Ещё один взгляд на вопрос «нужна ли дефрагментация для SSD»

Если в двух словах, SSD устроен очень непросто. В NAND flash можно писать (точнее стирать) только большими блоками. А операционная система видит SSD как набор 512-байтовых (или 4096-байтовых) секторов, каждый из которых может быть адресован независимо.
Чтобы как-то это совместить, придумана такая вещь, как FTL (flash translation layer): данные во flash-памяти лежат не последовательно, а (очень условно) в том порядке, как они были записаны, что-то вроде log-структурированных файловых систем.
Такие структуры очень хорошо обрабатывают случайную запись, превращая её в последовательную, но, увы, ничто не бывает бесплатно — в результате зачастую последовательное чтение превращается в случайное.

Алгоритмы, по которым работают FTL, закрыты, однако, насколько мы можем судить, у разных производителей они могут кардинально различаться. Соответственно, кардинально может различаться и поведение накопителей под нагрузкой.
Именно это мы и будет исследовать.

Не раз встречал обзоры, в которых запускают чтение с нового накопителя, получают какие-то фантастические цифры и, ничтоже сумняшеся, публикуют их. Через какое-то время тест повторяют уже на не столь девственном диске, и вдруг оказывается, что время доступа выросло, а скорость, соответственно, упала.
Дело в поддержке TRIM: контроллер внутри SSD может «знать», что в конкретном блоке нет полезных данных, информация об этом хранится в FTL. И при запросе на чтение из такого блока он не обращается к медленной NAND flash, а сразу возвращает нули. На новом накопителе все блоки помечены как неиспользуемые, соответственно, в тестах на чтение он готов ставить рекорды. Только нас же интересует с какой скоростью SSD умеет отдавать не нули, а данные.

Кроме этого, некоторые накопители умеют сжимать данные, и на хорошо сжимаемых тестовых данных могут показывать не совсем те результаты, которые будут в реальной жизни.

Поэтому, перед тестированием стоит заполнять SSD несжимаемыми данными (в linux хорошим источником может служить /dev/urandom).

тестовый файл создаётся в текущем каталоге.

тестировал только под linux c dash, coreutils и fio из debian buster, с другими дистрибутивами навряд ли будут проблемы, а вот под freebsd и другие операционные системы скорее всего скрипт придётся «допиливать».

echo preparing...
dd if=/dev/urandom of=testfile bs=1M count=4096 status=none
sync
for A in 1 2 3; do
    sleep 10
    dd if=testfile of=/dev/null bs=1M iflag=direct
done

for A in 50 200 800 4000; do
    echo fio: write ${A}M...
    fio --name=test1 --filename=testfile --bs=4k --iodepth=1 --numjobs=1  --rw=randwrite  --io_size=${A}M --randrepeat=0 --direct=1 --size=4096M > /dev/null
    sync

    for B in 1 2 3; do
        echo sleep ${B}0
        sleep ${B}0
        dd if=testfile of=/dev/null bs=1M iflag=direct
    done
done

echo sleep 3600
sleep 3600
dd if=testfile of=/dev/null bs=1M iflag=direct

Из внешних зависимостей только fio; путь к exe-файлу и временному файлу указывается в первых строчках скрипта.

$testfile = "c:temptestfile"
$fio = "c:tempfio-3.18-x64fio"

echo "preparing..."

$filestream = New-Object System.IO.FileStream($testfile, "Create")
$binarywriter = New-Object System.IO.BinaryWriter($filestream)
$out = new-object byte[] 1048576

For ($i=1; $i -le 4096; $i++) {
    (new-object Random).NextBytes($out);
    $binarywriter.write($out)
}
$binarywriter.Close()

For ($i=1; $i -le 3; $i++) {
    sleep 10
    $time = Measure-Command {
        Invoke-Expression "$fio --name=test1 --filename=$testfile --bs=1M --iodepth=1 --numjobs=1  --rw=read --direct=1 --size=4096M" *>$null
    }

    $seconds = $time.Minutes*60+$time.Seconds+$time.Milliseconds/1000
    echo "read in $seconds"
}

foreach ($A in 50,200,800,4000) {
    echo "fio: write ${A}M..."
    Invoke-Expression "$fio --name=test1 --filename=$testfile --bs=4k --iodepth=1 --numjobs=1  --rw=randwrite  --io_size=${A}M --randrepeat=0 --direct=1 --size=4096M" *>$null
    For ($i=10; $i -le 30; $i+=10) {
        echo "sleep $i"
        sleep $i
        $time = Measure-Command {
            Invoke-Expression "$fio --name=test1 --filename=$testfile --bs=1M --iodepth=1 --numjobs=1  --rw=read --direct=1 --size=4096M" *>$null
        }

        $seconds = $time.Minutes*60+$time.Seconds+$time.Milliseconds/1000
        echo "read in $seconds"
    }
}

rm $testfile

Если хочется побороть, то можно воспользоваться одним из первых методов дефрагментации: делаем бэкап, удаляем файлы, восстанавливаем из бэкапа. Недостаток этого метода в том, что он достаточно долгий и подразумевает downtime (а через некоторое время данные во флеш-памяти снова окажутся фрагментированными и всё придётся повторять сначала). Так что проще или смириться, или выбирать диски, которые не подвержены этой проблеме.
Придумал относительно быстрый способ избавиться от внутренней (и только от внутренней) фрагментации SSD:

sync
fsfreeze -f /mountpoint
dd  if=/dev/nvme0n1p2 of=/dev/nvme0n1p2 bs=512M iflag=direct oflag=direct status=progress
fsfreeze -u /mountpoint

Его можно запустить на «живой» системе без размонтирования ФС и остановки сервисов. Он тоже может привести к некоторому простою из-за замораживания ФС, но при желании можно разбить его на несколько итераций, чтобы уменьшить время, на которое замораживается ввод-вывод. Есть ещё одно «но»: я не уверен на 100%, что все SSD правильно обрабатывают ситуацию «пишем нули в область, для которой до этого делали TRIM» (то есть с точки зрения накопителя области ФС, на которые ранее делали TRIM, могут теперь считаться не свободными, а занятыми данными).
В целом, рекомендация «забить смириться или выбирать диски» остаётся в силе.