磁盤這玩意兒，即使不作為一個(gè)開(kāi)發(fā)人員我們也會(huì)經(jīng)常跟它打交道。比如你家里的臺(tái)式機(jī)，或者拿來(lái)辦公的電腦，再比如你裝個(gè)操作系統(tǒng)，會(huì)涉及到對(duì)磁盤進(jìn)行分區(qū)。

而作為開(kāi)發(fā)人員，自然更加需要關(guān)注磁盤。

平時(shí)你開(kāi)發(fā)的代碼會(huì)暫存在磁盤上；開(kāi)發(fā)中用的最多的數(shù)據(jù)庫(kù) MySQL，其數(shù)據(jù)是持久化到磁盤中的；Redis 的持久化數(shù)據(jù)是落到磁盤的；Zookeeper 內(nèi)存中的數(shù)據(jù)、事務(wù)日志、快照會(huì)持久化到磁盤；像 RocketMQ 這種消息隊(duì)列也會(huì)將收到的 Message 持久化到磁盤，Kafka 當(dāng)然也不例外；

可以說(shuō)，磁盤和我們的開(kāi)發(fā)息息相關(guān)。但可能在平時(shí)的開(kāi)發(fā)中，很多人會(huì)忽略掉磁盤的存在，因?yàn)殡m然息息相關(guān)，但很遺憾，不是直接相關(guān)。因?yàn)樯厦嫣岬降乃械暮痛疟P相關(guān)的內(nèi)容，都已經(jīng)由工具幫我們做了，甚至包括你的代碼。

這種感覺(jué)就好像，魚(yú)（可能）不怎么注意水，我們平時(shí)不太會(huì)注意氧氣。

我們可能聽(tīng)過(guò)，磁盤 IO 慢，為什么？我們可能聽(tīng)過(guò)，磁盤順序 IO 會(huì)快些，為什么？我們可能聽(tīng)過(guò)磁盤的順序 IO 甚至比內(nèi)存隨機(jī) IO 要快，為什么？

可能這些問(wèn)題，我們都不一定能做個(gè)清晰的解釋，這也是為什么我想聊聊磁盤。

磁盤分類

首先，按照原理來(lái)分，磁盤可以分為三類：

• 機(jī)械硬盤（HDD）
• 固態(tài)硬盤（SSD）
• 混合硬盤（SSHD）

本篇文章的重點(diǎn)會(huì)放在 HDD 上。

場(chǎng)景切入

首先還是通過(guò)一個(gè)很簡(jiǎn)單的場(chǎng)景來(lái)切入，如下：

你在你的電腦上創(chuàng)建了個(gè)文件，然后寫了點(diǎn)東西進(jìn)去。然后你 N 天后打開(kāi)電腦，看到這個(gè)文件還在（廢話）。這實(shí)際上就是數(shù)據(jù)被持久化進(jìn)了磁盤，下次需要文件時(shí)再?gòu)拇疟P中取出來(lái)。

這個(gè)存、取的過(guò)程其實(shí)對(duì)我們完全無(wú)感知的，我們就知道裝機(jī)的時(shí)候安了一塊硬盤，其他的啥也不知道。

磁盤結(jié)構(gòu)

那磁盤里究竟長(zhǎng)啥樣呢？它是怎么樣把文件存儲(chǔ)起來(lái)的？以什么樣的方式存儲(chǔ)的？帶著這樣的問(wèn)題來(lái)看一個(gè)圖：

圖片來(lái)自 wikipedia

結(jié)合上面的結(jié)構(gòu)圖可以看出來(lái)，現(xiàn)代主流的磁盤設(shè)計(jì)就是在一個(gè) Spindle（主軸）上，有一些 platter（盤片），然后盤片會(huì)繞著主軸旋轉(zhuǎn)，然后讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)則由讀寫磁頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，讀寫磁頭會(huì)安裝在磁頭臂上，磁頭臂可以轉(zhuǎn)動(dòng)，覆蓋到盤片的所有的半徑，再搭配主軸的旋轉(zhuǎn)，從而使磁頭可以獲取到盤片上任何一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。

那你可能會(huì)好奇了，這個(gè)盤片到底要怎么做、怎么設(shè)計(jì)才能把上文提到的文件給存儲(chǔ)下來(lái)呢？

要知道，現(xiàn)在的磁盤盤片大多都是由非磁性材料，通常是鋁合金、玻璃或者陶瓷制成的，你的印象中，他們能夠拿來(lái)存儲(chǔ)文件嗎（再次手動(dòng)狗頭）

既然提到了非磁性，那么答案肯定就跟磁性有點(diǎn)關(guān)系...

盤片構(gòu)造

沒(méi)錯(cuò)，盤片的兩個(gè)面會(huì)被涂上一層薄薄的磁性材料，有多薄呢？大概是 10-20 納米，然后外面給包了層碳來(lái)作為保護(hù)，這層薄薄的磁性材料就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵

磁性材料

一個(gè)磁盤一般都會(huì)有多個(gè)盤片，并且剛剛提到的磁性材料盤片的兩個(gè)面都有。換句話說(shuō)，盤片的兩個(gè)面都能用于存儲(chǔ)、讀取數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在我們知道了，數(shù)據(jù)其實(shí)是存在磁性材料上的，那這里再思考一個(gè)問(wèn)題：「磁盤怎么知道，數(shù)據(jù)該存在哪塊磁性材料上？讀取的時(shí)候又該從哪塊材料上讀？讀多少？」

這個(gè)道理其實(shí)跟我們的地圖是類似的，舉個(gè)例子，中國(guó)這么大，我們要如何清晰、準(zhǔn)確的描述某一個(gè)地方呢？這個(gè)答案其實(shí)大家都知道，那就是分層分級(jí)。

舉個(gè)例子，網(wǎng)購(gòu)讓你填的收貨地址就是這樣，比如「四川省-成都市-xx區(qū)-xx街道-x棟x號(hào)-xxxx室」，這樣的分層邏輯能夠很直觀的表示一個(gè)特定、具體的位置，而不用說(shuō)大概那一塊，先往中國(guó)西南走、走到城市之后繼續(xù)往西走，大概走多久之后，再往南走，運(yùn)氣好的你就能找到那個(gè)地址了（再次手動(dòng)狗頭）。

盤片上也是做了類似的事情，先看個(gè)圖：

盤片的構(gòu)造

中間的黑點(diǎn)就是主軸，以主軸為圓心劃分了多個(gè)磁道（為了方便理解圖中只給出了 3 個(gè)磁道），每個(gè)磁道上又劃分出了多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域叫做扇區(qū)，并且每個(gè)扇區(qū)的大小是固定的 512 字節(jié)。讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，只需要通過(guò)這個(gè)劃分就能夠知道數(shù)據(jù)在哪個(gè)磁道、哪個(gè)扇區(qū)了。

但是通過(guò)上圖還是能看出一個(gè)問(wèn)題：那就是不同的磁道扇區(qū)數(shù)是相同的，扇區(qū)所在的磁道半徑約大，則扇區(qū)的面積就越大。但無(wú)論面積比靠?jī)?nèi)磁道的扇區(qū)大多少，按照設(shè)計(jì)、規(guī)定只能存儲(chǔ) 512 字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣一來(lái)會(huì)浪費(fèi)大量的存儲(chǔ)空間。

為了優(yōu)化這個(gè)問(wèn)題，就有了 ZBR 技術(shù)方案。

ZBR，全稱 Zone Bit Recording，用來(lái)解決傳統(tǒng)盤片的磁道扇區(qū)存儲(chǔ)空間浪費(fèi)的問(wèn)題。它是怎么做的呢？說(shuō)起來(lái)也很簡(jiǎn)單，越靠外圈磁道的扇區(qū)由于面積會(huì)更大，所以 ZBR 會(huì)放置更多的扇區(qū)，從而將空間利用起來(lái)。

轉(zhuǎn)換成圖形可能就是這樣：

盤片的ZBR

不同的磁道扇區(qū)數(shù)量不同了，外圈磁道上面的扇區(qū)會(huì)更多些，從而充分的利用空間，提升磁盤的總?cè)萘俊?/p>

存儲(chǔ)原理

好，繼續(xù)深入問(wèn)題盤片存儲(chǔ)相關(guān)的問(wèn)題。

我們知道從宏觀上來(lái)看，計(jì)算機(jī)并不會(huì)管你是誰(shuí)，到它這都是 0101010101。那么當(dāng)讀取文件的時(shí)候，它是如何從這層磁性材料中識(shí)別出來(lái) 0101010101，然后還原成我們能看懂的文件的？

前面我們知道盤片上劃分了磁道、扇區(qū)，相應(yīng)的磁性材料也同理?，F(xiàn)代磁盤就是通過(guò)磁化盤片兩面的磁性材料來(lái)記錄數(shù)據(jù)的，磁性材料序列的改變則代表了對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制 0、1。

磁性序列原理

可以看到，兩個(gè)磁性 Region 的序列方向不同，則標(biāo)記為 R（Reverse），相同則標(biāo)記為 N（No Reverse），當(dāng)讀取的時(shí)候，如果探測(cè)到序列是 RR，則對(duì)應(yīng) 1，而如果是 NR，則對(duì)應(yīng) 0（或許這就是為什么它叫磁盤吧，再再次手動(dòng)狗頭）

所以，我們常說(shuō)的寫磁盤并不是說(shuō)讀寫磁頭在盤片上刻?hào)|西，而是改變磁性材料的序列，并且讀寫磁頭和盤片沒(méi)有直接接觸，他們有個(gè)大概 10 nm 的距離。

并且，從上述現(xiàn)狀我們可以簡(jiǎn)單推導(dǎo)，既然讀寫磁盤都是靠讀取盤片上的磁性序列，并且盤片的兩個(gè)面都能用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，那么必然盤片的每個(gè)面都有磁頭。

磁盤性能

了解完一些簡(jiǎn)單的原理之后，我們終于可以來(lái)了解磁盤性能相關(guān)的問(wèn)題了，我們會(huì)深入的分析為什么磁盤 IO 是個(gè)非常昂貴的操作。

現(xiàn)在思考一個(gè)問(wèn)題，我們要查詢數(shù)據(jù)，底層會(huì)怎么做？是不是會(huì)：

將磁頭移動(dòng)到目標(biāo)文件所在的磁道

此時(shí)盤片正被主軸帶著旋轉(zhuǎn)，磁頭需要等待對(duì)應(yīng)的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭這才能讀取數(shù)據(jù)

對(duì)應(yīng)扇區(qū)到了之后，就需要等待讀取數(shù)據(jù)&傳輸

總結(jié)一下，磁盤的 IO 請(qǐng)求耗時(shí)主要由三部分組成：

• 磁頭尋道時(shí)間：這個(gè)延遲一般在 3-15 ms
• 盤片旋轉(zhuǎn)延遲：這個(gè)取決于主軸旋轉(zhuǎn)的速度，隨著速度的不同大概在 2-4 ms
• 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間：這里平均只用 3 微秒，跟上面兩個(gè)比起來(lái)這里的耗時(shí)可以忽略不計(jì)

這里提到了旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題，在盤片旋轉(zhuǎn)延遲這里，盤片旋轉(zhuǎn)越快，則對(duì)應(yīng)扇區(qū)移動(dòng)到磁頭的速度也會(huì)越快。

現(xiàn)代磁盤的旋轉(zhuǎn)速度在 5400 或者 7200 RPM（Revolutions Per Minute）不等，當(dāng)然也有一些高性能的服務(wù)器轉(zhuǎn)速會(huì)達(dá)到 1500 RPM。

盤片旋轉(zhuǎn)延遲的確和轉(zhuǎn)速相關(guān)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速越快，對(duì)應(yīng)扇區(qū)移動(dòng)到磁頭的位置就越快。但并不是轉(zhuǎn)速越快越好，因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，發(fā)熱約嚴(yán)重，磁盤的壽命也就越短。

下面給個(gè)不同的轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)延遲的參考：

（以上數(shù)據(jù)來(lái)自 wikipedia）

可能你看到幾毫秒覺(jué)得還好，并不是那么慢，但是跟內(nèi)存的速度一對(duì)比你就能立馬明白。內(nèi)存的隨機(jī)讀大概在幾百納秒，假設(shè)內(nèi)存的速度是 200 ns、磁盤的速度是 2ms（按上表中轉(zhuǎn)速最高的延遲來(lái)算），差了 10000 倍，也就是 4 個(gè)數(shù)量級(jí)。

到這里，我想我們也能理解為什么磁盤的順序讀寫能夠與內(nèi)存隨機(jī)讀一戰(zhàn)了。因?yàn)榇疟P順序讀寫幾乎把前兩個(gè)最耗時(shí)的操作給干掉了，磁頭已經(jīng)移動(dòng)到了對(duì)應(yīng)的磁道， 也找到了對(duì)應(yīng)的扇區(qū)，直接寫就完事了。

好了， 關(guān)于磁盤的原理就簡(jiǎn)單介紹到這里。