sshd硬盘（磁盘原理简要分析）

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磁盘这玩意儿，即使不作为一个开发人员我们也会经常跟它打交道。比如你家里的台式机，或者拿来办公的电脑，再比如你装个操作系统，会涉及到对磁盘进行分区。

而作为开发人员，自然更加需要关注磁盘。

平时你开发的代码会暂存在磁盘上；开发中用的最多的数据库 MySQL，其数据是持久化到磁盘中的；Redis 的持久化数据是落到磁盘的；Zookeeper 内存中的数据、事务日志、快照会持久化到磁盘；像 RocketMQ 这种消息队列也会将收到的 Message 持久化到磁盘，Kafka 当然也不例外；

可以说，磁盘和我们的开发息息相关。但可能在平时的开发中，很多人会忽略掉磁盘的存在，因为虽然息息相关，但很遗憾，不是直接相关。因为上面提到的所有的和磁盘相关的内容，都已经由工具帮我们做了，甚至包括你的代码。

这种感觉就好像，鱼（可能）不怎么注意水，我们平时不太会注意氧气。

我们可能听过，磁盘 IO 慢，为什么？我们可能听过，磁盘顺序 IO 会快些，为什么？我们可能听过磁盘的顺序 IO 甚至比内存随机 IO 要快，为什么？

可能这些问题，我们都不一定能做个清晰的解释，这也是为什么我想聊聊磁盘。

磁盘分类

首先，按照原理来分，磁盘可以分为三类：

机械硬盘（HDD）固态硬盘（SSD）混合硬盘（SSHD）

本篇文章的重点会放在 HDD 上。

场景切入

首先还是通过一个很简单的场景来切入，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，看到这个文件还在（废话）。这实际上就是数据被持久化进了磁盘，下次需要文件时再从磁盘中取出来。

这个存、取的过程其实对我们完全无感知的，我们就知道装机的时候安了一块硬盘，其他的啥也不知道。

磁盘结构

那磁盘里究竟长啥样呢？它是怎么样把文件存储起来的？以什么样的方式存储的？带着这样的问题来看一个图：

图片来自 wikipedia

结合上面的结构图可以看出来，现代主流的磁盘设计就是在一个 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、写数据则由读写磁头来实现，读写磁头会安装在磁头臂上，磁头臂可以转动，覆盖到盘片的所有的半径，再搭配主轴的旋转，从而使磁头可以获取到盘片上任何一个扇区的数据。

那你可能会好奇了，这个盘片到底要怎么做、怎么设计才能把上文提到的文件给存储下来呢？

要知道，现在的磁盘盘片大多都是由非磁性材料，通常是铝合金、玻璃或者陶瓷制成的，你的印象中，他们能够拿来存储文件吗（再次手动狗头）

既然提到了非磁性，那么答案肯定就跟磁性有点关系...

盘片构造

没错，盘片的两个面会被涂上一层薄薄的磁性材料，有多薄呢？大概是 10-20 纳米，然后外面给包了层碳来作为保护，这层薄薄的磁性材料就是存储数据的关键

磁性材料

一个磁盘一般都会有多个盘片，并且刚刚提到的磁性材料盘片的两个面都有。换句话说，盘片的两个面都能用于存储、读取数据。

现在我们知道了，数据其实是存在磁性材料上的，那这里再思考一个问题：「磁盘怎么知道，数据该存在哪块磁性材料上？读取的时候又该从哪块材料上读？读多少？」

这个道理其实跟我们的地图是类似的，举个例子，中国这么大，我们要如何清晰、准确的描述某一个地方呢？这个答案其实大家都知道，那就是分层分级。

举个例子，网购让你填的收货地址就是这样，比如「四川省-成都市-xx区-xx街道-x栋x号-xxxx室」，这样的分层逻辑能够很直观的表示一个特定、具体的位置，而不用说大概那一块，先往中国西南走、走到城市之后继续往西走，大概走多久之后，再往南走，运气好的你就能找到那个地址了（再次手动狗头）。

盘片上也是做了类似的事情，先看个图：

盘片的构造

中间的黑点就是主轴，以主轴为圆心划分了多个磁道（为了方便理解图中只给出了 3 个磁道），每个磁道上又划分出了多个区域，每个区域叫做扇区，并且每个扇区的大小是固定的 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。

但是通过上图还是能看出一个问题：那就是不同的磁道扇区数是相同的，扇区所在的磁道半径约大，则扇区的面积就越大。但无论面积比靠内磁道的扇区大多少，按照设计、规定只能存储 512 字节的数据，这样一来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 Zone Bit Recording，用来解决传统盘片的磁道扇区存储空间浪费的问题。它是怎么做的呢？说起来也很简单，越靠外圈磁道的扇区由于面积会更大，所以 ZBR 会放置更多的扇区，从而将空间利用起来。

转换成图形可能就是这样：

盘片的ZBR

不同的磁道扇区数量不同了，外圈磁道上面的扇区会更多些，从而充分的利用空间，提升磁盘的总容量。

存储原理

好，继续深入问题盘片存储相关的问题。

我们知道从宏观上来看，计算机并不会管你是谁，到它这都是 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 0101010101，然后还原成我们能看懂的文件的？

前面我们知道盘片上划分了磁道、扇区，相应的磁性材料也同理。现代磁盘就是通过磁化盘片两面的磁性材料来记录数据的，磁性材料序列的改变则代表了对应的二进制 0、1。

磁性序列原理

可以看到，两个磁性 Region 的序列方向不同，则标记为 R（Reverse），相同则标记为 N（No Reverse），当读取的时候，如果探测到序列是 RR，则对应 1，而如果是 NR，则对应 0（或许这就是为什么它叫磁盘吧，再再次手动狗头）

所以，我们常说的写磁盘并不是说读写磁头在盘片上刻东西，而是改变磁性材料的序列，并且读写磁头和盘片没有直接接触，他们有个大概 10 nm 的距离。

并且，从上述现状我们可以简单推导，既然读写磁盘都是靠读取盘片上的磁性序列，并且盘片的两个面都能用于存储数据，那么必然盘片的每个面都有磁头。

磁盘性能

了解完一些简单的原理之后，我们终于可以来了解磁盘性能相关的问题了，我们会深入的分析为什么磁盘 IO 是个非常昂贵的操作。

现在思考一个问题，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盘片正被主轴带着旋转，磁头需要等待对应的扇区旋转到磁头这才能读取数据对应扇区到了之后，就需要等待读取数据&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：这个延迟一般在 3-15 ms盘片旋转延迟：这个取决于主轴旋转的速度，随着速度的不同大概在 2-4 ms数据传输时间：这里平均只用 3 微秒，跟上面两个比起来这里的耗时可以忽略不计

这里提到了旋转的问题，在盘片旋转延迟这里，盘片旋转越快，则对应扇区移动到磁头的速度也会越快。

现代磁盘的旋转速度在 5400 或者 7200 RPM（Revolutions Per Minute）不等，当然也有一些高性能的服务器转速会达到 1500 RPM。

盘片旋转延迟的确和转速相关，因为转速越快，对应扇区移动到磁头的位置就越快。但并不是转速越快越好，因为转速越高，发热约严重，磁盘的寿命也就越短。

下面给个不同的转速下对应的旋转延迟的参考：

旋转速度（单位 RPM） 平均旋转延迟（单位毫秒） 4800 6.25 5400 5.55 7200 4.16 10000 3 15000 2

（以上数据来自 wikipedia）

可能你看到几毫秒觉得还好，并不是那么慢，但是跟内存的速度一对比你就能立马明白。内存的随机读大概在几百纳秒，假设内存的速度是 200 ns、磁盘的速度是 2ms（按上表中转速最高的延迟来算），差了 10000 倍，也就是 4 个数量级。

到这里，我想我们也能理解为什么磁盘的顺序读写能够与内存随机读一战了。因为磁盘顺序读写几乎把前两个最耗时的操作给干掉了，磁头已经移动到了对应的磁道， 也找到了对应的扇区，直接写就完事了。

好了， 关于磁盘的原理就简单介绍到这里。