欢迎 wx 重视 SH的全栈笔记
磁盘这玩意儿，即便不作为一个开发人员咱们也会常常跟它打交道。比方你家里的台式机，或许拿来工作的电脑，再比方你装个操作系统，会涉及到对磁盘进行分区。
而作为开发人员，天然更加需求重视磁盘。
平常你开发的代码会暂存在磁盘上；开发顶用的最多的数据库 MySQL，其数据是耐久化到磁盘中的；Redis 的耐久化数据是落到磁盘的；Zookeeper 内存中的数据、事务日志、快照会耐久化到磁盘；像 RocketMQ 这种音讯队列也会将收到的 Message 耐久化到磁盘，Kafka 当然也不例外；
能够说，磁盘和咱们的开发息息相关。但或许在平常的开发中，很多人会忽略掉磁盘的存在，由于尽管息息相关，但很惋惜，不是直接相关。由于上面说到的一切的和磁盘相关的内容，都现已由工具帮咱们做了，乃至包含你的代码。
这种感觉就好像，鱼（或许）不怎样留意水，咱们平常不太会留意氧气。
咱们或许听过，磁盘 IO 慢，为什么？咱们或许听过，磁盘次序 IO 会快些，为什么？咱们或许听过磁盘的次序 IO 乃至比内存随机 IO 要快，为什么？
或许这些问题，咱们都不一定能做个清晰的解说，这也是为什么我想聊聊磁盘。
磁盘分类
首要，按照原理来分，磁盘能够分为三类：
- 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
首要仍是通过一个很简略的场景来切入，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）。这实际上便是数据被耐久化进了磁盘，下次需求文件时再从磁盘中取出来。
这个存、取的过程其实对咱们完全无感知的，咱们就知道装机的时分安了一块硬盘，其他的啥也不知道。
磁盘结构
那磁盘里终究长啥样呢？它是怎样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：
结合上面的结构图能够看出来，现代干流的磁盘规划便是在一个 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，磁头臂能够滚动，掩盖到盘片的一切的半径，再调配主轴的旋转，然后使磁头能够获取到盘片上任何一个扇区的数据。
那你或许会猎奇了，这个盘片到底要怎样做、怎样规划才能把上文说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资料，通常是铝合金、玻璃或许陶瓷制成的，你的印象中，他们能够拿来存储文件吗（再次手动狗头）
已然说到了非磁性，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资料，有多薄呢？大约是 10-20 纳米，然后外面给包了层碳来作为保护，这层薄薄的磁性资料便是存储数据的关键
一个磁盘一般都会有多个盘片，而且刚刚说到的磁性资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。
现在咱们知道了，数据其实是存在磁性资料上的，那这儿再考虑一个问题：「磁盘怎样知道，数据该存在哪块磁性资料上？读取的时分又该从哪块资料上读？读多少？」
这个道理其实跟咱们的地图是相似的，举个比如，我国这么大，咱们要怎么清晰、准确的描述某一个当地呢？这个答案其实大家都知道，那便是分层分级。
举个比如，网购让你填的收货地址便是这样，比方「四川省-成都市-xx区-xx大街-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、详细的方位，而不用说大约那一块，先往我国西南走、走到城市之后继续往西走，大约走多久之后，再往南走，命运好的你就能找到那个地址了（再次手动狗头）。
盘片上也是做了相似的事情，先看个图：
中间的黑点便是主轴，以主轴为圆心划分了多个磁道（为了便利了解图中只给出了 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，而且每个扇区的巨细是固定的 512 字节。读取数据的时分，只需求通过这个划分就能够知道数据在哪个磁道、哪个扇区了。
但是通过上图仍是能看出一个问题：那便是不同的磁道扇区数是相同的，扇区地点的磁道半径约大，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，按照规划、规则只能存储 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，用来处理传统盘片的磁道扇区存储空间浪费的问题。它是怎样做的呢？说起来也很简略，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，然后将空间利用起来。
转换成图形或许便是这样：
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，然后充沛的利用空间，提高磁盘的总容量。
存储原理
好，继续深化问题盘片存储相关的问题。
咱们知道从微观上来看，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分，它是怎么从这层磁性资料中辨认出来 0101010101，然后还原成咱们能看懂的文件的？
前面咱们知道盘片上划分了磁道、扇区，相应的磁性资料也同理。现代磁盘便是通过磁化盘片两面的磁性资料来记录数据的，磁性资料序列的改动则代表了对应的二进制 0、1。
能够看到，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），当读取的时分，如果探测到序列是 RR，则对应 1，而如果是 NR，则对应 0（或许这便是为什么它叫磁盘吧，再再次手动狗头）
所以，咱们常说的写磁盘并不是说读写磁头在盘片上刻东西，而是改动磁性资料的序列，而且读写磁头和盘片没有直接触摸，他们有个大约 10 nm 的间隔。
而且，从上述现状咱们能够简略推导，已然读写磁盘都是靠读取盘片上的磁性序列，而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。
磁盘功能
了解完一些简略的原理之后，咱们终于能够来了解磁盘功能相关的问题了，咱们会深化的分析为什么磁盘 IO 是个十分贵重的操作。
现在考虑一个问题，咱们要查询数据，底层会怎样做？是不是会：
- 将磁头移动到方针文件地点的磁道
- 此时盘片正被主轴带着旋转，磁头需求等候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，就需求等候读取数据&传输
总结一下，磁盘的 IO 请求耗时主要由三部分组成：
- 磁头寻道时刻：这个推迟一般在 3-15 ms
- 盘片旋转推迟：这个取决于主轴旋转的速度，随着速度的不同大约在 2-4 ms
- 数据传输时刻：这儿均匀只用 3 微秒，跟上面两个比起来这儿的耗时能够忽略不计
这儿说到了旋转的问题，在盘片旋转推迟这儿，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 或许 7200 RPM（Revolutions Per Minute）不等，当然也有一些高功能的服务器转速会达到 15000 RPM。
盘片旋转推迟的确和转速相关，由于转速越快，对应扇区移动到磁头的方位就越快。但并不是转速越快越好，由于转速越高，发热约严峻，磁盘的寿命也就越短。
下面给个不同的转速下对应的旋转推迟的参考：
| 旋转速度（单位 RPM） | 均匀旋转推迟（单位毫秒） |
|---|---|
| 4800 | 6.25 |
| 5400 | 5.55 |
| 7200 | 4.16 |
| 10000 | 3 |
| 15000 | 2 |
（以上数据来自 wikipedia）
或许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。内存的随机读大约在几百纳秒，假定内存的速度是 200 ns、磁盘的速度是 2ms（按上表中转速最高的推迟来算），差了 10000 倍，也便是 4 个数量级。
到这儿，我想咱们也能了解为什么磁盘的次序读写能够与内存随机读一战了。由于磁盘次序读写几乎把前两个最耗时的操作给干掉了，磁头现已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略介绍到这儿。
