無(wú)論是作為個(gè)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(chǔ)，機(jī)械硬盤仍然在被大量使用。隨著成本下降，機(jī)械硬盤還替代掉了很多傳統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備，如以前常用來備份冷數(shù)據(jù)的磁帶。

拆解機(jī)械硬盤

機(jī)械硬盤的IOPS大概只能做到每秒100次左右。機(jī)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(duì)應(yīng)的控制電路版，以及實(shí)際的I/O設(shè)備（也就是我們的機(jī)械硬盤）。

一塊機(jī)械硬盤是由盤面、磁頭和懸臂三個(gè)部件組成的。

盤面（Disk Platter）

實(shí)際存儲(chǔ)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(chǔ)在這個(gè)磁性的涂層上。

中間有個(gè)受電機(jī)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(jī)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(shí)更準(zhǔn)確地說是7200RPM，指的就是一旦電腦開機(jī)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(hào)傳輸給控制電路、接口，再到總線。

一個(gè)盤面有兩個(gè)磁頭，分別在盤面的正反面。盤面在正反兩面都有對(duì)應(yīng)的磁性涂層來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且一塊硬盤也不是只有一個(gè)盤面，而是上下堆疊了很多個(gè)盤面，各個(gè)盤面之間是平行的。每個(gè)盤面的正反兩面都有對(duì)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(huì)去把磁頭定位到盤面的某個(gè)特定的磁道（Track）。

磁道

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

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

扇區(qū)（Sector）

一個(gè)磁道，會(huì)分成一個(gè)個(gè)扇區(qū)。

柱面（Cylinder）

上下平行的一個(gè)個(gè)盤面的相同扇區(qū)叫一個(gè)柱面。

讀取數(shù)據(jù)

兩個(gè)步驟：

把盤面旋轉(zhuǎn)到某個(gè)位置

在這個(gè)位置，懸臂可定位到整個(gè)盤面的某個(gè)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(dòng)到特定磁道的特定扇區(qū)，即在這個(gè)“幾何扇區(qū)”里，找到實(shí)際扇區(qū)。找到后，磁頭會(huì)落下，即可讀取到正對(duì)著扇區(qū)的數(shù)據(jù)。

一次硬盤的隨機(jī)訪問所需時(shí)間

平均延時(shí)（Average Latency）

盤面旋轉(zhuǎn)，把幾何扇區(qū)對(duì)準(zhǔn)懸臂位置的時(shí)間。

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

7200r硬盤，1s可旋轉(zhuǎn)240個(gè)半圈，平均延時(shí)：

1s / 240 = 4.17ms

平均尋道時(shí)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(shí)間。我們現(xiàn)在用的HDD硬盤的平均尋道時(shí)間一般在4-10ms。

若隨機(jī)在硬盤找個(gè)數(shù)據(jù)，需 8~14 ms。硬盤只有一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸，也只有一個(gè)懸臂，所以無(wú)法并行定位或讀數(shù)據(jù)。那一塊7200r硬盤，1s隨機(jī)的I/O訪問次數(shù)就是：

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

若不是隨機(jī)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(jìn)行一次尋道，就可寫或讀，同一個(gè)垂直空間上的多個(gè)盤面的數(shù)據(jù)。

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

Partial Stroking：根據(jù)場(chǎng)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(qǐng)求。所以，DB都會(huì)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(jī)訪問速度，會(huì)選擇SSD。但當(dāng)時(shí)，SSD非常貴，還沒能商業(yè)化。硬盤廠商們?cè)诓粩嘌邪l(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(jìn)入市場(chǎng)，西數(shù)還在嘗試研發(fā)20000轉(zhuǎn)硬盤。轉(zhuǎn)速更高、尋道時(shí)間更短的機(jī)械硬盤，才能滿足實(shí)際DB需求。

但10000r，乃至15000r硬盤也更貴，想節(jié)約成本，提高性價(jià)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(jì)解決了可靠性和性能。那有辦法提高機(jī)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(shí)間：“平均延時(shí)+尋道時(shí)間”，只要能縮短其一，就能提升IOPS！

一般 硬盤的尋道時(shí)間 ＞ 平均延時(shí)硬盤的尋道時(shí)間＞平均延時(shí)，如何縮短平均尋道時(shí)間？

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

IOPS就變成：

1s / 4ms = 250 IOPS

但只用一個(gè)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(shí)踐可只用1/21/2或1/41/4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(shí)間也變成1/4或1/2，因?yàn)閼冶坌枰苿?dòng)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(shí)4.17ms，尋道時(shí)間9ms。原本IOPS：

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

若只用其中1/4磁道，則IOPS變成：

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

IOPS提升一倍，和塊15000r硬盤性能差不多。但這時(shí)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(jià)比。

總結(jié)

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

受制于機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)，對(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)的訪問速度，就要包含旋轉(zhuǎn)盤面的平均延時(shí)和移動(dòng)懸臂的尋道時(shí)間。通過這倆時(shí)間，能計(jì)得機(jī)械硬盤IOPS。

7200轉(zhuǎn)機(jī)械硬盤的IOPS，只能做到100。早期沒有SSD，所以想出Partial Stroking這個(gè)浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，但能縮短尋道時(shí)間以提高硬盤IOPS的方案。