操作系统的写文件操作

1. 硬盘的存储结构

• 硬盘的基本单位为扇区，每个扇区一般为512字节
• 一个硬盘有多个盘片，每个盘片有两个盘面
• 每个盘面按照同心圆划分为若干个磁道，每个磁道划分为若干扇区
  eg. 一个硬盘有2个盘片，每个盘片有65536个磁道，每个磁道有1024个扇区，则硬盘的容量为：22655361024512 = 128GB

2. 逻辑扇区
   盘面上得同心圆周长不一样，若每个磁道划分为相同数量扇区，则外围磁道密度比较稀疏，造成了浪费。但如果不同的磁道扇区数量不一样，计算起来比较麻烦。为了屏蔽这些复杂的硬件细节，现代硬盘采用一种叫做LBA（Logical Block Address）的方式，即整个硬盘所有扇区从0开始编号，一直到最后一个扇区，这个扇区编号叫做逻辑扇区号。逻辑扇区号去掉了复杂的磁道盘面的概念，当给出一个逻辑扇区号时，硬盘会将其转换成实际的盘面，磁道和扇区。

3. 操作系统的存储方式
   例如Linux下有一个文件/home/user/test.dat长度为8000字节，那么在创建这个文件时，Linux的ext3系统可能这样保存这个文件： 文件的前4096个字节存储在磁盘的1000_{1007号扇区，每个扇区512字节，8个扇区4096个字节；文件的第4097}8000字节总共3904个字节，存储在2000~2007号扇区，这8个扇区也是4096字节，只存储了3094个字节的有效字节，剩余192字节无效。若把文件存储看做一个链状的结构，则如下图所示：
   

   1.png
   文件系统保存了这些文件的存储结构，负责维护这些数据结构并保证磁盘中的这些扇区能够有效的组织和利用。

4. Example( 当我们在Linux系统中要读取文件中前4096字节时：)

• Step1. 我们使用一个read的系统调用来实现
• Step2. 文件系统收到read请求之后，判断出文件的前4096个字节位于磁盘的1000~1007号逻辑扇区，然后向硬盘驱动发出一个读逻辑扇区1000号开始的8个扇区的请求
• Step3. 磁盘驱动程序收到这个命令后向硬盘发出硬件命令（向硬件发送I/O命令的方式有很多种，常见的是通过读写I/O端口寄存器。在x86平台上，公有65536个硬件端口寄存器，不同的硬件被分配到不同的I/O端口地址，CPU提供两条专门的指令in和out来实现对硬件端口的读写）
• Step4. 硬盘收到这个命令后，他就会执行响应的操作，并将数据读取到事先设置好的内存地址中（这里描述的只是最简单的情况，实际情况比这个复杂的多，驱动程序必须考虑硬件的状态如是否忙碌或出错，调度和分配各个请求以达到最高的性能）

注：本文为作者阅读《程序员的自我修养》的读书笔记