小菜学编程
文件通常保存在磁盘上，因此想要实现文件系统，少不了要跟磁盘打交道。
本节带领大家了解磁盘的内部结构，看它是如何存储数据的。我们先讨论磁道、磁头和扇区等概念，再介绍 CHS 和 LBA 这两种不同的寻址方式。
内部结构
磁盘（ disk ）俗称 硬盘（ hard disk ），通常是指 机械磁盘（ mechanical disk ）。其他类型的磁盘，诸如固态磁盘结构与机械磁盘有较大差异，不在本文的讨论范围内。
机械磁盘内部通常由若干个 磁片（ platter ）组成，磁片由中心轴驱动高速旋转。磁片正反两面均涂有磁性物质，用于保存数据。当磁片转动时，悬浮在它表面上的 磁头 （ head ）就可以读写数据。
如上图，磁盘内有 3 个磁片，每个磁片由 2 个面，每个面均有一个读写磁头，总共 6 个磁头。
每个磁面被进一步划分成一个个环，这就是 磁道（ track ）。它们圆心相同，半径由内向外不断递增。所有磁头均由一个机械臂驱动，在磁片表面同步移动。如果机械臂保持不动，磁头便访问同一磁道（如图黄色圆环）。
由于不同盘面上的同一磁道半径相同，这些磁道组成一个圆柱面(如图蓝色部分)，因此磁道也被称为 柱面（ cylinder ）。
一个磁道可以存储很多数据，但计算机访问硬盘的基本单位通常更小。因此，磁道需要进一步划分：如上图，红色扇形从每个磁道中划分出一小段，作为最基本的存储单位—— 扇区（ sector ），大小通常是 512 字节。
如上图，磁盘总共有 6 个磁面，每个磁面有 6 条磁道，每条磁道有 8 个扇区，总共有 $6 \times 6 \times 8 = 288$ 个扇区。假设每个扇区大小为 512 字节，则总容量是 $288 \times 512 = 147456$ 字节，也就是 144 KB。
磁盘寻址
这块迷你磁盘总共有 288 个扇区，怎么定位到其中的某一个呢？这就是磁盘 寻址（ addressing ）要回答的问题。
CHS寻址
想要定位一个扇区，我们需要回答三个问题：
- 它在哪个磁道（柱面）上？
- 它在哪个磁面（磁头）上？
- 它在哪个扇形上？
因此，只要我们将 磁头 、磁道 和 扇形一一编号后，就可以通过一个三维坐标定位到一个指定扇区。
如上图，磁道从内往外分别编号为 0 到 5 ，磁头从上往下分别编号为 0 到 5 ，扇形从红色开始，顺时针分别编号为 1 到 8 。那么第一个磁面上，黄色磁道和红色扇形相交的扇区，坐标就是 (4, 0, 1) 。
至于为什么扇区是从 1 开始编号，我也没仔细研究，可能是历史原因。
像这样通过 磁道 、磁头 和 扇形 定位磁盘数据的方式，就叫 CHS 寻址。其中，
- C 代表柱面，也就是磁道；
- H 代表磁头，也就是磁面；
- S 代表磁面上的扇形；
分区位录写
磁道离圆心越远，半径越大，周长越长，能存储的数据也就越多。因此，简单粗暴地用扇形将磁道划分为扇区，会造成大量浪费。因为外圈扇区的长度要比内圈长，原本可以存储更多数据。
制作商通常会采用 分区位录写 （ zone bit recording ）技术，在外圈磁道存储更多扇区，以便最大限度地提升磁盘的存储容量。但这样一来，同个扇形下不同磁道保存的扇区数是不固定的，这就给 CHS 寻址带来挑战！
如上图，由内往外每隔若干磁道，扇区数就翻倍。如果我们访问磁盘时，需要根据它的内部结构来判断某个磁道分为多少个扇区，那简直是个噩梦！
为了解决这个问题，磁盘一般内置一个控制器，将自己伪装成一个经典磁盘，对外提供 CHS 寻址。驱动器提供 CHS 寻址接口，然后根据自己的内部结构对 CHS 坐标进行换算。
至于 CHS 怎么换算，大家可以思考一下。我给点提示：将每条绿色磁道对外宣称为两条，各包含一半扇区。将每条灰色磁道对外宣称为四条，每条包含四分之一扇区。
这样一来，我们操作磁盘时只需按照 CHS 模型来传参，不用考虑它的物理构造。
LBA寻址
不管是 磁头 、磁道 还是 扇区 ，都只是机械磁盘的概念。因此，就算固态存储技术没有这些概念，也只能将自己伪装成磁盘，提供 CHS 寻址模型。如果能够采用线性寻址模型，由序号来定位扇区，磁盘访问便大大简化。
逻辑块寻址（ logical block addressing ）提供通过线性序号来访问磁盘数据的机制，将三维 CHS 坐标映射到一个简单的整数。这样一来，我们只需要通过简单的整数地址来访问磁盘扇区，完全不用关心磁头和磁道等内部结构。
LBA 地址跟 CHS 坐标的映射关系很简单，按顺序遍历每个 CHS 坐标，然后依次分配序号即可。以上图的迷你磁盘为例：
| LBA地址 | CHS坐标 | 磁道 | 磁头 | 扇区 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | (0, 0, 1) | 0 | 0 | 1 |
| 1 | (0, 0, 2) | 0 | 0 | 2 |
| 2 | (0, 0, 3) | 0 | 0 | 3 |
| 7 | (0, 0, 8) | 0 | 0 | 8 |
| 8 | (0, 1, 1) | 0 | 1 | 1 |
| 40 | (0, 5, 1) | 0 | 5 | 1 |
| 47 | (0, 5, 8) | 0 | 5 | 8 |
| 48 | (1, 0, 1) | 1 | 0 | 1 |
| 96 | (2, 0, 1) | 2 | 0 | 1 |
| 240 | (5, 0, 1) | 5 | 0 | 1 |
| 280 | (5, 5, 1) | 5 | 5 | 1 |
| 287 | (5, 5, 8) | 5 | 5 | 8 |
如上表，迷你磁盘总共有 288 个扇区，对应 288 个坐标，被映射为一个从 0 到 287 的整数序号。这个序号通常被称为 逻辑扇区号 ，通过逻辑序号的寻址则称为 逻辑块寻址 ，简称 LBA 寻址。
举个例子，逻辑扇区号 100 表示 CHS 坐标为 2, 0, 5 的扇区，即磁道为 2 ，磁头为 0 ，扇形为 5 的扇区。
CHS 坐标到 LBA 序号的映射关系，实际上还因磁盘大小而异，具体细节这里不再展开。
最佳实践
那么，CHS 和 LBA 这两种寻址技术，应该怎么抉择呢？
实际上，CHS 坐标已经是老到掉牙的技术了，它有很多局限性：
- CHS 坐标使用起来比较繁琐，不如 LBA 直观；
- 磁盘分区表中的 CHS 坐标总共才 24 位，限制了磁盘大小不能超过 $512 \times 2^{24}$ 字节（ 8GB ）；
因此，现代磁盘都采用 LBA 技术来寻址了。尽管如此，由于 磁头 、磁道 和 扇区 的概念在文件系统和磁盘 IO 场景中经常出现，简单了解下还是必要的。
总结
- 磁盘以 扇区 （ sector ）为基本存储和读写单位；
- 扇区大小通常是 512 字节；
- 每个扇区依次分配一个线性序号作为地址，通过该地址可以读写扇区数据；
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