2016年WWDC大會(huì)上，Apple除了公布watchOS、tvOS、macOS以及iOS等一系列系統(tǒng)和軟件更新外，還公布了一個(gè)名為APFS（Apple File System）的文件系統(tǒng)。
這一全新文件系統(tǒng)專門針對(duì)閃存/SSD進(jìn)行優(yōu)化（但依然可用于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤），提供了更強(qiáng)大的加密、寫入時(shí)復(fù)制元數(shù)據(jù)、空間分享、文件和目錄克隆、快照、目錄大小快速調(diào)整、原子級(jí)安全存儲(chǔ)基元，以及改進(jìn)的文件系統(tǒng)底層技術(shù)，將全面應(yīng)用于該公司旗下所有設(shè)備中。
為什么不繼續(xù)使用HFS+？
HFS誕生于1985年，隨后在1998年發(fā)布的4GB硬盤版本G3 PowerMac中引入了改進(jìn)的HFS+文件系統(tǒng)。從1998年4GB容量的傳統(tǒng)HDD機(jī)械硬盤，到現(xiàn)在TB規(guī)模的SSD固態(tài)硬盤，HFS+已經(jīng)招架不住存儲(chǔ)領(lǐng)域的大量改變和創(chuàng)新。
經(jīng)過長期發(fā)展，HFS+針對(duì)不同類型的設(shè)備衍生出不同功能的多種分支，但它畢竟太老、太混亂了。更重要的是，該文件系統(tǒng)不具備當(dāng)今大多數(shù)企業(yè)所需要的一些基本功能，例如納秒級(jí)時(shí)間戳、校驗(yàn)、快照、稀疏文件等。Apple生態(tài)圈急需一種能夠取代HFS+的全新文件系統(tǒng)。
APFS應(yīng)運(yùn)而生！在解決HFS面臨的各種遺留問題同時(shí)，還對(duì)HFS的所有變體進(jìn)行了統(tǒng)一，這是Apple從底層代碼開始從零打造的全新文件系統(tǒng)。
APFS概述
全新開發(fā)的APFS除了支持HFS+的全部功能外，還在以下方面有了突出的改進(jìn)：
與使用32位文件ID的HFS+不同，APFS可支持64位索引節(jié)點(diǎn)（Inode）編號(hào)，借此一個(gè)卷最多可存儲(chǔ)超過900億億個(gè)文件。HFS+只能同時(shí)對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的文件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，APFS提供了一種可擴(kuò)展存儲(chǔ)塊分配程序（Extensible block allocator），可對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行延遲初始化（Lazy initialization），進(jìn)而大幅改善大容量卷的性能。APFS支持三種模式的加密：不加密；適用于元數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的單密鑰加密；以及適用于元數(shù)據(jù)、文件，甚至文件中特定部分的多密鑰加密。此外APFS還包含其他改善和新功能，例如稀疏文件、改進(jìn)的TRIM操作，內(nèi)建對(duì)擴(kuò)展屬性的支持等。
脫胎換骨的APFS已經(jīng)具備與BSD HAMMER、Linux btrfs，或OpenZFS等現(xiàn)代化文件系統(tǒng)不相上下的功能和特性。
數(shù)據(jù)加密
安全與隱私是APFS的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。Apple的很多設(shè)備和操作系統(tǒng)早已具備加密功能，OS X 10.7 Lion開始提供全磁盤加密功能；iOS 4開始可通過專用數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)將每個(gè)文件使用一個(gè)專用密鑰進(jìn)行加密。APFS對(duì)這兩種功能進(jìn)行整合，為文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)提供了一種統(tǒng)一的加密模式。
加密是APFS原生支持的特性，用戶可以針對(duì)每個(gè)卷選擇下列任何一種加密方法：不加密，統(tǒng)一用一個(gè)密鑰加密，或多密鑰加密（針對(duì)每個(gè)文件使用專用密鑰加密，同時(shí)針對(duì)敏感的元數(shù)據(jù)使用一個(gè)單獨(dú)的密鑰）。多密鑰加密可確保哪怕設(shè)備物理安全受到威脅，依然可以保障用戶數(shù)據(jù)的完整性。取決于具體硬件，APFS加密可使用AES-XTS或AES-CBC算法。
這種加密機(jī)制還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)額外的功能：更為快速的數(shù)據(jù)擦除。通常情況下當(dāng)用戶從設(shè)備中刪除文件后，可以通過市面上提供的很多（免費(fèi)或收費(fèi)的）反刪除軟件找回刪掉的內(nèi)容。為避免這種情況，以往如果需要?jiǎng)h除包含機(jī)密信息的文件，或需要將存儲(chǔ)過私密數(shù)據(jù)的設(shè)備退役給他人使用，必須首先使用抹掉功能擦除存儲(chǔ)設(shè)備，并可能要將這一過程執(zhí)行多遍。取決于存儲(chǔ)設(shè)備容量，整個(gè)過程將耗費(fèi)極多時(shí)間。
對(duì)于使用APFS文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備，在啟用加密功能后，安全擦除的過程將變得大為簡便和快捷，不再需要耗費(fèi)大量時(shí)間多次給存儲(chǔ)設(shè)備填充隨機(jī)數(shù)據(jù)，只需要?jiǎng)h除加密所用的密鑰即可。
快照和備份功能
快照功能可將文件系統(tǒng)的狀態(tài)“固定”在創(chuàng)建快照的那一刻，并可在保留固定狀態(tài)的同時(shí)繼續(xù)訪問和修改文件系統(tǒng)。這種技術(shù)可以只記錄新增或改動(dòng)的數(shù)據(jù)塊，因此可以為文件系統(tǒng)創(chuàng)建多個(gè)快照，而無需擔(dān)心會(huì)占用大量存儲(chǔ)空間。備份工具（例如Time Machine）通常會(huì)使用該功能記錄自從上次備份之后文件系統(tǒng)的改動(dòng)情況，并可用于在不打斷用戶操作的前提下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更為高效的備份。
由于不支持目錄硬鏈接，APFS暫不兼容Time Machine，希望以后APFS能夠針對(duì)Time Machine提供更高效的序列化機(jī)制。本屆WWDC上，APFS的開發(fā)經(jīng)理Eric Tamura在演示APFS的快照功能時(shí)使用了一個(gè)尚未包含在Beta版macOS Sierra中的工具，同時(shí)根據(jù)Apple的介紹，目前尚未提供用于訪問快照功能的API，期待在后續(xù)版本中這個(gè)技術(shù)能夠盡快完善起來。
空間共享
APFS包含一個(gè)名為“空間共享”的新功能，借助該功能，多個(gè)文件系統(tǒng)可以共享同一個(gè)物理卷上的同一塊底層可用空間。也就是說，設(shè)備上的一個(gè)APFS“容器”內(nèi)部可以包含多個(gè)“卷”（文件系統(tǒng)）。HFS+需要為每個(gè)文件系統(tǒng)預(yù)先分配固定大小的容量，這種做法較為“僵硬”，而APFS的空間共享功能可以讓用戶在無需重分區(qū)的情況下動(dòng)態(tài)、靈活地?cái)U(kuò)大或縮小卷容量。
在這樣的設(shè)計(jì)下，APFS容器內(nèi)的每個(gè)卷都會(huì)顯示同等的可用空間容量，而所顯示容量會(huì)等同于該容器的可用存儲(chǔ)空間總量。例如，假設(shè)有個(gè)容量100GB的APFS容器，其中包含已用10GB容量的卷A和已用20GB容量的卷B，卷A和卷B都會(huì)顯示自己有70GB（100GB-10GB-20GB）的可用容量。
存儲(chǔ)空間使用效率
現(xiàn)代化的文件系統(tǒng)往往會(huì)通過壓縮和去重（Deduplication）等方式減小文件占用的空間量。壓縮很好理解，去重是指找出大量文件中相同的數(shù)據(jù)塊，并只將這樣的塊存儲(chǔ)一次，在訪問文件時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)“拼裝”出最終的文件。這樣的功能最適合保存大量用戶文件或大量虛擬機(jī)映像的服務(wù)器環(huán)境。
APFS可以用恒定的速度對(duì)多個(gè)文件和目錄創(chuàng)建副本。舉例來說，如果要在同一個(gè)文件系統(tǒng)（或同一個(gè)容器）內(nèi)部復(fù)制文件，實(shí)際上并不需要為數(shù)據(jù)創(chuàng)建副本，只需要對(duì)文件的元數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母戮涂梢宰尨疟P上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“共享”，此時(shí)相同的文件“實(shí)際體積”不變，但產(chǎn)生了兩個(gè)副本，對(duì)任何一個(gè)副本進(jìn)行改動(dòng)則需要為其分配新的存儲(chǔ)空間（這種方式也叫做“寫入時(shí)復(fù)制”）。
文件基本可以分為下列三種類別：
每次需要全面覆蓋的文件，例如圖片、Office 文檔、視頻等可以“附加”新內(nèi)容的文件，例如日志文件使用基于記錄結(jié)構(gòu)的文件，例如數(shù)據(jù)庫文件對(duì)大部分普通用戶來說，接觸最多的可能就是第一種文件。在APFS的幫助下，可以將文檔（例如體積為10MB）復(fù)制多次，并借助空間共享功能節(jié)約存儲(chǔ)空間的用量，但只要改動(dòng)過其中任何一個(gè)副本，就需要為這個(gè)副本分配10MB空間。
這樣的“克隆”有可能給用戶造成一定的困擾。既然復(fù)制的文件不占用空間，那刪除這些文件也不會(huì)釋放出空間。
另外還需要注意一點(diǎn)：在Finder內(nèi)復(fù)制文件會(huì)產(chǎn)生這樣可以節(jié)約空間的“克隆”，但命令行中的cp命令還會(huì)使用以往的方式為文件創(chuàng)建完整的副本。
性能
APFS專門針對(duì)閃存進(jìn)行了優(yōu)化。SSD雖然可以模擬傳統(tǒng)機(jī)械硬盤的“塊”，但底層技術(shù)與機(jī)械硬盤截然不同。SSD底層的管理工作是由一種名為閃存轉(zhuǎn)換層（FTL，F(xiàn)lash Translation Layer）的軟件負(fù)責(zé)處理的。FTL與文件系統(tǒng)極為類似，可以在塊地址和介質(zhì)內(nèi)部的位置之間創(chuàng)建虛擬映射（轉(zhuǎn)換）。整個(gè)堆棧，包括SSD、FTL，以及文件系統(tǒng)都由Apple控制，可以更有針對(duì)性地對(duì)不同組件進(jìn)行優(yōu)化。
此外APFS還提供了對(duì)TRIM的支持。TRIM是ATA協(xié)議中的一個(gè)命令，可以讓文件系統(tǒng)告訴SSD（其實(shí)是指示SSD中的FTL）某些空間是空閑的。可用空間越多，SSD的性能表現(xiàn)會(huì)越好，甚至大部分SSD所擁有的存儲(chǔ)容量會(huì)超過標(biāo)稱值。
舉例來說，假設(shè)有一個(gè)1TB容量的SSD，顯示的可用空間總量為931GB。在有更多可用空間的情況下，F(xiàn)TL可以犧牲空間利用率換回更高性能和更長壽命。但TRIM的問題在于，只有在存在可用空間的情況下這個(gè)功能才會(huì)有用，如果磁盤即將裝滿，TRIM不會(huì)為你帶來任何效果。
性能方面，APFS的延遲也有了大幅改善。APFS可以通過I/O QoS（服務(wù)質(zhì)量）對(duì)不同的訪問請求劃分優(yōu)先級(jí)，將用戶可以立刻察覺的操作和后臺(tái)活動(dòng)區(qū)分對(duì)待。
數(shù)據(jù)完整性
確保數(shù)據(jù)完整性，可以說這是任何文件系統(tǒng)的首要目標(biāo)。我把數(shù)據(jù)交給你，你別弄丟了，也別隨意修改。但如果這一切真的能實(shí)現(xiàn)，我們又為什么要“備份”呢？為確保數(shù)據(jù)安全，文件系統(tǒng)通常會(huì)采取一系列機(jī)制。
冗余
大部分Apple設(shè)備只有一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備（即一個(gè)邏輯SSD），因此RAID之類的做法毫無意義。此時(shí)冗余是通過更底層的組件實(shí)現(xiàn)的，例如Apple RAID、硬件RAID控制器、SAN，甚至“單一”存儲(chǔ)設(shè)備本身。
但是也要注意，大部分可支持APFS的Apple設(shè)備中的SSD實(shí)際上是由多個(gè)或多或少相互獨(dú)立的NAND芯片組成的。一些高端SSD會(huì)在內(nèi)部實(shí)施一定的數(shù)據(jù)冗余，但需要付出容量和性能雙雙降低的代價(jià)。
此外APFS使得“復(fù)制文件”這一用戶最常用的實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)冗余的方法也失去了作用。APFS中復(fù)制的文件實(shí)際上只是對(duì)文件創(chuàng)建了輕量級(jí)克隆，實(shí)際數(shù)據(jù)并沒有重復(fù)保存，底層設(shè)備的故障會(huì)導(dǎo)致所有“副本”受損。
絕對(duì)一致性
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在任何時(shí)候都可能出故障：崩潰、Bug、斷電等…… 文件系統(tǒng)必須能夠預(yù)見到這種情況并從故障中順利恢復(fù)。遇到這種情況，以前可能需要嘗試著用專門的工具在系統(tǒng)啟動(dòng)前檢查并修復(fù)文件系統(tǒng)（例如使用fsck）。較為現(xiàn)代化的系統(tǒng)會(huì)使用某些“始終一致”的格式，或?qū)⒉灰恢碌目赡鼙M量降低，以避免耗費(fèi)大量時(shí)間執(zhí)行完整的fsck檢查。例如ZFS就可以在磁盤上構(gòu)建一個(gè)新狀態(tài)，然后通過一次原子操作從之前的狀態(tài)以原子級(jí)方式過度到新狀態(tài)。
覆蓋寫入數(shù)據(jù)是最容易造成不一致的操作。如果文件系統(tǒng)需要覆寫文件的多個(gè)區(qū)塊，有一定可能遇到一些區(qū)塊已經(jīng)代表新狀態(tài)，但一些區(qū)塊依然代表舊的狀態(tài)。為避免這種問題，可以使用上文提到的寫入時(shí)復(fù)制這一方式，首先分配新區(qū)塊，隨后釋放舊區(qū)塊使其可被再次使用，而不需要就地修改數(shù)據(jù)。APFS實(shí)施了一種“全新的寫入時(shí)復(fù)制元數(shù)據(jù)體系”，這種方式的新穎之處在于，APFS并未使用ZFS機(jī)制復(fù)制已更改用戶數(shù)據(jù)的所有元數(shù)據(jù)，只需要對(duì)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次原子更新即可實(shí)現(xiàn)。
校驗(yàn)
校驗(yàn)是一種針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的摘要會(huì)匯總，可用于檢測（和糾正）數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。APFS會(huì)對(duì)自己的元數(shù)據(jù)，而非用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。這種對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)的做法理由非常充分：大部分元數(shù)據(jù)都與用戶數(shù)據(jù)無關(guān)（因此校驗(yàn)不會(huì)耗費(fèi)太多存儲(chǔ)空間），而丟失元數(shù)據(jù)會(huì)有極大可能造成用戶數(shù)據(jù)的丟失。距離來說，假設(shè)某個(gè)頂層目錄的元數(shù)據(jù)出錯(cuò)，那么磁盤上的所有數(shù)據(jù)都有可能無法訪問。也正是因此，ZFS會(huì)對(duì)元數(shù)據(jù)創(chuàng)建副本（甚至對(duì)頂層元數(shù)據(jù)創(chuàng)建三重副本）。
但是完全不對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，這種做法似乎更有趣。WWDC上的APFS工程師稱，Apple設(shè)備的存儲(chǔ)具備強(qiáng)大的ECC糾錯(cuò)保護(hù)。NAND閃存SSD和磁介質(zhì)機(jī)械硬盤都可以使用冗余數(shù)據(jù)檢測和糾正錯(cuò)誤。Apple工程師認(rèn)為，Apple設(shè)備通常不會(huì)遇到數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。NAND會(huì)使用額外的數(shù)據(jù)，例如每4KB頁使用額外的128字節(jié)數(shù)據(jù)，借此檢測和糾正數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。設(shè)備本身的誤碼率已經(jīng)足夠低，可以認(rèn)為設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)都不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。還有一些設(shè)備錯(cuò)誤可以通過文件系統(tǒng)的冗余機(jī)制避免。SSD中包含大量組件，而大部分消費(fèi)類產(chǎn)品中的SSD很少包含端到端的ECC保護(hù)，因此可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。SSD固件中也可能包含導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的Bug。
Apple對(duì)于供應(yīng)商的設(shè)備質(zhì)量測試可能是最嚴(yán)格的，用戶可以相信Apple產(chǎn)品使用了最高質(zhì)量的組件。Apple工程師認(rèn)為，此類設(shè)備的用戶無需擔(dān)心比特衰減（Bit Rot，逐漸老化的數(shù)據(jù)會(huì)慢慢喪失完整性）的問題，但如果軟件本身無法檢測錯(cuò)誤，用戶當(dāng)然不知道設(shè)備的具體情況如何。價(jià)值數(shù)百萬美元的存儲(chǔ)陣列所用的ZFS也可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，那么Apple設(shè)備中所用的TLC NAND芯片（最便宜的NAND芯片類型）憑什么就不會(huì)出錯(cuò)？別忘了就在不久前某些大容量iPhone 6才剛剛因?yàn)榇鎯?chǔ)問題而召回。
總結(jié)
Apple是否能完全用APFS取代HFS+，這一點(diǎn)還不確定，不過他們很可能已經(jīng)到了這樣一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：繼續(xù)維護(hù)并改進(jìn)過了“而立之年”的軟件，這樣的做法可能比全新開發(fā)一套新的軟件成本更高。APFS就是這樣一種權(quán)衡之后的產(chǎn)物。
根據(jù)Apple在WWDC上的介紹，APFS的核心設(shè)計(jì)目標(biāo)可能是這樣的：
讓所有消費(fèi)者（筆記本、手機(jī)、手表等）滿意將數(shù)據(jù)加密作為頭等要?jiǎng)?wù)為現(xiàn)代化備份方式提供快照功能這些目標(biāo)可以讓所有Apple用戶獲益，從WWDC上的演示可知，APFS似乎已經(jīng)開始逐漸走上正軌（盡管測試版的macOS Sierra似乎還有一段路要走）。
APFS開發(fā)文檔中針對(duì)“開源”有一個(gè)小注解：“開源的實(shí)現(xiàn)目前尚不可用”。其實(shí)很多人并不指望APFS能夠開源。但如果APFS能夠成為世界領(lǐng)先的文件系統(tǒng)，用戶肯定還是希望在Linux和FreeBSD中也能使用，也許到時(shí)候Microsoft也能停止在ReFS方面的研發(fā)。APFS不針對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，沒有提供數(shù)據(jù)冗余機(jī)制，這些確實(shí)讓人感覺遺憾，畢竟數(shù)據(jù)完整性應(yīng)該是任何文件系統(tǒng)的頭等要?jiǎng)?wù)，而無論這樣的文件系統(tǒng)將用于手表或手機(jī)，或者服務(wù)器，文件完整性問題都應(yīng)該重視起來。
目前APFS已經(jīng)以開發(fā)者預(yù)覽版的方式通過OS X 10.12（macOS Sierra）提供給用戶，預(yù)計(jì)將在2017年正式發(fā)布。
若要嘗試該功能，可在升級(jí)至macOS 10.12后通過新增的hdiutil命令行工具創(chuàng)建APFS卷：
$ hdiutil create -fs APFS -size 1GB foo.sparseimage目前的測試版APFS有一些局限：
無法用于啟動(dòng)磁盤。文件和目錄名稱大小寫敏感。無法用于Time Machine、FileVault或Fusion驅(qū)動(dòng)器。現(xiàn)有第三方工具需要更新才能支持APFS。APFS文件系統(tǒng)的卷無法被OS X 10.11 Yosemite以及更早的版本識(shí)別。APFS卷可以通過SMB網(wǎng)絡(luò)文件共享協(xié)議共享，AFP協(xié)議已棄用，無法用于共享APFS卷。
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