4K对齐

4K对齐是一种高级硬盘使用技术,用特定方式将文件系统格式与硬盘的电磁物理结构进行搭配,以提高硬盘寿命并提高使用硬盘空间的效率。因该技术将磁盘片物理扇区与文件系统的每Cluster共4096Byte相互对齐而得名。

原理

当前电脑传统机械硬盘的每个扇区一般大小为512字节;当使用某一文件系统将硬盘格式化时,文件系统会将硬盘扇区、磁道与柱面统计整理,并定义一个磁簇(Cluster, 丛集)为多少扇区,方便快速存储。
例如:现时windows中常见使用的NTFS文件系统,默认定义为4096字节大小为一个簇,但NTFS分区因为其引导区占用了一个磁道共63个扇区[1],真正的文件系统在63号扇区之后,那么依照计算得出前63个扇区大小为:

  • 512 Byte x 63 = 32256 Byte

并按照预设Cluster大小,得出63扇区为多少个Cluster:

  • 32256 Byte ÷ 4096 Byte = 7.875

即为每个Cluster都会跨越两个物理单元,占据第一个单元的组后512字节和第二个单元的前3584字节。这样文件系统在读写某个Cluster的时候,硬盘需要读写两个物理单元,这会降低读写速度,并缩短使用寿命。现时一般使用一些硬盘分区软件在主引导记录的63个扇区后作牺牲地空出数个扇区以对齐文件系统的每Cluster 4096 Byte,以避免过多的读写操作,提升读写速度、延长使用寿命。

机械硬盘

在磁盘发展早期,每扇区为512字节比较适合当时硬盘的储存结构。但随着单盘容量的增加,储存密度的上升会明显降低磁头读取磁盘的信噪比,虽然可以用ECC校验保证数据可靠性,但消耗的空间会抵消储存密度上升带来的多余空间。所以提出以4KB为一个扇区为主的改变。现时硬盘厂商新推出的硬盘,都将遵循先进格式化(4KB扇区)的设计以对应新的储存结构和文件系统问题。

固态硬盘

相对于机械硬盘来说,4K对齐对于固态硬盘意义更大,现时的固态硬盘多为使用NAND Flash闪存作存储核心,该闪存具有删除、写入次数限制,当次数用完后该固态硬盘便会性能下降甚至报废;当然很多厂商设计固态硬盘存储方式为不在短时间内删除写入同一个位置,尝试全面均匀使用每一个扇区以达到期望寿命,然而在没有4K对齐的电脑上这将会使固态硬盘寿命快速下降。

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