MySQL索引背后的数据结构及算法原理（转载）

MYSQL索引数据结构请参考如下链接：

http://blog.codinglabs.org/articles/theory-of-mysql-index.html

外存储器—磁盘介绍：

计算机存储设备一般分为两种：内存储器(main memory)和外存储器(external memory)。 内存存取速度快，但容量小，价格昂贵，而且不能长期保存数据(在不通电情况下数据会消失)。

外存储器—磁盘是一种直接存取的存储设备(DASD)。它是以存取时间变化不大为特征的。可以直接存取任何字符组，且容量大、速度较其它外存设备更快。

2.1磁盘的构造

磁盘时一个扁平的圆盘(与电唱机的唱片类似)。盘面上有许多称为磁道的圆圈，数据就记录在这些磁道上。磁盘可以是单片的，也可以是由若干盘片组成的盘组，每一盘片上有两个面。如下图11.3中所示的6片盘组为例，除去最顶端和最底端的外侧面不存储数据之外，一共有10个面可以用来保存信息。

 

 

当磁盘驱动器执行读/写功能时。盘片装在一个主轴上，并绕主轴高速旋转，当磁道在读/写头(又叫磁头) 下通过时，就可以进行数据的读 / 写了。

一般磁盘分为固定头盘(磁头固定)和活动头盘。固定头盘的每一个磁道上都有独立的磁头，它是固定不动的，专门负责这一磁道上数据的读/写。

活动头盘 (如上图)的磁头是可移动的。每一个盘面上只有一个磁头(磁头是双向的，因此正反盘面都能读写)。它可以从该面的一个磁道移动到另一个磁道。所有磁头都装在同一个动臂上，因此不同盘面上的所有磁头都是同时移动的(行动整齐划一)。当盘片绕主轴旋转的时候，磁头与旋转的盘片形成一个圆柱体。各个盘面上半径相同的磁道组成了一个圆柱面，我们称为柱面 。因此，柱面的个数也就是盘面上的磁道数。 

2.2磁盘的读/写原理和效率

磁盘上数据必须用一个三维地址唯一标示：柱面号、盘面号、块号(磁道上的盘块)。

读/写磁盘上某一指定数据需要下面3个步骤：

(1)  首先移动臂根据柱面号使磁头移动到所需要的柱面上，这一过程被称为定位或查找 。

(2)  如上图11.3中所示的6盘组示意图中，所有磁头都定位到了10个盘面的10条磁道上(磁头都是双向的)。这时根据盘面号来确定指定盘面上的磁道。

(3) 盘面确定以后，盘片开始旋转，将指定块号的磁道段移动至磁头下。

经过上面三个步骤，指定数据的存储位置就被找到。这时就可以开始读/写操作了。

访问某一具体信息，由3部分时间组成：

● 查找时间(seek time) Ts: 完成上述步骤(1)所需要的时间。这部分时间代价最高，最大可达到0.1s左右。

● 等待时间(latency time) Tl: 完成上述步骤(3)所需要的时间。由于盘片绕主轴旋转速度很快，一般为7200转/分(电脑硬盘的性能指标之一, 家用的普通硬盘的转速一般有5400rpm(笔记本)、7200rpm几种)。因此一般旋转一圈大约0.0083s。

● 传输时间(transmission time) Tt: 数据通过系统总线传送到内存的时间，一般传输一个字节(byte)大概0.02us=2*10^(-8)s

磁盘读取数据是以盘块(block)为基本单位的。位于同一盘块中的所有数据都能被一次性全部读取出来。而磁盘IO代价主要花费在查找时间Ts上。因此我们应该尽量将相关信息存放在同一盘块，同一磁道中。或者至少放在同一柱面或相邻柱面上，以求在读/写信息时尽量减少磁头来回移动的次数，避免过多的查找时间Ts。

 

磁盘的物理结构

磁盘是由若干块坚硬金属材料制成的并涂以磁性介质的盘片压制而成。每个盘有两面，每面各有一个磁头，都可记录信息。要了解硬盘的物理结构，需要弄懂磁道、扇区、柱面、簇等几个概念.

磁道：磁盘上划分了很多个同心圆，这些同心圆就是磁道。但打开硬盘，用户不能看到这些，实际上磁道是被磁头磁化的同心圆。磁道之间是有间隔的，因为磁化单元太近会产生干扰.

扇区：每条磁道被分成若干等份的区域，每个区域就是一片扇区。扇区是硬盘数据存储的最小单位.

柱面：假如一块磁盘只有3个磁盘片，每块盘片的磁道数是相等的.从外圈开始，这些磁道被分成了0磁道、1磁道、2磁道……。具有相同磁道编号的同心圆组成面就称作柱面。为了便于理解，柱面可以看作没有底的铁桶。柱面数就是磁盘上的磁道数。柱面是硬盘分区的最小单位.

一个硬盘的容量=柱面数（或磁道数）×磁头数×扇区数×每个扇区的大小（通常是512字节)

簇：扇区是硬盘数据存储的最小单位，但操作系统无法对数目众多的扇区进行寻址，所以操作系统就将相邻的扇区组合在一起，形成一个簇，然后再对簇进行管理.每个簇可以包括2、4、8、16、32、64个扇区。族有时也称作磁盘块(block)。它是属于文件系统层面的概念，是文件系统层中数据存储的基本单位。

扇区和磁盘块的区别是什么？

 

转载自：http://www.cnblogs.com/wangtao_20/p/4791265.html

这么多的单位真的很难记忆，很难区别，最好是自己了解原理。物理层面分为磁道，扇区。

磁盘块是个虚拟出来的概念，是操作系统中的。操作系统为什么要虚拟个这样的概念出来呢？操作系统与磁盘打交道的最小单位是磁盘块。目前是4k大小。

操作系统操作磁盘，也需要通过磁盘驱动器进行。所以离不开扇区的。

最小单位，好比我们生活中约定最小单位是一毛。没有一分的单位了。为什么要这样，方便管理？

扇区是真实的东西。磁盘驱动器操作磁盘数据，每次都按照扇为最小单位操作。


簇也是操作系统弄出来的概念（不禁问，整这么多概念干啥呢）

这好比汉语中干嘛整这么多成语，什么叔叔阿姨之类的称呼干嘛呢，全部叫你不就省事了么？

有的题目会问，磁盘的读写单位是？

千万不要联系到操作系统层面去了。

读写基本单位是扇区。磁盘驱动器是按照这个单位操作磁盘数据的。
又没特意指明操作系统读写磁盘的基本单位。

文件系统就是操作系统的一部分，所以文件系统操作文件的最小单位是块。

块，听这个词语会明白，是抽象概念。真的有块形状的东西吗？

是因为我们老喜欢叫磁盘块，磁盘块，这个块让我们以为磁盘的基本单位是块。
当我们说块的时候，是从软件角度（即操作系统）来说的。因为我们编程大部分是在特定的操作系统上运行，与硬件打交道不用我们关注，交给操作系统去处理。本来操作系统的一个任务之一就是与硬件通信，控制各种硬件（不然怎么叫操作系统？操作硬件的系统）
由于操作系统以块为单位操作磁盘，于是，我们不会去提扇区，而是总说磁盘块。

当介绍磁盘原理的时候，才会说扇区，磁道，盘片之类的概念。这些本来就是实际存在，摸得找的部件。比如扇区，在盘片上，的确是像扇形状的物理区域


磁盘块与扇区大小问题

既然磁盘块是一个虚拟概念。是操作系统自己＂杜撰＂的。软件的概念，不是真实的。所以大小由操作系统决定，操作系统可以配置一个块多大。

一个块大小=一个扇区大小*2的n次方。

N是可以修改的。

顿时我思考：为什么磁盘块大小必须是扇区大小的整数倍呢？

因为，磁盘驱动器，磁盘附带的硬件设备，与磁盘读写数据，操作系统也要靠它。
它读取磁盘数据就是扇区的大小。

一个扇区是512字节。有些硬盘厂商会提供4k大小扇区。这是物理结构。磁盘定下来的结构就是没法修改的

块与页总是迷糊

操作系统操作需要与内存、硬盘这两种硬件设备打交道。

都需要虚拟一种单位来操作。与内存操作，是虚拟一个页的概念来作为最小单位。

与硬盘打交道，就是以块为最小单位。