存储基础：磁盘 IO 为什么总叫你对齐？
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來源 |?奇伢云存儲
頭圖 | 下載于ICphoto
存儲 IO 重要的一個知識點
劃重點：存儲 IO 要對齊。
資深存儲人員為啥總叫你注意 IO 對齊的？機械磁盤?IO 為什么要 512 對齊呢，SSD 盤為啥要 4K 對齊？不對齊又會如何？
重要的知識點：
機械盤的 IO 要扇區(qū)對齊（絕大部分的扇區(qū)是 512 字節(jié)大小），磁盤的讀寫最小單元就是扇區(qū)；
SSD 盤的 IO 要 4K 對齊，SSD 盤的讀寫單元是 page，一個 page 為 4K 大小；
如果不對齊，會有問題問題？
性能極差；
SSD 壽命縮短；
那你就會想了，出現(xiàn)這個問題的原因又是啥？
本質原因是內部 IO 流量和次數(shù)的放大。
那你又會想了，怎么會這樣呢，我不就寫 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)而已嘛，放大個啥？
這個秘密就在于前面提到的，機械盤和 SSD 盤的 IO 都有最小單元的概念。機械盤是以扇區(qū)為最小的空間單位，SSD 盤則是 4k 的 page 作為 IO 的最小單元。所以當在機械盤上讀 1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，本質上是至少讀一個扇區(qū)，寫 1 個字節(jié)則更復雜，先要把這個扇區(qū)讀出來，然后在內存里 update，最后又把這個扇區(qū)寫回到磁盤。
你可能又有疑問了：為啥機械盤和 SSD 盤都要按照一個單元來管理呢，為啥不 1 字節(jié) 1 字節(jié)管理呢？如果這樣的話，業(yè)務讀寫不就方便了嘛。
答案是:開銷。 考慮以下兩個方面：
第一個是存儲的開銷：數(shù)據(jù)存儲到磁盤上還有 SSD 盤上是會有校驗的（比如 ECC 校驗），如果每個字節(jié)都對應一個校驗，存 1T 的數(shù)據(jù)有 1T 的校驗？那這個存儲開銷無比的大。那如果是現(xiàn)在 512 字節(jié)對應一個 1 字節(jié)的校驗，則開銷完全可控；
第二個是性能的開銷：物理硬件是跟真實世界的設計匹配的，對于機械磁盤的寫是利用磁化介質來存儲數(shù)據(jù)，如果磁盤上是1 個字節(jié)，甚至 1 個 bit 來獨立存儲，那磁盤磁頭的次數(shù)將無比龐大，性能也將無比的下降（每一次都是寫數(shù)據(jù)+校驗）。SSD 的寫則更復雜，因為 SSD 由于自身的存儲特點，是無法覆蓋寫的，每次寫都是寫新位置，舊的位置則是作為垃圾等待后臺 GC ，粒度太小則會導致擦寫的次數(shù)無比的多，性能和壽命都將不可接受；
所以說，在綜合因素的權衡下，硬件對于空間管理會劃分固定單元，并對 IO 也提出單元對齊的要求。至于磁盤固定單元為 512 字節(jié)，SSD 的 IO 單元為 4K 則是經(jīng)過綜合的科學測試和驗證的一個數(shù)值而已。
舉個不嚴謹?shù)睦?/strong>：
在京東上買東西，你買 1 塊錢的貨，京東要收費 7 塊的運費。對你來講是不是劃不來？因為對京東來講，如果真是單獨送你這 1 塊錢的東西也劃不來。所以京東要你買的東西滿 79 元才給你免運費。
如果說真的有個愣頭青，每次都單獨買 1 塊錢的貨，買它 100 次，劃得來來不？
當然劃不來，運費都要 700 了，加上貨本身，總費用 800 元（哈哈，可能京東被你折騰的更慘）。
那如果是 1 次買 100 件這個貨呢？
你只需要 100 塊。
所以，你再思考下為什么磁盤本身一定有固定大小的存儲單元，通俗話叫做：量大從優(yōu)，專業(yè)一點叫做：減少邊際效應。
對齊有哪些方面
對齊其實很簡單，只有兩個維度：
偏移對齊
長度對齊
是不是很簡單呀。偏移和長度就是我們常說的 offset，length，對齊通常就是既要保證偏移對齊也要保證長度對齊。
IO 讀寫的真實樣子
下面以機械盤扇區(qū)對齊和非對齊的舉例。為了簡化，以下例子討論的的對齊都是偏移和長度雙重對齊的。
?1???扇區(qū)對齊場景
場景：讀 512 個字節(jié)數(shù)據(jù)是怎么做的？
步驟如下：
磁頭擺到指定偏移；
讀取一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)到內存；
開銷：只需要一次磁盤讀 IO。
場景：寫 512 個字節(jié)數(shù)據(jù)是怎么做的？
步驟如下：
磁頭擺到指定偏移；
覆蓋寫一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)到磁盤；
開銷：只需要一次磁盤寫 IO。
?2???扇區(qū)非對齊場景
場景：讀 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)是怎么做的？
步驟如下：
磁頭擺到這 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)所在扇區(qū)位置，對齊到扇區(qū)開始的偏移；
讀取 1 個完整扇區(qū)（ 512 字節(jié)）的數(shù)據(jù)到內存；
從這 512 字節(jié)的內存中，copy 出用戶要用的 1 個字節(jié)，給到用戶；
開銷：讀放大。如果是讀 512 字節(jié)的數(shù)據(jù)，但是偏移不對齊，那么可能導致 2 次 IO。
場景：讀 512 個字節(jié)，但是偏移不對齊？
步驟如下：
磁頭擺到這 512 個字節(jié)數(shù)據(jù)所在 2 個扇區(qū)位置，對齊到扇區(qū)開始的偏移；
讀取 2 個完整扇區(qū)（1024 Bytes）的數(shù)據(jù)到內存；
從這 1024 字節(jié)的內存中，copy 出用戶要用的 512 個字節(jié)，給到用戶；
開銷：讀放大。雖然讀的是 1 個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，但是偏移卻沒對齊，所以必須要讀 2 個扇區(qū)，也放大了一倍的流量。
場景：寫 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)是怎么做的？
寫是比較復雜的，用戶現(xiàn)在手握 1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，想要寫到磁盤，但是磁盤的 IO 單元是扇區(qū)，所以本質上是讀改寫的方式。步驟如下：
先要把這要改動的 1 字節(jié)所在的扇區(qū)完整的讀到內存；
磁頭擺動到扇區(qū)偏移；
讀一個扇區(qū)，讀到內存；
然后在內存中，把這 1 個字節(jié)對應的位置的數(shù)據(jù)修改；
然后重新寫回扇區(qū)；
磁盤尋道道扇區(qū)偏移；
覆蓋寫著一個扇區(qū)；
開銷：一次磁盤讀 IO，內存合并，最后再一次磁盤寫 IO。明明是寫，卻必須要先讀，IO 即放大了流量，又放大了次數(shù)
所以你看出來了嗎，非對齊的 IO 多了很多步驟。存在 IO 流量和次數(shù)的放大。這樣會極度拖累性能。
本來只需要一次 IO 就能完成的操作，放大了一次，那么性能就至少下降一倍。就這么簡單。
場景：寫 1 個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，但是偏移不對齊會怎么樣？
操作步驟：
讀 2 個扇區(qū)的數(shù)據(jù)（1024 Bytes）上來；
合并內存中的數(shù)據(jù)；
把這 2 個新的扇區(qū)數(shù)據(jù)，寫到磁盤；
開銷：所以，我們看到由于不對齊，讀的時候導致多讀了一個扇區(qū)，寫的時候導致多寫了 1 個扇區(qū)。性能自然是極差的。
經(jīng)常被忽略的事
?1???IO 的代價比你預期的要大
機械盤來說，隨機 iops 就是幾百的樣子，帶寬也就幾百兆。一次尋道都是 10ms 級別的。所以磁盤讀寫數(shù)據(jù)的代價遠比你想象中的大。
這個有多慢？cpu 執(zhí)行指令都是納秒和微秒級別的，一次 IO 性能和 cpu 或者內存的操作相差十萬百千里。所以，但凡你能省 1 次 IO 都是非常大的性能提升。
而對于 SSD 來說，如果你 IO 不對齊，很有可能峰值能跑 5 萬 iops 的盤只能跑 2 萬甚至更低。大家一定要有個意識：IO 能節(jié)省就節(jié)省，多一次 IO 性能可能慢 1 倍。
?2???為什么我編程的時候從來不需要注意對齊？
這個時候你可能反問了，我讀寫文件從沒考慮過對齊的問題呀？
是的，你是沒考慮過，那是因為有一個苦逼幫你把這個活干了，誰呢？
文件系統(tǒng)。這個世界并不簡單，只是有人替你負重前行。
絕大部分的程序員都是基于文件系統(tǒng)之上操作磁盤。文件系統(tǒng)則會使用 buffer cache 自動幫用戶對齊 IO ，然后再下發(fā)磁盤。一旦你想要深入優(yōu)化 IO 的性能，IO 對齊一定是第一道要考量的坎。
還有一點要特別注意，一個特別重要的環(huán)節(jié)：文件系統(tǒng)格式化化的時候。
格式化的時候，一定要注意對齊。 格式化文件系統(tǒng)的時候，一定要注意對齊的偏移，不要故意搞成非對齊的偏移，不然一旦文件系統(tǒng)格式化的時候都不對齊，后面誰也救不了，除非你重新格式化文件系統(tǒng)。
舉個例子，本來文件系統(tǒng)從偏移磁盤 0 這個位置格式化，你偏不，你偏要從 3 字節(jié)偏移的位置開始格式化。那后面的所有的貌似對齊的 IO 偏移都將是不對齊的，性能也自然是下降的。
總結
IO 對齊是做存儲必須要考量的一個因素；
IO 對齊的兩個核心是：偏移和長度；
非 IO 對齊的請求會導致內部 IO 流量和次數(shù)的放到，從而性能下降（SSD 則會因為放到而導致擦寫次數(shù)過多，更會影響壽命）；
程序員一般很少要主動對齊，因為文件系統(tǒng)幫你 hold 住了一層。但是如果程序員自己不注意，還是會踩坑。比如明明是 SSD 盤，你偏要每次發(fā)送 512 字節(jié)的 IO 請求，那性能肯定慘不忍睹；
對齊的 IO 簡簡單單，不對齊的 IO 千奇百怪。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的存储基础：磁盘 IO 为什么总叫你对齐？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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