當Mac升級到Catalina時,蘋果在硬碟裡施了點魔法

2019.11.01 by
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當Mac升級到Catalina時,蘋果在硬碟裡施了點魔法
Pixabay
macOS Catalina升級後出現的小問題,不少應用程式出現2個路徑,蘋果對mac的硬碟悄悄做了一些手腳。

當我升級macOS Catalina後,卻發現一件我煩心的事:

用Alfred搜尋時,不少應用程式都會重複出現。當我按照兩個應用程式顯示的路徑去查看,卻發現了讓我不解的現象:Macintosh HD/Applications路徑一直都是應用安裝的預設路徑,沒有問題。但這個System/volumes/Macintosh/Applications文件夾從何而來?

Alfred中重複出現的應用程式(圖片來源:alfredforum.com)
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更加奇怪的是,仔細看顯示的路徑,從Macintosh HD盤符開始的路徑,居然又回到Macintosh HD,彷彿是陷入了自我循環。

循環出現的 Macintosh HD
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想弄清這兩個問題,就要回到在Catalina升級時,去看看硬碟裡發生的事情。

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一切要從macOS的系統文件的安全性開始講起。

從El Capitan開始,Apple工程師給macOS加上了「系統完整性保護」技術。這就像給書櫃的某些抽屜加上了鎖,沒有鑰匙就拿不到裡面的文件,這樣系統文件就不會被輕易篡改。

不過有鎖就有鑰匙,只要獲得了root權限,惡意程式還是能讀寫系統文件。

到了Catalina,Apple工程師想了一個更徹底的辦法:那就是將所有系統文件從原本的文件系統中分離出來,組成獨立的文件系統,並且把這個文件系統從設計上設定為只能讀取,不能寫入。

就好像買了一個新書櫃專門用來放重要文件,而且這個書櫃壓根就沒有可以打開的地方,這樣系統文件就很難被惡意修改。

一塊硬碟中可以創建多個邏輯捲(圖片來源:apple.com)
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具體要如何實現呢?首先要感謝macOS High Sierra中開始使用的新文件系統——APFS,它可以輕鬆地在一塊磁碟中創建多個邏輯捲。

在安裝Catalina時,會在磁碟中新建一個Macintosh HD邏輯捲,並且將原來的邏輯捲改名為Macintosh HD Data。新建的Macintosh HD邏輯捲就是專用來存放系統文件的「書櫃」,整個邏輯捲都是只讀的。Macintosh HD Data就像之前一樣,讓用戶自由地讀寫數據、安裝應用。

原宗卷被已經被改名為Data(圖片來源:apple.com)
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創建好Macintosh HD之後,Macintosh HD Data中的系統文件就會被剪切到系統卷Macintosh HD,組成獨立的文件系統。

bin 文件夾被移動到系統卷(圖片來源:apple.com)
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至此,透過分離系統文件到獨立邏輯捲的操作就完成了。無論程序在Macintosh HD Data邏輯捲對文件系統做什麼,都不會影響Macintosh HD中的系統文件。

在一塊硬碟上設置兩個文件系統,實現了Apple工程師們想要系統安全性。不過如果就此結束,可就苦了用戶和開發者們了。

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一塊磁碟同時存在兩個邏輯捲、兩套文件系統會造成什麼問題呢?

對於用戶來說,會明顯感受到文件系統的不統一。最明顯的是在Finder中,如果不加以處理,你應該會同時看到Macintosh HD DataMacintosh HD。而且就像Windows上的不同分區,找起文件來會比單一邏輯捲麻煩得多。

而對開發者來說,問題就嚴重的多。現在所有系統文件都會被移到了Macintosh HD中,而第三方應用只能待在Macintosh HD Data。不少應用程式會依賴系統程序和文件,如果開發者不加以適配,按照原來設定好的路徑就會找不到系統文件,應用就無法使用了。這種純粹因為Apple引起的「技術債」,開發這可不會樂意花自己的時間去還。

為了讓用戶和程式將這兩個原本獨立的文件系統,當作一個統一的文件系統來使用,Apple用「卷組」和「firmlink」這兩項技術,來了一場障眼法表演。

邏輯捲在硬碟中的位置(圖片來源:bombich.com)
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為了解決兩個邏輯捲的顯示問題,Apple工程師引入了「卷組」這一概念,一個卷組由一個系統卷(Macintosh HD)和一個數據卷(Macintosh HD Data)組成。數據卷會像一塊外置硬碟一樣,被掛載在 /System/Volumes 目錄下,這樣兩個文件系統就合成了一個文件系統。而在Finder邊欄中,只有Macintosh HD會顯示出來。這樣普通用戶就不會察覺到硬碟中存在著兩個邏輯捲,只有當你打開Disk Utility時,就會看到兩個邏輯捲。

Disk Utility 會顯示出兩個邏輯捲
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這種程度的障眼法瞞得過普通用戶,卻瞞不過應用程式。一方面前文所說的文件路徑的問題沒有被解決,另一方面應用程式文件數量巨大,而且需要頻繁讀取,簡單的直接掛載在/System/Volumes目錄下,不加以處理的話,會極大地消耗電腦的硬體資源。

為了填這個坑,Apple工程師引入了firmlink技術。

firmlink是什麼呢?用Apple工程師自己的原話說,它就是數據卷與系統卷之間的「雙向蟲洞」。聽上去很複雜,其實從實際效果去看的話,是很容易理解的。

既然我們是想讓兩個系統看上去像一個完整的文件系統,那我們給數據卷中的文件在系統卷中創建一個替身,結合系統文件和替身,不就得到了一個完整且單一的文件系統了嗎?

系統卷中的firm links (圖片來源:apple.com)
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這個數據卷中的文件在系統卷中的替身,就是firmlink。例如 /Users 是Macintosh HD Data中的文件夾,但它在系統卷的根目錄下有一個firmlink。所以你在硬碟的根目錄中看到的/Users,真實的目錄地址其實是 /System/Volumes/Data/Users/ 。如果你想知道自己Mac為哪些文件創建了firmlink,可以打開 /usr/share/firmlinks 查看。

Mac 自帶的firmlinks
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當然firmlink的厲害之處,在於應用程序可以透過它,遍歷整個系統卷的文件系統。例如程序可以從數據卷中的/System/Volumes/Data/Users/用户名/Desktop,直接透過 /System/Users/用户名/Desktop 的路徑回到系統卷中,這樣就大大減少了不必要的資源消耗。而且從應用程式的視角去看,系統文件一直存在於它原來的位置。這樣一來,開發者完全不需要因為新的文件系統做任何適配。

利用firmlink,無論是在Finder,還是實際的文件目錄中,不管是用戶還是應用程序,都被Apple的障眼法瞞了過去,將系統捲和數據卷的文件系統當成統一的文件系統。

知道了firmlink和卷組的存在,我們終於能解釋文章開頭的問題。

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首先,系統中並不存在兩個重複的應用程式。數據卷Macintosh HD Data負責第三方應用的安裝,所以System/volumes/Macintosh/Applications才是應用的真實目錄,而Macintosh HD/Applications只是它的firmlink。解決辦法也很簡單,在Alfred中輸入reload命令,Alfred就會恢復正常。

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Macintosh HD邏輯捲在Finder中出現自我循環的現象,其實只是Finder施加的一點小魔法。

前文解釋過,Macintosh HD Data被掛載在了系統卷的/System/Volumes目錄中,所以這個目錄中的Macintosh HD,其實是Macintosh HD Data,只不過為了避免使用者因為不熟悉這個名字,對其誤操作(對數據卷內的文件用戶是可以寫入和刪除的!),同時也讓文件系統看上去完整,Finder將它顯示成了Macintosh HD。不信?用Terminal或者其他終端查看下,就能看到 /System/Volumes 目錄下文件夾的真實名字。

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忙活了半天,Apple工程師終於可以安心,再也不會被客服追著問:這裡有Mac用戶誤刪了系統文件,要怎麼修復啊?

這項技術這麼好,用在iOS行不行啊?行啊!而且實際上,iOS上的系統文件早就被放在單獨的系統卷中保護起來了。

這下誰是Apple的親兒子,一目了然了。

參考目錄
- What's New in Apple File Systems - WWDC 2019 - Videos - Apple Developer

本文授權轉載自:少數派

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