淺述“4K對齊”及其發(fā)展前景

羅杰 劉夢彧 李健枝 羅慧敏 王洪江

摘要：隨著固態(tài)硬盤的興起和大容量機械硬盤的發(fā)展，“4K對齊”這個概念漸漸興起。硬盤物理扇區(qū)和邏輯扇區(qū)之間的關(guān)系影響著硬盤的性能，文中以此闡述了“4K對齊”的概念，分析了原理及其重要性，并展望發(fā)展前景，以期能夠為計算機應(yīng)用方面的發(fā)展提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：4K對齊；扇區(qū)；發(fā)展前景

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）12-0270-01

1 引言

“4K對齊”這個概念因固態(tài)硬盤的出現(xiàn)而興起。大多數(shù)人們都知道4K對齊這個概念，也知道在使用電腦過程中如何運用4K對齊，卻很少知道4K對齊背后的原理。顯然，4K對齊對于提升硬盤性能，加快文件操作速度有著非常重要的作用。在未來一段時間內(nèi)，4K對齊將繼續(xù)成為硬盤產(chǎn)業(yè)的主流。

2 什么是“4K對齊”

“4K對齊”指的是符合“4K扇區(qū)”定義格式化過的硬盤，并且按照“4K 扇區(qū)”的規(guī)則寫入數(shù)據(jù)。但筆者認為此定義過于狹隘化，4K對齊是一個具體化了的概念，不適合廣義情況下對此種技術(shù)進行解釋。因此，筆者提出一個新的概念：扇區(qū)對齊。扇區(qū)對齊指的是硬盤物理扇區(qū)單元大小與邏輯扇區(qū)單元大小相同，并按照分配單元大小的規(guī)則寫入數(shù)據(jù)。值得注意的是，扇區(qū)對齊是扇區(qū)單元大小的對齊，并不是指扇區(qū)地址的對齊。扇區(qū)對齊這個概念與4K對齊這個概念相比，更加本質(zhì)化，更加具有概括性和廣義性。

3 底層原理分析

3.1 硬盤上的物理扇區(qū)和邏輯扇區(qū)

以機械硬盤為例（下同），硬盤上一般有很多盤片組成，每張盤片被劃分為一塊塊的扇面，同時沿著半徑方向被劃分成了很多磁道，每條磁道與扇面形成的扇形區(qū)域就叫作物理扇區(qū)。邏輯扇區(qū)是由操作系統(tǒng)劃分的軟件層上的扇區(qū)，是為了方便操作系統(tǒng)讀寫硬盤數(shù)據(jù)而設(shè)置的，其大小與具體地址，都可以通過一定的公式與物理扇區(qū)地址對應(yīng)。扇區(qū)是讀寫信息的最小單位。

3.2 硬盤扇區(qū)與操作系統(tǒng)讀寫操作

以windows系統(tǒng)為例，在格式化硬盤時，我們會看到格式化選項卡中有“分配單元大小”一欄。其意思就是操作系統(tǒng)為這個邏輯分區(qū)分配的邏輯扇區(qū)空間大小，格式化后操作系統(tǒng)會按照這個單元大小對硬盤進行讀寫操作。每個分配單元只能存放一個文件。文件按照這個分配單元的大小被分成若干塊存儲在磁盤上。

傳統(tǒng)的硬盤一般以512B為物理扇區(qū)大小，其分區(qū)偏移尺寸一直是從63扇區(qū)（63X512B=31.5KB）開始。直到近年來，大容量的機械硬盤的扇區(qū)尺寸提高至4096字節(jié)（即4KB），而電腦文件系統(tǒng)（FAT、NTFS等）一直都習慣以512字節(jié)的扇區(qū)單位來操作硬盤。新標準的"4K扇區(qū)"的硬盤在廠商為了保證與操作系統(tǒng)兼容的前提下，也將扇區(qū)模擬成512B，因此出現(xiàn)“4K不對齊”的情況發(fā)生。如果“4K不對齊”，那么從第63個扇區(qū)結(jié)束，往后的每一個簇都會跨越兩個物理單元，占據(jù)前一個單元的一部分和后一個單元的一部分。而“4K對齊”主要是將硬盤的邏輯扇區(qū)從第64個扇區(qū)開始對齊，即操作系統(tǒng)從第64個扇區(qū)開始讀寫數(shù)據(jù)，這樣就跨過了63扇區(qū)的特性，解決了每一個簇跨兩個物理單元讀寫的問題。

4 “4K對齊”的重要性

引言中提到，“4K對齊”這個概念因固態(tài)硬盤的出現(xiàn)而興起，那么4K這個數(shù)值就肯定跟固態(tài)硬盤有關(guān)。固態(tài)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于機械硬盤，其讀寫的最小單位是“頁”，相當于機械硬盤的物理扇區(qū)，并且常見尺寸為4KB。固態(tài)硬盤存顆粒不允許像機械硬盤一樣覆蓋寫入，因此在有數(shù)據(jù)的地方要寫入新數(shù)據(jù)，就需要先進行擦除操作，而擦除的最小單位是塊（每個塊都由很多個頁組成）。因此，4K這個數(shù)值是順應(yīng)了硬盤設(shè)備的發(fā)展而得出的。

以固態(tài)硬盤為例，固態(tài)硬盤的頁大小為4KB，傳統(tǒng)分區(qū)偏移尺寸為31.5KB。如果4K不對齊，那么用戶的數(shù)據(jù)都會跨兩個頁，導(dǎo)致每次的寫入操作都變成了讀-擦-寫操作，造成性能下降。寫入一個4KB的數(shù)據(jù)，實際運行時會有兩次寫入操作，4K對齊就讓是操作系統(tǒng)的最小分配單元和閃存的一個頁對應(yīng)起來，這樣操作系統(tǒng)寫入一個4KB的數(shù)據(jù)，一次就能完成。因此，“4K”對齊能夠提升硬盤工作效率，延長硬盤壽命，提升文件操作的穩(wěn)定性與安全性。

5 發(fā)展前景展望

5.1 “4K對齊”將成為過去

目前的4K對齊是由于硬盤與操作系統(tǒng)各自的扇區(qū)單元大小不匹配、不兼容造成的。隨著技術(shù)的發(fā)展和時間的推移，操作系統(tǒng)更新?lián)Q代，硬盤廠商將不用再對物理扇區(qū)進行模擬，從而實現(xiàn)默認的“4K對齊”，手動的“4K對齊”將成為過去。

5.2 “扇區(qū)對齊”將替代“4K對齊”

正如物理扇區(qū)大小由512B擴大到4K一樣，4K在不久的將來也會成為過去。目前，操作系統(tǒng)支持的邏輯扇區(qū)大小已經(jīng)高達2048K，由于硬盤廠商和操作系統(tǒng)廠商之間技術(shù)的差異，追逐與被追逐、兼容與被兼容的狀況將一直持續(xù)，“4K對齊”將會變成“8K對齊”、“16K對齊”。實際上，其實質(zhì)就是“扇區(qū)對齊”。這正是筆者提出“扇區(qū)對齊”這個概念的原因?！吧葏^(qū)對齊”將替代“4K對齊”。

6 結(jié)束語

認識和了解“4K對齊”對于指導(dǎo)人們使用和維護硬盤具有重要的作用。然而不可忽略的是，“4K對齊”因其局限性將會被取代，而“扇區(qū)對齊”將更加具有廣義性，是取代“4K對齊”的詞語之一。