互聯(lián)網(wǎng)時代下機械硬盤的發(fā)展史

無論是作為個人電腦的數(shù)據(jù)盤，還是在數(shù)據(jù)中心里面用作海量數(shù)據(jù)的存儲，機械硬盤仍然在被大量使用。隨著成本下降，機械硬盤還替代掉了很多傳統(tǒng)的存儲設(shè)備，如以前常用來備份冷數(shù)據(jù)的磁帶。

拆解機械硬盤

機械硬盤的IOPS大概只能做到每秒100次左右。機械硬盤拆開，自然知道為什么它的IOPS是100左右了。

硬盤的構(gòu)造，里面有接口，有對應(yīng)的控制電路版，以及實際的I/O設(shè)備（也就是我們的機械硬盤）。

一塊機械硬盤是由盤面、磁頭和懸臂三個部件組成的。

盤面（Disk Platter）

實際存儲數(shù)據(jù)的盤片。

本身通常是用的鋁、玻璃或者陶瓷這樣的材質(zhì)做成的光滑盤片。有層磁性涂層。數(shù)據(jù)就存儲在這個磁性的涂層上。

中間有個受電機控制的轉(zhuǎn)軸。控制盤面去旋轉(zhuǎn)。

硬盤的轉(zhuǎn)速5400轉(zhuǎn)的、7200轉(zhuǎn),指的就是盤面中間電機控制的轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度，英文單位叫RPM，也就是每分鐘的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)（Rotations Per Minute）。所謂7200轉(zhuǎn)，其實更準確地說是7200RPM，指的就是一旦電腦開機供電之后，我們的硬盤就可以一直做到每分鐘轉(zhuǎn)上7200圈。如果折算到每一秒鐘，就是120圈。

磁頭（Drive Head）

數(shù)據(jù)并不能直接從盤面?zhèn)鬏數(shù)娇偩€上，而是通過磁頭，從盤面上讀取到，然后再通過電路信號傳輸給控制電路、接口，再到總線。

一個盤面有兩個磁頭，分別在盤面的正反面。盤面在正反兩面都有對應(yīng)的磁性涂層來存儲數(shù)據(jù)，而且一塊硬盤也不是只有一個盤面，而是上下堆疊了很多個盤面，各個盤面之間是平行的。每個盤面的正反兩面都有對應(yīng)的磁頭。

懸臂（Actutor Arm）

懸臂鏈接在磁頭上，并且在一定范圍內(nèi)會去把磁頭定位到盤面的某個特定的磁道（Track）。

磁道

一個盤面通常圓形，由很多同心圓，每個“甜甜圈”就是個磁道。每個磁道都有自己的編號。

懸臂只是控制到底讀最里面那個“甜甜圈”，還是最外面的“甜甜圈”數(shù)據(jù)。

扇區(qū)（Sector）

一個磁道，會分成一個個扇區(qū)。

柱面（Cylinder）

上下平行的一個個盤面的相同扇區(qū)叫一個柱面。

讀取數(shù)據(jù)

兩個步驟：

把盤面旋轉(zhuǎn)到某個位置

在這個位置，懸臂可定位到整個盤面的某個子區(qū)間。該子區(qū)間像塊披薩餅，叫幾何扇區(qū)（Geometrical Sector），即“幾何位置上”，所有這些扇區(qū)都可以被懸臂訪問到。

把懸臂移動到特定磁道的特定扇區(qū)，即在這個“幾何扇區(qū)”里，找到實際扇區(qū)。找到后，磁頭會落下，即可讀取到正對著扇區(qū)的數(shù)據(jù)。

一次硬盤的隨機訪問所需時間

平均延時（Average Latency）

盤面旋轉(zhuǎn)，把幾何扇區(qū)對準懸臂位置的時間。

和機械硬盤轉(zhuǎn)速相關(guān)。隨機情況下，平均找到一個幾何扇區(qū)，需旋轉(zhuǎn)半圈盤面。

7200r硬盤，1s可旋轉(zhuǎn)240個半圈，平均延時：

1s / 240 = 4.17ms

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平均尋道時間（Average Seek Time）

盤面選轉(zhuǎn)之后，我們的懸臂定位到扇區(qū)的的時間。我們現(xiàn)在用的HDD硬盤的平均尋道時間一般在4-10ms。

若隨機在硬盤找個數(shù)據(jù)，需 8~14 ms。硬盤只有一個電機轉(zhuǎn)軸，也只有一個懸臂，所以無法并行定位或讀數(shù)據(jù)。那一塊7200r硬盤，1s隨機的I/O訪問次數(shù)就是：

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

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若不是隨機的數(shù)據(jù)訪問，而是順序的數(shù)據(jù)讀寫，應(yīng)如何最大化讀取效率？

順序存放的數(shù)據(jù)，盡可能存放在同一柱面。這就只需旋轉(zhuǎn)一次盤面，進行一次尋道，就可寫或讀，同一個垂直空間上的多個盤面的數(shù)據(jù)。

若一個柱面上的數(shù)據(jù)不夠，也不要去動懸臂，而是通過電機轉(zhuǎn)動盤面，即可順序讀完一個磁道上的所有數(shù)據(jù)。所以，對HDD的順序數(shù)據(jù)讀寫，吞吐率還不錯，約200MB/s。

Partial Stroking：根據(jù)場景提升性能

100 IOPS，難以滿足現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)海量高并發(fā)請求。所以，DB都會將數(shù)據(jù)存在SSD。

但20年前，沒有現(xiàn)在這么便宜的SSD硬盤。DB數(shù)據(jù)只能存放在HDD。

即便如今數(shù)據(jù)中心用的HDD，也是7200r，要更快隨機訪問速度，會選擇SSD。但當時，SSD非常貴，還沒能商業(yè)化。硬盤廠商們在不斷研發(fā)轉(zhuǎn)得更快的硬盤。數(shù)據(jù)中心往往用10000轉(zhuǎn)，乃至15000轉(zhuǎn)的硬盤。

直到2010年，SSD開始逐步進入市場，西數(shù)還在嘗試研發(fā)20000轉(zhuǎn)硬盤。轉(zhuǎn)速更高、尋道時間更短的機械硬盤，才能滿足實際DB需求。

但10000r，乃至15000r硬盤也更貴，想節(jié)約成本，提高性價比，就得想它法。Google早年用家用PC乃至二手硬件，通過軟件層面設(shè)計解決了可靠性和性能。那有辦法提高機械硬盤的IOPS嗎？這就是Partial Stroking或者Short Stroking，“縮短行程”技術(shù)。

既然訪問一次數(shù)據(jù)的時間：“平均延時+尋道時間”，只要能縮短其一，就能提升IOPS！

一般 硬 盤 的 尋 道 時 間 ＞ 平 均 延 時 硬盤的尋道時間 ＞ 平均延時 硬盤的尋道時間＞平均延時，如何縮短平均尋道時間？

最極端的：不需要尋道，即將所有數(shù)據(jù)都放在一個磁道。比如始終把磁頭放在最外道磁道。尋道時間就基本為0，訪問時間就只剩平均延時。

IOPS就變成：

1s / 4ms = 250 IOPS

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但只用一個磁道，能存的數(shù)據(jù)就很有限了！可能我們還不如把這些數(shù)據(jù)直接都放到內(nèi)存呢！

所以，實踐可只用 1 / 2 1/2 1/2或 1 / 4 1/4 1/4磁道，即最外面1/4或1/2的磁道。

如此，硬盤可使用的容量可能變成1/2或1/4。但尋道時間也變成1/4或1/2，因為懸臂需移動的“行程”也變成原來1/2或者1/4，IOPS大幅提升！

比如7200r硬盤，正常平均延時4.17ms，尋道時間9ms。原本IOPS：

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

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若只用其中1/4磁道，則IOPS變成：

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

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IOPS提升一倍，和塊15000r硬盤性能差不多。但這時硬盤可用空間也只有原1/4。所以，這樣通過軟件去格式化硬盤，只保留部分磁道讓系統(tǒng)可用的情況，可大大提升硬件性價比。

總結(jié)

機械硬盤的硬件主要由：盤面、磁頭和懸臂組成。

數(shù)據(jù)在盤面上的位置，可通過磁道、扇區(qū)和柱面來定位。

實際的一次對于硬盤的訪問，需要把盤面旋轉(zhuǎn)到某一個“幾何扇區(qū)”，對準懸臂的位置。然后，懸臂通過尋道，把磁頭放到我們實際要讀取的扇區(qū)上。

受制于機械硬盤的結(jié)構(gòu)，對隨機數(shù)據(jù)的訪問速度，就要包含旋轉(zhuǎn)盤面的平均延時和移動懸臂的尋道時間。通過這倆時間，能計得機械硬盤IOPS。

7200轉(zhuǎn)機械硬盤的IOPS，只能做到100。早期沒有SSD，所以想出Partial Stroking這個浪費存儲空間，但能縮短尋道時間以提高硬盤IOPS的方案。

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