关于 IO、存储、硬盘和文件系统

0.引入

在计算机领域，IO（Input/Output）指的是将数据从一个设备传输到另一个设备的过程。而存储指的是将数据保存在内存或硬盘等设备中的过程。硬盘则是存储设备的一种，用于长期存储数据。同时，为了更有效地管理和组织硬盘或其他存储设备中的数据，我们需要使用文件系统。

1.了解IO

IO是计算机中最重要的部分之一，它涉及所有数据的输入和输出操作。在计算机系统中，IO通常分为两类：存储器IO和设备IO。存储器IO指的是CPU与主内存之间的数据传输，而设备IO指的是外设（例如硬盘、键盘、鼠标、显示器等）与计算机之间的数据传输。

1.1.存储器IO

在存储器IO中，CPU会将数据从寄存器读取，然后将其存储到内存中。当需要读取数据时，CPU会从内存中读取数据，然后将其存储到寄存器中。存储器IO是非常快速和高效的，因为内存的访问速度很快，通常可以达到每秒数GB的速度。

1.2.设备IO

设备IO涉及到外设向计算机中传输数据，如硬盘读取和写入数据。在设备IO方面，最重要的因素是设备的传输速度。设备传输速度通常比内存传输速度慢得多，在某些情况下，速度可能只有数kb/s。而设备IO操作也非常耗费CPU资源，因此需要进行合理管理和优化。

2.存储介质和存储类型

计算机中，常用的存储介质有内存、硬盘、固态硬盘（SSD）和U盘等。各种存储介质都有其自身的优点和缺点，可以针对不同的需求进行选择。

2.1.内存

内存是计算机中用于暂时储存程序和数据的地方。内存的读写速度非常快，可以达到每秒GB的速度，但它的容量相对较小。内存中存储的数据在计算机关闭后会丢失，因此，它仅适用于临时存储数据。

2.2.硬盘

硬盘是一种用于长期存储数据的设备。与内存不同，硬盘的容量较大，可以存储TB级别的数据，而且可以在计算机关闭和重新启动后保留数据。但是，硬盘的读写速度较慢，通常在每秒数百MB的范围内。

2.3.固态硬盘（SSD）

固态硬盘是一种新型的存储设备，在速度上比传统的机械硬盘快得多。SSD没有机械部件，因此速度更快、噪音更小，并且可以在温度较高的环境下运行。但SSD相对较贵，容量也不如机械硬盘那么大。

2.4.U盘

U盘是一种便携式存储设备，它非常小巧轻便，可以轻松地将文件从一台计算机传输到另一台计算机。U盘价格便宜，容量适中，适合存储小型文件和临时数据。

3.硬盘的工作原理

硬盘是一种机械设备，它使用磁盘来存储数据。硬盘由许多不同的部件组成，包括磁头、盘片、电动机等。

3.1.磁头

磁头是硬盘中最重要的部件之一，它负责读取和写入磁盘上的数据。磁头以非常高的速度飞过磁盘表面，将信息写入磁介质或从中读取信息。

3.2.盘片

盘片是硬盘中存储数据的主要部件。一个硬盘通常有多个盘片，每个盘片都可以分成许多轨道和扇区。轨道是由同心圆组成的，而扇区是由一条弧线和两条半径直线组成的一个小块。

3.3.电动机

电动机是硬盘中的一个关键部件，它带动磁盘旋转。磁盘必须非常精确地旋转，以便磁头可以在正确的位置读取和写入数据。

3.4.硬盘的读写操作

当需要读取硬盘上的数据时，计算机会发送一个读取请求到硬盘，然后磁头飞过磁盘表面找到正确的轨道和扇区，并读取相应的数据。当需要写入数据时，磁盘会接收一个写入请求，并将数据存储到正确的磁盘扇区中。

4.文件系统概述

文件系统是计算机中用于管理和组织硬盘或其他存储设备中数据的技术。文件系统的作用是让计算机能够方便地对存储在硬盘或其他存储设备中的数据进行管理、存储、读取和写入等操作，以及保证数据的安全性、完整性和可靠性。

4.1.文件系统的类型

Linux支持的文件系统种类非常多。按照存储位置的不同，可以将文件系统分为以下三类：

1. 磁盘文件系统：把数据直接存储在磁盘中。常见的磁盘文件系统包括EXT2、EXT3、EXT4、ReiserFS、XFS、NTFS等。
2. 内存文件系统：数据存储在内存中而不是硬盘中。常见的内存文件系统包括/tmpfs、/proc、/dev/shm、/sys等。
3. 网络文件系统：可以将硬盘中的数据通过网络分享给其他计算机使用。常见的网络文件系统包括NFS、Samba等。

4.2.文件系统的相关概念

• inode：包含了文件或目录的元数据信息，每个文件或目录都有一个唯一的inode号码，操作系统可以通过inode号码来找到文件或目录。
• 超级块：文件系统中的一个非常重要的数据结构，它存储了文件系统的基本信息，如文件系统的大小、块大小、inode数量等等。
• 块：文件系统中的基本单位，文件系统把一个大文件分成若干个块进行存储。

4.3.文件系统的优化

为了提高文件系统的性能，可以采取以下几种优化方法：

1. 分区和格式化：合理的分区和格式化可以提高文件系统的性能。我们可以根据数据的不同特点、使用场景等，来选择合适的分区大小、格式化方式等参数。
2. 选择合适的文件系统：不同的文件系统有不同的特点和应用场景，选择合适的文件系统可以提高系统的性能和稳定性。
   • 例如，对于大容量的磁盘，Ext4是一个比较好的选择，而对于USB闪存盘，则可以选择FAT32或NTFS。
3. 调整inode_size：inode_size是一个非常重要的参数，它定义了每个inode节点占用的字节数。通常情况下，inode_size的值与块大小相同，也可以通过调整inode_size的大小来优化文件系统的性能。
4. 缓存：缓存是一个非常有用的优化手段，它可以提高文件系统的访问速度。缓存可以分为内存缓存和磁盘缓存两种。内存缓存是指使用内存来缓存热点数据，以提高访问速度。磁盘缓存是指使用硬盘空间来作为缓存，以提高数据的访问速度。

5.总结

IO是计算机中最重要的部分之一，它涉及所有数据的输入和输出操作。

存储包括内存、硬盘、固态硬盘（SSD）和U盘等，各种存储介质都有其自身的优点和缺点。

硬盘是一种重要的长期存储设备，它由许多不同的部件组成，包括磁头、盘片、电动机等。

文件系统是管理和组织硬盘或其他存储设备中数据的技术，它的作用是让计算机能够方便地对存储在硬盘或其他存储设备中的数据进行管理、存储、读取和写入等操作，以及保证数据的安全性、完整性和可靠性。