我的电脑磁盘顺序
(我的电脑磁盘顺序乱了)
欢迎 wx 关注 SH的全栈笔记
磁盘，即使不是作为开发人员，我们也会经常和它打交道。比如你家的台式机，或者用来办公的电脑，比如你安装了一个操作系统，会涉及到磁盘的分区。
而作为开发人员，自然更加需要关注磁盘。
你平时开发的代码磁盘将暂存；开发中使用最多的数据库MySQL，其数据在磁盘中持久；Redis持久数据落入磁盘；Zookeeper内存中的数据、事务日志和快照将持续到磁盘；就像RocketMQ这个消息队列也会收到 Message 持久到磁盘，Kafka也不例外；
可以说，磁盘和我们的开发息息相关。但也许在平时的开发中，很多人会忽略磁盘的存在，因为虽然与磁盘密切相关，但遗憾的是，不直接相关。但也许在平时的开发中，很多人会忽略磁盘的存在，因为虽然与磁盘密切相关，但遗憾的是，
不直接相关。因为上面提到的所有与磁盘相关的内容都是工具帮助我们做的，甚至是你的代码。
这种感觉就像鱼(可能)不太注意水，太注意氧气。
我们可能听说过磁盘 IO 慢，为什么？我们可能听说过磁盘的顺序 IO 为什么会更快？我们可能听说过磁盘的顺序 IO 甚至比内存更随机 IO 为什么要快？
也许我们可能无法清楚地解释这些问题，这就是为什么我想谈谈磁盘。磁盘分类
首先，根据原理，磁盘可分为三类：
机械硬盘（HDD）固态硬盘（SSD）混合硬盘（SSHD）本文的重点将放在 HDD 上。场景切入
首先，切入一个非常简单的场景，如下：你在你的电脑上创建了个文件，然后写了点东西进去。然后你 N 天后打开电脑，看到文件还在(废话)。这实际上是数据被持续地进入磁盘，下次需要文件时从磁盘中取出。
其实这个存取过程对我们一点感知都没有，所以我们知道装机的时候安装了一个硬盘，什么都不知道。磁盘结构
磁盘是什么样子的？它是如何存储文件的？以什么方式存储？带着这样的问题看一张图:图片来自 wikipedia从以上结构图可以看出，现代主流磁盘设计是在一个 Spindle（主轴）上，有一些 platter（盘片），然后盘片会绕着主轴旋转，然后读数据，写数据读写磁头为了实现，读写磁头将安装在读写磁头上
磁头臂在上面，磁头臂可以旋转，覆盖盘子的所有半径，然后与主轴旋转，使磁头可以获得盘子上任何风扇区域的数据。那你可能会好奇，这个
盘片怎样做，怎样设计才能储上述文件？要知道，现在的磁盘盘片大多是由
非磁性材料，它通常由铝合金、玻璃或陶瓷制成。在你的印象中，他们能用来存储文件吗（再次手动狗头）
既然提到了非磁性，答案肯定和磁性有关。...盘片构造没错，盘片的两个面涂一层薄薄的磁性材料，有多薄呢？大概是10-20 纳米，然后包裹层碳作为保护，这层薄薄的磁性材料是存储数据的
关键
磁性材料磁盘通常有多个磁盘，刚才提到的磁性材料
盘子的两面都有。大概是10-20 纳米，然后包裹层碳作为保护，这层薄薄的磁性材料是存储数据的
关键磁性材料磁盘通常有多个磁盘，刚才提到的磁性材料
盘子的两面都有。换句话说，磁盘的两面都可以用来存储和读取数据。
现在我们知道数据实际上存在于磁性材料中，所以我们在这里考虑另一个问题：「
磁盘如何知道数据中应该存在哪种磁性材料？读的时候应该读哪些材料？读多少？」其实这个道理和我们的地图差不多。比如中国这么大，如何清晰准确地描述某个地方？其实大家都知道这个答案，那就是分层分级。比如网购让你填的收货地址就是这样，比如「四川-成都-xx区-xx街道-x栋x号-xxxx室」，这种分层逻辑可以直观地表达一个特定的、特定的位置，更不用说大概那一块了，先去中国西南，再去城市，再往西走多久，再往南走。运气好的话可以找地址(再手动狗头)。
也做了类似的事情，先看图片:盘片的构造中间的黑点是主轴
，以主轴为中心划分多个磁道(为了方便理解图中只给出) 3 每个磁道分为多个区域，每个区域称为扇区
，而且每个扇区的大小都是固定的 512 字节。读取数据的时候，只需要通过这个划分就能够知道数据在哪个磁道、哪个扇区了。读取数据时，只需通过这个划分就可以知道数据在哪个磁道和扇区。但是上图可以看出一个问题:不同磁道扇的面积相同，磁道位于风扇区域半径约大
，则扇区的面积就越大
。但无论面积比内磁道大多少，只能按照设计和规定存储 512 字节数据，所以会
浪费大量的存储空间。
为了优化这个问题，就有了 ZBR 技术方案。
ZBR，全称
ZoneBit
Recording，用于解决磁道扇区存储空间浪费的问题。它是怎么做到的？说起来也很简单，越靠外圈磁道的扇区面积会更大，所以 ZBR 会放置更多的风扇区域来利用空间。
这可能换成图形：
盘片的ZBR
不同的磁道扇区数量不同，外圈磁道上的扇区会更多，从而充分利用空间，提高磁盘的总容量。存储原理好了，继续深入问题盘存储相关问题。我们知道，从宏观的角度来看，计算机不会关心你是谁，这就是它 0101010101。那么当读取文件的时候，它是如何从这层磁性材料中识别出来 010101010101，然后还原成我们能理解的文件？
我们知道磁道和扇区分在盘子上，相应的磁性材料也是如此。现代磁盘通过磁盘两侧的磁性材料记录数据，磁性材料序列的变化代表相应的二进制 0、1。
磁性序列原理
可见两个磁性 Region 的不同的顺序方向，则标记为R
（Reverse），同样的标记是N
（No Reverse），读取时，如果检测到序列 RR，则对应 1，而如果是 NR，则对应 0(也许这就是为什么叫磁盘，再手动狗头)因此，我们常说的磁盘不是读写磁头在盘子上刻东西，而是改变磁性材料的序列，读写磁头和盘子没有直接接触，他们有个大概 10 nm 的距离。此外，我们可以简单地从上述情况推断出，由于读写磁盘依赖于读取磁性序列，磁盘的两个表面可以用来存储数据，这是不可避免的磁头在盘子的每一面都有。磁盘性能
在理解了一些简单的原理之后，我们终于可以理解磁盘性能的相关问题，我们将深入分析为什么磁盘 IO 这是一个非常昂贵的操作。磁盘性能在理解了一些简单的原理之后，我们终于可以理解磁盘性能的相关问题，我们将深入分析为什么磁盘 IO 这是一个非常昂贵的操作。现在想想一个问题，我们要查询数据，底层会怎么做？是不是会：将磁头移动到目标文件所在的磁道。此时，磁盘由主轴旋转。磁头需要等待相应的风扇区域旋转到磁头，以便读取相应风扇区域的数据。&传输
总结一下，磁盘的 IO 请求耗时主要由三部分组成：磁头寻道时间：这种延迟通常是 3-15 ms磁盘旋转延迟：这取决于主轴旋转的速度，随着速度的不同而变化 2-4 ms
数据传输时间：这里平均只用 3 微秒，与上述两个相比，这里的耗时可以忽略不计
这里提到了旋转问题，在磁盘旋转延迟盘子旋转越快，相应的风扇区域移动到磁头的速度就越快。现代磁盘的旋转速度在于 5400 或者 7200 RPM（R
evolutionsP
erMinute）当然，也有一些高性能的服务器会达到转速 1500 RPM。磁盘旋转延迟确实与速度有关，因为转速越快，对应风扇区域移动到磁头的位置越快
。磁盘旋转延迟确实与速度有关，因为转速越快
，对应风扇区域移动到磁头的位置越快。但不是速度越快越好，因为速度越高，热量越严重，磁盘的寿命越短。以下是不同速度下相应旋转延迟的参考：旋转速度(单位 RPM）平均旋转延迟(单位m秒)4800 6.25 5400 5.55 7200 4.16 10000 3 15000 2(以上数据来自 wikipedia）也许你看到几毫秒感觉很好，不是那么慢，但你可以通过比较内存的速度来立即理解。随机阅读内存大概在几百纳秒，假设内存的速度是 200 ns、磁盘的速度是 2ms(按上表中速度最高的延迟计算)，差了 10000 倍，也就是4 个数量级。随机阅读内存大概在几百纳秒，假设内存的速度是 200 ns、磁盘的速度是 2ms(按上表中速度最高的延迟计算)，差了 10000 倍，也就是4 个数量级。在这里，我想我们也能理解为什么磁盘的顺序读写可以随机读取内存。由于磁盘顺序读写几乎干掉了前两个最耗时的操作，磁头已经移动到相应的磁道， 也找到了相应的扇区，直接写完了。好了， 这里简单介绍一下磁盘的原理。
