理想情况下，一个文件的各个簇紧挨在一起。如果不是这样，文件被分成好几段、散落在磁盘各处，这个文件就是碎片化的。

只要磁盘在用，碎片就会自然产生：

• 删除会留下空洞。删掉一个文件，它占用的簇就变成了一个空隙。下一个写入的文件可能比这个空隙大，于是只能被拆开：一部分放进空隙，其余的放到别处有空的地方。
• 文件会变大。给文档加一页，给日志文件添上一天的记录，新增的簇往往没法紧接在原来的簇后面，因为那里已经有别的文件了。
• 文件系统图的是快，不是整齐。FAT 是 MS-DOS 以及 Windows 95 和 98 使用的文件系统，它通常从上次分配的最后一个簇接着往下，拿下一个空闲的簇。这样很快，但时间一长，文件就散得到处都是。

碎片其实分两种。文件碎片是一个文件被拆成了好几段。可用空间碎片是空闲空间被切成了许多小空隙，而它正是前者的根源：当没有哪个空隙足够大时，每个新文件一写进来就是碎的。

磁盘碎片为什么会拖慢机械硬盘？

机械硬盘是一叠旋转的盘片，外加装在摆臂上的读写磁头。读取任何数据之前，摆臂要先把磁头移到正确的磁道上（即寻道），然后等盘片上的目标位置转到磁头下方（即旋转延迟）。之后数据才开始流出，而且只要数据是连续的一整段，读起来就很快。

每多一个碎片，就要多一次寻道、多等一次。微软的工程师把这两种延迟称为“两大罪魁祸首”。一个分成 50 段的文件，要付出 50 次这样的代价，而不是一次。

几毫秒听起来不算什么，但同一块硬盘在这段时间里，本可以连续读出几十甚至几百 KB 的数据。所以碎片多的磁盘用起来总是慢吞吞的：程序启动要等更久，磁头来回跳动时，硬盘还咔哒咔哒响个不停。

数据放在哪里也有讲究。采用区位记录（ZBR）技术时，外圈磁道比内圈磁道容纳更多扇区，所以磁盘的开头（最外圈）是速度最快的部分。好的碎片整理程序会利用这一点。

碎片整理程序到底在做什么？

碎片整理程序是个小心翼翼的搬运工。对每个碎片化的文件，它先找一段足够大的连续空闲区域，把各个片段按顺序复制过去，核对副本，让文件系统指向新位置，然后才释放原来的簇。万一中途出了问题，原文件还好好地待在原处。

在这个过程中，好的碎片整理程序还会：

• 合并可用空间，把零散的空闲区域集中成一大片，好让新文件能完整地写进去。
• 有意识地安排文件位置：系统文件和常用文件放在磁盘开头速度快的地方，不常用的放远一些。Windows 98 甚至会按照程序实际加载的顺序来排列程序文件。
• 有些东西不去动。在 Windows 2000 中，系统一直打开着的文件，比如分页文件和 NTFS 主文件表（MFT），在 Windows 运行时无法移动。有些工具会在开机时专门处理一遍。

碎片整理不会删除任何东西，也不会让磁盘变大。它只是挪动数据，让磁头少跑几趟就能把数据读完。

Windows 95 和 98 的磁盘碎片整理程序

对很多人来说，碎片整理程序指的就是它：一个窗口里满是小方块，随着程序一点点处理完驱动器 C，颜色慢慢改变。它随 Windows 95 一起推出，和 MS-DOS 6 里的 DEFRAG 命令一样，出自赛门铁克（Symantec）之手，也就是开发 Norton Utilities 及其中 Speed Disk 的那家公司。

点击显示详细信息，就会打开那张著名的磁盘图。图例解释了每一种方块：

• 已优化（已整理碎片）的数据已经处理好的文件：连成完整的一段，并且待在该待的位置。
• 未优化的数据仍需移动的数据，按它应在的位置分别标注：驱动器的开头、中间或末尾。
• 可用空间空着的簇，等待被填满。
• 不会被移动的数据碎片整理程序必须原封不动留在原处的文件。
• 磁盘的坏（损坏）区域被标记为不可用的簇。Windows 把它们画成一个白色方框，中间贯穿一条红线。
• 当前正在读取的数据磁头此刻正在拾取的块。
• 当前正在写入的数据这些块正被放下的位置。

图的底部有一行字，一句话就解释了整张图：“每个方框代表一个磁盘簇。”（“Each box represents one disk cluster.”）这里用的颜色，正是 Defragment 的 Classic 98 主题中的颜色。

Windows 98 新增了一个复选框：“重新安排程序文件，使程序启动更快”（“Rearrange program files so my programs start faster”）。它背后是英特尔的 Application Launch Accelerator（应用程序启动加速器）：一个名为“任务监视器”（Task Monitor）的小程序会记下每个程序启动时读取了哪些文件的哪些部分，碎片整理程序再严格按照这个顺序排列这些部分。英特尔在 1997 年的测试中，Office 程序的启动时间从 11.3 秒缩短到了约 3.7 秒。

这也解释了一个出了名的烦恼：如果碎片整理程序工作时，有别的程序往磁盘里写东西（屏幕保护程序就是常见的元凶），它先前建立的磁盘图就过时了，只好从头再来。很多人都记得，碎片整理好像永远过不了 10%。

磁盘碎片整理简史

1. 1986

   Diskeeper 和 DiskExpress

   Executive Software 为 VAX/VMS 小型机推出 Diskeeper，Alsoft 则为 Mac 推出 DiskExpress。

2. 1987

   Norton Speed Disk

   Speed Disk 随 Norton Utilities 4.0 高级版问世，成为 DOS 时代最知名的碎片整理程序之一。

3. 1993

   MS-DOS 6.0：DEFRAG

   DOS 有了自己的 DEFRAG 命令：一个精简版的 Speed Disk，由赛门铁克授权。

4. 1995

   Windows 95

   磁盘碎片整理程序（同样是赛门铁克的代码）把由簇组成的磁盘图带到了数以百万计的屏幕上。

5. 1996

   Windows NT 4.0

   系统没有自带碎片整理程序，但新增的系统功能让 Diskeeper 等工具可以在 Windows 运行时安全地移动簇。

6. 1998

   Windows 98

   借助英特尔的 Application Launch Accelerator，碎片整理学会了按加载顺序排列程序文件。

7. 2000

   Windows 2000 和 XP

   碎片整理程序与 Diskeeper 的开发商 Executive Software 合作打造。它的条形图用红色表示碎片文件，蓝色表示连续文件，绿色表示无法移动的文件，白色表示可用空间。

8. 2003

   Mac OS X 10.3 Panther

   Mac 的文件系统开始在打开文件时，自动为碎片严重的小文件整理碎片。

9. 2007

   Windows Vista

   碎片整理改为在后台按计划运行，磁盘图也随之消失。

10. 2009

    Windows 7

    进度重新变得可见，可以同时整理多个驱动器，固态硬盘也不再参与碎片整理。

11. 2012

    Windows 8：优化驱动器

    工具改了名字，并学会区别对待固态硬盘：不再移动数据，而是向它发送 TRIM 指令。

12. 2017

    APFS

    苹果的新文件系统专为闪存设计。在固态硬盘上，碎片整理从此根本不再是个问题。

Windows 10 和 11 如何整理磁盘碎片

Windows 依然会整理碎片，只是你看不到了。这个工具现在叫优化驱动器（在“开始”菜单中搜索“碎片整理和优化驱动器”），默认每周自动运行一次。

• 在机械硬盘上，它会分析驱动器并整理碎片。
• 在固态硬盘上，它改为执行重新剪裁（retrim）：告诉硬盘哪些块已经不再使用。
• 在用 FAT 格式化的可移动 U 盘或 SD 卡上，它什么也不做。

有一个例外常常让人意外：如果开启了系统还原或其他卷快照，Windows 也会对固态硬盘进行碎片整理，大约每月一次。微软存储团队解释说，碎片严重的卷会拖慢快照，还可能触及文件系统对单个文件碎片数量的上限。

喜欢命令行的话，defrag C: /A 可以分析驱动器，defrag C: /O 会根据驱动器类型执行合适的优化，defrag C: /L 则对固态硬盘执行重新剪裁。完整的碎片整理需要驱动器至少有 15% 的可用空间。

固态硬盘需要碎片整理吗？

不需要。固态硬盘（SSD）没有磁头，也没有旋转的盘片，所以既不用寻道，也不用等待。它的主控维护着一张自己的映射表，把电脑使用的地址对应到数据真正所在的闪存单元，还会有意把写入分散到整个芯片上。在 Windows 看来碎片化的文件，在固态硬盘内部可能位于任何地方，而且无论怎样，读取速度都一样快。

碎片整理只会把原本好好待着的数据重写一遍，而闪存能承受的写入次数是有限的。全球最大的固态硬盘厂商之一三星明确表示，固态硬盘不需要碎片整理，并建议为其硬盘关闭自动碎片整理。

固态硬盘真正需要的是 TRIM：由操作系统告诉它哪些块已经空闲，让硬盘提前清理，从而保持快速写入。Windows 和 macOS 会自动执行，大多数 Linux 发行版也会定时运行。

Mac 需要碎片整理吗？

几乎不需要。在经典 Mac OS 时代，人们会用 Alsoft 的 DiskExpress 和 PlusOptimizer、Norton Utilities 中的 Speed Disk 或 TechTool Pro 之类的工具。从 Mac OS X 开始，大部分工作都由系统自己完成了。

• Mac OS X 10.2 加入了延迟分配：文件系统先等一等，再决定把新数据放在哪里，这样就能找到一整块连续的位置。
• Mac OS X 10.3 Panther 加入了自动碎片整理：当一个小于 20 MB、被分成超过八段的文件被打开时，系统会悄悄把它挪成完整的一段。
• 热文件聚集（Hot File Clustering）会把启动磁盘上最常读取的小文件，集中到磁盘上一块预留的“热”区域。

苹果当年自己的建议是：用 Mac OS X 的话，你很可能根本不需要做优化。如今的 Mac 在固态硬盘上使用 APFS，碎片无关紧要。如果是在机械硬盘上使用 APFS，macOS 提供了一个开关：diskutil apfs defragment，后面跟上卷以及 status、enable 或 disable。

Linux 上的碎片整理

Linux 的文件系统在设计上着重于避免碎片，而不是事后修补，所以很少需要整理碎片。

• ext4 通过区段（extent，用一条记录表示一长串连续的块）、延迟分配，以及让文件数据靠近其元数据，把文件保持在一起。偶尔需要时，还有 e4defrag。
• XFS 自带 xfs_fsr，它会重新整理碎片最严重的文件，默认每次最多运行两小时。
• Btrfs 提供 btrfs filesystem defragment 命令和 autodefrag 挂载选项，后者默认关闭。使用快照时要小心：碎片整理会打破文件与其快照副本之间的共享，占用的空间可能随之增加。

为什么大家爱看碎片整理

在硬盘的咔哒声和小方块由浅变深之间，碎片整理不知不觉成了一件值得观看的事。一个缓慢、有条不紊、看得到终点的过程，每一步都让一切更整齐一点，看着竟莫名让人平静。

直到今天，还有人专门找来看。2018 年，TechCrunch 报道过一个 Twitch 频道，它什么都不做，只是全天候给一块 DOS 磁盘整理碎片；长达数小时、连硬盘噪音都一并录下的 Windows 98 碎片整理视频，至今在 YouTube 上仍有人观看。

这正是 Defragment 的全部初衷：享受看着磁盘慢慢变整齐的那份平静，却不需要一块真的需要整理的磁盘。你的 iPhone 或 iPad 上会显示一块假想的磁盘，永远在整理碎片，共有六款主题（包括 Classic 98），愿意的话还能在一旁显示时间。

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