硬盘读写、磁盘IO硬件知识简述
1、什么是磁盘
在讲解磁盘IO前，先简单说下什么是磁盘。磁盘是可以持久化存储的设备，根据存储介质的不同，常见磁盘可以分为两类：机械磁盘和固态磁盘。
1.1 机械磁盘
第一类，机械磁盘，也称为硬盘驱动器（Hard Disk Driver），通常缩写为 HDD。机械磁盘主要由盘片和读写磁头组成，数据就存储在盘片的环状磁道中。在读写数据前，需要移动读写磁头，定位到数据所在的磁道，然后才能访问数据。显然，如果 I/O 请求刚好连续，那就不需要磁道寻址，自然可以获得最佳性能。这其实就是我们熟悉的，连续 I/O 的工作原理。与之相对应的，当然就是随机 I/O，它需要不停地移动磁头，来定位数据位置，所以读写速度就会比较慢。
1.2 固态磁盘
第二类，固态磁盘（Solid State Disk），通常缩写为 SSD，由固态电子元器件组成。固态磁盘不需要磁道寻址，所以，不管是连续 I/O，还是随机 I/O 的性能，都比机械磁盘要好得多。
1.3 机械磁盘和固态磁盘对比
其实，无论机械磁盘，还是固态磁盘，相同磁盘的随机 I/O 都要比连续 I/O 慢很多，原因也很明显。
- 对机械磁盘来说，刚刚提到过的，由于随机 I/O 需要更多的磁头寻道和盘片旋转，它的性能自然要比连续 I/O 慢。
- 而对固态磁盘来说，虽然它的随机性能比机械硬盘好很多，但同样存在“先擦除再写入”的限制。随机读写会导致大量的垃圾回收，所以相对应的，随机 I/O 的性能比起连续 I/O 来，也还是差了很多。
- 此外，连续 I/O 还可以通过预读的方式，来减少 I/O 请求的次数，这也是其性能优异的一个原因。很多性能优化的方案，也都会从这个角度出发，来优化 I/O 性能。
此外，机械磁盘和固态磁盘还分别有一个最小的读写单位。
- 机械磁盘的最小读写单位是扇区，一般大小为 512 字节。
- 而固态磁盘的最小读写单位是页，通常大小是 4KB、8KB 等。
如果每次都读写 512 字节这么小的单位的话，效率很低。所以，Linux文件系统会把连续的扇区或页，组成逻辑块，然后以逻辑块作为最小单元来管理数据。常见的逻辑块的大小是 4KB，也就是说，连续 8 个扇区，或者单独的一个页，都可以组成一个逻辑块。
1.4 按照接口进行磁盘分类
除了可以按照存储介质来分类，另一个常见的分类方法，是按照接口来分类，比如可以把硬盘分为 IDE（Integrated Drive Electronics）、SCSI（Small Computer System Interface） 、SAS（Serial Attached SCSI） 、SATA（Serial ATA） 、FC（Fibre Channel） 等。
不同的接口，往往分配不同的设备名称。比如， IDE 设备会分配一个 hd 前缀的设备名，SCSI 和 SATA 设备会分配一个 sd 前缀的设备名。如果是多块同类型的磁盘，就会按照 a、b、c 等的字母顺序来编号。
1.5 磁盘架构
除了磁盘本身的分类外，当你把磁盘接入服务器后，按照不同的使用方式，又可以把它们划分为多种不同的架构。
最简单的，就是直接作为独立磁盘设备来使用。这些磁盘，往往还会根据需要，划分为不同的逻辑分区，每个分区再用数字编号。比如我们前面多次用到的 /dev/sda ，还可以分成两个分区 /dev/sda1 和 /dev/sda2。
另一个比较常用的架构，是把多块磁盘组合成一个逻辑磁盘，构成冗余独立磁盘阵列，也就是 RAID（Redundant Array of Independent Disks），从而可以提高数据访问的性能，并且增强数据存储的可靠性。
根据容量、性能和可靠性需求的不同，RAID 一般可以划分为多个级别，如 RAID0、RAID1、RAID5、RAID10 等。
- RAID0 有最优的读写性能，但不提供数据冗余的功能。
- 而其他级别的 RAID，在提供数据冗余的基础上，对读写性能也有一定程度的优化。
最后一种架构，是把这些磁盘组合成一个网络存储集群，再通过 NFS、SMB、iSCSI 等网络存储协议，暴露给服务器使用。（云服务器基本都是这种架构）
其实在 Linux 中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的，也就是以块为单位读写数据，并且支持随机读写。每个块设备都会被赋予两个设备号，分别是主、次设备号。主设备号用在驱动程序中，用来区分设备类型；而次设备号则是用来给多个同类设备编号。
2、什么是磁盘IO
磁盘 I/O（Input/Output）是指计算机系统中涉及到磁盘的数据读取和写入操作。磁盘 I/O 是计算机与存储设备之间进行数据交换的一种重要方式。当计算机需要从磁盘读取数据时，它会发起一个读取请求，磁盘会寻找并将数据传输到计算机的内存中；当计算机需要将数据写入磁盘时，它会发起一个写入请求，将数据从内存写入到磁盘中。
我们都知道磁盘中存储的程序，必须要加载到内存后才能运行，在磁盘中保存的原始程序是无法直接运行的。这是因为，负责解析和运行程序内容的CPU，需要通过内部程序计数器来指定内存地址，然后才能读出程序。即使CPU可以直接读出并运行磁盘中保存的程序，由于磁盘读取速度慢，程序的运行速度还是会降低。总之，存储在磁盘中的程序需要读入到内存后才能运行。
当程序在内存中执行时，如果需要加载一些文档数据或其他文件，它会通过操作系统提供的文件操作功能来实现。操作系统会提供一些函数或系统调用，允许程序访问磁盘上的文件并将其加载到内存中。程序可以使用文件路径指定要加载的文件，然后通过操作系统提供的函数来打开这些文件。一旦文件被打开，程序就可以读取其中的数据，并将其加载到内存中，以便后续处理。这就好像你在读一本书，首先需要打开书本，然后才能阅读其中的内容。 当程序执行 I/O 操作时，CPU 将会暂时停止执行程序指令，而是会等待操作系统完成读取文件的工作。
一旦CPU下发了读取文件的指令，它会等待操作系统通知文件已经准备好，并将数据加载到内存中。CPU会继续执行其他的指令，而不是空闲等待。一旦文件数据加载到内存中，CPU 就会继续执行程序的后续逻辑。在这个过程中，CPU 可能会执行其他指令，例如处理内存中的其他数据，执行其他线程的操作，或者执行程序的其他部分逻辑。 CPU 不会在等待期间完全停止执行。
注意 1：当CPU需要等待磁盘操作完成才能继续处理数据时，它可能会进入空闲状态，这时，CPU的使用率下降，因为它正在等待IO操作，而不是执行计算任务，这种现象说明了IO操作对CPU性能的重要影响。
注意 2：内存相当于CPU和硬盘之间的桥梁，当需要运行一个程序时，先将程序加载到内存中，然后CPU取内存中的指令和数据进行处理运算，处理完后将结果写回内存，如果需要的话再将结果从内存写入硬盘。