数据存储

数据是如何存储在硬盘中的？！

机械硬盘 ：抛开一些复杂的概念，我们只需了解磁盘内部物理结构是由磁头和盘片组成。

盘片上涂有磁性材料，通过改变磁性物质的极性来记录数据，分别极性分别对应0和1。

磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态，读取数据时根据磁性材料的不同极性还原成01数据流。

磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，不与盘片直接接触

盘面： 一张盘片有上下两个盘面

磁道：盘片上拥有同一半径的圆周称为磁道（同心圆）

柱面: 不同盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称做柱面

扇区：把磁道划分成若干段，每段称为一个扇区。扇区是硬盘上存储的物理单位，包括512个字节的数据和一些其他信息。（可以理解为地址和数据）

地址标识符： 磁头号：磁道号：扇区号：是否可靠

扇区编号： 编号并不一定需要连续，原因是控制器在处理一个扇区的数据期间，磁盘同时也会旋转，于是采用交叉因子的方式间隔编号。将交叉因子设定为2﹕1时，磁头要读出磁道上的全部数据，磁盘只需转两周（10个扇区 l，6，2，7，3，8，4，9，5，10）

硬盘的写操作是优先写满同一柱面，先写满一个扇区，再写该柱面的下一个扇区，磁头是不会移动到别的磁道上的，从操作系统底层来看，数据存放不是常规意义的连续）。

磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，其不存放任何数据，称为启停区，启停区外是数据区。在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。硬盘不工作时，磁头停留在启停区，当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时，磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。

簇： 物理上相邻的N个扇区称为簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇。簇越大存储性能越好，但空间浪费严重。簇越小性能相对越低，但空间利用率高。

固态硬盘：把磁存储改为集成电路存储，固态硬盘储存数据靠的是闪存，其基本存储单元是浮栅晶体管，其中的浮栅被二氧化硅包裹，和上下绝缘，在断电时也能够保存电子，当电子数量高于一个中间值就表示 0 ，低于中间值就表示 1 。

写数据： 0->在控制极加一个电压，让电子穿过绝缘层再注回浮栅，使电子数量高于中间值，表示 0 。

1->在 P 极上加一个电压，浮栅中原有的电子会被吸出来，让浮栅中的电子数量低于中间值，表示1。

读数据： 往控制极加一个中间值电压，如果两个 N 极导通，浮栅中的电子较少，识别为 1；如果没有导通，就说明浮栅中的电子较多，识别为 0

损耗： 晶体管擦写数据时，二氧化硅绝缘层会困住一部分电子，这些电子的累积会逐渐抵消控制极上的电压，使得控制极为了导通两个 N 极所需的电压越来越大，当这个偏移超过中间值，那么读取时也就无法分辨 0 和 1 。

局部性原理：当前数据段附近的数据有可能在接下来的时间被访问到。这就是所谓的空间局部性。而程序中还存在着循环，因此当前被访问的数据有可能在短时间内被再次访问，这就是所谓的时间局部性原理。

减少磁盘IO方法 磁盘读取数据的过程中，真正读取数据的时间只占了很小一部分，而大部分时间花在了旋转延迟和寻道时间上

提前读： 每次读取数据的时间不仅仅读取所需要的数据，还将所请求数据附近的数据进行读取。

延迟写： 当数据更改之后不马上写回磁盘，而是继续放在内存中，以备接下来的请求读取或者修改；

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计算机科学的基础在于材料学与物理学，硬件的突破往往比软件的突破来的更加震撼。

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