Вопрос или проблема
В принципе, можем ли мы иметь файловую систему с кластерами нечетного размера в байтах? Почему все четное? Спасибо
Технически, можно было бы реализовать файловую систему с кластерами любого размера; но в конечном итоге файловые системы строятся поверх чего-то другого (обычно это хранение, сеть …). В частности, диски предоставляют интерфейсы, которые обрабатывают хранение с гранулярностью 512 или 4096 байт (в некоторых случаях с дополнительными 8 или 16 байт для целостности); использование размеров кластеров, которые не являются кратными этим размерам, было бы крайне неэффективным.
С другой стороны, файловые системы работают с памятью, и память также управляется с гранулярностью степени двойки, например 4KiB, 1MiB и т.д. Файловая система с кластерами, которые не вписываются в эти размеры, также была бы неэффективной. В Linux кластеры, превышающие размер страниц памяти, исторически было трудно поддерживать; это может вызвать проблемы при переносе файловых систем между архитектурами, например с файловой системой Ext2, которая поддерживает блоки размером 8KiB на системах Alpha с 8KiB страницами памяти, но только 4KiB блоки на 32-битных x86 системах с 4KiB страницами. Однако поддержка улучшается: XFS получила поддержку блоков большего размера, чем размер страницы, в версии 6.12 ядра (подробнее см. в этой статье на LWN).
Ответ или решение
Теоретически, размер кластеров в файловой системе может быть установлен любым, включая нечетное количество байтов. Однако в реальной практике такое использование было бы крайне неэффективным и непрактичным по причине того, что кластеры файловых систем и другие уровни инфраструктуры хранения данных обычно ориентированы на “гранулярность” в степени двойки. Данная концепция интегрирована не только в файловые системы, но и в уровни ниже — такие как диски и оперативная память. Давайте более подробно разберем несколько аспектов, объясняющих применение только четных размеров кластеров и игнорирование нечетных.
### Теория: Принципы работы файловых систем и устройств хранения
Файловая система как программная структура взаимодействует с физическим устройством хранения данных посредством кластеров, которые представляют собой блоки данных определенного размера. Файловые системы традиционно конструируются с использованием кластеров размера, который является степенью двойки, например: 512 байт, 4096 байт и так далее. Это связано с тем, что большинство жестких дисков и твердотельных дисков производятся с установленной физической размерностью сектора в 512 или 4096 байт — это дает наилучшие показатели эффективности как с точки зрения скорости доступа, так и с точки зрения надежности хранения данных.
Применение кластеров нечетного размера нарушало бы оптимальную производительность, поскольку взаимодействие системы с устройством хранения данных потеряло бы симметрию. Это привело бы к дополнительным накладным расходам на управление данными, что негативно сказалось бы на общей производительности системы.
### Пример: Память и особенности архитектуры систем
Кроме того, стоит учитывать, что современные процессоры и операционные системы работают с памятью, размеры которой также организованы в степенях двойки, например: 4 КБ, 8 КБ, 1 МБ и т.д. Как следствие, использование кластеров файловой системы, размеры которых не совпадают с гранулированными размерами памяти, также приводит к снижению производительности. Это происходит из-за сложности в управлении страничной памятью, когда требуется более сложная математика для адресации конкретных байтов в памяти.
Например, в Linux исторически было трудно поддерживать кластеры, размер которых превышал размер страницы памяти. Это усложняло переносимость файловых систем между различными архитектурами. Рассмотрим, например, файловую систему Ext2: на архитектуре Alpha, поддерживающей страницы размера 8 КБ, возможно использование блоков этого же размера. Однако на 32-битных системах x86, где размер страницы составляет 4 КБ, блоки файловой системы также должны соответствовать этому размеру.
### Применение: Современные улучшения и адаптация к новым требованиям
С течением времени, с развитием технологий, появились попытки улучшения поддержки различных размеров блоков. Есть примеры таких улучшений, например, файловая система XFS, которая в версии ядра Linux 6.12 получила возможность работать с размерами блоков, превышающими размер страницы. Тем не менее, стоит отметить, что эти нововведения предназначены для довольно специфических случаев и не являются мейнстримом в файловых системах.
Можно осознать, что вся архитектурная структура как аппаратных, так и программных решений строится вокруг предоставления наиболее оптимизированного доступа и управления данными в предсказуемых и стандартизированных мерах. Использование четных размеров кластеров — это своего рода стандарт, целью которого является максимизация производительности, уменьшение накладных расходов на вычисления и согласованность между различными уровнями хранения и обработки данных.
### Заключение
Итак, резюмируя все сказанное выше, теоретически можно создать файловую систему с кластерами нечетного размера. Однако из-за физических и архитектурных ограничений как самих устройств хранения, так и операционных систем, такое решение будет нерациональным и приводит к значительному снижению производительности. Именно поэтому четные размеры кластеров являются стандартом в проектировании современных файловых систем.