固态硬盘(SSD)为什么需要TRIM?

固态硬盘(SSD)突破了传统硬盘的速度瓶颈,并且工作稳定、无噪音、耗电少,随着成本的下降,大有取代传统硬盘的势头。使用SSD的人大多听说过TRIM,操作系统一定要支持TRIM才能让SSD的性能实现最优化,那么TRIM到底是什么东西,为什么SSD需要TRIM而传统硬盘却不需要呢?

TRIM的出现,实际上是由于SSD在执行数据删除、覆盖操作时和传统硬盘在原理上的差异所造成的。我们知道,存储设备(无论是SSD还是传统硬盘)只负责最底层的物理存储,并不知道所存储的数据到底有什么意义,反正操作系统让我读或写什么数据我照办就可以了,而将物理设备中的数据组织成目录、文件并赋予它们意义的,是文件系统(File System)负责的工作。文件系统是操作系统的一部分,由操作系统负责管理,不同的操作系统支持的文件系统不一样,例如较古老的FAT16/32、Windows的NTFS、OS X的HFS+、Linux的ext(ext2/3/4)等等。

那么为什么说问题出在数据的删除和覆盖上面呢?我们来看一下删除文件的时候操作系统是如何处理的吧。首先,一个文件在物理设备上是存放在多个数据块中的,这些块可以是不连续的,文件系统中会有一张表(例如FAT中的文件分配表)来管理每个文件的数据所对应的存储位置。那么,在删除的文件的时候,操作系统只要将该文件所对应的数据块在文件系统中标记为“空闲”就可以了,根本不需要实际去清除数据块中存放的数据。

结果:存储设备只知道哪些地方存了数据,但不知道这个数据到底还有没有用(因为文件删除之后,数据实际上可能还留在数据块中),数据有没有用只有操作系统才知道。

当我们需要存放新文件时,那些已经标记为“空闲”的数据块就会被当作空的数据块来使用(尽管里面实际上不是空的),对于操作系统来说,它们和原本就没有内容的空数据块是完全一样的。但这样的设计必须建立在一个前提下:

对于物理存储设备来说,“写入空白数据块”和“覆盖已有内容的数据块”所需要的操作是完全相同的。

上述前提对于传统硬盘来说是完全成立的,传统硬盘的工作方式跟磁带差不多,数据的记录是根据介质上某个记录单元的磁化方向来完成的。也就是说,在写入数据时,磁头只要将指定的记录单元(扇区)磁化为所需的状态即可,完全不必关心这个单元原本是怎样的状态。

然而,上述前提在SSD上却是不能成立的!为什么呢?因为在SSD中,只有空数据块才能直接执行写入操作;而对于非空数据块,需要先执行擦除操作之后才能进行写入。

乍看之下,SSD和传统硬盘的区别仅仅是多了一步擦除操作而已,但实际上并非如此,更要命的还在后头。在SSD中,数据存储的最小单位是页面(page),一个页面的大小一般是4KB,若干个页面又被组合成块(block),一个块的大小一般是512KB。由于硬件方面的限制,SSD单独对某个页面进行读/写的操作,但擦除操作却只能对整个块进行,也就是说,一旦擦除就必须一次性擦除整个块。想想看,如果操作系统要让SSD改写某个页面的数据,SSD需要执行怎样的操作呢:

  1. 将要改写的目标页面所在的整个块的数据读取到缓存。
  2. 在缓存中修改目标页面的数据。
  3. 对整个块执行擦除操作。
  4. 将缓存中的数据重新写入整个块中。

这就意味着,如果我要修改某个4KB大小的页面,就必须把512KB大小的整个块都折腾一遍,大家应该可以想象出这将带来何等巨大的性能和寿命上的损失。

正是出于上述原因,SSD中提供了一个TRIM命令,操作系统在删除文件时可以通过向SSD发送TRIM命令告诉它哪些数据块中的数据已经不再使用了。SSD在收到TRIM命令后,通常会在定期的垃圾收集操作中重新组织这些区块,为将来写入数据做好准备,不过每一款SSD在底层对TRIM命令的执行机制都不尽相同,但无论如何,通过TRIM能够显著改善SSD的性能和寿命。当然,大家可能已经发现了,有了TRIM,删除的文件数据会被SSD自动回收,这意味着以往在传统硬盘上能够使用的一些数据恢复(反删除)软件,在SSD上可能就不再管用了。

既然TRIM如此重要,我应该如何启用呢?一般来说,只要你所使用的操作系统支持TRIM,就无需额外的操作。支持TRIM的操作系统:Windows 7及后续版本、OS X 10.6.8及后续版本、Linux内核版本2.6.33及后续版本。

对于Windows XP用户,系统不支持TRIM,可以选择SSD厂商(如Intel)提供的软件来实现定期的垃圾回收,模拟TRIM的效果。对于Mac用户,OS X系统虽然支持TRIM,但只支持苹果自家的SSD,如果你安装了第三方品牌的SSD,系统是无法启用TRIM的,通过TRIM Enabler软件给内核打个补丁,就可以启用TRIM了。

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