磁盤是一種存儲數(shù)據(jù)的設(shè)備，早期計算機主要使用軟磁盤（軟盤），而如今主要使用硬磁盤（硬盤）。當(dāng)前市場上的硬盤主要分為機械硬盤和固態(tài)硬盤，兩者各有優(yōu)缺點。

機械硬盤：容量大、價格低廉、但讀取速度較慢、體積較大（許多公司仍在使用，因為成本較低）。固態(tài)硬盤：讀取速度快、體積小、但價格較高，且存儲空間有限（當(dāng)前大多數(shù)計算機使用固態(tài)硬盤）。

這里我們主要講解的是機械硬盤，顧名思義，機械硬盤是計算機上唯一的一個機械設(shè)備。

基本結(jié)構(gòu)

機械硬盤的基本結(jié)構(gòu)主要包含以下部分：

盤片：一片兩面，每一面都可以存儲數(shù)據(jù)，有一摞盤片。 磁頭：盤片每一面各有一個磁頭，負(fù)責(zé)盤面數(shù)據(jù)的讀取。 傳動軸：用來控制磁頭的進(jìn)退。 主軸：控制盤片的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

存儲結(jié)構(gòu)

機械硬盤的物理存儲結(jié)構(gòu)主要分為磁道、扇區(qū)和柱面。（部分內(nèi)容來源于：硬盤結(jié)構(gòu)（機械硬盤和固態(tài)硬盤）詳解）

磁道：每個盤片在邏輯上有許多不同半徑的同心圓，最外面的同心圓稱為0磁道。我們將每個同心圓稱為磁道（注意，磁道只是邏輯結(jié)構(gòu)，盤面上并沒有實際的同心圓）。 扇區(qū)：在磁盤上，每個同心圓是磁道，從圓心向外呈放射狀產(chǎn)生分割線（扇骨），將每個磁道等分為若干弧段，每個弧段就是一個扇區(qū)。每個扇區(qū)的大小固定，為512Byte。扇區(qū)也是磁盤的最小存儲單位。 柱面：不同盤片中的相同磁道形成的一個圓柱。

數(shù)據(jù)的寫入與讀取

磁盤的存儲介質(zhì)為磁性材料，計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)由大量的0和1組成，磁頭將這些電信號轉(zhuǎn)化為磁信號。機械硬盤通過磁頭對南北極的更改來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與寫入。當(dāng)通過CHS定位到具體扇區(qū)時：

向磁盤中寫入數(shù)據(jù)：N -> S （0->1） 刪除數(shù)據(jù)：S -> N (1->0) 數(shù)據(jù)的寫入/刪除與讀取的本質(zhì)是更改基本元素的南北極，讀取南北極。

邏輯抽象

如上所說，如果操作系統(tǒng)（OS）能知道任意的CHS地址，就能訪問任意一個扇區(qū)，但OS內(nèi)部并不是直接使用CHS定位法。

這是因為OS是一個用于管理軟硬件資源的軟件，而CHS定位法是磁盤作為硬件使用的方法。由于硬件可能會隨著時代的發(fā)展而不斷改變，如果此時OS采用CHS，那么OS也需要隨著硬件的更新而更新。耦合度太高，成本太大。因此，為了實現(xiàn)與硬件的解耦，OS采用一種新的定位方法——LBA邏輯塊地址。

如下圖所示：將磁道從最外層鋪開，就像扯膠帶一樣拉開，就會得到一串連續(xù)的線性空間，我們把它想象成一個大數(shù)組，如下圖所示：

此時計算機的常規(guī)訪問方式，就變成了某一個數(shù)據(jù)塊的起始地址+偏移量。這樣也就完成了CHS到LBA的轉(zhuǎn)換。因此，OS對于磁盤的管理，實際上就轉(zhuǎn)化為了對這個大數(shù)組的管理。

當(dāng)然，OS進(jìn)行IO的基本單位是可以調(diào)整的，一般都是4KB，即一個數(shù)據(jù)塊的大小，這也是為什么磁盤會被稱為塊設(shè)備的原因之一。這樣也是為了提高IO效率，根據(jù)內(nèi)存對齊原則。

文件系統(tǒng)分治管理

Windows下的分盤：

這種管理策略，有點類似于我們國內(nèi)為了管理好整個國家，設(shè)置了各個省，而為了管理好一個省，又設(shè)置了各個市。只不過計算機的這種管理方式要更加簡單些，因為管理的策略都一樣，不像國內(nèi)各個省市的管理要考慮當(dāng)?shù)鼐唧w情況。

塊組內(nèi)的信息

如上所說，OS只需要管理好一個塊組，就能管理好所有的塊組，進(jìn)而管理好一個分區(qū)，再進(jìn)而管理好整個文件系統(tǒng)。那么，一個塊組內(nèi)，都包含些什么呢？如下所示：

上面提到了一個inode節(jié)點，我們知道，Linux下一切皆文件，文件=內(nèi)容+屬性，Linux是將文件的內(nèi)容與屬性的數(shù)據(jù)分離開來，一個inode節(jié)點內(nèi)，保存文件的各種屬性信息，比如：文件的讀寫權(quán)限、擁有者、文件大小、對應(yīng)的inode編號等。而文件的內(nèi)容數(shù)據(jù)，則保存在data blocks中對應(yīng)的一個或多個數(shù)據(jù)塊中。

這里需要注意的是：

在文件的inode中，不包含文件名。 目錄也是文件，也有自己的inode編號，其中目錄的數(shù)據(jù)塊中存放的則是該目錄下的文件名與對應(yīng)的inode編號的映射關(guān)系。兩者互為Key值。 inode編號只在該分組所在的分區(qū)內(nèi)有效。通過inode編號，就可以先確定所在分區(qū)，再確定所在分組。 一個文件對應(yīng)一個inode編號。 任何文件，都在處于一個目錄內(nèi)。所以可以先通過inode table找到目錄的inode編號，找到inode編號，就找到了inode節(jié)點，節(jié)點內(nèi)記載著各種屬性，進(jìn)而找到Block Bitmap的使用情況，根據(jù)Block Bitmap再來確定目錄所使用的數(shù)據(jù)塊，目錄的數(shù)據(jù)塊內(nèi)包含目錄下的文件名與文件的inode編號的映射關(guān)系，從而找到目錄下的某一個具體文件。我們通過指令ls -l -i來查看文件的inode編號。

磁盤文件的創(chuàng)建與刪除

文件創(chuàng)建

對于文件的創(chuàng)建，首先會找到一個空閑的inode節(jié)點，將文件屬性記錄在該節(jié)點內(nèi)，同時將該inode節(jié)點對應(yīng)的inode Bitmap的比特位由0置1。 尋找空閑的數(shù)據(jù)塊，用來存儲文件的相關(guān)內(nèi)容，并將數(shù)據(jù)塊的相關(guān)信息填入inode節(jié)點中，同時將對應(yīng)的Block Bitmap由0置1。 將該文件名添加到當(dāng)前目錄文件的date block中，并將該文件名與對應(yīng)的inode編號連接起來。

文件刪除

文件的刪除，其實只需要對位圖信息進(jìn)行修改即可。 首先根據(jù)文件所在的目錄。目錄中的date Block記載著該目錄下的文件名與inode編號的映射關(guān)系，根據(jù)映射關(guān)系，找到該文件對應(yīng)的inode。 根據(jù)inode，將對應(yīng)的Block Bitmap由1置0（刪除內(nèi)容）。 再根據(jù)inode，將對應(yīng)的inode Bitmap由1置0。（刪除屬性）。

補充

補充一

我們知道，在文件的inode節(jié)點中，記載了數(shù)據(jù)塊的相關(guān)使用信息，可能是用一個數(shù)組來記載，但是此時可能會面臨一個問題，就是假如一個文件使用了15個數(shù)據(jù)塊，而一個數(shù)據(jù)塊的大小為4KB，也不是意味著該文件最多能放入15*4=60KB的內(nèi)容？

答案是否定的，因為數(shù)據(jù)塊里面有的可能并不是放著文件的內(nèi)容，而是存放著該文件使用的其它數(shù)據(jù)塊的索引。（有點類似套娃）。如下所示：

如上所示，一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)，可能存在多級的索引關(guān)系，從而實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的存儲。

補充二

如上所說，文件的內(nèi)容采用數(shù)據(jù)塊存儲，而一個數(shù)據(jù)塊的大小為4KB，那么就可能會出現(xiàn)文件系統(tǒng)中存在大量的，內(nèi)容非常少導(dǎo)致實際使用的空間很小（可能才幾個字節(jié)，甚至更小），此時就會出現(xiàn)大量的空間浪費。

生活原本沉悶，但跑起來就會有風(fēng)！?