一、闪存的三个单位

页（page）：4 KB，读和写的最小单位。关键限制：一个页写完就不能再改。 块（block）：256 KB，擦除的最小单位。改一个页，要把整块擦掉。 整盘：几百 GB，由几万个块组成。 为什么要这么设计？因为闪存是靠【注入电子】记数据的，把电子打进去容易，单独抽出来难——只能整块一起抽，这就是【擦除】。所以【写】和【擦】是两个不同粒度的操作。 这个不对称是全部分析的起点。它导致了一个很反直觉的结论：SSD 上【覆盖写】比【追加写】贵得多。

二、改 1 个页 = 搬 64 个页

改一个已经写过的 4 KB 页，实际要做三件事： ① 把那个块里【还有效的页】读出来（4 KB × 若干）； ② 擦掉整块（256 KB）； ③ 把有效页 + 新页写回去。 最坏情况：块是满的，改 1 页就要搬 64 页——写放大 64 倍。 实际上没这么惨，因为 FTL（闪存转换层）会挑【垃圾多的块】来擦，而且它会把逻辑地址映射到新的物理页，把原来那页标记成无效，等以后再回收。这叫【写时重定向】。所以真实写放大通常在 2 到 4 倍。 注意这个设计思路：既然不能原地改，那就【写到别处去】，和 7.6 讲的写时复制是同一个想法。只不过文件系统是为了崩溃一致性，SSD 是为了物理限制。

三、1 GB 数据的四种写法

Demo 88 算了四种写法：顺序写（一次写满整块）放大 1.0 倍；大块随机写（128 KB）1.5 倍；4 KB 随机写（轻负载）2.0 倍；4 KB 随机写（盘快满）4.0 倍。 所以 1 GB 有效数据，实际写进闪存的是 1.0 到 4.0 GB。 换成寿命：一块标称 600 TBW 的盘（总写入量 600 TB）：全按 4 KB 随机写，能写进去的有效数据只有 150 TB；全按顺序写，能写 600 TB。 同一个盘，寿命差 4 倍。这就是【SSD 不适合当数据库重写盘】这个说法的来历。不过现代企业级 SSD 的 DWPD 参数已经把这件事设计进去了——数据中心盘的 DWPD 通常是 1 到 3，消费级只有 0.3 左右。 对日常使用者的实际建议：别把 SSD 当临时工作盘反复覆盖大文件，日志、编译缓存、虚拟机镜像都是高写入场景。

四、TRIM 与三层单元

TRIM：文件被删时，文件系统告诉 SSD【这些页不用保留了】。没有它，SSD 不知道那是垃圾，将来搬块时还会把垃圾一起搬——放大倍数就上去了。所以 TRIM 不只是【清理】，它是【保护寿命】的。 TLC／QLC：一个单元存 3 位／4 位。容量大、便宜，但写入更慢、寿命更短。所以大容量消费级 SSD 的持续写入速度会在缓存写满后掉下来——因为 SLC 缓存用完了，得直接往 TLC／QLC 里写。 这也是【SSD 标称速度】要看清楚的原因：厂商宣传的那个数通常是【SLC 缓存内】的速度，持续写几百 GB 之后会掉到几分之一。 最后一句对比：机械盘的性能是【恒定的】，SSD 的性能是【依赖状态的】。空盘、半满、快满，速度完全不一样。所以测 SSD 一定要写明【盘用了多少】。

五、动手 Demo：SSD——为什么随机写比顺序写伤盘

按闪存的物理限制算一遍：改一个页要搬多少页，写放大是多少，一块 600 TBW 的盘能用多久。

BLOCK, PAGE = 256 * 1024, 4 * 1024
pages_per_block = BLOCK // PAGE
print("一块 %d KB，一页 %d KB，一块 %d 页"
      % (BLOCK // 1024, PAGE // 1024, pages_per_block))
print("最坏写放大 = %d 倍" % pages_per_block)

TOT = 1.0        # GB 有效数据
cases = (("顺序写", 1.0), ("大块随机 128 KB", 1.5),
         ("4 KB 随机 轻负载", 2.0), ("4 KB 随机 盘快满", 4.0))
for name, wa in cases:
    print("%-18s 放大 %.1f 倍  实际写 %.1f GB" % (name, wa, TOT * wa))

TBW = 600
print("600 TBW 的盘：顺序写可用 %.0f TB，4 倍放大只剩 %.0f TB"
      % (TBW / 1.0, TBW / 4.0))

实跑输出：

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SSD——为什么随机写比顺序写伤盘
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① 闪存的三个单位

  单位            典型大小     能做什么
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  页（page）      4 KB         读、写；写只能写一次
  块（block）     256 KB       擦除的最小单位
  整盘            几百 GB      由几万个块组成

  **关键限制**：**一个页写完就不能再改，要改必须【先擦掉整块】。**
  **擦一块是 256 KB，相当于 64 个页。**

② 于是【改 1 个页】变成了【搬 64 个页】

  **改一个已经写过的 4 KB 页**，实际要做的事：
  **① 把那个块里【还有效的页】读出来（4 KB × 若干）；**
  **② 擦掉整块（256 KB）；**
  **③ 把有效页 + 新页写回去（4 KB × 若干 + 1）。**

  **最坏情况**：**块是满的，改 1 页就要搬 64 页——写放大 64 倍。**
  **实际因为 FTL 会挑【垃圾多的块】来擦，写放大通常在 2~4 倍。**

③ 算一遍：1 GB 数据两种写法

  写法                       写放大     1 GB 实际写进闪存
  -----------------------------------------------------------
  顺序写（一次写满整块）     1.0 倍     1.0 GB
  大块随机写（128 KB）       1.5 倍     1.5 GB
  4 KB 随机写（轻负载）      2.0 倍     2.0 GB
  4 KB 随机写（盘快满）      4.0 倍     4.0 GB

  **一块标称 600 TBW 的盘**（总写入寿命 600 TB）：
  **全按 4 KB 随机写（放大 4 倍）**，**能写进去的有效数据只有 150 TB。**
  **全按顺序写（放大 1 倍）**，**能写 600 TB。**

  **所以同一个盘，用法不同，寿命差 4 倍。**
  **这也是【SSD 不适合当数据库的重写盘】这个说法的来历**——
  **不过现代企业级 SSD 的 DWPD 已经把这件事设计进去了。**

④ TRIM 与三层单元

  **TRIM**：**文件被删时告诉 SSD【这些页不用保留了】**。
  **没有它，SSD 不知道那是垃圾，将来搬块时还会把垃圾一起搬——放大倍数就上去了。**
  **TLC／QLC**：**一个单元存 3 位／4 位**，
  **容量大、便宜，但写入更慢、寿命更短。**
  **所以大容量消费级 SSD 的持续写入速度会在缓存写满后掉下来。**

  📋 **Linux 上查看与开启 TRIM**：`sudo fstrim -v /`（手动）；
  `systemctl status fstrim.timer`（定期）；
  `lsblk -D` 看盘是不是支持 `discard`。

最坏 64 倍是一个上界，真实值由 FTL 的垃圾回收策略决定，通常在 2 到 4 倍。所以下面那张表用的是 1.5、2.0、4.0。 注意【盘快满】那一行放大最高：因为盘满的时候没有空闲块可以周转，每次写都要先回收，回收时垃圾又少，搬的页就多。所以 SSD 要保持一定空闲空间（一般建议留 20%）。 600 TBW 换成【每天写多少年】：每天写 100 GB 顺序数据，能用 16 年；同样的量换成 4 KB 随机写，只剩 4 年。

📋 Linux 上查看与开启 TRIM：sudo fstrim -v /（手动）； 📋 systemctl status fstrim.timer（定期）；lsblk -D 看盘是不是支持 discard。

30 秒实验

1. 算一遍：如果你每天写 50 GB，一块 600 TBW 的盘在 4 倍放大下能用几年？
2. lsblk -D，看你的盘支持不支持 discard。
3. 查一下：cat /sys/block/nvme0n1/queue/rotational，0 表示固态。

常见误区

1. 【SSD 没有机械部件，所以不会有性能退化】。盘越满、写入越随机，性能掉得越明显——因为回收要搬更多有效页。
2. 【写放大只影响寿命，不影响速度】。回收本身要花时间，所以写放大高的时候，写入速度也会掉。
3. 【TRIM 只是清理垃圾，可以不开】。不开 TRIM，SSD 不知道哪些页是垃圾，搬块时会连垃圾一起搬，写放大变高、寿命变短。

• ☐ 8.12 总结

相关笔记

• HDD的数据读写机制 — 换介质前后的对照
• 随机访问 — SSD 上这个差距为什么消失
• 写时复制 — 同一个思路，不同的动机
• 🐧 Linux是怎样工作的 · 索引