為什么 CPU 訪問硬盤很慢

為什么這么設(shè)計(jì)（Why’s THE Design）是一系列關(guān)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中程序設(shè)計(jì)決策的文章，我們?cè)谶@個(gè)系列的每一篇文章中都會(huì)提出一個(gè)具體的問題并從不同的角度討論這種設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)、對(duì)具體實(shí)現(xiàn)造成的影響。如果你有想要了解的問題，可以在文章下面留言。

機(jī)械硬盤（Hard Disk Drive、HDD）和固態(tài)硬盤（Solid State Drive、SSD）是兩種最常見的硬盤，作為計(jì)算機(jī)的外部存儲(chǔ)，CPU 想要訪問它們存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)需要很長時(shí)間，如下表所示，在 SSD 中隨機(jī)訪問 4KB 數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間是訪問主存的 1,500 倍，機(jī)械磁盤的尋道時(shí)間是訪問主存的 100,000 倍：

表 1 - 2012 年延遲數(shù)字對(duì)比[^1]

雖然磁盤的尋道時(shí)間只需要 10ms，但是在 CPU 看來已經(jīng)是非常長的時(shí)間了，當(dāng)我們將上述的時(shí)間等比例放大后，就能直觀地感受到它們的性能差異。如果 CPU 訪問 L1 緩存需要 1 秒，那么訪問主存需要 3 分鐘、從 SSD 中隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)需要 3.4 天、磁盤尋道需要 2 個(gè)月，網(wǎng)絡(luò)傳輸可能需要 1 年多的時(shí)間。

在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，硬盤屬于一種常見的輸入輸出設(shè)備，操作系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)不一定需要硬盤，它既可以通過硬盤啟動(dòng)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者外部設(shè)備啟動(dòng)，所以硬盤不是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的必要條件。

圖 1 - 輸入輸出設(shè)備

作為一種外部的輸入輸出設(shè)備，與 CPU 緩存和內(nèi)存相比，硬盤極慢的讀取和寫入速度就顯得比較合理了，然而幾千倍甚至幾十萬倍的速度差異也確實(shí)讓人很難想象或者接受，在這篇文章中，我們會(huì)分析為什么 CPU 訪問硬盤的速度非常慢：

• CPU 訪問硬盤數(shù)據(jù)的過程比較復(fù)雜，它會(huì)先通過 I/O 操作將磁盤中的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，再訪問內(nèi)存的數(shù)據(jù)；
• 機(jī)械硬盤在訪問磁盤中的數(shù)據(jù)依賴的是機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要移動(dòng)磁盤中的機(jī)械臂；

I/O 操作

CPU 想要訪問磁盤中的數(shù)據(jù)一定要先通過 I/O 操作將磁盤中的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，再訪問存儲(chǔ)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中包含三種比較常見的 I/O 操作[^2] — 編程 I/O（Programmed I/O）、中斷驅(qū)動(dòng) I/O（Interrupt-driven I/O）和直接內(nèi)存訪問（Direct Memory Access)，我們接下來將依次介紹上述的這幾種操作[^3]：

圖 2 - 常見 I/O 操作

執(zhí)行 I/O 操作最簡單的形式就是使用編程 I/O，使用編程 I/O 時(shí)，CPU 會(huì)負(fù)責(zé)全部的工作，如果我們想要在屏幕上輸出 Hello World，CPU 每次都會(huì)向 I/O 設(shè)備中寫入一個(gè)新字符，寫入后會(huì)輪詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)等待它完成工作后寫入新的字符。這種方式雖然簡單，但是它會(huì)占用全部的 CPU 資源，在某些復(fù)雜的系統(tǒng)中會(huì)造成計(jì)算資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

中斷驅(qū)動(dòng) I/O 是執(zhí)行 I/O 操作的一種更高效方式，在編程 I/O 中，CPU 會(huì)主動(dòng)獲取設(shè)備的狀態(tài)并等待設(shè)備閑置，但是如果使用了中斷驅(qū)動(dòng) I/O，設(shè)備會(huì)在閑置時(shí)主動(dòng)發(fā)起中斷暫停當(dāng)前進(jìn)程并保存上下文，而操作系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行 I/O 設(shè)備的中斷處理程序：

• 如果當(dāng)前不包含待打印的字符，停止中斷處理程序并恢復(fù)暫停的進(jìn)程；
• 如果當(dāng)前包含待打印的字符，將下一個(gè)字符拷貝到設(shè)備中并恢復(fù)暫停的進(jìn)程；

使用中斷驅(qū)動(dòng) I/O 可以在設(shè)備繁忙時(shí)，讓 CPU 能夠處理其它任務(wù)，盡可能地提高 CPU 的利用率，不再浪費(fèi)珍貴的計(jì)算資源。與編程 I/O 相比，中斷驅(qū)動(dòng) I/O 將一部分工作交給了 I/O 設(shè)備，所以能夠提高資源的利用率。

直接內(nèi)存訪問會(huì)利用 DMA 控制器來執(zhí)行 I/O 操作，中斷驅(qū)動(dòng) I/O 需要為每個(gè)字符觸發(fā)操作系統(tǒng)中斷，這會(huì)消耗一定的 CPU 時(shí)間。當(dāng)我們使用 DMA 控制器時(shí)，CPU 會(huì)一次將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部讀到 DMA 控制器中，DMA 控制器會(huì)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)按字符寫入 I/O 設(shè)備：

圖 3 - DMA I/O

雖然 DMA 控制器可以解放 CPU 并減少中斷次數(shù)，但是它的執(zhí)行速度與 CPU 相比卻很慢，如果 DMA 控制器不能快速驅(qū)動(dòng) I/O 設(shè)備，CPU 可能就會(huì)等待 DMA 控制器觸發(fā)中斷，在這種情況下，中斷驅(qū)動(dòng) I/O 或者編程 I/O 可以提供更快的訪問速度。

在默認(rèn)情況下，我們都會(huì)使用 DMA 控制器來執(zhí)行 I/O 任務(wù)，不過編程 I/O 和中斷驅(qū)動(dòng) I/O 也不是不能接受的選項(xiàng)。當(dāng) CPU 經(jīng)常需要等待 DMA 控制器執(zhí)行 I/O 任務(wù)時(shí)，使用中斷驅(qū)動(dòng) I/O 甚至輪詢的編程 I/O 都可以得到更高的吞吐量，然而無論使用哪種方式，I/O 都是程序中比較耗時(shí)的復(fù)雜操作。

機(jī)械硬盤

機(jī)械硬盤（Hard Disk Drive、HDD）是一種基于電子的、非易失的機(jī)械數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，它使用磁性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)并查找磁盤上的數(shù)據(jù)，在讀取和寫入數(shù)據(jù)的過程中，硬盤機(jī)械臂連接的磁頭會(huì)讀寫磁盤表面的位[^8]。

正是因?yàn)榇疟P具有比較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以磁盤的讀取和寫入都要花費(fèi)很多時(shí)間，數(shù)據(jù)庫的讀寫性能也基本都依賴于磁盤的性能，如果我們?cè)谑褂脵C(jī)械硬盤的數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)查詢一條數(shù)據(jù)，這可能會(huì)觸發(fā)磁盤的隨機(jī) I/O，然而將數(shù)據(jù)從磁盤讀取到內(nèi)存中所需要的成本是非常大的，普通磁盤（非 SSD）加載數(shù)據(jù)需要經(jīng)過隊(duì)列、尋道、旋轉(zhuǎn)以及傳輸?shù)倪@些過程，大概要花費(fèi) 10ms 左右的時(shí)間。

圖 4 - 磁盤的隨機(jī) I/O

我們?cè)诠浪銛?shù)據(jù)庫的查詢時(shí)可以使用 10ms 這個(gè)數(shù)量級(jí)對(duì)隨機(jī) I/O 占用的時(shí)間進(jìn)行估算，這里想要說的是隨機(jī) I/O 對(duì)于數(shù)據(jù)庫的查詢性能影響會(huì)非常大，而順序讀取磁盤中的數(shù)據(jù)時(shí)速度可以達(dá)到 40MB/s，這兩者的性能差距有幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此我們也應(yīng)該盡量減少隨機(jī) I/O 的次數(shù)，這樣才能提高性能。

固態(tài)硬盤（Solid State Drive、SSD）是一種以閃存作為持久存儲(chǔ)器的電腦存儲(chǔ)設(shè)備[^9]。與機(jī)械硬盤不同，固態(tài)硬盤中不包含任何的機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們使用它讀取或者存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)使用到任何的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因?yàn)橐磺羞^程都是由電路完成的，所以 SSD 的讀寫速度比 HDD 快很多。

圖 5 - HDD 和 SSD 的價(jià)格

機(jī)械硬盤和 SSD 從誕生后價(jià)格都在不斷降低，機(jī)械硬盤是今天數(shù)據(jù)中心使用的主要外部存儲(chǔ)，大多數(shù)通用的商用服務(wù)器都會(huì)使用機(jī)械硬盤作為主要的外部存儲(chǔ)，但是因?yàn)?SSD 的讀寫速度是機(jī)械硬盤的幾十倍，所以越來越多的服務(wù)器，尤其是數(shù)據(jù)庫都會(huì)使用 SSD 作為外部存儲(chǔ)。不過作為具有機(jī)械結(jié)構(gòu)的外部存儲(chǔ)設(shè)備，它雖然結(jié)構(gòu)非常成熟并且具有較大的容量，但是它在受到震動(dòng)時(shí)很容易受到外界的干擾。

總結(jié)

硬盤是計(jì)算機(jī)上的外部存儲(chǔ)設(shè)備，它可以持久存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，然而 CPU 無法直接訪問硬盤中的數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)將硬盤中的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中以便 CPU 訪問，但是如果 CPU 要訪問的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存中，那么我們需要花費(fèi)幾千倍甚至幾十萬倍的時(shí)間來讀取數(shù)據(jù)，這主要是由以下兩個(gè)原因造成的：

• CPU 需要通過 I/O 操作訪問外部存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)，編程 I/O、中斷驅(qū)動(dòng) I/O 和 DMA 幾種方式都會(huì)帶來額外開銷并占用較多的 CPU 時(shí)間；
• 機(jī)械硬盤會(huì)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)訪問其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，每一次硬盤的隨機(jī) I/O 都需要執(zhí)行隊(duì)列、尋道、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)幾個(gè)過程，大約需要消耗 10ms 的時(shí)間；

正如我們?cè)谖恼轮刑岬降模脖P不是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的必要硬件設(shè)備，計(jì)算機(jī)可以從磁盤、光盤等任意外部存儲(chǔ)設(shè)備中將啟動(dòng)所需要的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中并正常啟動(dòng)，不過硬盤已經(jīng)是今天最為常見的外部存儲(chǔ)設(shè)備了。到最后，我們還是來看一些比較開放的相關(guān)問題，有興趣的讀者可以仔細(xì)思考一下下面的問題：

• 寫入到硬盤上的數(shù)據(jù)一定會(huì)被持久存儲(chǔ)，不會(huì)丟失嗎？
• 內(nèi)存中的數(shù)據(jù)為什么在斷電重啟之后就會(huì)被清空？