波仔
🐧 第八章 外部存储器
📄 一句话概括

一次 4 KB 的随机读要 12.69 毫秒，折算下来只有 79 次/秒、0.31 MB/秒——而顺序读能到 150 MB/秒，差 487 倍。差的钱全花在【等】上：等磁头移过去，等扇区转过来。

📝 本节和前面几节的关系

前七章讲的是【怎么管理已有的东西】，这一章回到硬件本身：外部存储器到底是怎么读写的，为什么它慢得这么顽固。

一、盘片、磁道、扇区

一块机械硬盘，拆开就是一个转盘加了根针。 盘片：一张圆形的磁性涂层玻璃或铝板，数据就记在表面那层涂层上。一个盘里可能有好几片，叠在一起转。 磁道：盘面上的一圈同心圆。数据沿磁道排，一磁道一磁道往外扩。几万到几十万条磁道，每条都很窄。 扇区：磁道上一小段弧。传统是 512 字节，现在基本是 4 KB。它是【读写的最小单位】——要读 1 个字节，也得把整个扇区读出来。 磁头：悬在盘面上方飞的那一小块，它负责把磁场的变化变成电信号。它不接触盘面——一挨上去就是一次划伤。 机械臂：把磁头送到目标磁道上的那根杆。它是整块硬盘里唯一【会动】的机械部件，也是所有延迟的来源。 一句话：这个结构决定了，硬盘不是【想读哪里就读哪里】，而是【得先把针挪过去】。

二、一次访问的三笔开销

每一次读写，都要付三笔钱。 ① 寻道：把磁头移到目标磁道。这一笔最贵，因为要推动整个机械臂——典型的平均寻道时间是 4 到 10 毫秒。取 8.5 毫秒。 ② 旋转等待：等目标扇区转到磁头下面。平均要等半圈。7200 转/分 = 一圈 8.33 毫秒，半圈 4.17 毫秒。 ③ 传输：数据真正从盘面读出来。这一笔只和字节数有关——典型持续传输率 150 MB/秒，4 KB 只要 0.03 毫秒。 三笔相加：8.5 + 4.17 + 0.03 = 12.69 毫秒。 关键在比例：传输只占 0.2%，剩下 99.8% 全在【等机械臂和等盘子转】。这是理解这一整章的唯一前提。

三、三笔钱谁最贵

Demo 78 把四种访问放在一张表里。结论很清楚：小数据量的时候，前两笔吃掉了一切。 随机读 4 KB：12.69 毫秒，其中 12.66 是【等】。 顺序读 8 MB：66 毫秒，其中 53.33 是传输——因为一次寻道之后，后面 8 MB 都在磁头下面顺序流过去，寻道与旋转只付了一次，被摊薄了。 反过来算一遍就明白了：4 KB 要 12.69 毫秒，那一秒最多做 79 次，也就是 79 次 × 4 KB = 0.31 MB/秒。 同一个盘，同一根针，换个访问方式，带宽从 0.31 变成 150。487 倍的差距，不是硬件换了，是【用法】换了。

四、为什么数据库一门心思要顺序读

因为顺序读直接把三笔开销里的两笔砍掉了。剩下的那一笔（传输）本来就是唯一【有必要】花的钱。 这也解释了一堆看起来莫名其妙的工程手段： B+ 树把叶子节点连起来：为了让范围扫描能顺序走。 日志（WAL）与 LSM 树：把随机写改成顺序追加（7.5 讲过）。 预读窗口：赌你接下来还要读相邻的块（8.9 会讲）。 批量提交：攒够一批一起写，让它们相邻。 这些手段全都是同一招：把【很多次各自付寻道的访问】变成【一次付费的连续流】。 所以【顺序比随机快】这句话，在机械盘上不是优化建议，是物理事实。而在 SSD 上它就不成立了（8.11）。

五、动手 Demo：HDD 的数据读写机制——一次访问的钱花在哪

这个 Demo 不测真盘（沙箱里没有机械盘，8.3 会说这件事），它按真盘的参数把三笔开销算出来，看它们在一个 4 KB 请求里各占多少。 参数取自一块普通 7200 转台式机盘：平均寻道 8.5 毫秒，持续传输 150 MB/秒。

RPM = 7200
SEEK = 8.5                 # 毫秒
XFER = 150.0               # MB/秒
rot = 60000.0 / RPM / 2.0  # 半圈，毫秒

rows = []
for name, size in (("随机读 4 KB", 4 * 1024),
                   ("随机读 256 KB", 256 * 1024),
                   ("顺序读 1 MB", 1024 * 1024),
                   ("顺序读 8 MB", 8 * 1024 * 1024)):
    xf = size / (XFER * 1024 * 1024) * 1000
    tot = SEEK + rot + xf
    rows.append((name, size, SEEK, rot, xf, tot))

for name, size, sk, rt, xf, tot in rows:
    print("%-14s 寻道 %.2f  旋转 %.2f  传输 %6.2f  合计 %6.2f"
          % (name, sk, rt, xf, tot))

tot4 = rows[0][5]
print("4 KB 随机 IOPS = %.0f" % (1000.0 / tot4))
print("4 KB 随机带宽 = %.2f MB/秒" % (4.0 / 1024 / (tot4 / 1000)))
print("与顺序读的差距 = %.0f 倍" % (XFER / (4.0 / 1024 / (tot4 / 1000))))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
HDD 的数据读写机制——一次访问的钱花在哪
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① 一次访问的三笔开销

  **① 寻道**：**把磁头移到目标磁道。****这一笔最贵，因为要推动整个机械臂。**
  **② 旋转等待**：**等目标扇区转到磁头下面。****平均要等半圈。**
  **③ 传输**：**数据真正从盘面读出来。**

  参数         取值          说明
  -------------------------------------------------
  转速         7200 rpm      每分钟转多少圈
  平均寻道     8.5 毫秒      机械臂移动的代价
  平均旋转     4.17 毫秒     半圈的时间
  持续传输     150 MB/秒     磁头下经过的字节流

② 两种访问，时间花在完全不同的一笔上

  访问              读多少     寻道     旋转     传输      合计
  -----------------------------------------------------------------------
  随机读 4 KB       4 KB       8.5      4.17     0.03      12.69 毫秒
  随机读 256 KB     256 KB     8.5      4.17     1.67      14.33 毫秒
  顺序读 1 MB       1 MB       8.5      4.17     6.67      19.33 毫秒
  顺序读 8 MB       8 MB       8.5      4.17     53.33     66.00 毫秒

  **看最后两行**：**顺序读 8 MB 时，传输占了大头**，**寻道与旋转被摊薄了。**
  **看前两行**：**随机读 4 KB 时，传输只占 0.03 毫秒**，**剩下 12.7 毫秒全花在【等】上。**

  **换算一下**：**随机 4 KB 最多 79 次/秒（IOPS）。**
  **折算带宽只有 0.31 MB/秒**——**而顺序读能到 150 MB/秒。**

  **差 487 倍。**
  **这就是为什么【数据库要尽量顺序读】这件事这么重要**——
  **不是算法层面的优化，是直接把三笔开销里的两笔砍掉。**

  📋 **Linux 上看真实参数**：
  `sudo hdparm -I /dev/sda | grep -i "nominal media rotation"`；
  `sudo hdparm -tT /dev/sda` 测缓存与盘的持续读速度。

前三列是【模型】不是实测——沙箱里没有机械盘，这几个数是拿真盘的典型参数算的。 看随机读 4 KB 那一行：传输只占 0.03 毫秒，剩下 12.66 毫秒全花在等磁头和等盘子转上。 再看顺序读 8 MB：传输变成 53.33 毫秒，成为大头——因为一次寻道之后，后面 8 MB 全在磁头下顺流而过。 所以【顺序比随机快 487 倍】不是软件优化出来的，是【同一块盘换个用法】自然的结果。

📋 Linux 上看真实参数：sudo hdparm -I /dev/sda | grep -i "nominal media rotation"； 📋 sudo hdparm -tT /dev/sda 测缓存与盘的持续读速度。

30 秒实验

  1. 算一遍：如果寻道从 8.5 毫秒降到 4 毫秒，4 KB 随机的带宽能从 0.31 涨到多少？
  2. grep . /sys/block/sda/queue/rotational，1 表示机械盘，0 表示固态。
  3. 想一想：为什么 1 个字节和 4 KB 的随机读耗时几乎一样？

常见误区

  1. 【硬盘按字节读，所以读 1 个字节比读 4 KB 快很多】。最小单位是扇区（现在 4 KB），读 1 个字节也要把整个扇区读出来。
  2. 【转速越快硬盘就越快】。转速只影响旋转等待这一笔，而它在总时间里只占三分之一左右（8.2 会算）。
  3. 【顺序读快是因为硬盘有缓存】。顺序读快是因为寻道只付一次，缓存是另一回事（那是 8.9 的预读与第 6 章的页缓存）。
自测三问（点开对答案） 1. 为什么 4 KB 随机读的带宽只有 0.31 MB/秒，比顺序读低 487 倍？ —— **因为每次都要重新付一次寻道与旋转**：**12.69 毫秒里 12.66 是等待**，**只有 0.03 毫秒在真搬数据。****顺序读把这些等待摊到几 MB 上，所以几乎只剩传输。** 2. 为什么读 1 个字节和读 4 KB 的随机读耗时差不多？ —— **因为读写的最小单位是扇区（4 KB）**，**读一个字节也要整扇区经过磁头。****时间由【机械动作】决定，与你要多少字节无关。** 3. 数据库为什么要费那么大劲把随机写改成顺序写？ —— **因为在机械盘上，随机与顺序差 400 倍以上**，**而这个差距全部来自【多付的寻道与旋转】。****日志、LSM 树、批量提交，做的都是同一件事：把多次付费变成一次付费。**

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