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一块硬盘的自述

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仗剑天涯论坛大牛 2017-6-27 22:54 |显示全部楼层

今生相逢便是缘分,何苦去怨恨,何苦去仇视。

主题破百 赞助会员 金点子奖
        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?

一块硬盘的自述 W020150927433549562851.jpg

        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

一块硬盘的自述 硬盘内部.jpg


        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。

        没有人喜欢这种方式,太折磨人了!

       所以你们更喜欢这么做:
👍🗼🍏ℹ🦦‏        
        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。

一块硬盘的自述 文件的存放.png

👏🗽🌰🆗🦬‏
        文件1占据磁盘块1-3
        文件2占据磁盘块8-12
        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:

一块硬盘的自述 链式.png


        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!”
🧑‍🌾‏💎📱😆👍
一块硬盘的自述 索引式.png


        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“。

一块硬盘的自述 内容.png
👨‍⚕️‍🧥🧯🖕

        “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”

一块硬盘的自述 读取磁盘块.jpg

👮‍♂️‍🥾🔍😥👄
        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👴‎👔🖌😋🖕
        (2)释放inode到空闲的节点池,这样可以复用
        (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”。

👃🌡🍊ℹ🦟‍


        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。
🖕🚈🥄™🐻‌
一块硬盘的自述 0和1.png


        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):

一块硬盘的自述 linux ext2.jpg
👦‎🩴🏮😛🖐

        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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巴黎环抱的花海 「龙战于野」 2017-9-6 08:10 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

大师的话真如“大音希声扫阴翳”,犹如“拨开云雾见青天”,使我等网民看到了希望,看到了未来!晴天霹雳、醍醐灌顶或许不足以形容大师文章的万一;巫山行云、长江流水更难以比拟大师的文才!黄钟大吕,振聋发聩!你烛照天下,明见万里;雨露苍生,泽被万方!透过你深邃的文字,我仿佛看到了你鹰视狼顾、龙行虎步的伟岸英姿;仿佛看到了你手执如椽大笔、写天下文章的智慧神态;仿佛看见了你按剑四顾、指点江山的英武气概!
巴黎环抱的花海 「龙战于野」 2018-1-20 22:39 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

在遇到你之前,我对人世间是否有真正的圣人是怀疑的;而现在,我终于相信了!我曾经忘情于两汉的歌赋,我曾经惊讶于李杜的诗才,我曾经流连于宋元的词曲。但现在,我才知道我有多么浅薄!楼主,你的高尚情操太让人感动了。在现在这样一个物欲横流的金钱社会里,竟然还能见到楼主这样的性情中人,无疑是我这辈子最大的幸运。让我深深感受到了人性的伟大。楼主的帖子,就好比黑暗中刺裂夜空的闪电,又好比撕开乌云的阳光.
深海里的那抹蓝 「龙战于野」 2018-1-21 10:39 来自手机 |显示全部楼层

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而升级又需要 经验,

💪🚘🥣📵🦦‎我就把这句话复制下来,
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LonelyGorge 「初入古黑」 2019-3-12 21:38 |显示全部楼层

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以前不懂 ,. S# m: K; K, F, j
看贴总是不回 ,3 i/ C1 y. G+ q) N7 l3 z
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我就把这句话复制下来,2 W6 l2 O8 n6 x# Q! g1 U
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