“硬盤” 是什麼這裏我所説的 “硬盤”，也就是所謂的 “hard disk”，經常簡稱為 “disk” 或者 “HDD”，同時還有另外一個更加高大上的名字 “非易失性存儲”。請各位回憶一下計算機組成原理裏關於存儲的部分，從 CPU 開始，存儲層次如下：寄存器緩存（cache），從高到低又可以分一級、二級、三級緩存，數字越高，距離 CPU 越遠、容量越大、速度越慢主存，也就是內存，就是我們常見説 “內存條”硬盤，包括所有的非易失性存儲，就是本文説明的內容。離線存儲，包括那些 CD 啊之類的

非易失性存儲就是説該存儲介質上的數據，只要寫入了，那麼就算設備掉電了，也能夠保持，而不會被清空。廣義而言，非易失性存儲包含非常多的種類，包括磁盤、閃存、EEPROM 等等。而對於服務器而言，只涉及兩種，那就是磁盤和 SSD。磁盤使用磁性元件做成盤片，然後使用盤片上對應位置是否有磁性，來判斷該位置存儲的值是邏輯 1 還是邏輯 0。另一種是固態硬盤，也就是 SSD。SSD 的原理其實就是我們的 “U盤”。從存儲介質的角度，“U盤” 其實不是一個準確的説法，準確的説，應該叫做 “閃存”（flash memory）。從製造原理上，閃存又分為兩種，一種是 NOR-flash，另一種是 NAND-Flash。NOR-Flash 不會在服務器上使用，正文略過不講（感興趣的話，可以看本文的小知識）。本文關注的是使用 NAND-Flash 製作而成的硬盤，也就是 SSD。

硬盤 “塊設備” 是什麼？Linux 中，所有的東西都可以抽象成文件。而所有的設備，則會被分為字符設備和塊設備。字符設備的意思是，對於該設備上隨機指定的地址的值，都可以直接寫入。相對應地，塊設備的意思是，對於該設備上隨機指定的地址上的數據，如果需要修改的話，需要連同該地址周邊一整塊數據都一起讀到內存中、修改了指定數據之後，再整塊寫回。<<<< 小知識：為什麼 SSD 是塊設備？為什麼寫入這麼麻煩？>>>>

SSD 不能簡單隨機地讀寫給定地址上的數據。SSD 讀取以 ”頁“ 為單位（如：256 Bytes），擦除 / 

寫入以 ”塊“ (與內存映射的 “4kB” 的那個 “塊” 不是一回事) 為單位。

此外，SSD 還有一個很大的特點，就是修改對應數據的時候，還不是簡單地執行一個 write 動作

（不是標準 C 的 write()）就可以了，而是需要首先執行一次 erase 操作，將當前的整個塊擦除掉
（全部變成邏輯 0），然後再將整個塊的數據重新寫一遍。

所以對於塊設備而言，執行讀操作還算簡單，但是執行寫操作的話，整個流程就變成了：read、erase、

write 了，何其複雜！SSD 之所以被設計成這麼複雜的原因，主要是半導體比特密度和製造成本之間的一個
取捨。原理可以寫一整章，本文就不展開講了。

為什麼磁盤是塊設備？這個很抱歉，筆者沒有準確的答案。或許因為磁盤轉的太快，沒辦法極其精

準地定位具體一個 bit？

磁盤尋址速度的考量這裏我們先放下 SSD，來講一講磁盤。個人電腦和服務器上所使用的磁盤結構都是一模一樣的。磁盤的結構和各術語如下圖所示：

磁盤中會並列地擺放很多片盤片，每個盤片的正反面都會有一個磁頭，使用這個磁頭來讀取盤片上的磁狀態。讀數據的時候，一般會同時從幾個盤片讀，以達到最高的讀取速度。所以我們可以看到，磁盤尋址的速度，主要受到以下兩個因素的影響：磁頭轉動到指定位置的時間盤片旋轉，並將指定點轉動到磁頭下的時間極端情況下，磁頭需要從一端轉到另一端；而盤片則需要轉動 180 度。乍一看，其實這兩個時間是非常短的，似乎並不會影響讀取文件的速度。兩邊引起質變，這兩個時間積累起來的時候，就會出現問題了。那麼怎樣才能累積呢？答案就是：頻繁、隨機地存取文件系統。所以，提高磁盤效率的思路就是：避免頻繁的隨機存取文件

硬盤文件存取速度的考量這裏所説的包含磁盤和 SSD。前面已經説了，硬盤是塊設備，也就是當讀取內容的時候，只能以塊為單位進行操作。這裏舉一個最簡單的例子吧，我們把塊的單位減少到 8bits，存取的單位以 bits 來計算。比如在一段連續的內存中，數據是這樣的：Addr: 0 1 2 3 4 5 6 7
value: 0 0 1 1 0 1 0 0我們只需要讀取地址 5 上的值，這就是所謂的隨機讀取。但是硬盤的原理決定了我們沒辦法只讀這麼一個數據。驅動只能把這一整塊的數據（00110100）一起讀出來，然後再把這地址 5 的值返回給應用程序。寫入的時候就更復雜了。針對 SSD，如果我們需要把地址 5 上的值改為 0，那麼驅動需要幹下面幾件事情：read: 把 [00110100] 讀到內存中mod: 將地址 5 的值在內存中設置為 0，總共變成 [00110000]erase: 將硬盤中這一整塊的存儲內容擦除掉，擦除之後，這段地址的值會變成 [11111111]（其實 SSD 的擦除動作還是比較快的）write: 將實際需要設置的值 [00110000] 寫入到硬盤中。磁盤還算比較簡單，只需要執行 1 和 4 兩個步驟就行了。從上面的流程我們大概可以看到磁盤文件存取速度的優化方向了。如果你還沒弄明白的話，我再舉一個例子：假設還是上面的多個 SSD 塊，我們做一次循環操作來模擬多次存取。偽代碼如下：define SECT_SIZE (5)

int addr = 0;

for (sectNum = 0 to 100)
{

bits[SECT_SIZE] = read_data(from: addr, len: SECT_SIZE);

bits[0] = 0;
bits[SECT_SIZE - 1] = 0;    // 只修改一部分
write_data(data: bits, from: addr, len: SECT_SIZE)

addr += SECT_SIZE

}
這段代碼有什麼問題呢？我們只需要取前兩次循環，看看驅動做了什事情就知道了。首先是第一次循環（Loop 0）：此時 addr = 0，

1. 從 0 號塊讀出 8 bits 的數據，並且取其中的 5bits 返回給應用程序（耗時 t1）
2. 應用程序修改了兩個 bits
3. 將 0 號塊的 8bits 寫回（擦除 + 寫入，耗時 t2）第二次循環就不一樣了：此時 addr = 5
4. 從 0 號塊取出 8bits 的數據，並且取最後 3bits 為有效數據（耗時 t1）
5. 從 1 號塊取出 8bits 的數據，並且取前 2bits 為有效數據，與前面的 3bits 拼在一起，返回 5bits 給應用程序（耗時 t1）
6. 應用程序修改了兩個 bits
7. 將 0 號塊的 8bits 寫回（耗時 t2）

8. 將 1 號塊的 8bits 寫回（耗時 t2）
   總耗時是第一個循環的兩倍。可見，由於橫跨了兩個塊，雖然應用程序操作的數據量是一樣的，但是操作的時間卻多出了整整一倍。因此從這裏我們可以看出，提高硬盤存取效率的另一個途徑是：儘可能以塊為單位，進行讀寫操作。在操作系統中，軟件層面關心的塊的單位一般是 4096 字節（4kB）。
   
   關於 NOR Flash一句話，NOR Flash 只用在嵌入式設備中，做服務器開發的不需要關心。本小節沒有正片，只有小知識。<<<< 小知識：NOR Flash 是什麼？有什麼特點？ >>>>

   NOR Flash 和本文所説的 SDD（NAND Flash）的區別，首先在硬件結構上顯然是不同的。但是嘛，
   如前文所述，硬件的咱不講。

   NOR Flash 的特點有下面幾點：

   1. NOR Flash 也是塊設備，但 NOR Flash 支持絕對的隨機讀取，要讀多長就讀多長，並且讀取
      速度高於 NAND Flash
   2. 相同條件下，NOR Flash 的擦除和寫入耗時遠遠大於 NAND Flash
   3. NOR Flash 支持有限的隨機寫能力，所謂有限，意思是 NOR Flash 可以將任意邏輯 0 的位改
      寫為邏輯 1，但是卻沒辦法將 1 改寫為 0
   4. NOR 執行塊的擦除操作後，整個塊都會變成邏輯 0。因此對於絕大部分數據（0 和 1 混雜的）
      寫入操作，實際上和 NAND Flash 的操作流程是一樣的
   5. 當容量小於 16MB 時，NOR Flash 的成本小於 NAND Flash。再往上就不如 NAND 了。

   上面的特性，使得 NOR Flash 幾乎不會用在 PC 的存儲體系中。但卻在嵌入式設備中（包括計算
   機主板上 BIOS 的存儲器）應用極廣，因為：

   1. 嵌入式設備主要是保存大量的代碼數據（只讀，特點1），和少數並且很少變動的用户數據（讀寫，
      特點1）
   2. 嵌入式設備的程序空間很小，裁減過的 Linux 內核經過壓縮可以達到2MB 甚至更低（特點5）
   3. 嵌入式設備可能隨時斷電，支持 jffs2 文件系統之後，可以保護文件內容（特點3）<<<< 小知識：為什麼支持了 jffs2 就支持斷電保護？>>>>

   可以説 jffs2 簡直就是為 NOR Flash 量身定做的文件系統了。一般而言，比如我們使用 FAT32
   對 U盤進行格式化之後，如果 U盤在寫入數據的時候突然從主機設備上拔掉，那麼文件系統很可能會崩
   潰、損壞。這就是為什麼操作系統會有 “安全移除存儲設備” 的功能。

   Jffs2 完美地利用了 NOR Flash “可以將 0 改寫為 1” 的特性。首先在格式化的時候，jffs2 以
   塊為單位劃分存儲空間，然後在創建索引表的時候。文件系統在將數據寫完之前，會對應的塊設置為 0，
   也就是標記為無效塊。當數據完全寫入完成之後，就將標記從 0 修改為 1。而 jffs2 每次加載的時候，
   會遍歷所有的塊，並且在內存中重建索引表。

   如果在寫入數據的過程中斷電了，那麼相應的塊繼續保持無效狀態。這樣就保證了文件系統的斷電
   保護。
   當然 jffs2 的原理遠遠沒有這麼簡單。Linux 裏面就有 jffs2 的代碼，各位看官可以自行取用。
   
   小結針對硬盤作為塊設備的各種特點，從硬件原理上優化磁盤效率，我們的思路主要就是兩個方向：避免或者儘可能減少存取磁盤上隨機地址的數據，也就是儘量順序地存取文件存取文件時儘可能以塊為單位存取（2 的倍數，最好是 4kB 的倍數）實際代碼中具體應該怎麼操作，在下一篇文中給出。