认识磁盘
1.磁盘
1.1 前言
计算机的功能主要为：计算、存储和网络。而用于计算的数据以及计算后的结果很大一部分都需要存储起来，以备后续再次使用。向磁盘中存储和读取的过程叫磁盘 I/O。磁盘的读取方式和速度会严重影响到整个业务的计算性能。
1.2 认识磁盘
下面我们简单了解一下磁盘是如何工作的。
磁盘大概长这个样子：
磁盘主要由磁盘盘片、传动手臂、读写磁头和马达组成。为了存储容量,主轴像穿糖葫芦一样把多个磁盘片组成一个阵列。通过马达驱动主轴转动以及传动手臂移动，使读写磁头在磁盘片上读写数据。大概如下：
磁盘盘片（platter）
磁盘盘片是由坚硬金属材料制成的涂以磁性介质的盘片，这些磁性物质用来记录二进制数据，不同容量硬盘的盘片数不等。因为正反两面都可涂上磁性物质，故一个盘片可能会有两个盘面。受到硬盘整体体积和生产成本的限制，盘片数量都受到限制，一般都在5片以内。它们从上至下从“0”开始依次编号。
磁道（track）
当磁盘旋转时,磁头若保持在一个位置上,则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹,这些圆形轨迹就叫做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的,因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区,磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的,这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响,同时也为磁头的读写带来困难。磁道从外向内从0开始顺序编号。数据就是写在这些磁道上。如下：
扇区（sector）
一个盘面划分为若干内角相同的扇形，这样盘面上的每个磁道就被分为若干段圆弧，每段圆弧叫一个扇区。
扇区是磁盘的最小组成单元，每个扇区可存储128×2的N次方（N＝0.1.2.3）字节信息。在DOS中每扇区是128×2的2次方＝512字节。
为了对扇区进行查找和管理，需要对扇区进行编号，扇区的编号由外向内从0磁道开始，起始扇区为1扇区，其后为2扇区、3扇区……，0磁道的扇区编号结束后，1磁道的起始扇区累计编号，直到最后一个磁道的最后一个扇区（n扇区）。
在老式硬盘中，尽管磁道周长不同，但每个磁道上的扇区数是相等的，越往圆心扇区弧段越短，但其存储密度越高。不过这种方式显然比较浪费空间，因此现代硬盘则改为等密度结构，这意味着外围磁道上的扇区数量要大于内圈的磁道，寻址方式也改为以扇区为单位的线性寻址。为了兼容老式的 3D 寻址方式，现代硬盘控制器中都有一个地址翻译器将 3D 寻址参数翻译为线性参数。
硬盘在进行扇区编号时与软盘有一些区别，在软盘的一个磁道中，扇区号一次编排，即1、2、3……n扇区。由于硬盘的转速较高，磁头在完成某个扇区数据的读写后，必须将数据传输到微机，这需要一个时间，但是这时硬盘在继续高速旋转，当数据传输完成后，磁头读写第二个扇区时，磁盘已经旋转到了另外一个扇区。因此在早期硬盘中，扇区号是按照某个间隔系数跳跃编排的。
3D 寻址参数：×× 磁道(柱面)，×× 磁头，×× 扇区
柱面（cylinder）
硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号（相同半径）的磁道形成一个圆柱，所以就是不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，柱面数等于磁道数。
1.3 磁盘容量计算
扇区，磁道（或柱面）和磁头数构成了硬盘结构的基本参 数，这些参数可以得到硬盘的容量，基计算公式为：
存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每扇区字节数
如上图，，磁盘是一个3个磁盘、6个磁头、7个柱面（每个磁盘有7个磁道）的磁盘，每条磁道有12个扇区，所以磁盘的容量为：
6 * 7 * 12 * 512 = 258048（字节）
每个磁道的扇区数一样是说的老的硬盘，外圈的密度小，内圈的密度大，每圈可存储的数据量是一样的。新的硬盘数据的密度都一致，这样磁道的周长越长，扇区就越多，存储的数据量就越大。
并且：
数据的读/写按柱面从外向内进行，而不是按盘面进行。是因为虽然每个盘面对应一个磁头。但是所有的磁头都是连在同一个磁臂上的，因此所有磁头只能“共进退”。
1.4 磁盘读取
扇区编号定义：由前面介绍可知，我们可以用柱面 + 磁头 + 扇区来唯一定位磁盘上每一个区域，或是说柱面/磁头/扇区与磁盘上每一个扇区有一一对应关系，通常 DOS 将“柱面/磁头/扇区”这样表示法称为“绝对扇区”表示法。
但 DOS 不能直接使用绝对扇区进行磁盘上的信息管理，而是用所谓“相对扇区”或“DOS 扇区”。
“相对扇区”只是一个数字，如柱面 140，磁头 3，扇区 4 对应的相对扇区号为 2757。该数字与绝对扇区“柱面/磁头/扇区”具有一一对应关系。当使用相对扇区编号时，DOS 是从柱面 0，磁头 1，扇区 1 开始（注：柱面 0，磁头 0，扇区 1 没有 DOS 扇区编号，DOS下不能访问，只能调用 BIOS 访问），第一个 DOS 扇区编号为 0，该磁道上剩余的扇区编号为 1 到 16（设每磁道 17 个扇区），然后是磁头号为 2，柱面为 0的 17 个扇区，形成的 DOS 扇区号从 17 到 33。直到该柱面的所有磁头。然后再移到柱面 1，磁头 1，扇区 1 继续进行 DOS 扇区的编号，即按扇区号，磁头号，柱面号（磁道号）增长的顺序连续地分配 DOS 扇区号。
DOS:磁盘操作系统（Disk Operating System）
如果现在要读取某一位置的数据，磁盘需要：
- 寻道时间：磁头从开始移动到数据所在磁道所需要的时间，寻道时间越短，I/O操作越快，目前磁盘的平均寻道时间一般在3－15ms，一般都在10ms左右。
- 旋转延迟：盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间，旋转延迟取决于磁盘转速。普通硬盘一般都是7200rpm，慢的5400rpm。
- 数据传输时间：完成传输所请求的数据所需要的时间。
1.5 磁盘块/簇、page
扇区是硬盘数据存储的最小单位，但操作系统无法对数目众多的扇区进行寻址，所以操作系统就将相邻的扇区组合在一起，形成一个簇，然后再对簇进行管理.每个簇可以包括2、4、8、16、32、64个扇区。簇有时也称作磁盘块(block)。它是属于文件系统层面的概念，是文件系统层中数据存储的基本单位
“簇”是DOS进行分配的最小单位。当创建一个很小的文件时，如是一个字节，则它在磁盘上并不是只占一个字节的空间，而是占有整个一簇。
DOS视不同的 存储介质（如软盘，硬盘），不同容量的硬盘，簇的大小也不一样。簇的大小可在称为磁盘参数块（BPB）中获取。簇的概念仅适用于数据区。 磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。在磁盘上，DOS操作系统是以“簇”为单位为文件分配磁盘空间的。硬盘的簇通常为多个扇区，与磁盘的种类、DOS 版本及硬盘分区的大小有关。每个簇只能由一个文件占用，即使这个文件中有几个字节，决不允许两个以上的文件共用一个簇，否则会造成数据的混乱。
这种以簇为最小分配单位的机制，使硬盘对数据的管理变得相对容易，但也造成了磁盘空间的浪费，尤其是小文件数目较多的情况下，一个上千兆的大硬盘，其浪费的磁盘空间可达上百兆字节。 （1）“簇”是DOS进行分配的最小单位。 （2）不同的存储介质，不同容量的硬盘，不同的DOS版本，簇的大小也不一样。 （3）簇的概念仅适用于数据区。
已经有了扇区，为什么还需要簇？
读取方便：由于扇区的数量比较小，数目众多在寻址时比较困难，所以操作系统就将相邻的扇区组合在一起，形成一个块，再对块进行整体的操作。
分离对底层的依赖：操作系统忽略对底层物理存储结构的设计。通过虚拟出来磁盘块的概念，在系统中认为块是最小的单位。
page
操作系统经常与内存和硬盘这两种存储设备进行通信，类似于“块”的概念，都需要一种虚拟的基本单位。所以，与内存操作，是虚拟一个页的概念来作为最小单位。与硬盘打交道，就是以块为最小单位。
扇区、块/簇、page的关系
- 扇区： 硬盘的最小读写单元
- 块/簇： 是操作系统针对硬盘读写的最小单元
- page： 是内存与操作系统之间操作的最小单元。
扇区 <= 块/簇 <= page
1.6 整体描述
下面我们用几张图来整体描述磁盘相关知识点：
磁盘由磁盘盘片、传动手臂、读写磁头和马达组成。为了存储容量,主轴像穿糖葫芦一样把多个磁盘片组成一个阵列。通过马达驱动主轴转动以及传动手臂移动，使读写磁头在磁盘片上读写数据。
数据的读/写按柱面从外向内进行，而不是按盘面进行。是因为虽然每个盘面对应一个磁头。但是所有的磁头都是连在同一个磁臂上的，因此所有磁头只能“共进退”。
在磁盘中，磁道被分为多个内角相等的区域，这个区域叫做扇面，在扇面中， 每一条被划分的磁道被称为扇区。
根据×× 磁道(柱面)（找第几个磁道），×× 磁头（找到第几个磁盘），×× 扇区（找到对应的区域）能定位磁盘上每一个区域。
磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。在磁盘上，DOS操作系统是以“簇”为单位为文件分配磁盘空间的。硬盘的簇通常为多个扇区，与磁盘的种类、DOS 版本及硬盘分区的大小有关。
如果磁盘是一记事本，那么一张磁盘片就是本子的一页纸，而主轴就是本子的装订线；磁道就是纸页的行，而扇区可以看作是很宽的列。
如果在磁盘中存储一首诗,想象中大概这个样子。
磁盘的读 I/O 操作,需要找到数据所在的磁盘片，以及对应的磁道和扇区。这些操作类似于从一本书中找到数据所在的页，行，列。
因为每个磁盘片都对应一个磁头，所以性能的关键就在于找行和列，即寻道和磁盘旋转。寻道即通过磁头找到数据所在的磁道，相当于换行到数据所在行。由于磁头只能水平移动，即只能换行寻道，无法在指定磁道上移动，因此需要磁盘高速旋转移动到指定扇区，类似写春联时，笔不动，纸动。
综上所述，磁盘的读写是通过机械运动来定位数据所在位置，而 cpu 是通过电信号进行数字运算。粗略的认为，机械查询数据，与光速处理数据的性能完全不是在一个量级，总之一句话就是磁盘处理太慢太慢了。
虽然磁盘处理数据太慢了，但是它是目前相对廉价且稳定的存储设备，所以又不能舍弃不用，但大致可以通过以下方法进行优化。
- 尽量减少 I/O 次数，比如可以使用缓存；
- 每次 I/O 尽量获取更多的数据；
- 每次 I/O 尽量获取有用的数据，当然相应的也间接减少总 I/O 次数；
1.7 4K对齐
早期的硬盘一个扇区的大小是512个字节，后来随之磁盘容量的不断增加和读写效率提升的要求，将每个扇区的大小调整为4096个字节，也就是4KB，这种扇区又叫4K扇区。4K对齐指的就是对磁盘分区时，让分区的起始扇区位于某一个4K扇区的起始位置。所以分区起始位置只要是4096的倍数就是4K对齐了。
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