转载:我是一块硬盘

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。

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。”

这是典型的五十步笑百步。

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?

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。

内部结构

其实我的内部是长这个样子的:

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。

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“”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?

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!每个人喜欢这么做:

打开 Word -> 新建一个文件-> 输入文字和图片-> 保存到 C 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。

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
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:

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!

目录

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:“我赛,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。”

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。

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。
码农翻身注:这叫做日志(Journal)文件系统。

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!

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(拿你们崇拜的 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。

(完)


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