Данная статья состоит из множестваразделов, каждый из которых посвящен какому-тоодному вопросу быстродействия. Многие изэтих разделов в определенных местах теснопереплетаются между собой. Тем не менее,чтобы не превращать статью в кашу, всоответствующем разделе я буду писатьтолько о том, что имеет отношение кобсуждаемый в данный момент теме, и ни о чемболее. Если вы не нашли каких-то важныхфактов в тексте - не спешите удивляться:скорее всего, вы встретите их позже. Прошувас также не делать никаких поспешныхвыводов о недостатках и преимуществах тойили иной системы, так как противоречий иподводных камней в этих рассуждениях оченьи очень много. В конце я попытаюсь собратьвоедино всё, что можно сказать обыстродействии систем в реальных условиях.
1. Теория
Самое фундаментальное свойство любойфайловой системы, влияющее набыстродействие всех дисковых операций -структура организации и храненияинформации, т.е. то, как, собственно,устроена сама файловая система. Первыйраздел - попытка анализа именно этогоаспекта работы, т.е. физической работы соструктурами и данными файловой системы.Теоретические рассуждения, в принципе,могут быть пропущены - те, кто интересуетсялишь чисто практическими аспектамибыстродействия файловых систем, могутобратиться сразу ко второй части статьи.
Для начала хотелось бы заметить, что любаяфайловая система так или иначе хранит файлы.Доступ к данным файлов - основная инеотъемлемая часть работы с файловойсистемой, и поэтому прежде всего нужносказать пару слов об этом. Любая файловаясистема хранит данные файлов в некихобъемах - секторах, которые используютсяаппаратурой и драйвером как самаямаленькая единица полезной информациидиска. Размер сектора в подавляющем числесовременных систем составляет 512 байт, и всефайловые системы просто читают этуинформацию и передают её без какой либообработки приложениям. Есть ли тут какие-тоисключения? Практически нет. Если файлхранится в сжатом или закодированном виде -как это возможно, к примеру, в системе NTFS - то,конечно, на восстановление или расшифровкуинформации тратится время и ресурсыпроцессора. В остальных случаях чтение изапись самих данных файла осуществляется содинаковой скоростью, какую файловуюсистему вы не использовали бы.
Обратим внимание на основные процессы,осуществляемые системой для доступа кфайлам:
Поиск данных файла
Выяснение того, в каких областях дискахранится тот или иной фрагмент файла -процесс, который имеет принципиальноразное воплощение в различных файловыхсистемах. Имейте в виду, что это лишь поискинформации о местоположении файла - доступк самим данным, фрагментированы они или нет,здесь уже не рассматривается, так как этотпроцесс совершенно одинаков для всехсистем. Речь идет о тех "лишних"действиях, которые приходится выполнятьсистеме перед доступом к реальным даннымфайлов.
На что влияет этот параметр: наскорость навигации по файлу (доступ кпроизвольному фрагменту файла). Любаяработа с большими файлами данных идокументов, если их размер - несколькомегабайт и более. Этот параметр показывает,насколько сильно сама файловая система страдает от фрагментации файлов.
- NTFS способна обеспечить быстрый поиск фрагментов, поскольку вся информация хранится в нескольких очень компактных записях (типичный размер - несколько килобайт). Если файл очень сильно фрагментирован (содержит большое число фрагментов) - NTFS придется использовать много записей, что часто заставит хранить их в разных местах. Лишние движения головок при поиске этих данных, в таком случае, приведут к сильному замедлению процесса поиска данных о местоположении файла.
- FAT32, из-за большой области самой таблицы размещения будет испытывать огромные трудности, если фрагменты файла разбросаны по всему диску. Дело в том, что FAT (File Allocation Table, таблица размещения файлов) представляет собой мини-образ диска, куда включен каждый его кластер. Для доступа к фрагменту файла в системе FAT16 и FAT32 приходится обращаться к соответствующей частичке FAT. Если файл, к примеру, расположен в трех фрагментах - в начале диска, в середине, и в конце - то в системе FAT нам придется обратиться к фрагменту FAT также в его начале, в середине и в конце. В системе FAT16, где максимальный размер области FAT составляет 128 Кбайт, это не составит проблемы - вся область FAT просто хранится в памяти, или же считывается с диска целиком за один проход и буферизируется. FAT32 же, напротив, имеет типичный размер области FAT порядка сотен килобайт, а на больших дисках - даже несколько мегабайт. Если файл расположен в разных частях диска - это вынуждает систему совершать движения головок винчестера столько раз, сколько групп фрагментов в разных областях имеет файл, а это очень и очень сильно замедляет процесс поиска фрагментов файла.
Вывод: Абсолютный лидер - FAT16, онникогда не заставит систему делать лишниедисковые операции для данной цели. Затемидет NTFS - эта система также не требуетчтения лишней информации, по крайней мере,до того момента, пока файл имеет разумноечисло фрагментов. FAT32 испытывает огромныетрудности, вплоть до чтения лишних сотенкилобайт из области FAT, если файл разбросанпо разным областям диска. Работа свнушительными по размеру файлами на FAT32 влюбом случае сопряжена с огромнымитрудностями - понять, в каком месте на дискерасположен тот или иной фрагмент файла,можно лишь изучив всю последовательностькластеров файла с самого начала,обрабатывая за один раз один кластер (черезкаждые 4 Кбайт файла в типичной системе).Стоит отметить, что если файлфрагментирован, но лежит компактной кучейфрагментов - FAT32 всё же не испытываетбольших трудностей, так как физическийдоступ к области FAT будет также компактен ибуферизован.
Поиск свободного места
Данная операция производится в том случае,если файл нужно создать с нуля илископировать на диск. Поиск места подфизические данные файла зависит от того,как хранится информация о занятых участкахдиска.
На что влияет этот параметр: наскорость создания файлов, особенно больших.Сохранение или создание в реальном временибольших мультимедийных файлов (.wav, кпримеру), копирование больших объемовинформации, т.д. Этот параметр показывает,насколько быстро система сможет найтиместо для записи на диск новых данных, икакие операции ей придется для этогопроделать.
- Для определения того, свободен ли данный кластер или нет, системы на основе FAT должны просмотреть одну запись FAT, соответствующую этому кластеру. Размер одной записи FAT16 составляет 16 бит, одной записи FAT32 - 32 бита. Для поиска свободного места на диске может потребоваться просмотреть почти всего FAT - это 128 Кбайт (максимум) для FAT16 и до нескольких мегабайт (!) - в FAT32. Для того, чтобы не превращать поиск свободного места в катастрофу (для FAT32), операционной системе приходится идти на различные ухищрения.
- NTFS имеет битовую карту свободного места, одному кластеру соответствует 1 бит. Для поиска свободного места на диске приходится оценивать объемы в десятки раз меньшие, чем в системах FAT и FAT32.
Вывод: NTFS имеет наиболееэффективную систему нахождения свободногоместа. Стоит отметить, что действовать "влоб" на FAT16 или FAT32 очень медленно, поэтомудля нахождения свободного места в этихсистемах применяются различные методыоптимизации, в результате чего и тамдостигается приемлемая скорость. (Одноможно сказать наверняка - поиск свободногоместа при работе в DOS на FAT32 -катастрофический по скорости процесс,поскольку никакая оптимизация невозможнабез поддержки хоть сколь серьезнойоперационной системы).
Работа с каталогами и файлами
Каждая файловая система выполняетэлементарные операции с файлами - доступ,удаление, создание, перемещение и т.д.Скорость работы этих операций зависит отпринципов организации хранения данных оботдельных файлах и от устройства структуркаталогов.
На что влияет этот параметр: наскорость осуществления любых операций сфайлом, в том числе - на скорость любойоперации доступа к файлу, особенно - вкаталогах с большим числом файлов (тысячи).
- FAT16 и FAT32 имеют очень компактные каталоги, размер каждой записи которых предельно мал. Более того, из-за сложившейся исторически системы хранения длинных имен файлов (более 11 символов), в каталогах систем FAT используется не очень эффективная и на первый взгляд неудачная, но зато очень экономная структура хранения этих самих длинных имен файлов. Работа с каталогами FAT производится достаточно быстро, так как в подавляющем числе случаев каталог (файл данных каталога) не фрагментирован и находится на диске в одном месте.
Единственная проблема, которая может существенно понизить скорость работы каталогов FAT - большое количество файлов в одном каталоге (порядка тысячи или более). Система хранения данных - линейный массив - не позволяет организовать эффективный поиск файлов в таком каталоге, и для нахождения данного файла приходится перебирать большой объем данных (в среднем - половину файла каталога). - NTFS использует гораздо более эффективный способ адресации - бинарное дерево. Эта организация позволяет эффективно работать с каталогами любого размера - каталогам NTFS не страшно увеличение количества файлов в одном каталоге и до десятков тысяч.
Стоит заметить, однако, что сам каталог NTFS представляет собой гораздо менее компактную структуру, нежели каталог FAT - это связано с гораздо большим (в несколько раз) размером одной записи каталога. Данное обстоятельство приводит к тому, что каталоги на томе NTFS в подавляющем числе случаев сильно фрагментированы. Размер типичного каталога на FAT-е укладывается в один кластер, тогда как сотня файлов (и даже меньше) в каталоге на NTFS уже приводит к размеру файла каталога, превышающему типичный размер одного кластера. Это, в свою очередь, почти гарантирует фрагментацию файла каталога, что, к сожалению, довольно часто сводит на нет все преимущества гораздо более эффективной организации самих данных.
Вывод: структура каталогов на NTFSтеоретически гораздо эффективнее, но приразмере каталога в несколько сотен файловэто практически не имеет значения.Фрагментация каталогов NTFS, однако, увереннонаступает уже при таком размере каталога.Для малых и средних каталогов NTFS, как это непечально, имеет на практике меньшеебыстродействие.
Преимущества каталогов NTFS становятсяреальными и неоспоримыми только в томслучае, если в одно каталоге присутствуюттысячи файлов - в этом случаебыстродействие компенсируетфрагментированность самого каталога итрудности с физическим обращением к данным(в первый раз - далее каталог кэшируется).Напряженная работа с каталогами,содержащими порядка тысячи и более файлов,проходит на NTFS буквально в несколько разбыстрее, а иногда выигрыш в скорости посравнению с FAT и FAT32 достигает десятков раз.
2. Практика
К сожалению, как это часто бывает вовсевозможных компьютерных вопросах,практика не очень хорошо согласуется стеорией. NTFS, имеющая, казалось бы, очевидныепреимущества в структуре, показывает ненастолько уж фантастические результаты,как можно было бы ожидать. Какие ещесоображения влияют на быстродействиефайловой системы? Каждый израссматриваемых далее вопросов вносит свойвклад в итоговое быстродействие. Помните,однако, что реальное быстродействие -результат действия сразу всех факторов,поэтому и в этой части статьи не стоитделать поспешных выводов.
2.1. Объем оперативной памяти (кэширование)
Очень многие данные современных файловыхсистем кэшируются или буферизируются впамяти компьютера, что позволяет избежатьлишних операций физического чтения данныхс диска. Для нормальной (высокопроизводительной)работы системы в кэше приходится хранитьследующие типы информации:
- Данные о физическом местоположении всех открытых файлов. Это, прежде всего, позволит обращаться к системным файлам и библиотекам, доступ к которым идет буквально постоянно, без чтения служебной (не относящейся к самим файлам) информации с диска. Это же относится к тем файлам, которые исполняются в данный момент - т.е. к выполняемым модулям (.exe и .dll) активных процессов в системе. В эту категорию попадают также файлы системы, с которыми производится работа (прежде всего реестр и виртуальная память, различные .ini файлы, а также файлы документов и приложений).
- Наиболее часто используемые каталоги. К таковым можно отнести рабочий стол, меню "пуск", системные каталоги, каталоги кэша интернета, и т.п.
- Данные о свободном месте диска - т.е. та информация, которая позволит найти место для сохранения на диск новых данных.
В случае, если этот базовый объеминформации не будет доступен прямо воперативной памяти, системе придетсясовершать множество ненужных операций ещедо того, как она начнет работу с реальнымиданными. Что входит в эти объемы в разныхфайловых системах? Или, вопрос в болеепрактической плоскости - каким объемомсвободной оперативной памяти надорасполагать, чтобы эффективно работать стой или иной файловой системой?
- FAT16 имеет очень мало данных, отвечающих за организацию файловой системы. Из служебных областей можно выделить только саму область FAT, которая не может превышать 128 Кбайт (!) - эта область отвечает и за поиск фрагментов файлов, и за поиск свободного места на томе. Каталоги системы FAT также очень компактны. Общий объем памяти, необходимый для предельно эффективной работы с FAT-ом, может колебаться от сотни килобайт и до мегабайта-другого - при условии огромного числа и размера каталогов, с которыми ведется работа.
- FAT32 отличается от FAT16 лишь тем, что сама область FAT может иметь более внушительные размеры. На томах порядка 5 - 10 Гбайт область FAT может занимать объем в несколько Мбайт, и это уже очень внушительный объем, надежно кэшировать который не представляется возможным. Тем не менее, область FAT, а вернее те фрагменты, которые отвечают за местоположение рабочих файлов, в подавляющем большинстве систем находятся в памяти машины - на это расходуется порядка нескольких Мбайт оперативной памяти.
- NTFS, к сожалению, имеет гораздо большие требования к памяти, необходимой для работы системы. Прежде всего, кэширование сильно затрудняет большие размеры каталогов. Размер одних только каталогов, с которыми активно ведет работу система, может запросто доходить до нескольких Мбайт и даже десятков Мбайт! Добавьте к этому необходимость кэшировать карту свободного места тома (сотни Кбайт) и записи MFT для файлов, с которыми осуществляется работа (в типичной системе - по 1 Кбайт на каждый файл). К счастью, NTFS имеет удачную систему хранения данных, которая не приводит к увеличению каких-либо фиксированных областей при увеличении объема диска. Количество данных, с которым оперирует система на основе NTFS, практически не зависит от объема тома, и основной вклад в объемы данных, которые необходимо кэшировать, вносят каталоги. Тем не менее, уже этого вполне достаточно для того, чтобы только минимальный объем данных, необходимых для кэширования базовых областей NTFS, доходил до 5 - 8 Мбайт.
К сожалению, можно с уверенностью сказать:NTFS теряет огромное количество своеготеоретического быстродействия из-занедостаточного кэширования. На системах,имеющих менее 64 Мбайт памяти, NTFSпросто не может оказаться быстрееFAT16 или FAT32. Единственное исключение изэтого правила - диски FAT32, имеющие объемдесятки Гбайт (я бы лично серьезно опасалсядисков FAT32 объемом свыше, скажем, 30 Гбайт). Востальных же случаях - системы с менее чем 64мегабайтами памяти просто обязаны работатьс FAT32 быстрее.
Типичный в настоящее время объем памяти в 64Мбайта, к сожалению, также не даетвозможности организовать эффективнуюработу с NTFS. На малых и средних дисках (до 10Гбайт) в типичных системах FAT32 будетработать, пожалуй, немного быстрее.Единственное, что можно сказать по поводубыстродействия систем с таким объемомоперативной памяти - системы, работающие сFAT32, будут гораздо сильнее страдать отфрагментации, чем системы на NTFS. Но еслихотя бы изредка дефрагментировать диски, тоFAT32, с точки зрения быстродействия, являетсяпредпочтительным вариантом. Многие люди,тем не менее, выбирают в таких системах NTFS -просто из-за того, что это даст некоторыедовольно важные преимущества, тогда кактипичная потеря быстродействия не оченьвелика.
Системы с более чем 64 Мбайтами, аособенно - со 128 Мбайт и более памяти, смогутуверенно кэшировать абсолютно всё, чтонеобходимо для работы систем, и вот на такихкомпьютерах NTFS, скорее всего, покажет болеевысокое быстродействие из-за болеепродуманной организации данных.
2.2. Быстродействие накопителя
Влияют ли физические параметры жесткогодиска на быстродействие файловой системы?Да, хоть и не сильно, но влияют. Можновыделить следующие параметры физическойдисковой системы, которые по-разному влияютна разные типы файловых систем:
- Время случайного доступа (random seek time). К сожалению, для доступа к системным областям на типичном диске более сложной файловой системы (NTFS) приходится совершать, в среднем, больше движений головками диска, чем в более простых системах (FAT16 и FAT32). Гораздо большая фрагментация каталогов, возможность фрагментации системных областей - всё это делает диски NTFS гораздо более чувствительными к скорости считывания произвольных (случайных) областей диска. По этой причине использовать NTFS на медленных (старых) дисках не рекомендуется, так как высокое (худшее) время поиска дорожки дает еще один плюс в пользу систем FAT.
- Наличие Bus Mastering. Bus Mastering - специальный режим работы драйвера и контроллера, при использовании которого обмен с диском производится без участия процессора. Стоит отметить, что система запаздывающего кэширования NTFS сможет действовать гораздо более эффективно при наличии Bus Mastering, т.к. NTFS производит отложенную запись гораздо большего числа данных. Системы без Bus Mastering в настоящее время встречаются достаточно редко (обычно это накопители или контроллеры, работающие в режиме PIO3 или PIO4), и если вы работаете с таким диском - то, скорее всего, NTFS потеряет еще пару очков быстродействия, особенно при операциях модификации каталогов (например, активная работа в интернете - работа с кэшем интернета).
- Кэширование как чтения, так и записи на уровне жестких дисков (объем буфера HDD - от 128 Кбайт до 1-2 Мбайт в современных дорогих дисках) - фактор, который будет более полезен системам на основе FAT. NTFS из соображений надежности хранения информации осуществляет модификацию системных областей с флагом "не кэшировать запись", поэтому быстродействие системы NTFS слабо зависит от возможности кэширования самого HDD. Системы FAT, напротив, получат некоторый плюс от кэширования записи на физическом уровне. Стоит отметить, что, вообще говоря, всерьез принимать в расчет размер буфера HDD при оценке быстродействия тех или иных файловых систем не стоит.
Подводя краткий итог влияниюбыстродействия диска и контроллера набыстродействия системы в целом, можносказать так: NTFS страдает от медленныхдисков гораздо сильнее, чем FAT.
2.3. Размер кластера
Хотелось бы сказать пару слов о размерекластера - тот параметр, который в файловыхсистемах FAT32 и NTFS можно задавать приформатировании практически произвольно.Прежде всего, надо сказать, что большийразмер кластера - это практически всегда большее быстродействие. Размер кластера натоме NTFS, однако, имеет меньшее влияние набыстродействие, чем размер кластера длясистемы FAT32.
- Типичный размер кластера для NTFS - 4 Кбайта. Стоит отметить, что с большим размером кластера отключается встроенная в файловую систему возможность сжатия индивидуальных файлов, а также перестает работать встроенный API дефрагментации - т.е. подавляющее число дефрагментаторов, в том числе встроенный в Windows 2000, будут неспособны дефрагментировать этот диск. SpeedDisk, впрочем, сможет - он работает не через это API. Оптимальным с точки зрения быстродействия, по крайней мере, для средних и больших файлов, считается (самой Microsoft) размер 16 Кбайт. Увеличивать размер далее неразумно из-за слишком больших расходов на неэффективность хранения данных и из-за мизерного дальнейшего увеличения быстродействия. Если вы хотите повысить быстродействие NTFS ценой потери возможности сжатия - задумайтесь о форматировании диска с размером кластера, большим чем 4 Кбайта. Но имейте в виду, что это даст довольно скромный прирост быстродействия, который часто не стоит даже уменьшения эффективности размещения файлов на диске.
- Быстродействие системы FAT32, напротив, можно довольно существенно повысить, увеличив размер кластера. Если в NTFS размер кластера почти не влияет на размер и характер данных системных областей, то в системе FAT увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT в те же два раза. Вспомните, что в типичной системе FAT32 эта очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократиться - уменьшается и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов, и объем оперативной памяти, необходимый для буферизирования этой информации. Типичный объем кластера для систем FAT32 составляет тоже 4 Кбайт, и увеличение его до 8 или даже до 16 Кбайт - особенно для больших (десяток и более гигабайт) дисков - достаточно разумный шаг.
2.4. Другие соображения
NTFS является достаточно сложной системой,поэтому, в отличие от FAT16 и FAT32, имеются идругие факторы, которые могут привести ксущественному замедлению работы NTFS:
- Диск NTFS был получен преобразованием раздела FAT16 или FAT32 (команда convert). Данная процедура в большинстве случаев представляет собой тяжелый случай для быстродействия, так как структура служебных областей NTFS, скорее всего, получится очень фрагментированной. Если есть возможность - избегайте преобразования других систем в NTFS, так как это приведет к созданию очень неудачного диска, которому не поможет даже типичный (неспециализированный) дефрагментатор, типа Diskeeper-а или встроенного в Windows 2000.
- Активная работа с диском, заполненным более чем на 80% - 90%, представляет собой катастрофический для быстродействия NTFS случай, так как фрагментация файлов и, самое главное, служебных областей, будет расти фантастически быстро. Если ваш диск используется в таком режиме - FAT32 будет более удачным выбором при любых других условиях.
3. Выводы
В данной заключительной части "однойстрочкой" собраны ключевые особенностибыстродействия этих трех файловых систем.
FAT - плюсы:
- Для эффективной работы требуется немного оперативной памяти.
- Быстрая работа с малыми и средними каталогами.
- Диск совершает в среднем меньшее количество движений головок (в сравнении с NTFS).
- Эффективная работа на медленных дисках.
FAT - минусы:
- Катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков (только FAT32).
- Сложности с произвольным доступом к большим (скажем, 10% и более от размера диска) файлам.
- Очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов.
NTFS - плюсы:
- Фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы - работа фрагментированной системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов.
- Сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию.
- Быстрый доступ к произвольному фрагменту файла (например, редактирование больших .wav файлов).
- Очень быстрый доступ к маленьким файлам (несколько сотен байт) - весь файл находится в том же месте, где и системные данные (запись MFT).
NTFS - минусы:
- Существенные требования к памяти системы (64 Мбайт - абсолютный минимум, лучше - больше).
- Медленные диски и контроллеры без Bus Mastering сильно снижают быстродействие NTFS.
- Работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы.
- Диск, долго работающий в заполненном на 80% - 90% состоянии, будет показывать крайне низкое быстродействие.
Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что напрактике основной фактор, от которогозависит быстродействие файловой системы -это, как ни странно, объем памяти машины.Системы с памятью 64-96 Мбайт - некий рубеж, накотором быстродействие NTFS и FAT32 примерноэквивалентно. Обратите внимание также насложность организации данных на вашеймашине. Если вы не используете ничего, кромепростейших приложений и самой операционнойсистемы - может случиться так, что FAT32 сможетпоказать более высокое быстродействие и намашинах с большим количеством памяти.
NTFS - система, которая закладывалась набудущее, и это будущее для большинствареальных применений сегодняшнего дня еще, ксожалению, видимо не наступило. На данныймомент NTFS обеспечивает стабильное иравнодушное к целому ряду факторов, но,пожалуй, всё же невысокое - на типичной "игровой"домашней системе - быстродействие. Основноепреимущество NTFS с точки зрениябыстродействия заключается в том, что этойсистеме безразличны такие параметры, каксложность каталогов (число файлов в одномкаталоге), размер диска, фрагментация и т.д.В системах FAT же, напротив, каждый из этихфакторов приведет к существенному снижениюскорости работы.
Только в сложных высокопроизводительныхсистемах - например, на графическихстанциях или просто на серьезных офисныхкомпьютерах с тысячами документов, или, темболее, на файл-серверах - преимуществаструктуры NTFS смогут дать реальный выигрышбыстродействия, который порой заметенневооруженным глазом. Пользователям, неимеющим большие диски, забитые информацией,и не пользующимся сложными программами, нестоит ждать от NTFS чудес скорости - с точкизрения быстродействия на простых домашнихсистемах гораздо лучше покажет себя FAT32.