磁盘IO为什么需要对齐

转载一篇文章: 存储基础 —— 磁盘 IO 为什么总叫你对齐?

存储 IO 重要的一个知识点

重要的知识点：

1. 机械盘的 IO 要扇区对齐（绝大部分的扇区是 512 字节大小），磁盘的读写最小单元就是扇区；
2. SSD 盘的 IO 要 4K 对齐，SSD 盘的读写单元是 page，一个 page 为 4K 大小；

如果不对齐，会有问题问题？

1. 性能极差
2. SSD 寿命缩短

那你就会想了，出现这个问题的原因又是啥？
本质原因是内部 IO 流量和次数的放大，机械盘和 SSD 盘的 IO 都有最小单元的概念，机械盘是以扇区为最小的空间单位；SSD 盘则是 4k 的 page 作为 IO 的最小单元。
所以当在机械盘上读 1 个字节的数据，本质上是至少读一个扇区，写 1 个字节则更复杂，先要把这个扇区读出来，然后在内存里 update，最后又把这个扇区写回到磁盘。

你可能又有疑问了：为啥机械盘和 SSD 盘都要按照一个单元来管理呢，为啥不 1 字节 1 字节管理呢？如果这样的话，业务读写不就方便了。

答案是：开销，考虑以下两个方面：

• 第一个是存储的开销：数据存储到磁盘上还有 SSD 盘上是会有校验的（比如 ECC 校验），如果每个字节都对应一个校验，存 1T 的数据有 1T 的校验？那这个存储开销无比的大。那如果是现在 512 字节对应一个 1 字节的校验，则开销完全可控；

• 第二个是性能的开销：物理硬件是跟真实世界的设计匹配的，对于机械磁盘的写是利用磁化介质来存储数据，如果磁盘上是1 个字节，甚至 1 个 bit 来独立存储，那磁盘磁头的次数将无比庞大，性能也将无比的下降（每一次都是写数据+校验）。SSD 的写则更复杂，因为 SSD 由于自身的存储特点，是无法覆盖写的，每次写都是写新位置，旧的位置则是作为垃圾等待后台 GC ，粒度太小则会导致擦写的次数无比的多，性能和寿命都将不可接受；
  所以说，在综合因素的权衡下，硬件对于空间管理会划分固定单元，并对 IO 也提出单元对齐的要求。至于磁盘固定单元为 512 字节，SSD 的 IO 单元为 4K 则是经过综合的科学测试和验证的一个数值而已。

对齐有哪些方面

对齐其实很简单，只有两个维度：

• 长度对齐
• 偏移对齐

是不是很简单呀。长度和偏移就是我们常说的 length，offset；对齐通常就是既要保证长度对齐也要保证偏移对齐。

IO 读写的真实样子

下面以机械盘扇区对齐和非对齐的举例。为了简化，以下例子讨论的的对齐都是长度和偏移双重对齐的。

• 扇区对齐的场景

  • 场景： 读 512 个字节数据是怎么做的？
    步骤如下：

    1. 磁头摆到指定偏移
    2. 读取一个扇区的数据到内存
    read一个扇区.gif

    开销：只需要一次磁盘读 IO。

  • 场景：覆盖写 512 个字节数据是怎么做的？
    步骤如下：

    1. 磁头摆到指定偏移；
    2. 覆盖写一个扇区的数据到磁盘；
    write一个扇区.gif

  开销：只需要一次磁盘写 IO。

• 扇区非对齐场景

  • 场景：读 512 个字节，但是偏移不对齐？
    步骤如下：

    1. 磁头摆到这 512 个字节数据所在 2 个扇区位置，对齐到扇区开始的偏移；
    2. 读取 2 个完整扇区（1024 Bytes）的数据到内存；
    3. 从这 1024 字节的内存中，copy 出用户要用的 512 个字节，给到用户；
    read一个扇区.gif

    开销：读放大。虽然读的是 1 个扇区的数据，但是偏移却没对齐，所以必须要读 2 个扇区，也放大了一倍的流量。

  • 场景：修改512 个字节，但是偏移不对齐？
    步骤如下：

    1. 读 2 个扇区的数据（1024 Bytes）上来；
    2. 合并内存中的数据；
    3. 把这 2 个新的扇区数据，写到磁盘；
    修改512个字节.gif

    开销：读的时候导致多读了一个扇区，写的时候导致多写了 1 个扇区

IO 的代价比你预期的要大

机械盘来说，随机 iops 就是几百的样子，带宽也就几百兆。一次寻道都是 10ms 级别的。所以磁盘读写数据的代价远比你想象中的大。

这个有多慢？cpu 执行指令都是纳秒和微秒级别的，一次 IO 性能和 cpu 或者内存的操作相差十万百千里。所以，但凡你能省 1 次 IO 都是非常大的性能提升。

而对于 SSD 来说，如果你 IO 不对齐，很有可能峰值能跑 5 万 iops 的盘只能跑 2 万甚至更低。大家一定要有个意识：IO 能节省就节省，多一次 IO 性能可能慢 1 倍。

为什么我编程的时候从来不需要注意对齐？

这个时候你可能反问了，我读写文件从没考虑过对齐的问题呀？

是的，你是没考虑过，那是因为有一个苦逼帮你把这个活干了，谁呢？
文件系统，这个世界并不简单，只是有人替你负重前行。绝大部分的程序员都是基于文件系统之上操作磁盘。文件系统则会使用 buffer cache 自动帮用户对齐 IO ，然后再下发磁盘。一旦你想要深入优化 IO 的性能，IO 对齐一定是第一道要考量的坎。

还有一点要特别注意，一个特别重要的环节：文件系统格式化化的时候。
格式化的时候，一定要注意对齐。 格式化文件系统的时候，一定要注意对齐的偏移，不要故意搞成非对齐的偏移，不然一旦文件系统格式化的时候都不对齐，后面谁也救不了，除非你重新格式化文件系统。
举个例子，本来文件系统从偏移磁盘 0 这个位置格式化，你偏不，你偏要从 3 字节偏移的位置开始格式化。那后面的所有的貌似对齐的 IO 偏移都将是不对齐的，性能也自然是下降的。