Файловая система Apple File System (APFS)
64-битные иноды, атомарные транзакции, метки времени в наносекундах, клонирование директорий, встроенное шифрование
На вчерашней презентации WWDC 2016 компания Apple показала новые версии операционных систем macOS (Sierra) 10.12, iOS 10, tvOS 10, watchOS 3, приложение для обучения детей программированию Swift Playgrounds и новые эмодзи.
Казалось бы, ничего интересного. Однако, Apple всё-таки выкатила кое-что фундаментальное. Самая значительная разработка из всего упомянутого на презентации — это файловая система нового поколения Apple File System (APFS) в операционной системе macOS (Sierra) 10.12.
На сайте для разработчиков вскоре после презентации опубликована документация с основными характеристиками и описанием файловой системы, которая повторяет отдельные функции мощной свободной файловой системы ZFS.
Сейчас в компьютерах Apple используется файловая система HFS+, расширенная версия HFS (Hierarchical File System, иерархическая файловая система), созданной более 30 лет назад. Подобно своей предшественнице, HFS+ использует древовидную структуру, называемую B*-дерево для хранения большей части метаданных. Отсюда и название «иерархическая файловая система».
Официальное представление HFS+ состоялось 19 января 1998 года, вместе с MacOS 8.1. С 2002 года в системе реализовано журналирование для повышения надёжности хранения информации. С версии OS X 10.3 журналирование включено по умолчанию, появилась возможность работать в режиме с учётом регистра имён.
Вплоть до версии OS X 10.7 разработчики продолжали дорабатывать HFS+ и реализовывать на уровне файловой системы новые функции для OS X. Но факт остаётся фактом: HFS изначально разрабатывалась во времена флоппи-дисков и крутящихся винчестеров, когда размеры файлов измерялись в килобайтах или мегабайтах. Сегодня многие работают с накопителями SSD, где хранятся миллионы файлов — гигабайты или терабайты данных. К файловой системе выдвигаются совершенно иные требования. Вместо доработки старого кода компания Apple решила наконец-то написать новую файловую систему с нуля.
Файловая система APFS нового поколения пока находится на стадии developer preview, то есть её не планируется выкатывать в массовое использование в ближайшее время. В данный момент нельзя использовать том APFS как загрузочный диск, его также нельзя применять в системе резервного копирования Time Machine, в Fusion Drive или с шифрованием File Vault. Но можно для обычного незагрузочного тома.
Предстоит ещё долгая доработка и тестирование, но уже потом APFS станет основной файловой системой Apple на десятилетия вперёд.
APFS, в отличие от HFS+, изначально различает регистр символов в названиях файлов и папок, и эту функцию нельзя отключить. Это следует иметь в виду всем, кто решит использовать APFS.
В принципе, Apple рекомендует для начала поэкспериментировать с APFS на внешнем накопителе, на котором не хранится ничего важного. Для этого предлагается использовать утилиту hdiutil.
Основные характеристики
В официальной документации перечислены общие характеристики файловой системы APFS в сравнении с HFS+.
Контейнеры и тома
Контейнер — это основной объект для хранения данных в APFS. Конейнеры обычно полностью совпадают с записями GUID Partition Table (GPT), у них собственная схема защиты от сбоев и распределения дискового пространства. Каждый контейнер содержит один или больше томов или файловых систем, в каждой из которых есть собственное пространство имён, то есть набор файлов и директорий.
APFS напрямую не поддерживает программный RAID, но её можно использовать с томами Apple RAID для поддержки Striping (RAID 0), Mirroring (RAID 1) и Concatenation (JBOD).
64-битные индексные дескрипторы (inode)
64-битные иноды значительно увеличивает пространство имён, по сравнению с 32-битными индентификаторами в HFS+. В 64-битной файловой системе APFS поддерживается более 9 квинтиллионов файлов на каждом томе. Этого должно хватить каждому, как говорил Билл Гейтс.
Наносекундные метки времени
В APFS значительно увеличена точность меток времени (таймстампов). APFS поддерживает установку меток времени с точностью до наносекунды. Для сравнения, в HFS+ метки времени выставлялись с точностью до секунды.
Наносекундные таймстампы очень важны в современных файловых системах, потому что они помогают реализовать атомарности и атомарных транзакций — одного из основных требований ACID к транзакционной системе (например, к СУБД). Атомарность гарантирует, что никакая транзакция не будет зафиксирована в системе частично. Будут либо выполнены все её подоперации, либо не выполнено ни одной.
Защита от сбоев
В APFS реализована инновационная схема метаданных copy-on-write, которую Apple называет «защитой от сбоев» («Crash Protection»). Она гарантирует, что изменения в файловой системе и записи в журнал остаются в синхронизированном виде, если что-то происходит во время записи — например, пропадает электропитание.
Схема copy-on-write в ZFS
Разреженные файлы (sparse files)
Файл с атрибутом «разреженный» предполагает содержание блоков нулевых байт, не хранимых на накопителе, а подразумеваемых. В HFS+ не было поддержки разреженных файлов.
Расширенные атрибуты
APFS имеет встроенную поддержку расширенных файловых атрибутов, которая в HFS+ реализовалась через файл Attributes, то есть через B-дерево.
Шифрование
Apple заявляет, что шифрование является фундаментальным свойством, которое встроено в APFS на уровне файловой системы. Для каждого тома в контейнере APFS устанавливается одна из моделей шифрования: без шифрования, шифрование с одним ключом, шифрование с несколькими ключами. В последнем случае отдельные ключи применяются для шифрования файлов и метаданных. В зависимости от оборудования, APFS использует режим шифрования AES-XTS или AES-CBC.
Клонирование файлов и директорий
Клонирование — практически мгновенное копирование файла или директории, при котором не требуется дополнительное место для хранения данных. При модификации клона файловая система записывает только изменение данных. Таким образом, новая файловая система может хранить много версий больших файлов, отнимая меньше дискового пространства.
Снапшоты
Снапшоты — открытые только для чтения «слепки» файловой системы в томе. Операционная система может использовать снапшоты для более эффективной процедуры резервного копирования. То есть наконец-то Time Machine будет работать нормально (быстро).
Конечно, по своим возможностям APFS значительно уступает 128-битной файловой системе ZFS, которую поддерживаю Linux, FreeBSD и другие свободные ОС, но со стороны Apple это шаг в правильном направлении.
Странно, что в предварительной документации не упомянута функция компрессии, которую HFS+, кстати, поддерживает.
Apple долго пыталась перенести ZFS на систему OS X, по этому поводу велась активная дискуссия в списках рассылки ZFS, были опубликованы предварительные снапшоты для следующей версии OS X. Позже была сделана реализация OpenZFS для OS X (O3X) и MacZFX.
Файловая система ZFS распространяется с открытым исходным кодом, и Apple вполне могла позаимствовать некоторые идеи для файловой системы APFS. Реализация open source для APFS пока не готова, компания Apple планирует опубликовать задокументировать и опубликовать формат APFS в 2017 году.
На конференции WWDC сегодня вечером состоится первая формальная сессия, где разработчикам более подробно продемонстрируют новые возможности APFS.
