一個(gè)典型的硬盤如圖所示。

　　一個(gè)典型的硬盤

　　由圖可以看到，硬盤上磁盤進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，磁頭臂在磁盤上來回移動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入。這也是為什么我們說硬盤是一個(gè)機(jī)械部件的原因。通過圖2我們可以更抽象的來看磁盤讀取數(shù)據(jù)的方式。磁盤由圓心向外被劃分為多個(gè)磁道，所謂擺臂在磁道上來回移動(dòng)也就是擺臂在磁道間的來回移動(dòng)，

　　更抽象的硬盤原理

　　除了磁道之外，一個(gè)磁道還會(huì)被劃分為多個(gè)扇區(qū)，如圖3所示。

　　.磁道，扇區(qū)和簇

　　我們可以看到，扇區(qū)是硬盤尋址的最小單位，但實(shí)際上分配空間時(shí)最小的單位是簇(Clusters)。這也就是為什么硬盤上文件的實(shí)際大小和占用空間不同的原因。

　　一、磁盤讀寫數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間

　　在了解了硬盤的基本原理之后，不難推算出，磁盤上數(shù)據(jù)讀取和寫入所花費(fèi)的時(shí)間可以分為三個(gè)部分。

　　1、旋轉(zhuǎn)延遲

　　旋轉(zhuǎn)延遲指的是把扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，我們通常所說的7200轉(zhuǎn)的硬盤的轉(zhuǎn)就是這個(gè)。

　　平均旋轉(zhuǎn)延遲=1/(2*轉(zhuǎn)數(shù)每秒)

　　比如7200轉(zhuǎn)的硬盤的平均旋轉(zhuǎn)延遲等于1/2*120≈4.17ms

　　旋轉(zhuǎn)延遲只和硬件有關(guān)。

　　2、尋道時(shí)間

　　所謂尋道時(shí)間，其實(shí)就是磁臂移動(dòng)到指定磁道所需要的時(shí)間，這部分時(shí)間又可以分為兩部分：

　　尋道時(shí)間=啟動(dòng)磁臂的時(shí)間+常數(shù)*所需移動(dòng)的磁道數(shù)

　　其中常數(shù)和驅(qū)動(dòng)器的的硬件相關(guān)，啟動(dòng)磁臂的時(shí)間也和驅(qū)動(dòng)器的硬件相關(guān)

　　3、傳輸時(shí)間

　　傳輸時(shí)間指的是從磁盤讀出或?qū)��?shù)據(jù)寫入磁盤的時(shí)間。

　　這個(gè)時(shí)間等于：所需要讀寫的字節(jié)數(shù)/每秒轉(zhuǎn)速*每扇區(qū)的字節(jié)數(shù)

　　二、磁盤調(diào)度算法

　　通過上面硬盤讀寫數(shù)據(jù)所分的三部分時(shí)間不難看出，大部分參數(shù)是和硬件相關(guān)的，操作系統(tǒng)無力優(yōu)化。只有所需移動(dòng)的磁道數(shù)是可以通過操作系統(tǒng)來進(jìn)行控制的，所以減少所需移動(dòng)的磁道數(shù)是減少整個(gè)硬盤的讀寫時(shí)間的唯一辦法。

　　因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)內(nèi)可能會(huì)有很多進(jìn)程需要調(diào)用磁盤進(jìn)行讀寫，因此合理的安排磁頭的移動(dòng)以減少尋道時(shí)間就是磁盤調(diào)度算法的目的所在，幾種常見的磁盤調(diào)度算法如下。

　　1、先來先服務(wù)算法(FCFS)

　　這種算法將對磁盤的IO請求進(jìn)行排隊(duì)，按照先后順序依次調(diào)度磁頭。這種算法的特點(diǎn)是簡單，合理，但沒有減少尋道時(shí)間

　　2、掃描算法(SCAN)

　　這種算法在磁頭的移動(dòng)方向上選擇離當(dāng)前磁頭所在磁道最近的請求作為下一次服務(wù)對象，這種改進(jìn)有效避免了饑餓現(xiàn)象，并且減少了尋道時(shí)間。但缺點(diǎn)依然存在，那就是不利于最遠(yuǎn)一端的磁道訪問請求。

　　3、循環(huán)掃描算法(CSCAN)

　　也就是俗稱的電梯算法，這種算法是對最短尋道時(shí)間算法的改進(jìn)。這種算法就像電梯一樣，只能從1樓上到15樓，然后再從15樓下到1樓。這種算法的磁頭調(diào)度也是如此,磁頭只能從最里磁道到磁盤最外層磁道。然后再由最外層磁道移動(dòng)到最里層磁道，磁頭是單向移動(dòng)的，在此基礎(chǔ)上，才執(zhí)行和最短尋道時(shí)間算法一樣的，離當(dāng)前磁頭最近的尋道請求。這種算法改善了SCAN算法，消除了對兩端磁道請求的不公平。

　　4、最短尋道時(shí)間算法(SSFT)

　　這種算法優(yōu)先執(zhí)行所需讀寫的磁道離當(dāng)前磁頭最近的請求。這保證了平均尋道時(shí)間的最短，但缺點(diǎn)顯而易見：離當(dāng)前磁頭比較遠(yuǎn)的尋道請求有可能一直得不到執(zhí)行，這也就是所謂的“饑餓現(xiàn)象”。

　　三、其它優(yōu)化手段以及SQL Server是如何利用這些手段

　　除去上面通過磁盤調(diào)度算法來減少尋道時(shí)間之外。還有一些其它的手段同樣可以利用，在開始之前，我首先想講一下局部性原理。

　　局部性原理

　　所謂的局部性原理分為時(shí)間和空間上的。由于程序是順序執(zhí)行的，因此當(dāng)前數(shù)據(jù)段附近的數(shù)據(jù)有可能在接下來的時(shí)間被訪問到。這就是所謂的空間局部性。而程序中還存在著循環(huán)，因此當(dāng)前被訪問的數(shù)據(jù)有可能在短時(shí)間內(nèi)被再次訪問，這就是所謂的時(shí)間局部性原理。

　　因此在了解了局部性原理之后，我們可以通過以下幾個(gè)手段來減少磁盤的IO。

　　延遲寫(Delayed write)

　　同樣，根據(jù)時(shí)間局部性原理，最近被訪問的數(shù)據(jù)有可能再次被訪問，因此當(dāng)數(shù)據(jù)更改之后不馬上寫回磁盤，而是繼續(xù)放在內(nèi)存中，以備接下來的請求讀取或者修改，是減少磁盤IO的另一個(gè)有效手段，在SQL Server中，實(shí)現(xiàn)延遲寫是buffer pool,當(dāng)一個(gè)修改請求被commit之后，并不會(huì)立刻寫回磁盤，而是將修改的頁標(biāo)記為“臟”，然后根據(jù)某種機(jī)制通過checkpoint或lazy writer寫回磁盤，關(guān)于checkpoint和lazy writer的原理，可以參考我之前的文章：淺談SQL Server中的事務(wù)日志(二)----事務(wù)日志在修改數(shù)據(jù)時(shí)的角色.

　　提前讀(Read-Ahead)

　　提前讀也被稱為預(yù)讀。根據(jù)磁盤原理我們不難看出，在磁盤讀取數(shù)據(jù)的過程中，真正讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間只占了很小一部分，而大部分時(shí)間花在了旋轉(zhuǎn)延遲和尋道時(shí)間上，因此根據(jù)空間局部性原理，SQL Server每次讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間不僅僅讀取所需要的數(shù)據(jù)，還將所請求數(shù)據(jù)附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。這在SQL Server中被稱為預(yù)讀。SQL Server通過預(yù)讀可以有效的減少IO請求。

　　優(yōu)化物理分布

　　根據(jù)磁盤原理不難看出，如果所請求的數(shù)據(jù)在磁盤物理磁道之間是連續(xù)的，那么會(huì)減少磁頭的移動(dòng)距離，從而減少了尋道時(shí)間。因此相關(guān)的數(shù)據(jù)放在連續(xù)的物理空間上會(huì)減少尋道時(shí)間。SQL Server中，通過聚集索引使得數(shù)據(jù)根據(jù)主鍵在物理磁盤上連續(xù)，從而減少了尋道時(shí)間。