从机械硬盘和固态硬盘的结构来看IO

磁盘这个词对程序员来说并不陌生。我们知道它是一种存储介质，主要用于存储数据。可以说，常用的中间基本上离不开它，比如我们常用的MySQL数据库、kafka甚至新闻引擎redis磁盘离不开缓存。

当我们优化一个业务逻辑时，我们经常需要使用缓存，并试图从缓存中读取热数据，因为我们知道磁盘很慢，特别是在高并发的情况下，我们必须确保很少要求磁盘IO。不知道你有没有想过以下问题:

1. 为什么机械硬盘慢？

2. 机械硬盘有多慢？

3. kafka也是写磁盘的，但是很快。为什么？

4. SSD为什么比普通机械磁盘快？

5. 既然SSD这么快，为什么不放弃传统的机械磁盘呢？

带着这些问题，我们来看看磁盘相关知识。

从机械硬盘开始

这是一个普通机械硬盘的内部结构，组成不多。我们关注它磁盘、磁头臂、磁头就行。

首先说磁盘，它看起来像光盘，我们的数据存在，我们通常称之为磁盘，磁性记录材料的表面，注意不仅一面可以存储数据，磁盘两面可以存储，同时对于磁盘，通常由多个磁盘组成，所以它的组成应该是这样的。

图中有4个盘子，共8个盘子，其中每个盘面都被画成同心圆。

我们称之为这样的橙色圆圈。磁道，当然，磁道也是一个一个的弧段组成的。

像如图的绿色弧段部分我们叫做扇区，扇区由磁盘组成最小单位，一般可以存储一个扇区512个字节。

同一磁道的多个磁盘可以形成一个虚拟这个虚拟的圆柱面，我们称之为柱面。

对于一个盘面它的存储容量=单个扇区的大小 * 磁道扇区数 * 磁道数。

对于一个盘片它有两个面，所以一个盘子的容量=2 * 盘面容量。

对于一个磁盘磁盘的容量=盘片的数量 * 单盘容量。

说完盘片，我们来谈谈磁头，我们的数据在盘子上，盘子上的数据不能直接传输到总线，所以我们需要一个媒体，即磁头，它可以将风扇区域的数据传输到总线。

说完磁头，下一步就是磁臂是的，磁头解决了数据读写的问题，但没有解决哪个风扇区域的问题。此时，需要磁臂。磁臂可以在一定范围内摆动标风扇区域。

当然，磁臂的摆动范围是有限的。例如，无论磁臂如何摆动，它都不能摆动到风扇区域B。此时，是时候转动磁盘了。你应该听说过磁盘的速度，比如7200转/分。这实际上是转轴驱动磁盘的转速，所以最终通过盘片的转动 磁臂的摆动，就可以定位到我们的目标扇区。

机械硬盘有多快

在了解了机械硬盘的物理结构后，让我们来看看它有多快。我们知道定位到数据需要磁盘的旋转和磁臂的摆动。这些都是物理的。当我们的磁头定位到特定的风扇区域时，读写数据的速度非常快。因此，影响机械硬盘读写速度的主要原因是这两种物理运动。这两种物理运动对应于两个专业术语平均延时和平均通道时间。

先说平均延迟。我们上面说的是，当目标扇区不在磁臂摆动范围内时，需要以7200转/转的方式转动盘片min以磁盘为例，它每秒可以转120圈，转一圈就是1/120s=8.33ms左右，我们定位目标区域的平均时间是多少？以磁道为例，它是圆的，目标节点可以分布在圆的任何位置。

例如，当我们想找到A时，我们可能只需要转一点。当我们找到B时，我们可能需要转半圈，当我们找到C时，我们可能需要转近一圈。因此，根据算术平均法，我们可以粗略判断平均需要找到目标节点转动半圈，这半圈的时间是8.33/2=4.17ms，也就是平均延迟。

让我们来看看平均通道时间。通过盘面的旋转，我们大致找到了目标区域，但还没有准确定位。此时，我们需要磁臂的摆动来定位我们的特定目标风扇区域。这种摆动通常需要时间4-10ms。

所以磁盘是随机的IO大概耗时就是4.17 4=8.17 ～ 4.17 10=14.14ms，这个数字代表什么？假设我们是随机的IO的耗时是10ms，那么1s随机可做100次IO，看到100这个数字，你明白什么吗~，这真的很小，这就是为什么我们对它了解的原因QPS对于较高的接口，应添加缓存层，因为磁盘无法携带。

在科普下，我们上面说的1s内存可以随机做100次IO，我们称这100IOPS，即每秒输入输出量(或读写次数)是衡量磁盘性能的关键指标

我们可以通过iostat，查看当前机器磁盘的指标：

iostat KB/ttpsMB/sussyid1m5m15m 23.4490.20128802.401.971.90 

其中tps当这个值很大时，我们需要注意当前磁盘的每秒传输次数。

当然，以上都是随机的IO，顺序IO就大不一样了，顺序也大不相同。IO与内存的离散读写相当，简而言之，它非常快，就像著名的kafka磁盘顺序IO，所以至少在磁盘上读写这篇文章很好。顺序IO之所以快，首先，盘子不需要每次旋转，其次，我们的磁臂不需要大幅摆动才能找到，节省了大量的物理时间、速度和随机性IO应该是数量级的差异。

固态硬盘更快

先说数字。我们日常使用的机械硬盘数据传输率几乎是200MB/s固态硬盘的传输率约为768MB/s，可以发现固态硬盘比普通机械硬盘快很多，但这只是接口SATA3.0的情况下，我们的固态硬盘还支持PCI Express接口，在此接口下，固态硬盘的读写能力将达到更高的水平，可以达到1GB/s当然，这些只是科普知识。作为程序员，我们不必太在意接口相关知识。

让我们从原理开始。固态硬盘的操作模式与机械磁盘完全不同。从上图的内部结构可以看出，固态硬盘没有磁盘、磁臂等机械部件。

那么它是如何存储数据的呢？答案是电容器，电容器是一个非常小的电子元件，我们只需要给电容器充电，所以我们可以表示特征1，电容器放电可以表示特征0，以这种方式存储固体硬盘的数据，我们通常称之为使用SLC的颗粒，全称是 Single-Level Cell，也就是说，存储单元中只有一个数据，所以固态硬盘可以存储多少数据完全取决于它可以放置多少电容器。因此，一些工程师后来发明了更先进的用法，即在电容器中放置两个比特、三个比特甚至四个比特。

那么问题是，一个电容器如何表示这个更多的比特性呢？答案是电压。给电容器充电的东西叫电压计。以可以放置两个比特的电容器为例，可以表示00、01、10和11 四个数字，放电状态为00，剩下的我们只需要充满不同的电压。

当然，你想表达的数字越多，你必须充满许多不同的电压，所以速度会相对较慢。

短命固态硬盘

了解了固态硬盘的内部结构后，我们来看看固态硬盘的读写原理，看看为什么固态硬盘的寿命不高。

相比机械硬盘存储数据的盘片，固态硬盘的叫做裸片，裸片之间也是叠放在一起的，以一个裸片为例，它的结构大致如下：

或者划分的概念，首先，多个平面可以放平面，一般平面上的存储容量可能是GB等级，然后一个平面可以分成很多块，一般一个块的存储大小，通常是几百块KB到几MB大小，一个块分为很多页面，一个页面的大小通常是4KB，让我们关注一下块和页，这与我们接下来要谈的固态硬盘的寿命密切相关。

我们知道，对于机械硬盘，当我们写数据时，我们不会关心风扇区域是否有数据，直接覆盖，但固态硬盘是不同的，如果某个区域有数据，必须先擦掉再写。

这种擦拭至关重要，因为它是影响固定硬盘使用寿命的直接原因。擦得越多，使用寿命就越短。就像用橡皮擦在纸上擦一样。如果你擦得更多，纸就会打开。如果纸打开了，纸就不能用了。

那么一个固态硬盘能擦多少次呢？在单比特电容模式下，它可以擦除10次左右w第二，其他多比特性较少，可能只有几千次。因此，如果您的业务数据需要定期更新，不建议使用固态硬盘。

关于擦除数据，另一个非常重要的是块，通过上图我们知道最小的数据存储单元实际上是页面，页面属于块，有很多页面，如果一些页面的数据被标记删除，不能直接擦除这些单独的页面，所以这些页面不能被删除用，除非整个块上的页都被标记删除了。

如图，页A、页B、页C虽然都是被标记删除的数据，但是因为它所属的块还有其它有效数据，所以当有新数据要写入的时候，它只能写入白色区域未使用的页，并不能利用这些红色区域。但是这样的话，就会出现这样一个问题：随着时间的推移，红色区域会越来越多，也就是碎片越来越多，这样势必会造成浪费。

浪费可耻，因此需要一套紧凑机制，这时候会把相关块的有效数据移动到一个新的块中，让不同块的有效数据更加紧凑的分布，那么对于被移动出数据的块来说，它上面的页要么没数据，要么是标记删除的数据，可以直接对这个块进行擦除，从而达到回收利用的目的。

回到题目

通过对机械硬盘和固态硬盘的了解，我们再来看看一开始的问题：

1. 机械硬盘为什么慢？机械磁盘慢的原因主要是因为定位一条数据需要盘片的转动 + 磁臂的摆动，这些都是物理的，所以会慢

2. 机械硬盘有多慢？，通过上面的计算，我们可以大概得出对于一个7200转的机械硬盘来说，它的iops大概在100左右，每次io的耗时在10ms左右

3. kafka也是写磁盘的，它却挺快的，为什么？ 因为kafka是顺序io，就算对于机械硬盘来说，顺序io也是很快的，因为它不会像离散io那样，需要过多的寻道。

4. SSD为什么比普通的机械硬盘要快？这里主要因为SSD不需要像机械硬盘那样的物理运动来寻道。

5. 既然SSD这么快，那为什么不抛弃传统的机械硬盘？首先从价格上来讲，固态硬盘价格稍贵，其次固态硬盘的寿命没有机械硬盘的高。

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最后

创作不易，各位的三连就是对作者最大的支持，也是作者最大的创作动力，我们下期见。

 

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