數據存儲

數據是如何存儲在硬盤中的？！

機械硬盤 ：拋開一些復雜的概念，我們只需了解磁盤內部物理結構是由磁頭和盤片組成。

盤片上涂有磁性材料，通過改變磁性物質的極性來記錄數據，分別極性分別對應0和1。

磁頭用來讀取或者修改盤片上磁性物質的狀態，讀取數據時根據磁性材料的不同極性還原成01數據流。

磁頭依靠磁盤的高速旋轉引起的空氣動力效應懸浮在盤面上，不與盤片直接接觸

盤面： 一張盤片有上下兩個盤面

磁道：盤片上擁有同一半徑的圓周稱為磁道（同心圓）

柱面: 不同盤面上的同一磁道構成一個圓柱，通常稱做柱面

扇區：把磁道劃分成若干段，每段稱為一個扇區。扇區是硬盤上存儲的物理單位，包括512個字節的數據和一些其他信息。（可以理解為地址和數據）

地址標識符： 磁頭號：磁道號：扇區號：是否可靠

扇區編號： 編號并不一定需要連續，原因是控制器在處理一個扇區的數據期間，磁盤同時也會旋轉，于是采用交叉因子的方式間隔編號。將交叉因子設定為2﹕1時，磁頭要讀出磁道上的全部數據，磁盤只需轉兩周（10個扇區 l，6，2，7，3，8，4，9，5，10）

硬盤的寫操作是優先寫滿同一柱面，先寫滿一個扇區，再寫該柱面的下一個扇區，磁頭是不會移動到別的磁道上的，從操作系統底層來看，數據存放不是常規意義的連續）。

磁頭靠近主軸接觸的表面，即線速度最小的地方，其不存放任何數據，稱為啟停區，啟停區外是數據區。在最外圈，離主軸最遠的地方是“0”磁道，硬盤數據的存放就是從最外圈開始的。硬盤不工作時，磁頭停留在啟停區，當需要從硬盤讀寫數據時，磁盤開始旋轉。旋轉速度達到額定的高速時，磁頭就會因盤片旋轉產生的氣流而抬起，這時磁頭才向盤片存放數據的區域移動。

簇： 物理上相鄰的N個扇區稱為簇。操作系統讀寫磁盤的基本單位是扇區，而文件系統的基本單位是簇。簇越大存儲性能越好，但空間浪費嚴重。簇越小性能相對越低，但空間利用率高。

固態硬盤：把磁存儲改為集成電路存儲，固態硬盤儲存數據靠的是閃存，其基本存儲單元是浮柵晶體管，其中的浮柵被二氧化硅包裹，和上下絕緣，在斷電時也能夠保存電子，當電子數量高于一個中間值就表示 0 ，低于中間值就表示 1 。

寫數據： 0->在控制極加一個電壓，讓電子穿過絕緣層再注回浮柵，使電子數量高于中間值，表示 0 。

1->在 P 極上加一個電壓，浮柵中原有的電子會被吸出來，讓浮柵中的電子數量低于中間值，表示1。

讀數據： 往控制極加一個中間值電壓，如果兩個 N 極導通，浮柵中的電子較少，識別為 1；如果沒有導通，就說明浮柵中的電子較多，識別為 0

損耗： 晶體管擦寫數據時，二氧化硅絕緣層會困住一部分電子，這些電子的累積會逐漸抵消控制極上的電壓，使得控制極為了導通兩個 N 極所需的電壓越來越大，當這個偏移超過中間值，那么讀取時也就無法分辨 0 和 1 。

局部性原理：當前數據段附近的數據有可能在接下來的時間被訪問到。這就是所謂的空間局部性。而程序中還存在著循環，因此當前被訪問的數據有可能在短時間內被再次訪問，這就是所謂的時間局部性原理。

減少磁盤IO方法 磁盤讀取數據的過程中，真正讀取數據的時間只占了很小一部分，而大部分時間花在了旋轉延遲和尋道時間上

提前讀： 每次讀取數據的時間不僅僅讀取所需要的數據，還將所請求數據附近的數據進行讀取。

延遲寫： 當數據更改之后不馬上寫回磁盤，而是繼續放在內存中，以備接下來的請求讀取或者修改；

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計算機科學的基礎在于材料學與物理學，硬件的突破往往比軟件的突破來的更加震撼。

數據庫

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