磁盘那点事情

​ 本人只是在看到数据库从磁盘读取数据相关知识时，对磁盘(硬盘)读取这块比较感兴趣，并进行了一定的知识延申；如果本文讲解有误，还请多多包含并给予指教，促使大家共同进步~

硬盘的组成

基本概念

​ 硬盘内部主要由磁盘盘片、磁头控制器(传动手臂)、磁头和主轴组成，如下图所示：

​ 主轴负责带动盘片的高速旋转，由此会产生气流将磁头浮起，磁头和盘面保持一定的距离，负责从盘面上读写数据；传动手臂则控制磁头沿着盘面半径方向进行移动。稍微抽象的图如下所示：

1. 盘片主轴

   所有的盘片都是固定在一个旋转轴上，即盘片主轴；

2. 磁盘盘片

   盘片之间是互相平行的，每个磁盘盘片有两个盘面，每个面都有一个对应的读写磁头；

3. 磁头

   负责从盘面上读写数据，依赖盘片的旋转气流浮在盘面上方；

4. 磁头控制器

   所有的磁头是连接在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动；因此所有磁头在任何时候都是重叠的，不过目前已经能够实现多磁头独立运动；

5. 磁道（逻辑组成）

   盘面上，以主轴为圆心，半径不同的同心圆为磁道；

6. 扇区（逻辑组成）

   以主轴为圆心，按照一定角度可以将磁道划分为若干个弧段，每个弧段则称为扇区；

7. 柱面（逻辑组成）

   磁盘通常是由重叠的一组盘片组成，每个盘面划分为数目相等的磁道，不同盘面的相同半径会形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面；

   可知，磁头数=盘面数；柱面数=单个盘面的磁道数；

   那么磁道和扇区数的关系呢？

磁道和扇区关系

对于旧式的磁盘，是依照角度进行划分扇区，因此不同磁道的扇区数是一样的。每个扇区所能容纳的数据量是相同的，都是512字节，那么，512字节的数据量会平均分配在扇区内。但是，对于越靠外的磁道，半径越大，周长越长，扇区面积也越大，则数据密度也会越低。这样分配显然是浪费了外围扇区的大面积，因此新的分配方式出现了。

​ 对于新式磁盘，则是按照扇区面积进行划分，因此，外侧的磁道拥有的扇区数也越多。

硬盘如何存储信息

​ 硬盘盘片的表面实际上是凹凸不平的，凸起的地方被磁化，代表数字1，凹下的地方是没有被磁化的，代表数字0；因此，硬盘可以用二进制(0和1)来存储信息。

硬盘读取相关参数

1. 寻道时间：磁头移动到数据所在磁道需要的时间，需要时间越短，IO操作越快，一般在10ms左右；
2. 旋转延迟：主轴将数据所在的扇区旋转至磁头下方需要的时间，旋转延迟取决于磁盘转速；
3. 数据传输时间：数据从磁盘传输到内存的时间；

​ 为提高磁盘传输效率，要尽量减少寻道时间和延迟时间。其中，寻道时间大于延迟时间。

磁盘工作

原理

​ 当硬盘不工作时，磁头会停留在线速度最小的区域，该区域不存储任何数据，称之为启停区，启停区外就是数据区；距离主轴最远的磁道就是0磁道，硬盘数据的存放也是从最外层开始的。硬盘中有0磁道检测器，用来完成硬盘的初始化定位。

​ 硬盘数据的读写是按照柱面进行的，即最先写第一磁道的第一磁头下的所有扇区，然后写同个柱面的下一个磁道…只有当一个柱面写满后，才会写下个柱面；读取也是按照相同的顺序进行的，读取数据时，会将逻辑地址转换为物理地址，通过移动磁头到指定的柱面，等待要求的扇区移动到磁头下面进行读取。在等待扇区到来时，磁盘控制器读取每个扇区的头标，把这些头标中的地址信息与期待检出的磁头和柱面做比较（寻道），从而找到对应的扇区。=====>之所是按照柱面的顺序来读写而不是按照盘面顺序，是因为在柱面之间切换磁头是电子切换，而盘面的磁头移动是机械切换，电子切换的时间远小于机械。

局部性原理 + 磁盘预读

​ 为了提高磁盘读取的效率，需要尽量减少磁盘IO。因此，系统在从磁盘中读取数据时，并不是严格的按需读取，而是每次都会预读一部分数据，即，磁盘会读取当前需要的数据以及顺序向后一定长度的数据，将这部分数据放入内存中。为什么这样做呢？理论依据就是计算机科学中著名的局部性原理：当一个数据被用到时，其附近的数据也经常马上被使用。

​ 磁盘顺序读取的效率很高，不需要寻道时间，只需要较少的旋转时间；预读的长度一般是页的整数倍。页是计算机管理存储器的逻辑块，操作系统将主存和磁盘存储区分割为连续的大小相等的块，每个存储块分为一页（通常为4k）。主存和磁盘以页为单为交换数据。

​ 预读又分为同步和异步预读：如果第二次请求没有命中cache，即不在前次的预读页中，则表明文件访问不是顺序的，则系统继续采用同步预读的方式；如果所读的页面在cache中，则表明前次预读命中，那么操作系统会把预读页扩大一倍，此时预读是异步过程，应用程序不用等预读完成就可返回，后台会慢慢读页面，这就是异步预读。

为什么越来越慢

​ 磁盘优先将数据存在最外的磁道，即0磁道；当外层磁道写满后，只能存储在内层的磁道。这个问题也就是演变为为什么读外层磁道的速度大于内层磁道？

​ 盘片以固定的角速度旋转，半径越大，线速度越大，那么磁头在单位时间内扫描的扇区也就越多啦，因此读取速度也就越快了。

参考

硬盘读写原理

磁盘IO那些事