我是一块硬盘（上）

序

我知道CPU和内存是计算机的核心， 毕竟所有的运算最后都得通过他们俩来完成， CPU从内存里要取一条指令， 做计算，然后再写回内存， 如此周而复始。
但是这俩货却瞧不起我，说这是什么年代了，还在用机械式操作， 读写数据的时候， 还得一个磁头在多个盘片上滑来滑去，找来找去， 速度慢的要死。

内存说：“CPU比我快100倍， 比你快100万倍，整个系统的速度都被你给拖慢了。”
这是典型的五十步笑百步。
他俩还嘲笑我很娇气，得真空、密闭、不能有浮尘、运行时不能震动， 一动就坏了。
但这俩二货总是会忘记他俩的最大问题，所以我只用一句就把他们俩给噎死： 你们俩断电了怎么办？
还有我的容量都是按TB, 甚至PB 来算的， 就你们俩那点容量，还笑我?

还有，没有我来存储程序，你们从哪儿得到程序， 难道要像牵牛星（如下图）一样， 手工拨动一排开关来输入程序吗？

其实我也很纳闷，  为什么你们人类造不出来一个能够断电存储的， 大容量的， 访问速度快的，当然还要便宜的硬盘来 ，你们不都上天了吗？要登陆火星了吗？ 这些基础的材料怎么还无法突破？
我憧憬着这么一天的来临， 如果能制造出来了， CPU就可以直接访问硬盘了， 内存就一边凉快去吧。
在制造出来之前， 你们必须得容忍CPU-内存-硬盘之间的速度不匹配， 并且想出办法来解决这种速度的不匹配， 比如用缓存、 直接内存访问、 多进程/线程切换等等方法。

内部结构

其实我的内部是长这个样子的：

看到没有，我有很多个盘片像串糖葫芦一样被串在一个主轴上， 主轴带着他们疯狂的旋转。 
每个盘片都有很多一圈一圈的磁道， 每个磁道又分为一个一个的扇区。
多个盘片上的同一位置的磁道组成了一个柱面 (需要发挥一下你的想象力)
最后每个盘片上都有可以读写数据的磁头。所以，如果你想访问我的数据，可以说： 把0柱面， 0磁头， 1扇区的数据给我拿来。 
我就把磁头挪到您指定的柱面，对每个磁盘来讲其实就是指定的磁道， 所以这叫“寻道时间”
然后再旋转磁盘，让磁头指向您指定的扇区，这才能开始读取数据， 这叫“旋转时间”，转速快的硬盘能更快的旋转到特定扇区， 所以性能会更好些。

文件

当然，对于绝大部分人来说，都不想去了解什么柱面，磁头，扇区这些非人的术语，所以我为懒人们专门提供了一个叫做逻辑块的方式，你看到磁盘就是有一个个“块”组成的，编号为1, 2, 3, ..n 。
想取哪一块就取哪一块， 比如你说：把第1024号的“块" 的数据给我取过来， 我在内部就把1024转化成柱面，磁头，扇区， 按照上面说的方法寻道，旋转，读取数据。
但是这还远远不够，比方说你想写个文档，输入了很多字和图片，最后想存到我这个硬盘上，你该怎么操作？
一种方法是这样的：你： 硬盘，给我找20个空闲的磁盘块， 我想存我的文档
我：空闲的磁盘块编号是1024， 2048， 2049 ，3000 ,......
你： 把这些文字和图片存到这些磁盘块上
我： 好的，存完了， 你得记住这些块啊， 这样下次才能读取。
你： 拿一支笔把这些磁盘块编号都记到本子上
过了几天......
你： 硬盘， 把1024,2048,2049,3000这些数据给我取出来，我要编辑。
我： 好的，这是你的数据
没有人喜欢这种方式， 太折磨人了！每个人喜欢这么做：   打开word -> 新建一个文件-> 输入文字和图片-> 保存到C盘“我的文档”目录下。
这个所谓的“文件”和“目录”就是我的杰作啊，你再也不需要和烦人的磁盘块打交道， 只需要记住你的文件名和路径， 一切工作交由我和操作系统老大来搞定。
我和老大商量好了，文件对人类来说是最小存储单位， 你想存任何东西，无论多么小，非得建个文件不可。
此外为了让这个世界整洁有序， 多个文件可以放到一个目录（其实也是个特殊的文件）里， 目录之上还可以有目录，形成一个树的结构。
文件这个东西是个伟大的发明， 我估计你们还得再用100年。

文件的存放

我日常的主要工作就是对目录和文件做操作，当然需要操作系统老大的配合，好吧，其实是老大在主导。
这其中最重要的一个问题怎么去记录各个文件都用到哪些磁盘块？
内存给我支了一招：你可以采用连续记录的方式啊， 就像这样。

文件1 占据磁盘块 1-3文件2 占据磁盘块 8-12文件3 占据磁盘块 15-20
内存说： 这种方法在随机访问文件是效率极好，因为你只要知道了开头和长度，就像数组一样可以随便访问， 就像CPU访问我一样， 只要给出地址，立刻就能定位到指定的位置。
我仔细想了想， 内存出的是一个损招， 比如说内存磁盘块 4 -7 ，以及13-14怎么没用？  
那是因为之前那里也有文件，后来被删除了，留下了空洞， 如果之后没有大小合适的文件过来，他们就永远空在那里了。
对我来说这是严重的浪费， 这是我不能容忍的。 
我说：“小样你以为我看不出来啊，你不就是嫉妒我容量大，让我浪费一点嘛”
内存坏笑了一下又说： 不喜欢也没关系嘛，试试采用链式啊：

这个文件从第一块磁盘开始，形成一个链 1->9->18->8->3   , 每一块空闲的磁盘都会得到充分的利用， 效率非常高。
我心想： 这些码农说的数据结构和算法还真是有用啊， 这里也用上链表了。
可是这种方式随机的访问效果太差， 每次都得从第一块开始，沿着绳子往后找，太痛苦了。
现在内存已经嘲笑我慢了，用这种很慢的办法，还不得笑死我？
操作系统老大说：“别听内存在那里BB了， 用索引式！”

例如第16号磁盘块专门用来存放文件属性以及该文件所使用的磁盘块。
老大把这个磁盘块叫做inode,通过它可以轻松的找到这个文件所使用的所有磁盘块， 无论是顺序访问还是随机访问都很快。
唯一的缺点是得用额外的磁盘块单独存放inode 。
我觉得挺好，没有十全十美的东西，折中达到平衡最重要 ！ 就是它了！
（未完待续）

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