从磁盘看 IO

news2024/11/17 13:41:47

计算机上的易失和非易失存储器

常见磁盘可以分为两类：机械磁盘和固态磁盘。

第一类，机械磁盘，也称为硬盘驱动器（Hard Disk Driver），通常缩写为 HDD。机械磁

盘主要由盘片和读写磁头组成，数据就存储在盘片的环状磁道中。在读写数据前，需要移

动读写磁头，定位到数据所在的磁道，然后才能访问数据。

显然，如果 I/O 请求刚好连续，那就不需要磁道寻址，自然可以获得最佳性能。这其实就

是我们熟悉的，连续 I/O 的工作原理。与之相对应的，当然就是随机 I/O，它需要不停地

移动磁头，来定位数据位置，所以读写速度就会比较慢。

第二类，固态磁盘（Solid State Disk），通常缩写为 SSD，由固态电子元器件组成。固

态磁盘不需要磁道寻址，所以，不管是连续 I/O，还是随机 I/O 的性能，都比机械磁盘要

好得多。

最小读写单位

机械磁盘的最小读写单位是扇区，一般大小为 512 字节。

而固态磁盘的最小读写单位是页，通常大小是 4KB、8KB 等。

文件系统会把连续的扇区或页，组成逻辑块，然后以逻辑块作为最小单元来管理数

据。常见的逻辑块的大小是 4KB，也就是说，连续 8 个扇区，或者单独的一个页，都可以

组成一个逻辑块。

磁盘I/O原理

磁盘每个盘片为双面，每个面上分布一圈一圈的同心圆磁道，磁道由扇区组成。外围的扇区更宽，扇区的存储空间是一样的，一般每个扇区600字节，数据存储区512字节，其余存放控制信息。磁臂头移动遍历磁道，盘片旋转遍历扇区。
寻道时间：将磁臂头移动到指定磁道上所经历的时间
旋转延迟时间：盘片转动时扇区移动到磁头下所经历的时间
传输时间：将数据从磁盘读出或写入数据所经历的时间（与每次读/写的字节数和磁盘转速有关）

随机I/O：有一串随机数据文件（在磁盘上的位置分布随机的数据文件），需要从磁盘上一一读取。这样寻道时间很长，会导致I/O读取时间过长。
比如，在磁道2扇区3读取了第一个数据文件，接下来，磁头臂向外移动去磁道14扇区5读取第二个数据文件，接下来磁头臂又要向里移动到磁道8扇区4读取第三个数据文件，之前读取第二个数据文件时从磁道2移到14，现在又从磁道14移到8，可见这样重复走了8-14的磁道。可以知道，如果后面还有数据存在于走过的磁道上，会有很多的重复寻道，极大增加了寻道时间。

顺序I/O：就像是随机I/O的优化版，我们可以将我们要读取的数据文件按照其磁盘存放顺序排序，从第一个文件的位置开始向一个方向读取，我们依次读完每个磁道直到所有文件读取完，不必再有随机I/O带来的重复寻道时间。

在许多的开源框架如 Kafka、HBase 中，都通过追加写的方式来尽可能的将随机 I/O 转换为顺序 I/O，以此来降低寻址时间和旋转延时