超能课堂(77)：苹果自我革命的APFS文件系统是什么？
这年头智能手机的硬件水平都已达一定的高度，特别是旗舰级手机，各家的机皇都是有多强上多强，所搭载的SoC、存储性能都在伯仲之间、难分高下，所以便有厂商开始在软件方面着手配合硬件进行优化，比如我们在前几期超能课堂中，提到过华为Mate 9上使用的F2FS文件系统，而从今年二月初iOS 10.3开始，苹果也在iPhone上加入了对APFS文件系统的支持，这其实早在去年WWDC 2016上，苹果便已经公布这个全新的文件系统，那么APFS文件系统究竟有什么革新之处？
APFS是什么？
APFS的英文全称为Apple File System，这也就很简单地直译为“苹果文件系统”，为64位文件系统，单个分区支持9百亿亿文件，为取代苹果延用了30多年之久的HFS+文件系统而生，加入了很多现代文件系统应有的新功能特性。
作为新一代文件系统，苹果在去年的WWDC 2016开发者大会上表示，APFS通用于iOS、macOS、watchOS和tvOS这四个苹果主要的操作系统上，由于目前苹果大部分设备都采用闪存或SSD，所以APFS完全为这类存储作了优化设计（这点与F2FS文件系统的特性一样），并把加密性作为新文件系统最主要的功能改进。
APFS对苹果有多重要？
现有的HFS+实在太落后了
APFS文件系统对苹果有多重要，这就要提到苹果现有的文件系统HFS+。HFS+文件系统由苹果从HFS文件改进而来， 早在1998年就开始在苹果设备上使用（HFS在1984年），推出之时市面上仍以软盘和HDD作为主要存储设备，所以HFS+基本没有为现在流行的闪存和SSD作优化。HFS+在应付现代硬件和软件都已经力不从心，HFS+文件系统存在元数据以大字节序保存、单线程访问、不支持稀疏文件、写时复制等等一大堆缺点。
苹果现有设备的文件系统不统一
尽管苹果几乎所有设备和系统都是基于HFS文件系统，但实际上每个设备由于需要的特性不同（这其实也归咎于HFS的落后），导致采用的 文件系统却有多种，比如macOS上有HFS、HFS+和HFS+J，而iPhone、Apple Watch有用到HFS+和HFS+ Per-File Crypto，存储管理又有Fusion Drive和CoreStorage等等，相当混乱，所以苹果希望功能更先进、更齐全的APFS能改变这个现状，成为苹果设备中统一的文件系统。
苹果现在的文件系统太混乱
APFS功能特性？
APFS在基本的文件系统设计上就远比HFS+先进，HFS+为32位文件ID，而APFS支持64位索引节点，时间戳间距从HFS+的1秒降低至1纳秒，适应回现代处理器和SSD远低于1秒的文件操作时间，具备低延迟的特性，APFS还原生支持SSD的FTL和Trim，所以性能理论上会更强、空间利用率更高，另外与HFS+固定形式的文件系统结构不同，APFS是个具有扩展性的文件系统，可以在未来增加更多新特性、API。
APFS与HFS+对比
APFS文件系统上新增的Clone、Snapshot、Crash Protection等多个功能，这得益于Copy-On-Write（写时复制、简称COW），该技术主要作用为文件在进行修改操作时， 会先复制一份新文件，用户修改的实际是在这份新文件上，原来文件不会作修改，而等修改完成后新文件再替换掉原文件，这能充分发挥存储的读写性能和保持文件的完整性 ，而在修改过程中就算出现意外，也能保证原文件不掉失。
Clone（克隆）
Clone指的是APFS在执行复制文件操作时，实际只是创建了一个类似快捷方式的副本，文件本身并没有增加多一份出来、占多一份空间，而当文件作了修改后，也只会保存修改的部分，这对于苹果系统采取的沙盒运行APP机制相当有用，可以节省APP的占用空间。
Clone演示
Snapshot（快照）
在APFS文件系统中作了分区快照后，无论原分区内的文件作了增加还是删除操作，快照分区内的文件都不会发生变化，这提高了文件备份效率，还可以实现撤销操作，这有利iTunes、Time Machine等备份功能。
Snapshot演示
Space Sharing（空间共享）
Space Sharing为解决在单个磁盘上分区固定位置、固定大小的限制，允许在不用重新分区的情况下，动态调整分区的大小，APFS格式的磁盘实际为单个容器（container），多个分区共享容器的空余容量。
支持动态调整容量
比如在一个100GB的APFS格式磁盘上，有一个10GB的A分区和一个20GB的B分区，那么A和B分区都可以任意用到剩下的70GB，这样在A分区中，即使存储一个超过10GB的文件也没问题，最大可以去到80GB。
Encryption（加密）
APFS可同时支持无加密、单密钥（Single-key）到多密钥（Multi-key）三种加密方式，单密钥即为普遍采用的全盘加密，而多密钥加密为APFS独有的加密方式，文件数据采用单个文件级别加密，而元数据采用独立密匙，这使得就算用户的硬件加密被破解，也无法在系统中获取用户的文件。
Crash Protection（防崩溃）
由于Copy-on-write的加入，现在APFS不再需要两次写入的日志式文件保护来确保元文件数据不会崩溃。
Sparse Files（稀疏文件）
稀疏文件为一种文件存储方式，在创建文件时就预留连续存储信息，但未实际占用存储空间，而到只有真正写入数据时，才会分配空间，现在APFS文件系统也加入支持。
Fast Directory（快速目录大小统计）
在以往的HFS+文件系统计一个目录的总大小需要花费较长的时间，但在APFS中，目录的大小信息文件为分开保存，并用原子操作（Atomic Operation）来更新这个信息文件，这部分额外占用的文件为小增量增长。
Atomic Safe-Save（原子级安全保存）
在一个集群或目录类文件中进行重命名等原子级文件操作时，如果无法完全完成，原文件数据不会被替换或删除，这也体现了APFS的绝对一致性，要求文件只有一定能够修改成功的情况下，文件才会被保存，否则不会进行操作。
HFS compatibility（向下兼容）
APFS依然向下兼容HFS、HFS+文件系统，包括原来大部分的开发特性。
APFS在什么设备上可以用到？
APFS将统一iOS、watchOS、macOS和tvOS上的文件系统，所以包括有支持iOS 10.3及以后系统的iPhone、iPad、iPod Touch，Apple Watch（系统版本未定），支持macOS Sierra 10.12.4及以后系统的MacBook、MacBook Air、MacBook Pro、Mac mini、iMac、Mac Pro和Apple TV（系统版本未定）等苹果设备都将用到这个新的文件系统。
苹果主流的设备都支持APFS
最新iOS 10.3 beta版上已经换成APFS系统、而macOS Sierra早已在底层支持APFS，但macOS 10.12.4 beta上才换用为主要文件系统。普通用户在即将到来iOS 10.3正式版和macOS Sierra 10.12.4正式版上，就能体验到APFS带来的新变化。
APFS实际表现初体验？
目前APFS文件尚未正式、完整地应用到苹果设备上，所以这里仅为简单的初体验。在macOS Sierra 10.12.3正式版系统中，使用hdiutli命令创建一个1GB的APFS文件系统分区后，与一个1GB的Mac OS扩展（即HFS+J）文件系统分区对比，在占用空间上APFS确实会更小。
左为APFS，右为Mac OS扩展
iOS方面，这里选择把iPhone SE刷至iOS 10.3 beta3，用Passmark和Geekbench简单跑了一下测试，并对比回iOS 10.2正式版，在两个测试结果中，APFS的表现略差于原来的文件系统，但也不排除是这两个测试APP还没有对APFS文件系统作优化支持。
存储性能
GeekBench 4
这样来看，APFS文件系统在当前对于开发者的意义更大，很可能普通消费者还不会从中获得很大的体验改善，至少在所谓的节省空间、提升性能和加强安全性上，APFS还需要点时间来发挥出优势，但APFS是足够先进和优秀的文件系统，对于未来苹果设备有极其重要的意义，未来更成熟的表现值得我们期待。