企业级缓行？高级格式化4KB扇区硬盘深度解析

图 7.512 字节模拟可能出现的读序列

可以在硬盘 DRAM 内存中读取 4K 数据块以及格式化主机所需的特定 512 字节虚拟扇区，因此这个过程不会明显影响到性能。

写过程更为复杂一些，特别是主机尝试写入的数据为 4K 物理扇区的子集时。这时，硬盘必须首先读取包含主机写入请求目标位置的整个 4K 扇区，合并现有数据与新数据，然后重新写入整个 4K 扇区（见图 8）。

图 8.512 字节模拟可能出现的写序列

在此情况下，硬盘必须执行额外的机械步骤：读取 4K 扇区数据、修改其内容，然后重新写入数据。此过程称为“读取-修改-写入”（read-modify-write）循环，但这个过程不够理想，因为它会对硬盘性能造成负面影响。将“读取-修改-写入”情况的几率和频率降到最低是顺利无忧过渡到 4K 扇区的最重要因素。

“读取-修改-写入”预防

如前所述，在数据块小于或未对齐到 4k 扇区时，硬盘为此数据块发出写入命令，此时会发生“读取-修改-写入”的情况。这种小于 4K 的写入请求称为超短帧。512 字节模拟中出现超短帧的根本原因有两个。

1. 由于逻辑分区和物理分区未对齐，导致写入请求不对齐。

2. 写入请求的数据小于 4K

对齐硬盘分区和未对齐硬盘分区

到目前为止，我们尚未讨论主机系统和硬盘如何针对介质上的扇区位置进行通信。我们现在就来介绍一下逻辑块地址（Logical Block Address，LBA）。

每个 512 字节扇区都分配了唯一的 LBA，根据硬盘大小，数字可以是从 0 到所需的数字。主机会使用分配的 LBA 来请求特定的数据块。主机请求写入数据时，会在写入结束时会返回一个 LBA 地址，告知主机数据的位置。这对于 4K 扇区的过渡非常重要，因为主机 LBA 起点位置可以有八种可能性。

当 LBA 0 与 4K 物理扇区中的第一个 512 字节虚拟块对齐时，512 字节模拟的逻辑块到物理块对齐情况称为 Alignment 0。另一种可能出现的对齐情况是，LBA 0 与 4K 物理扇区中第二个 512 字节虚拟块对齐。这种情况称为 Alignment 1，图 9 比较了 Alignment 1 与 Alignment 0 两种对齐情况。另外，还有六种可能出现的分区不对齐情况，会引起与 Alignment 1 情况相似的“读取-修改-写入”事件。

图 9.对齐情况

Alignment 0 情况与高级格式化标准中新的 4K 扇区完全符合。因为硬盘能够轻松将 8 个相邻的 512 字节扇区映射到一个 4K 扇区。实现此映射的方法是，将 512 字节的写入请求储存在硬盘的缓存中，等接收到 8 个连续的 512 字节数据块时再将其写入到 4K 扇区（8 个连续的 512 字节块刚好构成一个 4K 扇区）。由于现代计算应用要处理大量的数据，这些数据一般都超过 4K，因此很少发生“超短帧”的情况。但是，Alignment 1 却是完全不同的状况。

当创建的硬盘分区出现不对齐（如图 9 所示）的情况时，会引起“读取-修改-写入”循环，影响硬盘性能。这是在实现高级格式化硬盘的过程中应主要避免的情况，我们稍后对此进行讨论。

小型写入

现代计算应用中的数据一般都大大超过 512 字节，如文档、图片和视频流等。因此，硬盘会将这些写入请求存储在缓存中，直到这些连续的 512 字节数据块能够组成一个 4K扇区。只要硬盘分区是对齐的，就可以轻松地将 512 字节扇区映射到 4K 扇区，而不会对性能产生任何影响。但是，某些低级别的处理会强制硬盘处理“超短帧”状况（这种状况与未对齐分区无关）。这种情况很少见，仅当主机发出小于 4K 的离散写入请求时发生。低级别的处理通常都是处理文件系统、日志的操作系统级别的活动，或是类似的低级别活动。通常来说，这些活动发生的几率很小，因此不会明显影响到总体性能。但仍然建议系统设计人员考虑对这些过程进行适当修改，以便在实现 4K 过渡后能最大化硬盘性能。