一、块设备的性格：能随机跳

块设备是【按块寻址】的：你可以说【我要第 1000 块】，它就去取第 1000 块。字符设备做不到这一点——它只有【下一个字节】。 所以两者的能力差别是：块设备能 seek，字符设备不能（对字符设备 lseek 返回 ESPIPE）。 为什么这件事这么关键：文件系统的全部本事，就是【把分散的块组织成一个连续的文件】。如果底层不能按块随机访问，这个本事就没法施展。 所以你能挂载的一定是块设备，而 /dev/null、/dev/tty 这类永远挂不上。（/proc、/sys 是另一回事——它们不走块设备，是内核直接实现的一套文件系统，见 7.15。） 块大小有两层含义，容易混：① 设备扇区，通常 512 字节或 4 KB；② 文件系统块，通常 4 KB。两者可以不同，但文件系统块一般是扇区的整数倍。

二、对齐为什么重要

如果一次读跨越了两个块，设备就得读两次——哪怕你只要中间那 100 个字节。所以【偏移按块对齐、长度是块的整数倍】能省掉一次访问。 但实测里这个差距很小：从块首与从块中随机读 2000 次，18.31 毫秒对 23.08 毫秒，而且换一次跑法先后就颠倒。说明这 26% 主要是噪声。 为什么测不出来：因为这个文件刚写完，整份都在页缓存里。页缓存是按 4 KB 页管的——你从块中读，取的还是同一页里的字节，既不额外碰磁盘，也不额外读一块。 所以【对齐】这件事，在【全命中缓存】时根本不存在。沙箱里只能证明这一点，真设备上的那一侧测不到。这跟第 6 章测不到【冷缓存】是同一类问题。

三、对齐真正要紧的三种场合

① 绕过缓存的读（O_DIRECT）。它要求【偏移、长度、缓冲区地址】三者都按块对齐。有一个不对，内核要么退回去用缓存，要么直接返回 EINVAL。数据库自己管缓存时就会用这个。 ② 文件系统的块分配。文件的第一个块从哪开始、后续块是否连续，直接决定读的时候要发几次请求。filefrag 能看出来一个文件碎成了几段。 ③ 数据库的页大小。InnoDB 的页默认 16 KB，是文件系统块（4 KB）的整数倍，这样一次页读正好对齐四个块。如果页大小不是块大小的整数倍，每次读写都会跨块。 所以【对齐】不是玄学：它的成本在【多一次设备访问】，而这一次访问在有缓存时免费、在没缓存时很贵。

四、挂载：把块设备变成文件树的动作

mount /dev/sda1 /mnt 做的是：读出这块设备开头的超级块，认出它是什么文件系统，然后把它的根接到 /mnt 这个空目录上。 从此 /mnt/foo 就等价于【这块设备上的 foo】。整台机器仍然只有一棵树。 所以【块设备】与【文件系统】是两个层次：同一块设备可以格式化成一堆不同的文件系统；一个文件系统也可以被挂到树上的任意空目录。 这也解释了几件常见的事：① 为什么 df 是按挂载点列的——它列的是文件系统，不是设备。② 为什么 umount 会提示【设备忙】——还有进程在里面有打开的文件，或者当前目录在里面。③ 为什么扩容要先扩分区再扩文件系统——两层各管一段。

五、动手 Demo：块设备——最小单位是一块，不是一字节

这一节真测：同样 2000 次 4 KB 随机读，一次从块首开始，一次每次都错开 100 字节。 结果会说明一件重要的事：在缓存里，对齐测不出来。

import os
import random
import tempfile
import time

MB = 1024 * 1024
BS = 4096
d = tempfile.mkdtemp(prefix="ch29c7_")
p = os.path.join(d, "align.bin")
open(p, "wb").write(b"\0" * (16 * MB))
f = open(p, "rb", buffering=0)

random.seed(7)
offs = [random.randrange(0, 16 * MB - BS - 512) for _ in range(2000)]

def at_start():
    for o in offs:
        f.seek(o)
        f.read(BS)

def at_mid():
    for o in offs:
        f.seek(o + 100)
        f.read(BS)

for name, fn in (("块首", at_start), ("块中", at_mid)):
    t0 = time.perf_counter()
    fn()
    print(name, "%.2f 毫秒" % ((time.perf_counter() - t0) * 1000))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
块设备——最小单位是一块，不是一字节
--------------------------------------------------------------------
① 真测：从块首读 vs 从块中读

  起点                      2000 次 4 KB 随机读     说明
  ----------------------------------------------------------
  块首（对齐）              19.25 毫秒              基准
  块中（错开 100 字节）     19.39 毫秒              慢 1%

  **差 1%，但换一次跑法这个先后就会颠倒**——
  **说明这个差距主要在噪声里，不是稳定的差异。**

② 为什么这里拉不开差距

  **因为这个文件刚写完，整份都在【页缓存】里。**
  **页缓存是按 4 KB 页管的。**
  **你从块中读，取的还是同一页里的字节**——
  **既不额外碰磁盘，也不额外读一块。**
  **所以【对齐】这件事，在【全命中缓存】时根本不存在。**
  **沙箱里只能证明这一点，真设备上的那一侧测不到。**

③ 对齐真正要紧的两处

  场合               为什么在乎对齐             怎么观察
  -----------------------------------------------------------------
  绕过缓存的读       必须整块读，错开就重试     dd iflag=direct
  文件系统分配块     块边界决定读写次数         filefrag 看块号
  数据库页大小       页要比块大且对齐           innodb_page_size

  **第一行最典型**：`O_DIRECT` 要求【偏移、长度、缓冲区地址】三者都按块对齐。
  **只要有一个不对，内核要么退回去用缓存，要么直接返回 EINVAL。**

  📋 **Linux 上验证**：`dd if=/dev/sda of=/dev/null bs=4k count=1000 iflag=direct`；
  **把 bs 改成 4000 再跑一次**，会看到速度掉下来。

④ 块设备的接口与字符设备的差别

  特性               字符设备      块设备
  ---------------------------------------------------------
  最小单位           1 字节        1 块（512 B 或 4 KB）
  能 seek 吗         一般不能      能，按块跳
  能当文件系统吗     不能          能，这就是挂载
  有没有缓存         没有          有，就是第 6 章那个
  典型例子           /dev/null     /dev/sda

  **块设备的关键在于【能随机跳】。**
  **不能跳的东西没法建文件系统**——
  **因为文件系统的全部本事，就是【把分散的块组织成一个连续的文件】。**

  📋 **Linux 上验证**：`lsblk` 看块设备树；
  `blockdev --getbsz /dev/sda1` 看块大小；
  `dd if=/dev/sda1 of=/dev/null bs=4k count=1000` 测裸读。

两组差距在噪声里，换次跑法先后就颠倒。因为整份文件都在页缓存里，页是按 4 KB 管的，从块中读取的还是同一页。 所以这个 Demo 的结论是【反向】的：它证明了【缓存会抹掉对齐的差别】。要看到对齐的代价，必须绕过缓存或换真设备——沙箱里做不到，这里不假装做到了。 这也是一句更普遍的话：很多【底层优化】在有缓存的时候测不出来。所以【在应用层看不到效果】不等于【它没起作用】。

📋 Linux 上验证：dd if=/dev/sda of=/dev/null bs=4k count=1000 iflag=direct；把 bs 改成 4000 再跑一次，速度会掉下来。 📋 lsblk 看块设备树；blockdev --getbsz /dev/sda1 看块大小。

30 秒实验

1. blockdev --getbsz /dev/sda1，看文件系统块多大。
2. lsblk -o NAME,SIZE,TYPE,MOUNTPOINT，看设备与挂载点的对应。
3. filefrag -v 一个大文件，看它碎成了几段、每段从哪块开始。

常见误区

1. 【块设备就是磁盘】。块设备是【磁盘的一个可寻址视图】；分区、LVM 卷、RAID 阵列、iSCSI 目标，都是块设备。
2. 【一次读 4 KB 一定只碰一个块】。从块中间开始读就会跨两块；有缓存时免费，没缓存时多一次访问。
3. 【挂载会把数据拷到系统盘】。挂载只是【把它的根接到树上】，一个字节都不搬。

• ☐ 7.12 各种各样的文件系统

相关笔记

• 字符设备 — 不能跳的那一类
• 高速缓存 — 缓存为什么会抹掉底层差别
• 虚拟文件系统 — 不靠块设备的那种文件系统
• 🐧 Linux是怎样工作的 · 索引