磁盘I/O那些事

2017-5-19 杜世伟 架构

背景

计算机硬件性能在过去十年间的发展普遍遵循摩尔定律，通用计算机的CPU主频早已超过3GHz，内存也进入了普及DDR4的时代。然而传统硬盘虽然在存储容量上增长迅速，但是在读写性能上并无明显提升，同时SSD硬盘价格高昂，不能在短时间内完全替代传统硬盘。传统磁盘的I/O读写速度成为了计算机系统性能提高的瓶颈，制约了计算机整体性能的发展。

硬盘性能的制约因素是什么？如何根据磁盘I/O特性来进行系统设计？针对这些问题，本文将介绍硬盘的物理结构和性能指标，以及操作系统针对磁盘性能所做的优化，最后讨论下基于磁盘I/O特性设计的技巧。

硬盘的物理结构

硬盘内部主要部件为磁盘盘片、传动手臂、读写磁头和主轴马达。实际数据都是写在盘片上，读写主要是通过传动手臂上的读写磁头来完成。实际运行时，主轴让磁盘盘片转动，然后传动手臂可伸展让读取头在盘片上进行读写操作。磁盘物理结构如下图所示：

由于单一盘片容量有限，一般硬盘都有两张以上的盘片，每个盘片有两面，都可记录信息，所以一张盘片对应着两个磁头。盘片被分为许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区，硬盘中每个扇区的大小固定为512字节。盘片表面上以盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道，不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。磁道与柱面都是表示不同半径的圆，在许多场合，磁道和柱面可以互换使用。磁盘盘片垂直视角如下图所示：

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