2022-09-23 磁盘顺序读写和随机读写理解记录

磁盘是如何存储数据的？

信息存储在硬盘里，把它拆开也看不见里面有任何东西，只有些盘片。
假设，你用显微镜把盘片放大，会看见盘片表面凹凸不平，凸起的地方被磁化，凹的地方是没有被磁化；凸起的地方代表数字1，凹的地方代表数字0。 因此硬盘可以以二进制来存储表示文字、图片等信息。

机械硬盘和固态硬盘

机械硬盘

机械硬盘的结构你可以想象成一个唱片机，它有一个旋转的盘片和一个能沿半径方向移动的磁头。处理读取和写入请求时，首先可以根据请求的开始地址算出要处理的数据在磁盘上的位置，之后要进行以下几步工作：
1、磁头沿半径方向移动，直至移动到数据所在的柱面（相同半径的磁道组成的环面）
2、盘片高速旋转，使磁头到达数据的起始位置
3、磁头沿磁道从磁盘读取或写入数据当一次读取的数据量很少的时候，1、2步骤带来的开销是无法忽略的，这使得随机写相对于顺序写会有巨大的性能劣势。因为在顺序写的时候，1、2步骤只需要执行一次，剩下的全是数据传输所需要的固有开销；而每次随机写的时候，前两个步骤都需要执行，带来了极大的额外开销。

固态硬盘

理论上来说，它不应该存在明显的随机写与顺序写的速度差异，因为它就是一块支持随机寻址的存储芯片，没有寻道和旋转盘片的开销，但是随机写实际上还是比顺序写要慢。这是由于其存储介质闪存的一些特性导致的，简单来说：
1、闪存不支持in-place update：你更新一个数据，不可以直接在原有数据上改，而要写到新的空白的地方，并把原有数据标记为失效。
2、标记失效的数据不是浪费空间么？可以将其清除。但是闪存上清除操作的最小单位是一个大块，大约128K-256K的大小。一次清除会影响到还未标记失效的有用的数据，要先把它们移走。
3、这种感觉就如同你在网格纸上写一篇文章，一格一格往下写，只能写在空白的格子里；但是你若要清除之前写的内容，只能整行擦除。非常难受而且浪费空间对吧？所以固态硬盘里实现了垃圾回收算法，用来更好地利用存储空间，同时减少数据迁移，保护闪存寿命。那么随机写显然比顺序写带来更大的碎片化，从而带来更多的垃圾回收开销、数据迁移开销，自然就比顺序写要慢了。

结论

在日常项目开发中在设计存储时，一定要考虑顺序和随机，优化其性能达到最高。例如，当前大多数数据库使用的都是传统的机械磁盘，因此，整个系统设计要尽可能顺序I/O，避免昂贵的寻道时间和旋转延迟的开销。