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【速搜问答】4K对齐是什么

问答 admin 3个月前 (08-24) 56次浏览 已收录 0个评论

汉英对照:
Chinese-English Translation:
4K对齐是指符合4K扇区定义格式化过的硬盘,并且按照“4K扇区”的规则写入数据。因为随着硬盘容量不断扩展,使得之前定义的每个扇区512字节不再是那么的合理,于是将每个扇区512字节改为每个扇区4096个字节,也就是现在常说的“4K扇区”。
“4K 对齐”指的是符合“4K 扇区”定义格式化过的硬盘,并且按照“4K 扇区”的规则写入数据。因为随着硬盘容量不断扩展,使得之前定义的每个扇区 512 字节不再是那么的合理,于是将每个扇区 512 字节改为每个扇区 4096 个字节,也就是现在常说的“4K 扇区”。

随着 NTFS 成为了标准的硬盘文件系统,其文件系统的默认分配单元大小也是 4096 字节,为了使簇与扇区相对应,,即使物理硬盘分区与计算机使用的逻辑分区对齐,保证硬盘读写效率,所以有了“4K 对齐”概念。
简介
硬盘中文件保存的基本单元是扇区,不管文件大小,都要占用一个扇区的空间。机械硬盘一个扇区是 512 字节,固态使盘一个扇区是 4K 字节。
微软操作系统常用的 NTFS 格式,默认的扇区大小也是 512 字节,并且规定前 63 个扇区是保留的,也就是前 31.5K 字节的空间是不用的,数据从第 64 个扇区开始保存。
这对于机械硬盘不是什么问题,但对于固态硬盘来说,数据保存从一开始就出现错位,一块数据横跨两个扇区的情况变得相当普遍,这意味着读写这块数据需要读写两个扇区,而闪存读写次数是受限制的,过多无意义的读写对固态硬盘的性能和寿命会造成很大的损伤。可以借助固态硬盘相关工具(如 Paragon Alignment Tool)进行 4K 对齐。
产生背景
由于 SSD 硬盘的读写机制特性,写入数据时,以 8 个扇区(4096KB)为一基本存储单元。写满后继续下ー个 4K 区块写操作,若 SSD 硬盘没有 4K 对齐处理,数据写入会 4K“超界”,读取数据时会在超界处,造成二次往复读取,读取数据时间増加,读写效率降低。
底层原理分析
硬盘上的物理扇区和逻辑扇区
以机械硬盘为例(下同),硬盘上一般有很多盘片组成,每张盘片被划分为一块块的扇面,同时沿着半径方向被划分成了很多磁道,每条磁道与扇面形成的扇形区域就叫作物理扇区。逻辑扇区是由操作系统划分的软件层上的扇区,是为了方便操作系统读写硬盘数据而设置的,其大小与具体地址,都可以通过一定的公式与物理扇区地址对应。扇区是读写信息的最小单位。
硬盘扇区与操作系统读写操作
以 windows 系统为例,在格式化硬盘时,我们会看到格式化选项卡中有“分配单元大小”一栏。其意思就是操作系统为这个逻辑分区分配的逻辑扇区空间大小,格式化后操作系统会按照这个单元大小对硬盘进行读写操作。每个分配单元只能存放一个文件。文件按照这个分配单元的大小被分成若干块存储在磁盘上。
传统的硬盘一般以 512B 为物理扇区大小,其分区偏移尺寸一直是从 63 扇区(63X512B=31.5KB)开始。大容量的机械硬盘的扇区尺寸提高至 4096 字节(即 4KB),而电脑文件系统(FAT、NTFS 等)一直都习惯以 512 字节的扇区单位来操作硬盘。新标准的”4K 扇区”的硬盘在厂商为了保证与操作系统兼容的前提下,也将扇区模拟成 512B,因此出现“4K 不对齐”的情况发生。如果“4K 不对齐”,那么从第 63 个扇区结束,往后的每一个簇都会跨越两个物理单元,占据前一个单元的一部分和后一个单元的一部分。而“4K 对齐”主要是将硬盘的逻辑扇区从第 64 个扇区开始对齐,即操作系统从第 64 个扇区开始读写数据,这样就跨过了 63 扇区的特性,解决了每一个簇跨两个物理单元读写的问题。
“4K 对齐”的重要性
“4K 对齐”这个概念因固态硬盘的出现而兴起,那么 4K 这个数值就肯定跟固态硬盘有关。固态硬盘的内部结构不同于机械硬盘,其读写的最小单位是“页”,相当于机械硬盘的物理扇区,并且常见尺寸为 4KB。固态硬盘存颗粒不允许像机械硬盘一样覆盖写入,因此在有数据的地方要写入新数据,就需要先进行擦除操作,而擦除的最小单位是块(每个块都由很多个页组成)。因此,4K 这个数值是顺应了硬盘设备的发展而得出的。
以固态硬盘为例,固态硬盘的页大小为 4KB,传统分区偏移尺寸为 31.5KB。如果 4K 不对齐,那么用户的数据都会跨两个页,导致每次的写入操作都变成了读-擦-写操作,造成性能下降。写入一个 4KB 的数据,实际运行时会有两次写入操作,4K 对齐就让是操作系统的最小分配单元和闪存的一个页对应起来,这样操作系统写入一个 4KB 的数据,一次就能完成。因此,“4K”对齐能够提升硬盘工作效率,延长硬盘寿命,提升文件操作的稳定性与安全性。
查看 4K 对齐
可以通过 AS SSD Benchmark 软件查看 4K 对齐,如下图所示。在左上角出现“1024K-OK”字样,说明已经 4K 对齐。不同的硬盘可能出现不同的数值。但只要是绿色字体 OK 状态即可,否则是红色字体 BAD 状态。
无损 4K 对齐
事实证明,如果 SSD 固态硬盘不进行 4K 对齐,性能损失近一半,极大地降低数据写入和读取速度,还会造成固态硬盘不必要的写入次数。所谓 4K 对齐,是指符合“4K 扇区”定义格式化过的硬盘,并按照“4K 扇区”的规则写入数据。对于 SSD 固态硬盘来说,最直接的方法就是格式化进行 4K 对齐。但在 DOS 模式下 Format 格式化是无法进行 4K 对齐的。而 Windows 内置分区工具使用有繁琐,而且对于预装了系统的笔记本而言,重分区更麻烦。
要对 SSD 固态硬盘进行无损 4K 对齐,可以 Paragon Alignment 无损对齐软件,运行软件后,点下一步”按钮。此时软件界面会显示硬盘状态,绿色说明已经对齐,黄色则表示没有对齐,粉色不需要对齐。这个时候选择需要对齐的 SSD 固态硬盘,点击“ Align Partitons”按钮,此时系统会重启并自动切换到 DOS 下进行对齐进程,值得注意,需要耐心等待 1 个小时左右才能完成 4K 对齐。
当 4K 对齐完成后,笔记本再次重启,进入系统后,会弹出一个提醒对齐成功的窗口,如果分区的颜色变为绿色,后面有 succeeded 的表示,表示 4K 对齐成功。当然也可以借助 AS SSD Benchmark 软件查看是否 4K 对齐,在软件主界面左上角,如果出现有红色字样的“BAD”提示,说明还没有 4K 对齐。如果全是绿色的字体,显示 OK,就表示已 4K 对齐。


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