O que é fragmentação? | phoenixNAP Glossário de TI

Fragmentação refere-se ao processo em que uma grande parte dos dados é dividida em partes menores, o que pode ocorrer em vários sistemas, incluindo armazenamento de arquivos, alocação de memória e bases de dados.

O que é fragmentação na computação?

Fragmentação é uma condição na qual os dados são divididos em vários segmentos não contíguos em sistemas de armazenamento ou memória, levando a ineficiências na recuperação e processamento de dados. Normalmente ocorre ao longo do tempo como arquivos ou blocos de dados são criados, modificados, excluídos ou redimensionados, resultando em lacunas ou "fragmentos" dentro do espaço de armazenamento. Em sistemas de arquivos, a fragmentação pode fazer com que blocos de dados sejam espalhados por diferentes locais no disco, forçando o sistema a gastar tempo e recursos adicionais recuperando informações.

Da mesma forma, no gerenciamento de memória, a fragmentação pode levar ao uso ineficiente do espaço disponível, pois a memória pode ser dividida em pedaços pequenos e inutilizáveis que não podem acomodar novos dados. Esse fenômeno pode degradar severamente o desempenho, aumentando latência e redução do throughput, e pode ocorrer tanto no nível lógico quanto no físico do armazenamento de dados. Soluções para fragmentação frequentemente envolvem processos como desfragmentação, que reorganiza dados fragmentados em blocos contíguos para melhorar a eficiência.

Fragmentação vs. Desfragmentação

Fragmentação se refere à dispersão de dados entre setores não contíguos ou locais de memória, causando ineficiências na recuperação de dados e no desempenho do sistema devido ao aumento do tempo necessário para acessar dados fragmentados.

Desfragmentação, por outro lado, é o processo de reorganizar esses dados fragmentados, consolidando-os em blocos contíguos para otimizar a eficiência do armazenamento e melhorar a velocidade de recuperação. Enquanto a fragmentação ocorre naturalmente ao longo do tempo, conforme os dados são adicionados, excluídos ou modificados, a desfragmentação é uma medida corretiva que visa reduzir as penalidades de desempenho causadas pela fragmentação, resultando em operações de sistema mais rápidas e uso mais eficiente dos recursos de armazenamento.

Causas da Fragmentação

A fragmentação ocorre quando os dados são armazenados em blocos não contíguos em um dispositivo de armazenamento, levando a ineficiências na recuperação de dados e desempenho reduzido do sistema. Esse fenômeno acontece devido a vários fatores relacionados a como os dados são gerenciados e modificados ao longo do tempo. Abaixo estão as principais causas da fragmentação:

Criação e exclusão de arquivos. Conforme os arquivos são criados e excluídos, lacunas se formam no espaço de armazenamento onde os arquivos excluídos costumavam residir. Quando novos arquivos são criados, eles podem não se encaixar perfeitamente nessas lacunas, resultando em armazenamento fragmentado.
Modificação de arquivo. Quando um arquivo é modificado e cresce em tamanho, o sistema pode não encontrar espaço contíguo suficiente para armazenar os dados adicionais. Como resultado, os novos dados são armazenados em locais separados, levando à fragmentação.
Alocação dinâmica de memória. Em sistemas com dinâmica alocação de memória, blocos de memória são atribuídos e liberados conforme necessário. Com o tempo, esse processo pode criar lacunas de memória dispersas, causando fragmentação de memória.
Espaço livre limitado. Quando o espaço de armazenamento se torna limitado, o sistema tem dificuldade para encontrar blocos contíguos para armazenar arquivos novos ou modificados. Isso frequentemente força os dados a serem divididos em vários fragmentos para caber nos espaços disponíveis.
Vários sistemas de arquivos e particionamento. Quando um disco é dividido em várias partições ou sistemas de arquivos, o armazenamento disponível pode não ser usado de forma ideal, e os arquivos podem se fragmentar mais rapidamente, pois competem por espaço dentro das partições atribuídas.

Tipos de Fragmentação

A fragmentação se manifesta de várias formas, dependendo do sistema e da maneira como os dados são manipulados e armazenados. Cada tipo de fragmentação impacta o desempenho de forma diferente, seja no nível do sistema de arquivos, no gerenciamento de memória ou dentro de bancos de dados. Abaixo estão os principais tipos de fragmentação e seus efeitos.

Fragmentação Externa

A fragmentação externa ocorre quando o espaço de armazenamento livre é dividido em blocos pequenos e não contíguos espalhados pelo meio de armazenamento. Esse tipo de fragmentação acontece quando os arquivos são excluídos ou modificados, deixando lacunas de espaço não utilizado que podem ser muito pequenas para armazenar novos arquivos ou dados. Embora haja tecnicamente espaço livre suficiente no disco, ele não está em um bloco contíguo grande o suficiente para acomodar novos dados, levando ao uso ineficiente do armazenamento e a tempos de acesso mais longos, pois o sistema deve percorrer vários blocos para recuperar informações.

Fragmentação Interna

A fragmentação interna acontece quando a memória ou o armazenamento alocado contém espaço não utilizado dentro de um bloco. Isso normalmente ocorre porque os sistemas alocam blocos de memória ou armazenamento de tamanho fixo, e se um arquivo ou estrutura de dados não se encaixa perfeitamente no espaço alocado, a porção restante permanece não utilizada. Embora os dados em si possam ser armazenados de forma contígua, esse espaço desperdiçado dentro dos blocos leva ao uso ineficiente da memória ou do armazenamento, reduzindo a eficiência geral do sistema, embora a fragmentação não seja tão visível quanto na fragmentação externa.

Fragmentação do sistema de arquivos

A fragmentação do sistema de arquivos refere-se à dispersão de dados de arquivo em setores não contíguos em um meio de armazenamento, como um disco rígido ou SSD. Conforme os arquivos são criados, modificados ou excluídos, seus dados podem se tornar fragmentados, o que significa que partes do mesmo arquivo são armazenadas em locais diferentes. Essa fragmentação aumenta o tempo que o sistema leva para recuperar o arquivo completo, pois os cabeçotes de leitura/gravação da unidade precisam acessar vários locais. Com o tempo, isso leva a um desempenho mais lento e aumenta o desgaste do dispositivo de armazenamento.

Fragmentação de Memória

A fragmentação da memória ocorre na RAM de um sistema quando memória é alocado e desalocado em pequenos blocos não contíguos ao longo do tempo, fazendo com que a memória disponível se torne fragmentada. Em sistemas que frequentemente alocam e liberam memória (por exemplo, ambientes multitarefa), pequenas lacunas podem se formar, impedindo que alocações maiores de memória se encaixem, mesmo que possa haver memória livre total suficiente. A fragmentação da memória causa degradação do desempenho, pois impede o uso eficiente da memória, potencialmente levando a travamentos do sistema ou à necessidade de técnicas complexas de gerenciamento de memória para otimizar o espaço disponível.

Fragmentação de banco de dados

A fragmentação do banco de dados ocorre quando tabelas ou índices em um banco de dados são armazenados em blocos não contíguos, geralmente como resultado de atualizações, inserções ou exclusões frequentes. Com o tempo, o desempenho do banco de dados se degrada, pois a recuperação de dados requer o acesso a blocos fragmentados de dados espalhados por diferentes locais no disco. Esse tipo de fragmentação resulta em tempos de resposta de consulta mais lentos e aumento entrada/saída (I/O) operações. A fragmentação do banco de dados é particularmente problemática em sistemas grandes, onde a execução de consultas de alto desempenho é crítica.

Efeitos da Fragmentação no Sistema

A fragmentação tem uma série de efeitos negativos no desempenho do sistema e na utilização de recursos, dependendo do tipo e da gravidade da fragmentação. À medida que os dados se tornam fragmentados, o sistema deve trabalhar mais para acessar, gerenciar e processar informações, levando a ineficiências e até mesmo falhas ao longo do tempo. Abaixo estão os principais efeitos da fragmentação em um sistema:

Desempenho reduzido. Um dos efeitos mais imediatos da fragmentação é uma redução perceptível no desempenho do sistema. À medida que os dados se espalham por vários locais não contíguos, o sistema deve gastar mais tempo buscando e recuperando as partes fragmentadas, especialmente em dispositivos de armazenamento como discos rígidos, onde cabeças mecânicas de leitura/gravação precisam se mover por diferentes setores do disco.
Aumento das operações de E/S. A fragmentação aumenta o número de operações de entrada/saída (I/O) necessárias para acessar e gerenciar dados. Como dados fragmentados são armazenados em vários lugares, o sistema deve executar mais operações de I/O para reunir as peças, o que resulta em sobrecarga adicional e tempos de processamento mais longos.
Uso ineficiente de armazenamento e memória. A fragmentação pode levar à má utilização do armazenamento e da memória disponíveis. A fragmentação externa, por exemplo, deixa lacunas entre os dados armazenados que são muito pequenas para serem usadas de forma eficiente, mesmo que possa haver espaço livre geral significativo. No caso da fragmentação interna, os blocos de memória alocados podem ter espaço não utilizado dentro deles, desperdiçando recursos e dificultando para o sistema alocar grandes blocos de dados quando necessário.
Maior uso da CPU. A fragmentação também pode aumentar CPU uso, pois o sistema deve trabalhar mais para gerenciar dados fragmentados, recuperar arquivos de vários locais e lidar com operações de E/S adicionais. A CPU pode gastar mais ciclos gerenciando o acesso a arquivos e memória, deixando menos recursos para execução aplicações e outras tarefas críticas.
Aumento do desgaste do disco e da memória. Para dispositivos de armazenamento, particularmente HDDs, a fragmentação leva ao aumento do desgaste devido ao movimento constante das cabeças de leitura/gravação à medida que buscam dados fragmentados espalhados pelo disco. Esse desgaste mecânico encurta a vida útil do dispositivo e aumenta a probabilidade de Hardwares falha.
Mais longo backup e tempos de recuperação. Quando um sistema é altamente fragmentado, backup e recuperação as operações demoram mais, pois backup o software precisa localizar e juntar os arquivos fragmentados. Isso pode aumentar significativamente o tempo necessário para concluir esses processos, especialmente em ambientes de grande escala onde integridade de dados e recuperação rápida são essenciais.
Estabilidade do sistema reduzida. Em casos extremos, a fragmentação pode causar instabilidade do sistema. A fragmentação de memória, em particular, pode levar a travamentos do sistema quando o sistema operacional não consegue alocar memória suficiente para executar programas. Da mesma forma, a fragmentação excessiva do disco causa corrupção de arquivos, erros durante operações de leitura/gravação ou até mesmo falhas do sistema.

Vantagens e desvantagens da fragmentação

A fragmentação, embora frequentemente vista como um fenômeno negativo, pode ter vantagens e desvantagens dependendo do contexto e do tipo de sistema em uso. Entender esses prós e contras é essencial para gerenciar o desempenho do sistema e tomar decisões informadas sobre quando e como lidar com a fragmentação.

Diferenciais

Embora a fragmentação seja geralmente associada a impactos negativos no desempenho do sistema, ela pode oferecer algumas vantagens em contextos específicos. Essas vantagens geralmente decorrem da flexibilidade que ele fornece no gerenciamento de recursos de armazenamento e memória. Abaixo estão os principais benefícios da fragmentação:

Uso eficiente de espaço limitado. A fragmentação permite que os sistemas utilizem espaços livres menores que, de outra forma, permaneceriam sem uso. Dividir dados em blocos não contíguos garante que nenhum armazenamento seja desperdiçado, especialmente em sistemas com recursos de armazenamento limitados ou muito utilizados.
Flexalocação de dados possível. A fragmentação permite uma gestão dinâmica e flexalocação de dados viável permitindo que o sistema armazene dados novos ou modificados em lacunas disponíveis, mesmo que nenhum bloco contíguo grande esteja livre. Isso flexA compatibilidade é particularmente útil em ambientes com modificações frequentes de arquivos, exclusões ou uso dinâmico de memória.
Atraso reduzido na alocação de memória. Em sistemas com fragmentação de memória, pequenos blocos de memória disponíveis podem ser rapidamente alocados para tarefas ou estruturas de dados menores. Isso reduz o atraso que poderia ocorrer ao esperar que blocos de memória maiores e contíguos se tornem disponíveis.
Melhor utilização de recursos em sistemas multitarefas. A fragmentação beneficia ambientes multitarefas ao permitir que o sistema aloque memória e armazenamento de forma eficiente para vários programas e processos, mesmo quando os recursos estão dispersos. Isso permite melhor utilização de recursos e desempenho multitarefa mais suave, particularmente em sistemas com cargas de trabalho variáveis.

Desvantagens

A fragmentação geralmente apresenta vários desafios ao desempenho e à eficiência do sistema. À medida que os dados se tornam fragmentados, os sistemas enfrentam várias desvantagens operacionais que degradam o desempenho e a utilização de recursos. Abaixo estão as principais desvantagens da fragmentação:

Acesso mais lento aos dados. Dados fragmentados exigem que o sistema gaste mais tempo recuperando partes dispersas de diferentes locais, resultando em acesso mais lento aos arquivos e tempos de carregamento mais longos para aplicativos.
Aumento das operações de E/S. A fragmentação resulta em mais operações de entrada/saída (E/S), pois o sistema precisa acessar vários locais para recuperar um único arquivo, aumentando a carga de trabalho geral do sistema e reduzindo a eficiência.
Uso ineficiente de armazenamento e memória. A fragmentação causa lacunas no armazenamento ou na memória, levando ao uso ineficiente do espaço. Pequenas lacunas inutilizáveis se acumulam, reduzindo o espaço disponível, mesmo que o espaço livre total pareça suficiente.
Maior uso de CPU e disco. Lidar com dados fragmentados exige mais poder de processamento e atividade de disco, resultando em maior uso da CPU e maior desgaste dos dispositivos de armazenamento, principalmente em discos rígidos mecânicos.
Mais longo backup e tempos de recuperação. Sistemas altamente fragmentados demoram mais para fazer backup e recuperar, pois o software precisa localizar e consolidar arquivos fragmentados, estendendo o tempo necessário para esses processos.
Potencial de instabilidade do sistema. Em casos extremos, a fragmentação excessiva leva a falhas de alocação de memória ou corrupção de arquivos, causando travamentos ou instabilidade do sistema, principalmente em ambientes com restrição de memória.