【计算机组成原理】学习笔记——总目录

【45】机械硬盘：Google早期用过的“黑科技”

  • 引言
  • 一、拆解机械硬盘
    • 1、机械硬盘的物理构造【盘面+磁头+悬臂】
    • 2、机械硬盘读取数据流程
      • 1）读取数据的两个步骤
      • 2）一次硬盘上的随机访问时间=平均延时+平均寻道时间
  • 二、Partial Stroking：根据场景提升性能【“空间换时间”的解决方案】
    • 1、引言
    • 2、缩短行程(Partial Stroking 或者 Short Stroking)
  • 三、总结【个人总结的重点】
  • 四、精选问答
    • 问：
    • C盘在最外边的磁道 的理解：

引言

在 1991 年，我刚接触计算机的时候，很多计算机还没有硬盘。整个操作系统都安装在 5 寸或者 3.5 寸的软盘里。不过，很快大部分计算机都开始用上了直接安装在主板上的机械硬盘。到了今天，更早的软盘早已经被淘汰了。在个人电脑和服务器里，更晚出现的光盘也已经很少用了。

机械硬盘的生命力仍然非常顽强。无论是作为个人电脑的数据盘，还是在数据中心里面用作海量数据的存储，机械硬盘仍然在被大量使用。不仅如此，随着成本的不断下降，机械硬盘还替代掉了很多传统的存储设备，比如，以前常常用来备份冷数据的磁带。

那这一讲里，我们就从机械硬盘的物理构造开始，从原理到应用剖析一下，看看我们可以怎么样用好机械硬盘。

一、拆解机械硬盘

【问题引入】
机械硬盘的 IOPS，大概只能做到每秒 100 次左右。那么，这个 100 次究竟是怎么来的呢？

1、机械硬盘的物理构造【盘面+磁头+悬臂】

硬盘的构造：接口、对应的控制电路板、以及实际的 I/O 设备（也就是我们的机械硬盘）。

一块机械硬盘是由盘面、磁头和悬臂三个部件组成：

  1. 盘面：实际存储数据的盘片。

    • 盘面本身通常是用的铝、玻璃或者陶瓷这样的材质做成的光滑盘片。然后，盘面上有一层磁性的涂层。我们的数据就存储在这个磁性的涂层上。
    • 盘面中间有一个受电机控制的转轴。这个转轴会控制我们的盘面去旋转。

    • 我们平时买硬盘的时候经常会听到一个指标，叫作这个硬盘的转速。我们的硬盘有 5400 转的、7200 转的，乃至 10000 转的。这个多少多少转，指的就是盘面中间电机控制的转轴的旋转速度，英文单位叫 RPM，也就是每分钟的旋转圈数（Rotations Per Minute）。所谓 7200 转，其实更准确地说是 7200RPM，指的就是一旦电脑开机供电之后，我们的硬盘就可以一直做到每分钟转上 7200 圈。如果折算到每一秒钟，就是 120 圈。

  2. 磁头：通过磁头把盘面上的数据传到总线上。（通过电路信号传输给控制电路、接口，再到总线上的。）
    • 通常，我们的一个盘面上会有两个磁头，分别在盘面的正反面。盘面在正反两面都有对应的磁性涂层来存储数据，而且一块硬盘也不是只有一个盘面，而是上下堆叠了很多个盘面，各个盘面之间是平行的。每个盘面的正反两面都有对应的磁头。
  3. 悬臂：悬臂链接在磁头上，并且在一定范围内会去把磁头定位到盘面的某个特定的磁道（Track）上。

2、机械硬盘读取数据流程

我们刚才说的一个磁道，会分成一个一个扇区（Sector）。多个盘面上相同磁道组成的圆柱，我们叫作一个柱面（Cylinder）。

1）读取数据的两个步骤

  1. 把盘面旋转到某一个位置。【找到“几何扇区”】

    • 在这个位置上，我们的悬臂可以定位到整个盘面的某一个子区间。这个子区间的形状有点儿像一块披萨饼，我们一般把这个区间叫作几何扇区（Geometrical Sector），意思是，在“几何位置上”，所有这些扇区都可以被悬臂访问到。
  2. 把我们的悬臂移动到特定磁道的特定扇区。【找到最终的“实际扇区”】
    • 在这个“几何扇区”里面，找到我们实际的扇区。找到之后，我们的磁头会落下，就可以读取到正对着扇区的数据。

2）一次硬盘上的随机访问时间=平均延时+平均寻道时间

  • 平均延时（Average Latency）：把我们的盘面旋转，把几何扇区对准悬臂位置的时间。

    • 随机情况下，平均找到一个几何扇区，我们需要旋转半圈盘面。上面 7200 转的硬盘，那么一秒里面，就可以旋转 240 个半圈。那么，这个平均延时就是1s / 240 = 4.17ms
  • 平均寻道时间（Average Seek Time）:盘面旋转之后，我们的悬臂定位到实际扇区的时间。
    • 我们现在用的 HDD 硬盘的平均寻道时间一般在 4-10ms。

这样，如果随机在整个硬盘上找一个数据，需要 8-14 ms。

我们的硬盘是机械结构的，只有一个电机转轴，也只有一个悬臂，所以我们没有办法并行地去定位或者读取数据。那一块 7200 转的硬盘，我们一秒钟随机的 IO 访问次数，也就是

1s / 8 ms = 125 IOPS 或者 1s / 14ms = 70 IOPS

这样，就能解答我们一开始问的问题，HDD 硬盘的 IOPS 每秒 100 次左右。

【顺序读写数据，如何最大化读写效率？】
现在你再思考一个问题。如果我们不是去进行随机的数据访问，而是进行顺序的数据读写，我们应该怎么最大化读取效率呢？

我们可以选择把顺序存放的数据，尽可能地存放在同一个柱面上。这样，我们只需要旋转一次盘面，进行一次寻道，就可以去写入或者读取，同一个垂直空间上的多个盘面的数据。

如果一个柱面上的数据不够，我们也不要去动悬臂，而是通过电机转动盘面，这样就可以顺序读完一个磁道上的所有数据。所以，其实对于 HDD 硬盘的顺序数据读写，吞吐率还是很不错的，可以达到 200MB/s 左右。

二、Partial Stroking：根据场景提升性能【“空间换时间”的解决方案】

1、引言

只有 100 的 IOPS，其实很难满足现在互联网海量高并发的请求。所以，今天的数据库，都会把数据存储在 SSD 硬盘上。

不过，20年前，没有SSD硬盘，数据库里面的数据，只能存放在 HDD 硬盘上。

今天，即便是数据中心用的 HDD 硬盘，一般也是 7200 转的，因为如果要更快的随机访问速度，我们会选择用 SSD硬盘。但是在当时，SSD 硬盘价格非常昂贵，还没有能够商业化。硬盘厂商们在不断地研发转得更快的硬盘。在数据中心里，往往我们会用上10000 转，乃至 15000 转的硬盘。甚至直到 2010 年，SSD 硬盘已经开始逐步进入市场了，西数还在尝试研发 20000转的硬盘。转速更高、寻道时间更短的机械硬盘，才能满足实际的数据库需求。

不过，10000 转，乃至 15000 转的硬盘也更昂贵。如果你想要节约成本，提高性价比，那就得想点别的办法。你应该听说过，Google 早年用家用 PC 乃至二手的硬件，通过软件层面的设计来解决可靠性和性能的问题。那么，我们是不是也有什么办法，能提高机械硬盘的 IOPS 呢？

2、缩短行程(Partial Stroking 或者 Short Stroking)

还真的有。这个方法，就叫作 Partial Stroking 或者 Short Stroking。我没有看到过有中文资料给这个方法命名。在这里，我就暂时把它翻译成“缩短行程”技术。

其实这个方法的思路很容易理解，我一说你就明白了。既然我们访问一次数据的时间，是“平均延时 + 寻道时间”，那么只要能缩短这两个之一，不就可以提升 IOPS 了吗？

一般情况下，硬盘的寻道时间都比平均延时要长。

【解决方案分析过程】

  1. 最极端的办法就是我们不需要寻道，也就是说，我们把所有数据都放在一个磁道上。比如，我们始终把磁头放在最外道的磁道上。这样，我们的寻道时间就基本为 0，访问时间就只有平均延时了。那样，我们的 IOPS，就变成了1s / 4ms = 250 IOPS

  2. 不过呢，只用一个磁道，我们能存的数据就比较有限了。这个时候，可能我们还不如把这些数据直接都放到内存里面呢。所以，实践当中，我们可以只用 1/2 或者 1/4 的磁道，也就是最外面 1/4 或者 1/2 的磁道。这样，我们硬盘可以使用的容量可能变成了 1/2 或者 1/4。但是呢，我们的寻道时间，也变成了 1/4 或者 1/2，因为悬臂需要移动的“行程”也变成了原来的 1/2 或者 1/4，我们的 IOPS 就能够大幅度提升了。

比如说，我们一块 7200 转的硬盘，正常情况下，平均延时是 4.17ms，而寻道时间是 9ms。那么，它原本的 IOPS 就是

1s / (4.17ms + 9ms) = 75.9 IOPS

如果我们只用其中 1/4 的磁道，那么，它的 IOPS 就变成了

1s / (4.17ms + 9ms/4) = 155.8 IOPS

你看这个结果，IOPS 提升了一倍，和一块 15000 转的硬盘的性能差不多了。不过，这个情况下，我们的硬盘能用的空间也只有原来的 1/4 了。不过，要知道在当时，同样容量的 15000 转的硬盘的价格可不止是 7200 转硬盘的 4 倍啊。
所以，这样通过软件去格式化硬盘，只保留部分磁道让系统可用的情况，可以大大提升硬件的性价比。

在 2000-2010 年这 10 年间，正是这些奇思妙想，让海量数据下的互联网蓬勃发展起来的。在没有 SSD的硬盘的时候，聪明的工程师们从硬件到软件，设计了各种有意思的方案解决了我们遇到的各类性能问题。而对于计算机底层知识的深入了解，也是能够找到这些解决办法的核心因素。

三、总结【个人总结的重点】

  • 机械硬盘的物理构造：盘面+磁头+悬臂

  • 机械硬盘读取数据的两个步骤：

    • 把盘面旋转到某一个位置。【找到“几何扇区”】
    • 把我们的悬臂移动到特定磁道的特定扇区。【找到最终的“实际扇区”】

  • 一次硬盘上的随机访问时间=平均延时+平均寻道时间

  • 缩短行程(Partial Stroking 或者 Short Stroking)【“空间换时间”的解决方案】：

    • 把所有数据都放在一个磁道上
    • 只用最外面 1/4 或者 1/2 的磁道，缩短“平均寻道时间”，以提升IOPS

四、精选问答

问：

如果是用更慢的 5400 转的硬盘，使用 Partial Stroking 技术，只使用一半的硬盘空间，我们的 IOPS 能够提升多少呢？
答：

C盘在最外边的磁道 的理解：

【计算机组成原理】学习笔记——总目录

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