机械硬盘与固态硬盘的适用场景

之前一直以为固态硬盘各方面都比机械硬盘性能高，所以首选固态硬盘，直到看了极客时间-深入浅出计算机组成原理中硬盘相关章节的内容，才发现固态硬盘原来是有缺点的，所以这里来做一个总结。
机械硬盘（HDD）

机械硬盘由以下几个部分组成：
盘面：盘面（盘片）上有一层磁性涂层，数据就是存储在这个磁性的涂层上，一个盘面在正反两面都有磁性涂层。盘面中央有一个可以旋转的主轴，主轴可以使盘片以固定的旋转速率进行旋转，我们看到磁盘标注的每分钟多少转（RPM , Revolution Per Minute）指的就是这个旋转速率，比如7200转，表示一分钟可以旋转7200下：

（注：图片来自极客时间-深入浅出计算机组成原理）
一个盘面又可以划为多个扇区和多个磁道。
磁道：一个盘片可以划分为多个同心圆，每一个圆环就叫做磁道，可以理解为是盘片上的圆形环道：

扇区：每个磁道又可以分为一个个扇区，也就是磁道上的一个弧段：

柱面：上下平行的一个个盘面的相同扇区组成的部分，称作一个柱面。

（注：图片来自极客时间-深入浅出计算机组成原理）
磁头：用于从盘面读取数据传输到总线，一个盘面有正反两面，正反两面都会有一个磁头。
传动臂（悬臂）：与磁头相连接，通过沿着半径轴前后移动传动臂，可以将磁头定位到每一个磁道上，读取存储的数据。
磁盘是由一个或者多个平行叠放在一起的盘片组成的，将它们封装在一个密封的包装内，整个装置称为磁盘驱动器，也就是我们常说的磁盘。
磁盘以扇区为大小进行数据读写，数据读写的耗时主要有以下几部分：

• 寻道时间：首先传动臂需要将磁头定位到包含目标扇区的磁道上，移动传动臂所需的时间称为寻道时间，它依赖于磁头当前所在的位置以及传动臂在盘面上移动的速度。
  
• 旋转时间：将磁头定位到目标扇区所在的磁道后，需要等待目标扇区的第一个位旋转到磁头下，它依赖于磁盘的旋转速率。
  

从数据读取步骤当中可以看出，如果我们将数据进行顺序存放，尽可能将数据放在同一个扇区或者是一个柱面，这样只需旋转一次盘面，进行一次寻道，即可读取出内容，这也是顺序读写比随机读写性能高的原因。
固态硬盘（SSD）

固态硬盘是一种基于闪存的存储技术，由半导体存储器构成，没有移动的部件，不需要像机械硬盘一样进行寻道，所以在顺序写以及随机写的性能上相比机械硬盘都要高，但是它的耐用性缺比较差，接下来就看下SSD硬盘的耐用性为何差。
固态硬盘是有多个裸片叠在一起的：

（注：图片来自极客时间-深入浅出计算机组成原理）
一张裸片上可以放多个平面（Plane），一个平面上又会划分为多个块（Block），一个块的大小通常在几百KB到几MB，一个块里会划分为多个页（Page），一个页的大小通常是4KB：

（注：图片来自极客时间-深入浅出计算机组成原理）
SSD硬盘写入的基本单位为页，按页进行数据写入，但是它不能像机械硬盘一样直接通过覆盖进行写入，如果某一页已经写入过数据，需要被擦除后才可以重新写入数据，而且SSD硬盘是按块进行擦除的，也就是说如果某个页的数据被删掉还不能直接对页进行擦除，需要等待这个页所在的块整个被擦除才可以重新写入数据，而每一个块的擦除次数是有限的，当达到一定的擦除次数容易损坏。
举个例子
假设白色代表这个页未写入过数据，绿色代表这个页写入了有效数据，红色代表之前写入了有效数据后来数据被删除：

• 首先在某些空白页内写入了一些数据，写入数据的页变为绿色：
  
  
• 删除一部分数据，由于SSD需要按块擦除，所以某个块内的页如果既有有效数据又有删除数据，被删除的那部分数据会先标记为删除状态此时数据并未真正删除：
  
  
• 当某个块内的所有页都被标记为已删除，此时这个块就可以被擦除，这个块内的页就恢复成了白色：
  
  
• 假如删除的数据不连续，分散在各个块内，由于红色的页在被擦除之前不能写入数据，所以这些红色的页看起来类似磁盘碎片，既不能清理又不能写入数据，到达一定程度时可能没有合适的空白页进行数据写入，所以这时候需要做一次类似于磁盘碎片整理的工作，找一个红色页最多的块，将里面绿色页的数据移动到另外一个块中，然后将整个红色页所在的块进行擦除：
  
  

总结
机械硬盘可能更适合于写多（顺序写）读少的场景，固态硬盘更适合于读多写少的场景，不过也不能一概而论，最终还是要根据实际的应用场景来定。
参考
【极客时间-徐文浩】深入浅出计算机组成原理
《深入理解计算机系统》

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