问：机械硬盘是如何工作的？
答：请看VCR

一、机械硬盘物理结构

1.1、盘片(platter)

• 视频中银白色的圆盘称为盘片，二进制数据就是存储在盘片上，盘片解剖后如下图所示：
  
• 一圈一圈的同心圆称为磁道（track），一个盘片有很多磁道，一般磁道数量能达到 500,000 个甚至更多；
• 将磁道沿直径方向进行分割得到扇区（Sector），扇区是盘片上的最小分割单位，即扇区是磁盘进行读写的最小单位（扇区是磁盘上最小的可寻址单元），一般为 512 Byte（ 也有2KB的，最新的硬盘可以达到4KB）；

  • 图示中每一个磁道扇区数量都一样，一个扇区大小均固定为 512Byte，而外侧磁道相比内侧磁道空间相对较大，所以存储同样大小的数据，内侧扇区比较拥挤，外侧扇区宽敞，即数据存储密度是不一样的，外侧扇区会浪费大量的存储空间。
  • 随着技术的进步，现如今硬盘通过ZBR（Zoned Bit Recording，区位记录）技术，使得外侧磁道扇区数大于内侧磁道扇区数，以便保证不同磁道的扇区的数据密度基本一致；
  • 对于绝大部分文件系统来说，任何一个文件都是占用整数个扇区的，即一个扇区只会属于一个文件， 如果没用满，后面的就空着，就是我们说的数据对齐。

• 盘片有 2 面，均可以存储数据，每一面称为盘面；

  • 盘面大小：磁道数 * 每道扇区数 * 每扇区字节数；如图示为 8KB（2 * 8 * 512 = 2¹³ Byte）；
  • 一个盘片容量： 盘面大小 * 2；如图所示为16KB；
  • 数据密度一致的硬盘计算逻辑稍微复杂。

1.2、磁头臂

数据读取和写入要依靠磁头臂，磁头臂在不同磁道上移动（由内而外或者由外而内）即可读写数据。一个磁头臂只能读写一个盘面，所以一个盘片需要两个磁头臂，如下图所示。

1.3、柱面

• 将多个盘片像糖葫芦一样串起来，通过主轴统一控制所有盘片旋转，这样可以读写同一磁道不同扇区的数据；
• 同时，磁头臂也串起来通过组合臂统一控制移动，即所有磁头只能 “共进退”，这样我们可以读写更大容量的二进制数据。
• 组合后，发现多个盘片上半径相同的磁道可以一起读写，这些磁道组成的面称为柱面；
• 柱面是连续数据分配的单位，即写完一个柱面，才会换下一个柱面。

  比如Window中，C盘用柱面0~10，D盘用柱面11~20。

二、读写硬盘

2.1、扇区物理地址

通过前面介绍，我们知道了柱面、盘面、扇区这些概念，我们依次给它们一个编号，得到了柱面号、盘面号、扇区号，这样我们就大致确定硬盘上不同位置数据的地址了。

2.2、物理地址存放

扇区内部示意图如下所示：

• 地址区：存放当前扇区地址，即前面的物理地址三元组（柱面号、盘面号、扇区号），读/写磁头会使用；
• 数据区：存放真正的数据，扇区大小指的正是数据区的大小；
• 前导/同步区：记录这个旋转磁盘的确切速度和每个比特位的长度；

  不同磁道的扇区数据密度不一致，所以不同磁道的扇区内，1个bit占用的长度也不一样，通过转速和bit长度来控制读写时间。

• 纠错码（ECC， error correction/correcting code）：区用于校验数据区数据。
  

2.3、读写磁盘数据

根据上述提到的地址三元组：柱面号、盘面号、扇区号，我们调整磁头臂和旋转主轴来读写指定扇区的数据，即：
① 根据柱面号移动磁头臂，让磁头臂指向指定柱面；
② 根据盘面号激活指定盘面对应的磁头；
③ 根据扇区号旋转主轴找到要读写的扇区；磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头（分为读磁头和写磁头）下面划过，这样就完成了对指定扇区的读写。

2.4、影响硬盘性能的因素

通过前面分析，发现读写一个扇区的数据会有额外时间的花费，即：

1. 寻道时间（seek time）
   将读写磁头移动至正确的柱面（磁道）上所需要的时间。寻道时间越短，I/O操作越快，目前磁盘的平均寻道时间一般在3-15ms。
2. 旋转延迟（rotational latency time）
   主轴旋转将请求数据所在的扇区移动到读写磁头下方所需要的时间。旋转延迟取决于磁盘转速，通常为磁盘旋转一周所需时间的一半。

   15000 rpm(RPM，Revolution(s) Per Minute)，即每分钟转15000圈：
   转一圈的时间：60 * 1000 / 15000 = 4 (毫秒/圈)，
   旋转延迟：4 / 2 = 2ms；

2.5、 顺序读写 Vs 随机读写

要想节省磁盘读写时间，就要尽量避免寻道和旋转延迟，即：

• 要读写的扇区刚好是此时磁头臂指向的磁道（柱面）；
• 要读写的扇区刚好位于磁头臂下；

这就是顺序读写，即机械硬盘的顺序读写性能很好（磁头一般是先读写完柱面后才开始寻道的），随机读写性能较差，因为随机读写时，磁头需要不停的移动，还有旋转延迟，所以性能不高。

2.6、顺序读写优化案例

• 许多的开源框架如Kafka、HBase中，都通过追加写的方式来尽可能的将随机读写转换为顺序读写，以此来降低寻址时间和旋转延时。
• 数据库中WAL(Write Ahead Log)预写日志，比如MySql InnoDB中的redolog 就是通过磁盘顺序写保证事务持久化的。

最后，留个思考题：
你知道磁盘碎片为啥会降低磁盘读写性能，进而影响操作系统及软件性能吗？

三、硬盘存储微观世界

3.1、bit表示

机械硬盘上每一个 bit 都是由一个磁场微块组成的， 微块内原子的南北极是随机的，磁化后（写入数据）微块所有原子的南北极都指向同一方向，如下图所示：

3.2、写入数据

写磁头会产生一个强磁场，改变它正下方的磁盘微块极性，磁化之后的微块变成永磁体，能保持这个状态很多年，即数据的持久化。

3.3、读出数据

读磁头检测的是相邻两个微块的磁极变化， 这是因为磁极变化的强度比单个微块的磁场强度要大得多，所以这种方式的检测准确率非常高。

• 相邻微块磁场方向变化，表示 1；
• 相邻微块磁场方向不变，表示 0。

如果较长连续区域的磁极都一样，对应的就是一长串的 0，由于读磁头的精度，有可能会导致多读或少读几个 0，导致数据错乱。
解决：利用每个扇区的前导区和纠错码区中的信息进行修正处理。

四、总结

• 了解了机械硬盘读写数据的基本逻辑；
• 知道了硬盘读写的最小单位是扇区（一般为 512 Byte）；
• 明白了顺序读写优于随机读写的原理和具体实践应用；
• 懂得了硬盘存储 bit 的具体细节。