硬盘的读写原理

tips：看了MySQL索引背后的数据结构及算法原理后，里边有说：

"数据库系统的设计者巧妙利用了磁盘预读原理，将一个节点的大小设为等于一个页，这样每一个节点只须要一次I/O就能够彻底载入。为了达到这个目的，在实际实现B-Tree还须要使用以下技巧：每次新建节点时，直接申请一个页的空间，这样就保证一个节点物理上也存储在一个页里，加之计算机存储分配都是按页对齐的，就实现了一个node只需一次I/O。"

而后就不懂了页是什么意思，就看了这篇关于硬盘的超详细解释：http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7408047

下边是个人一些摘录，想大概看时就看这个，想看详细的就看上边这个啦。

对于页的理解：

由于说一个扇区512byte，就是0.5k，一页是4K，那就是一页是8个扇区的大小，大概就这样理解吧。

 

咱们知道信息存储在硬盘里，把它拆开也看不见里面有任何东西，只有些盘片。假设，你用显微镜把盘片放大，会看见盘片表面凹凸不平，凸起的地方被磁化，凹的地方是没有被磁化；凸起的地方表明数字1（磁化为1），凹的地方表明数字0。所以硬盘能够以二进制来存储表示文字、图片等信息。

一、硬盘的组成

硬盘你们必定不会陌生，咱们能够把它比喻成是咱们电脑储存数据和信息的大仓库。通常说来，不管哪一种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份组成。

平面图

立体图

全部的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。而全部盘片之间是绝对平行的，在每一个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发 丝的直径还小。全部的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动做，（实际是斜切向运动），每一个磁头同一时刻也必须是同轴的，即从正上方向下看，全部磁头任什么时候候都是重叠的（不过目前已经有多磁头独立技术，可不受此限制）。而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操做。

因为硬盘是高精密设备，尘埃是其大敌，因此必须彻底密封。

二、硬盘的工做原理

硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区.

 

盘片被划分红一系列同心环，圆心是盘片中心，每一个同心环叫作一个磁道，全部半径相同的磁道组成一个柱面。磁道被沿半径线划分红一个个小的段，每一个段叫作一个扇区，每一个扇区是磁盘的最小存储单元。为了简单起见，咱们下面假设磁盘只有一个盘片和一个磁头。

当须要从磁盘读取数据时，系统会将数据逻辑地址传给磁盘，磁盘的控制电路按照寻址逻辑将逻辑地址翻译成物理地址，即肯定要读的数据在哪一个磁道，哪一个扇区。 为了读取这个扇区的数据，须要将磁头放到这个扇区上方，为了实现这一点，磁头须要移动对准相应磁道，这个过程叫作寻道，所耗费时间叫作寻道时间，而后磁盘 旋转将目标扇区旋转到磁头下，这个过程耗费的时间叫作旋转时间。

即一次访盘请求（读/写）完成过程由三个动做组成：
1）寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道 

2）旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转通过 
3）数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输

所以在磁盘上读取扇区数据（一块数据）所需时间：

      Ti/o=tseek +tla + n *twm

其中:

tseek 为寻道时间

tla为旋转时间

twm 为传输时间

3.局部性原理与磁盘预读

因为存储介质的特性，磁盘自己存取就比主存慢不少，再加上机械运动耗费，磁盘的存取速度每每是主存的几百分分之一，所以为了提升效率，要尽可能减小磁 盘I/O。为了达到这个目的，磁盘每每不是严格按需读取，而是每次都会预读，即便只须要一个字节，磁盘也会从这个位置开始，顺序向后读取必定长度的数据放 入内存。这样作的理论依据是计算机科学中著名的局部性原理：

当一个数据被用到时，其附近的数据也一般会立刻被使用。

程序运行期间所须要的数据一般比较集中。

因为磁盘顺序读取的效率很高（不须要寻道时间，只需不多的旋转时间），所以对于具备局部性的程序来讲，预读能够提升I/O效率。

预读的长度通常为页（page）的整倍数。页是计算机管理存储器的逻辑块，硬件及操做系统每每将主存和磁盘存储区分割为连续的大小相等的块，每一个存 储块称为一页（在许多操做系统中，页得大小一般为4k），主存和磁盘以页为单位交换数据。当程序要读取的数据不在主存中时，会触发一个缺页异常，此时系统 会向磁盘发出读盘信号，磁盘会找到数据的起始位置并向后连续读取一页或几页载入内存中，而后异常返回，程序继续运行。