一块硬盘的自述

缘 · 2017-6-27 22:54

      我是一个非常精密的存储介质，虽然具有坚固冰冷的外表，让人有种冷酷到底的感觉，但是你们却不知道我的内心是非常脆弱的~

      我知道CPU和内存是计算机的核心，毕竟所有的运算最后都得通过他们俩来完成，CPU从内存里要取一条指令，做计算，然后再写回内存，如此周而复始。

      但是这俩货却瞧不起我，说这是什么年代了，还在用机械式操作，读写数据的时候，还得一个磁头在多个盘片上滑来滑去，找来找去，速度慢的要死。

一块硬盘的自述 GriffWason_GenericHardDrive_exploded01.jpg

      内存说：“CPU比我快100倍，比你快100万倍，整个系统的速度都被你给拖慢了。”#j318:

      他俩还嘲笑我很娇气，得真空、密闭、不能有浮尘、运行时不能震动，一动就坏了。但这俩二货总是会忘记他俩的最大问题，所以我只用一句就把他们俩给噎死：你们俩断电了怎么办？

      还有我的容量都是按TB,甚至PB来算的，就你们俩那点容量，还笑我?还有，没有我来存储程序，你们从哪儿得到程序，难道要像牵牛星（如下图）一样，手工拨动一排开关来输入程序吗？

      其实我也很纳闷，为什么你们人类造不出来一个能够断电存储的，大容量的，访问速度快的，当然还要便宜的硬盘来，你们不都上天了吗？要登陆火星了吗？这些基础的材料怎么还无法突破？#j331:

      我憧憬着这么一天的来临，如果能制造出来了，CPU就可以直接访问硬盘了，内存就一边凉快去吧。

      在制造出来之前，你们必须得容忍CPU-内存-硬盘之间的速度不匹配，并且想出办法来解决这种速度的不匹配，比如用缓存、直接内存访问、多进程/线程切换等等方法。

我的内部结构

      看到没有，我有很多个盘片像串糖葫芦一样被串在一个主轴上，主轴带着他们疯狂的旋转。

      每个盘片都有很多一圈一圈的磁道，每个磁道又分为一个一个的扇区。

      多个盘片上的同一位置的磁道组成了一个柱面(需要发挥一下你的想象力)

      最后每个盘片上都有可以读写数据的磁头。

      所以，如果你想访问我的数据，可以说：把0柱面，0磁头，1扇区的数据给我拿来。

      我就把磁头挪到您指定的柱面，对每个磁盘来讲其实就是指定的磁道，所以这叫“寻道时间”

      然后再旋转磁盘，让磁头指向您指定的扇区，这才能开始读取数据，这叫“旋转时间”，转速快的硬盘能更快的旋转到特定扇区，所以性能会更好些。

什么是文件

      当然，对于绝大部分人来说，都不想去了解什么柱面，磁头，扇区这些非人的术语，所以我为懒人们专门提供了一个叫做逻辑块的方式，你看到磁盘就是有一个个“块”组成的，编号为1,2,3,..n。

      想取哪一块就取哪一块，比如你说：把第1024号的“块"的数据给我取过来，我在内部就把1024转化成柱面，磁头，扇区，按照上面说的方法寻道，旋转，读取数据。

      但是这还远远不够，比方说你想写个文档，输入了很多字和图片，最后想存到我这个硬盘上，你该怎么操作？#j321:

      一种方法是这样的：

      你：硬盘，给我找20个空闲的磁盘块，我想存我的文档。

      我：空闲的磁盘块编号是1024，2048，2049，3000,......

      你：把这些文字和图片存到这些磁盘块上。

      我：好的，存完了，你得记住这些块啊，这样下次才能读取。

      你：拿一支笔把这些磁盘块编号都记到本子上。

      过了几天......

      你：硬盘，把1024,2048,2049,3000这些数据给我取出来，我要编辑。

      我：好的，这是你的数据。
& L7 I6 V/ {6 G
      没有人喜欢这种方式，太折磨人了！
   所以你们更喜欢这么做：

      打开word->新建一个文件->输入文字和图片->保存到:D盘\我的文档目录下。

      这个所谓的“文件”和“目录”就是我的杰作啊，你再也不需要和烦人的磁盘块打交道，只需要记住你的文件名和路径，一切工作交由我和操作系统老大来搞定。

      我和老大商量好了，文件对人类来说是最小存储单位，你想存任何东西，无论多么小，非得建个文件不可。

      此外为了让这个世界整洁有序，多个文件可以放到一个目录（其实也是个特殊的文件）里，目录之上还可以有目录，形成一个树的结构。

      文件这个东西是个伟大的发明，我估计你们还得再用100年。#j346:

文件的存放

      我日常的主要工作就是对目录和文件做操作，当然需要操作系统老大的配合，好吧，其实是老大在主导。

      这其中最重要的一个问题怎么去记录各个文件都用到哪些磁盘块？

      内存给我支了一招：你可以采用连续记录的方式啊，就像这样。

      文件1占据磁盘块1-3
# O5 j8 m, l, e/ |+ }+ h" o       文件2占据磁盘块8-12
" [5 s+ s9 [) b) A/ n       文件3占据磁盘块15-20

      内存说：这种方法在随机访问文件是效率极好，因为你只要知道了开头和长度，就像数组一样可以随便访问，就像CPU访问我一样，只要给出地址，立刻就能定位到指定的位置。

      我仔细想了想，内存出的是一个损招，比如说内存磁盘块4-7，以及13-14怎么没用？

      那是因为之前那里也有文件，后来被删除了，留下了空洞，如果之后没有大小合适的文件过来，他们就永远空在那里了。

      对我来说这是严重的浪费，这是我不能容忍的。

      我说：“小样你以为我看不出来啊，你不就是嫉妒我容量大，让我浪费一点嘛”！

      内存坏笑了一下又说：不喜欢也没关系嘛，试试采用链式啊：

      这个文件从第一块磁盘开始，形成一个链1->9->18->8->3,每一块空闲的磁盘都会得到充分的利用，效率非常高。

      我心想：这些码农说的数据结构和算法还真是有用啊，这里也用上链表了。可是这种方式随机的访问效果太差，每次都得从第一块开始，沿着绳子往后找，太痛苦了。

      现在内存已经嘲笑我慢了，用这种很慢的办法，还不得笑死我？操作系统老大说：“别听内存在那里BB了，用索引式！”

      例如第16号磁盘块专门用来存放文件属性以及该文件所使用的磁盘块。

      老大把这个磁盘块叫做inode,通过它可以轻松的找到这个文件所使用的所有磁盘块，无论是顺序访问还是随机访问都很快。

      唯一的缺点是得用额外的磁盘块单独存放inode。

      我觉得挺好，没有十全十美的东西，折中达到平衡最重要！就是它了！#j325:

      我问老大：每个文件都需要有个inode来描述,每个目录是不是也需要一个？

      ”这是自然，和文件一样，每个目录也是一个inode,其中有目录的属性，还有存放这个目录内容的磁盘块号，在磁盘块中才真正的存放着目录下的内容“。

“举个例子来说吧：有人要读取/tmp/test.log这个文件，查找次序是这样的：根目录inode->根目录磁盘块->tmp目录inode->tmp目录磁盘块->test.log的inode->读取磁盘块”

      内存说：“卧槽！这也太绕了吧，比CPU访问我的数据麻烦多了，硬盘，你要小心点，这要是操作不当的很容易出乱子的。”#j340:

      我心想内存这次没坑我，他提醒的对，这操作确实有点复杂，读数据的时候还行，如果是修改，尤其是删除就很容易出事，例如想删除上面的文件/tmp/test.log，需要这些步骤：

      (1)在目录中删除文件
! ?& k/ h  Z' r7 M4 Z. q/ O       (2)释放inode到空闲的节点池，这样可以复用
" P3 ^) p$ O; M/ v: V3 F       (3)将磁盘块释放到空闲的磁盘块池

      在操作某一步的时候出现系统崩溃，那我这些个目录和文件就凌乱了，可能会出现空间无法释放的情况。

      系统老大说：“这确实比较烦，不过也能解决，听说过数据库是怎么办的吗：记录日志！”

      ”就是把要做的事记录下来？“

      “是的，在做操作之前，记录要做的事情，形成日志，把他们成功写入磁盘以后再正式动手操作，等到所有步骤都搞完，才可以擦除日志项。你想想，如果执行到某一步崩溃，系统重启时检查日志项，就知道哪些没做，哪些已经做了，对于没做的日志，重新来一遍就是了”。

      其实说的很轻松，实施起来还是挺难的，重新执行就意味着那些操作一定是可以重复执行，并且不会带来破坏才行。

管理空闲块

      目录和文件的存储问题解决了，接下来我需要一个大管家，把那些没有使用的、空白的、数量上亿的磁盘块给管理起来，只有这样，新的文件来的时候，才能分配空间存储。

      操作系统老大给我推荐了两位，第一位主张是链式大法好，无非就是把空闲磁盘块组成一个链表（又是链表！），但是我心里盘算了一下：如果磁盘块号是32位的，每个块都得花费我32位的空间，如果我有5亿个空闲块，那仅仅为了记录他们就要占用接近2G的磁盘空间！这浪费可是有点大啊。

      还有一位主张位图法，这个方法更简单，对每个磁盘块，如果已经被使用，那就标记为1，没被使用就是0。这样整个磁盘块就形成了一个由0和1组成的一个大位图。

由于每个磁盘块只用一个位来表示，非常节省空间，这个方案我喜欢！#j327:

文件系统

扯了这么多，是时候看一看全局了，在你们程序员的眼中，其实我是长这个样子的（拿Linux ext2为例）：

      我这个硬盘主要由MBR(Master Boot Record)和各个磁盘分区组成。

      MBR中的有引导代码和磁盘分区表，分区表中记录了每个分区的起始位置，以及哪个磁盘分区是活动分区，这样系统就会找到它，然后装载这个分区中的引导块，并执行之。

      引导块将会装载存存储在本分区的操作系统。需要注意的是，每个分区都有一个引导块，不管这个分区有没有操作系统，这是各大厂商的约定，是一种标准。

      每个分区除了必须的引导块之外，又被分成多个块组。

      在每个块组中你能看到熟悉的磁盘块位图和inode位图，不用解释估计你也知道是干嘛的。还有inode表（当然是存放文件和目录的inode了）和真正的数据块。

      对了，我的磁盘分区表只有64个字节，而每个分区项占用16个字节，所以只能容纳4个分区。如果你想用多于4个分区，你就需要把其中一个设为扩展分区，然后在其中继续划分成逻辑分区，想划几个就划分几个。

      一般情况下，大家都喜欢把我划分成一个主分区+一个扩展分区，在扩展分区中再需要划分。

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