磁盤是一種存儲數據的設備，早期計算機主要使用軟磁盤（軟盤），而如今主要使用硬磁盤（硬盤）。當前市場上的硬盤主要分為機械硬盤和固態硬盤，兩者各有優缺點。

機械硬盤：容量大、價格低廉、但讀取速度較慢、體積較大（許多公司仍在使用，因為成本較低）。固態硬盤：讀取速度快、體積小、但價格較高，且存儲空間有限（當前大多數計算機使用固態硬盤）。

這里我們主要講解的是機械硬盤，顧名思義，機械硬盤是計算機上唯一的一個機械設備。

基本結構

機械硬盤的基本結構主要包含以下部分：

盤片：一片兩面，每一面都可以存儲數據，有一摞盤片。 磁頭：盤片每一面各有一個磁頭，負責盤面數據的讀取。 傳動軸：用來控制磁頭的進退。 主軸：控制盤片的穩定旋轉。

存儲結構

機械硬盤的物理存儲結構主要分為磁道、扇區和柱面。（部分內容來源于：硬盤結構（機械硬盤和固態硬盤）詳解）

磁道：每個盤片在邏輯上有許多不同半徑的同心圓，最外面的同心圓稱為0磁道。我們將每個同心圓稱為磁道（注意，磁道只是邏輯結構，盤面上并沒有實際的同心圓）。 扇區：在磁盤上，每個同心圓是磁道，從圓心向外呈放射狀產生分割線（扇骨），將每個磁道等分為若干弧段，每個弧段就是一個扇區。每個扇區的大小固定，為512Byte。扇區也是磁盤的最小存儲單位。 柱面：不同盤片中的相同磁道形成的一個圓柱。

數據的寫入與讀取

磁盤的存儲介質為磁性材料，計算機內的數據由大量的0和1組成，磁頭將這些電信號轉化為磁信號。機械硬盤通過磁頭對南北極的更改來實現數據的讀取與寫入。當通過CHS定位到具體扇區時：

向磁盤中寫入數據：N -> S （0->1） 刪除數據：S -> N (1->0) 數據的寫入/刪除與讀取的本質是更改基本元素的南北極，讀取南北極。

邏輯抽象

如上所說，如果操作系統（OS）能知道任意的CHS地址，就能訪問任意一個扇區，但OS內部并不是直接使用CHS定位法。

這是因為OS是一個用于管理軟硬件資源的軟件，而CHS定位法是磁盤作為硬件使用的方法。由于硬件可能會隨著時代的發展而不斷改變，如果此時OS采用CHS，那么OS也需要隨著硬件的更新而更新。耦合度太高，成本太大。因此，為了實現與硬件的解耦，OS采用一種新的定位方法——LBA邏輯塊地址。

如下圖所示：將磁道從最外層鋪開，就像扯膠帶一樣拉開，就會得到一串連續的線性空間，我們把它想象成一個大數組，如下圖所示：

此時計算機的常規訪問方式，就變成了某一個數據塊的起始地址+偏移量。這樣也就完成了CHS到LBA的轉換。因此，OS對于磁盤的管理，實際上就轉化為了對這個大數組的管理。

當然，OS進行IO的基本單位是可以調整的，一般都是4KB，即一個數據塊的大小，這也是為什么磁盤會被稱為塊設備的原因之一。這樣也是為了提高IO效率，根據內存對齊原則。

文件系統分治管理

Windows下的分盤：

這種管理策略，有點類似于我們國內為了管理好整個國家，設置了各個省，而為了管理好一個省，又設置了各個市。只不過計算機的這種管理方式要更加簡單些，因為管理的策略都一樣，不像國內各個省市的管理要考慮當地具體情況。

塊組內的信息

如上所說，OS只需要管理好一個塊組，就能管理好所有的塊組，進而管理好一個分區，再進而管理好整個文件系統。那么，一個塊組內，都包含些什么呢？如下所示：

上面提到了一個inode節點，我們知道，Linux下一切皆文件，文件=內容+屬性，Linux是將文件的內容與屬性的數據分離開來，一個inode節點內，保存文件的各種屬性信息，比如：文件的讀寫權限、擁有者、文件大小、對應的inode編號等。而文件的內容數據，則保存在data blocks中對應的一個或多個數據塊中。

這里需要注意的是：

在文件的inode中，不包含文件名。 目錄也是文件，也有自己的inode編號，其中目錄的數據塊中存放的則是該目錄下的文件名與對應的inode編號的映射關系。兩者互為Key值。 inode編號只在該分組所在的分區內有效。通過inode編號，就可以先確定所在分區，再確定所在分組。 一個文件對應一個inode編號。 任何文件，都在處于一個目錄內。所以可以先通過inode table找到目錄的inode編號，找到inode編號，就找到了inode節點，節點內記載著各種屬性，進而找到Block Bitmap的使用情況，根據Block Bitmap再來確定目錄所使用的數據塊，目錄的數據塊內包含目錄下的文件名與文件的inode編號的映射關系，從而找到目錄下的某一個具體文件。我們通過指令ls -l -i來查看文件的inode編號。

磁盤文件的創建與刪除

文件創建

對于文件的創建，首先會找到一個空閑的inode節點，將文件屬性記錄在該節點內，同時將該inode節點對應的inode Bitmap的比特位由0置1。 尋找空閑的數據塊，用來存儲文件的相關內容，并將數據塊的相關信息填入inode節點中，同時將對應的Block Bitmap由0置1。 將該文件名添加到當前目錄文件的date block中，并將該文件名與對應的inode編號連接起來。

文件刪除

文件的刪除，其實只需要對位圖信息進行修改即可。 首先根據文件所在的目錄。目錄中的date Block記載著該目錄下的文件名與inode編號的映射關系，根據映射關系，找到該文件對應的inode。 根據inode，將對應的Block Bitmap由1置0（刪除內容）。 再根據inode，將對應的inode Bitmap由1置0。（刪除屬性）。

補充

補充一

我們知道，在文件的inode節點中，記載了數據塊的相關使用信息，可能是用一個數組來記載，但是此時可能會面臨一個問題，就是假如一個文件使用了15個數據塊，而一個數據塊的大小為4KB，也不是意味著該文件最多能放入15*4=60KB的內容？

答案是否定的，因為數據塊里面有的可能并不是放著文件的內容，而是存放著該文件使用的其它數據塊的索引。（有點類似套娃）。如下所示：

如上所示，一個數據塊內，可能存在多級的索引關系，從而實現對大量數據的存儲。

補充二

如上所說，文件的內容采用數據塊存儲，而一個數據塊的大小為4KB，那么就可能會出現文件系統中存在大量的，內容非常少導致實際使用的空間很小（可能才幾個字節，甚至更小），此時就會出現大量的空間浪費。

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