我們一起聊聊磁盤原理，你懂了嗎？
磁盤這玩意兒，即使不作為一個開發人員我們也會經常跟它打交道。比如你家里的臺式機，或者拿來辦公的電腦，再比如你裝個操作系統，會涉及到對磁盤進行分區。
而作為開發人員，自然更加需要關注磁盤。
平時你開發的代碼會暫存在磁盤上；開發中用的最多的數據庫 MySQL，其數據是持久化到磁盤中的；Redis 的持久化數據是落到磁盤的；Zookeeper 內存中的數據、事務日志、快照會持久化到磁盤；像 RocketMQ 這種消息隊列也會將收到的 Message 持久化到磁盤，Kafka 當然也不例外；
可以說，磁盤和我們的開發息息相關。但可能在平時的開發中，很多人會忽略掉磁盤的存在，因為雖然息息相關，但很遺憾，不是直接相關。因為上面提到的所有的和磁盤相關的內容，都已經由工具幫我們做了，甚至包括你的代碼。
這種感覺就好像，魚（可能）不怎么注意水，我們平時不太會注意氧氣。
我們可能聽過，磁盤 IO 慢，為什么？我們可能聽過，磁盤順序 IO 會快些，為什么？我們可能聽過磁盤的順序 IO 甚至比內存隨機 IO 要快，為什么？
可能這些問題，我們都不一定能做個清晰的解釋，這也是為什么我想聊聊磁盤。
磁盤分類
首先，按照原理來分，磁盤可以分為三類：
- 機械硬盤（HDD）
- 固態硬盤（SSD）
- 混合硬盤（SSHD）
本篇文章的重點會放在 HDD 上。
場景切入
首先還是通過一個很簡單的場景來切入，如下：
你在你的電腦上創建了個文件，然后寫了點東西進去。然后你 N 天后打開電腦，看到這個文件還在（廢話）。這實際上就是數據被持久化進了磁盤，下次需要文件時再從磁盤中取出來。
這個存、取的過程其實對我們完全無感知的，我們就知道裝機的時候安了一塊硬盤，其他的啥也不知道。
磁盤結構
那磁盤里究竟長啥樣呢？它是怎么樣把文件存儲起來的？以什么樣的方式存儲的？帶著這樣的問題來看一個圖：
圖片來自 wikipedia
結合上面的結構圖可以看出來，現代主流的磁盤設計就是在一個 Spindle（主軸）上，有一些 platter（盤片），然后盤片會繞著主軸旋轉，然后讀數據、寫數據則由讀寫磁頭來實現，讀寫磁頭會安裝在磁頭臂上，磁頭臂可以轉動，覆蓋到盤片的所有的半徑，再搭配主軸的旋轉，從而使磁頭可以獲取到盤片上任何一個扇區的數據。
那你可能會好奇了，這個盤片到底要怎么做、怎么設計才能把上文提到的文件給存儲下來呢？
要知道，現在的磁盤盤片大多都是由非磁性材料，通常是鋁合金、玻璃或者陶瓷制成的，你的印象中，他們能夠拿來存儲文件嗎（再次手動狗頭）
既然提到了非磁性，那么答案肯定就跟磁性有點關系...
盤片構造
沒錯，盤片的兩個面會被涂上一層薄薄的磁性材料，有多薄呢？大概是 10-20 納米，然后外面給包了層碳來作為保護，這層薄薄的磁性材料就是存儲數據的關鍵
磁性材料
一個磁盤一般都會有多個盤片，并且剛剛提到的磁性材料盤片的兩個面都有。換句話說，盤片的兩個面都能用于存儲、讀取數據。
現在我們知道了，數據其實是存在磁性材料上的，那這里再思考一個問題：「磁盤怎么知道，數據該存在哪塊磁性材料上？讀取的時候又該從哪塊材料上讀？讀多少？」
這個道理其實跟我們的地圖是類似的，舉個例子，中國這么大，我們要如何清晰、準確的描述某一個地方呢？這個答案其實大家都知道，那就是分層分級。
舉個例子，網購讓你填的收貨地址就是這樣，比如「四川省-成都市-xx區-xx街道-x棟x號-xxxx室」，這樣的分層邏輯能夠很直觀的表示一個特定、具體的位置，而不用說大概那一塊，先往中國西南走、走到城市之后繼續往西走，大概走多久之后，再往南走，運氣好的你就能找到那個地址了（再次手動狗頭）。
盤片上也是做了類似的事情，先看個圖：
盤片的構造
中間的黑點就是主軸，以主軸為圓心劃分了多個磁道（為了方便理解圖中只給出了 3 個磁道），每個磁道上又劃分出了多個區域，每個區域叫做扇區，并且每個扇區的大小是固定的 512 字節。讀取數據的時候，只需要通過這個劃分就能夠知道數據在哪個磁道、哪個扇區了。
但是通過上圖還是能看出一個問題：那就是不同的磁道扇區數是相同的，扇區所在的磁道半徑約大，則扇區的面積就越大。但無論面積比靠內磁道的扇區大多少，按照設計、規定只能存儲 512 字節的數據，這樣一來會浪費大量的存儲空間。
為了優化這個問題，就有了 ZBR 技術方案。
ZBR，全稱 Zone Bit Recording，用來解決傳統盤片的磁道扇區存儲空間浪費的問題。它是怎么做的呢？說起來也很簡單，越靠外圈磁道的扇區由于面積會更大，所以 ZBR 會放置更多的扇區，從而將空間利用起來。
轉換成圖形可能就是這樣：
盤片的ZBR
不同的磁道扇區數量不同了，外圈磁道上面的扇區會更多些，從而充分的利用空間，提升磁盤的總容量。
存儲原理
好，繼續深入問題盤片存儲相關的問題。
我們知道從宏觀上來看，計算機并不會管你是誰，到它這都是 0101010101。那么當讀取文件的時候，它是如何從這層磁性材料中識別出來 0101010101，然后還原成我們能看懂的文件的？
前面我們知道盤片上劃分了磁道、扇區，相應的磁性材料也同理?，F代磁盤就是通過磁化盤片兩面的磁性材料來記錄數據的，磁性材料序列的改變則代表了對應的二進制 0、1。
磁性序列原理
可以看到，兩個磁性 Region 的序列方向不同，則標記為 R（Reverse），相同則標記為 N（No Reverse），當讀取的時候，如果探測到序列是 RR，則對應 1，而如果是 NR，則對應 0（或許這就是為什么它叫磁盤吧，再再次手動狗頭）
所以，我們常說的寫磁盤并不是說讀寫磁頭在盤片上刻東西，而是改變磁性材料的序列，并且讀寫磁頭和盤片沒有直接接觸，他們有個大概 10 nm 的距離。
并且，從上述現狀我們可以簡單推導，既然讀寫磁盤都是靠讀取盤片上的磁性序列，并且盤片的兩個面都能用于存儲數據，那么必然盤片的每個面都有磁頭。
磁盤性能
了解完一些簡單的原理之后，我們終于可以來了解磁盤性能相關的問題了，我們會深入的分析為什么磁盤 IO 是個非常昂貴的操作。
現在思考一個問題，我們要查詢數據，底層會怎么做？是不是會：
將磁頭移動到目標文件所在的磁道
此時盤片正被主軸帶著旋轉，磁頭需要等待對應的扇區旋轉到磁頭這才能讀取數據
對應扇區到了之后，就需要等待讀取數據&傳輸
總結一下，磁盤的 IO 請求耗時主要由三部分組成：
- 磁頭尋道時間：這個延遲一般在 3-15 ms
- 盤片旋轉延遲：這個取決于主軸旋轉的速度，隨著速度的不同大概在 2-4 ms
- 數據傳輸時間：這里平均只用 3 微秒，跟上面兩個比起來這里的耗時可以忽略不計
這里提到了旋轉的問題，在盤片旋轉延遲這里，盤片旋轉越快，則對應扇區移動到磁頭的速度也會越快。
現代磁盤的旋轉速度在 5400 或者 7200 RPM（Revolutions Per Minute）不等，當然也有一些高性能的服務器轉速會達到 1500 RPM。
盤片旋轉延遲的確和轉速相關，因為轉速越快，對應扇區移動到磁頭的位置就越快。但并不是轉速越快越好，因為轉速越高，發熱約嚴重，磁盤的壽命也就越短。
下面給個不同的轉速下對應的旋轉延遲的參考：
旋轉速度（單位 RPM） | 平均旋轉延遲（單位毫秒） |
4800 | 6.25 |
5400 | 5.55 |
7200 | 4.16 |
10000 | 3 |
15000 | 2 |
（以上數據來自 wikipedia）
可能你看到幾毫秒覺得還好，并不是那么慢，但是跟內存的速度一對比你就能立馬明白。內存的隨機讀大概在幾百納秒，假設內存的速度是 200 ns、磁盤的速度是 2ms（按上表中轉速最高的延遲來算），差了 10000 倍，也就是 4 個數量級。
到這里，我想我們也能理解為什么磁盤的順序讀寫能夠與內存隨機讀一戰了。因為磁盤順序讀寫幾乎把前兩個最耗時的操作給干掉了，磁頭已經移動到了對應的磁道， 也找到了對應的扇區，直接寫就完事了。
好了， 關于磁盤的原理就簡單介紹到這里。
