磁盘系统基本概念以及磁盘的顺序读写与随机读写

本文总结自

（1）《数据库系统实现》

（2）知乎：https://www.zhihu.com/question/48254780

1.基本概念

2.细节

3.顺序读写和随机读写

1.基本概念

（1）磁盘组合
盘片=2盘面
主轴
磁道
柱面
扇区
间隙
块：对于理解数据库系统特别重要的是磁盘被划分为磁盘块（或就称为块，或者像操作系统称为页），

每块的大小是4-64kB。整个块被从一个称为缓冲区的连续内存区域中移进移出。

块是在磁盘与主存之间所传输数据的逻辑单元，由一个或多个扇区所组成。
（2）磁头组合
磁头臂
磁头
磁头组合：一个磁盘的所有磁头在一起叫做磁头组合，它们位于相同的柱面上。

2.细节

（1）磁道、扇区、读取速度的关系
一个盘面，从内到外有很多磁道，同一个磁道被划分为若干个扇区。
其中扇区之间有间隙隔开，间隙占磁道的10%空间。
同一个盘面上磁道上的数据密度相同，但是外侧磁道长度大于内侧磁道。
每一个扇区上的数据量是相同的（例如512字节），所以外侧磁道扇区数大于内侧磁道。
由于盘面各个磁道角速度相同，但是线速度不同，所以外侧磁道理论上来说读取速度快于内侧磁道。
当然如果内外侧磁道采用不同密度，可以实现内外磁道读取速度相同，但是有两个缺点
①制造工艺更加复杂
②浪费外侧存储空间
当然为了实现特定的目的，需要内外磁道一致的读取速度，也有可能这样做。


（2）磁道、磁头、柱面
①磁头并不会与磁道接触，而是靠地很近，可以感应盘面的磁方向，改变磁方向。
②同一磁盘的所有磁头位于不同的盘面，但是相同的磁道，这些相同的磁道共同构成一个曲面，称为柱面。


（3）磁盘读取时间
①寻道时间，表示磁头在不同磁道之间移动的时间。
②旋转延迟，表示在磁道找到时，中轴带动盘面旋转到合适的扇区开头处。
③传输时间，表示盘面继续转动，实际读取数据的时间。
7200转/min，旋转一周需要8.33ms
寻道约10ms
所以整个磁盘读取时间在一个磁道上是10ms级的。

3.顺序读写和随机读写对于机械硬盘来说为什么性能差异巨大？

顺序读写=读取一个大文件
随机读写=读取多个小文件
顺序读写比随机读写快的原因
①顺序读写，主要时间花费在了传输时间，而这个时间两种读写可以认为是一样的。
随机读写，需要多次寻道和旋转延迟。而这个时间可能是传输时间的许多倍。
②顺序读写，磁盘会预读，预读即在读取的起始地址连续读取多个页面
（现在不需要的页面也读取了，这样以后用时就不用再读取，当一个页面用到时，大多数情况下，它周围的页面也会被用到）  
而随机读写，因为数据没有在一起，将预读浪费掉了。
③另一个原因是文件系统的overhead。
读写一个文件之前，得一层层目录找到这个文件，以及做一堆属性、权限之类的检查。
写新文件时还要加上寻找磁盘可用空间的耗时。
对于小文件，这些时间消耗的占比就非常大了。