前言
开发一个简单的应用，我们只需要掌握mysql的增删改查即可，这看起来是一件非常easy的事情，而事实确实如此，但是前提是我们的目标是冲着简单去的。再将小目标强化一下，我们想开发复杂一些的应用，这不得不需要我们进一步加强对mysql的了解，例如索引等调优技术，随着目标的不断加强，我们需要对于整个应用所涉及到的技术拥有更加透彻的认知。
从此刻开始，让我们将思想坠入硬件层，深入但是又不太深入的了解一下各种存储介质的存储原理。
HDD
机械硬盘HDD（Hard Disk Drive）是一款磁物质存储类型的硬盘，它通过磁头转轴带动磁头在磁盘上运动来达到存储的目的，在此过程中，磁头不会与磁盘接触，电机控制磁头的电磁流来影响磁盘上磁极发生正负变化，从而做到存储二进制数据。
HDD的大体结构也并不算复杂。从平面来看，它主要由磁头、盘片、电机、磁头、转轴等组成。从侧面来看，HDD不止一个盘片，每个盘片都有正反两个盘面，每个盘面都配有一个磁头。
HDD在逻辑上又划分为磁道、柱面、扇区。每个盘面上被划分成许多同心圆，每个同心圆的圆周被称为磁道，离转轴最远（最外圈）的磁道为0号磁道，读写将会从0号磁道开始向内圈移动。多个盘面垂直方向同轴磁道组成了柱面。同时，每个盘面又被切分成多个扇形区域，每个扇形区域被称为扇区。扇区是机械硬盘的基本读写单位，每个扇区容量为512Byte，扇面外圈的扇区虽然比内圈看着要大一些，实则磁物质密度会比内圈低很多，最终容量并不会因此而改变。
值得一提的是，因为磁头切换磁道需要臂杆做机械运动，所以效率很低，而切换柱面只需要电控磁头，所以所有磁头同一时刻都是同轴的，读写过程也并不是按照盘面来写，而是先写磁道，磁道满了以后向下写入同一柱面的其它磁道，当整个柱面都写满以后再切换到下一个柱面。由于所有盘片都固定在转轴上，而磁头也只能验证盘片半径方向运动，所以多盘机械硬盘面多多个读写指令，也只能串行处理。
当需要做数据读写时，首先拿到要读数据的盘面号、扇区号和磁头号，然后转轴带动盘片到对应的扇区，机械臂带动对应的磁头移动到对应的柱面，读写完毕之后再进行下一个读写指令的处理。
DRAM
动态随机存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）又简称为内存，相比ROM（Read-Only Memory）的非易失性，DRAM的数据会随着断电而消失，因此，DRAM一般被用于临时存储，而非持久化场景。另外，因为电容存在漏电现象，长时间的断电会导致电荷流失以至于数据失真，所以DRAM会周期性的刷新充电，这也是“动态”的由来。
DRAM的存储的原理是通过电容来存储电荷，通过电荷量来表示二进制中的0和1。
上图为DRAM存储电路逻辑图，整个数字电路做的事情只是为了存储1bit的数据，其中电容（Capacitor）用来存储电荷，晶体管（Transistor）用来控制外部对电容的访问，Worldline为字线（行），Bitline为数据线（列），整个电路组成了DRAM存储的最小单元cell，实际应用中，无数个cell以矩阵的形式排列，这种矩阵被称为bank，一个bank中的cell通过行地址和列地址进行唯一标识。
在数据读写之前，需要先对目标cell进行寻址。首先通过行地址解码器定位到行地址线路并发出行地址选通脉冲RAS（Row Address Strobe）信号，因为Capacitor相比Bitline上的电容值相差太大，当从Capacitor上读取数据时对于Bitline上电压影响非常小，导致无法有效识别具体数据，所以在RAS信号激活后，需要使用读出放大器（Sense Amplifier）将电容充放电信号放大，这个过程称为Activate。
当RAS信号被激活后，通过列地址解码器定位到列地址线路并发出列地址选通脉冲CAS（Column Address Strobe）信号，之后放开Transistor，通过改变外部电压状态来感应或改变Capacitor中的电荷以完成数据读写，这个过程称为Precharge。
在读取过程中，因为Capacitor与Bitline上的电压差，这样会使Capacitor上的电容量发生变化，导致下次读取失真，为了保证每次读取到的数据都是准确的，在读取完毕后需要再次充电操作。
为了更好的描述性能，引入了描述内存性能的四个时序参数：CL、TRCD、TRP和TRAS，单位为时钟周期（ns级），每个参数周期如下：
因为DRAM定时充电刷新的特性，性能会受到一定的影响，而静态随机存储器SRAM（Static Random Access Memory）弥补了这个缺陷，它不需要定时刷新，只要存储器保持通电，数据就可以持久保存，当然断电后仍然会丢失。SRAM之所以能做到这一点，是因为它去掉了电容，通过两个耦合的反相器的来锁住输出状态，有兴趣可以私下深究。
SSD
固态硬盘SSD（Solid State Disk或Solid State Drive）是基于半导体闪存（NAND Flash）作为存储介质的硬盘，相比传统的机械硬盘，它去掉了机械固件，引入了主控芯片来代替机械操作，这意味着它的性能、功耗及可靠性会比HDD高出一大截。
Flash闪存是一种非易失性的内存，这意味着即使断电也不会丢失数据，使用双层浮栅（Floating Gate）MOS管作为存储单元cell，与DRAM 1T1C（一个Transistor + 一个Capacitor）存储方式不同的是，浮栅晶体管上下被绝缘层包围，可以将电子锁在其中，避免数据因掉电而消失。
SSD目前的存储单元根据存储量的大小分为SLC（Single Level Cell）、MLC（Multiple Level Cell）和TLC（Triple Level Cell），就像名称所蕴含的意思一样，SLC可存储1bit数据，MLC可存储2bit数据，TLC可存储3bit数据。SLC是最简单的，其内部状态只有0和1，而MLC要同时存在2bit数据，其内部状态数量增加到了 2^2 个 ，分别为是00/01/10/11，同理，TLC也可以推出它的内部状态数量为 2^3 个，分别为000/001/010/011/100/101/110/111，可以发现，随着存储量的增加，存储单元内部的状态呈指数倍上升，要识别出具体的状态，就要将电子个数进行更细致的划分，这也就意味着读写时的控制更加精细，如果抛开存储数据量的差异，单纯在性能上作比较的话，SLC是最强的，其次是MLC。
与DRAM类型，SSD结构上同样分层，主控通过多个通道Channel操作多块Flash闪存颗粒DIE（硅晶片，也被称为逻辑单元LUN），一个DIE由多个Plane组成，一个Plane由多个Block组成，每个Block下包含若干个Page。其中Block是擦除的最小单位，Page是最小的读写单位。每个Plane都有独立的Cache Register和Page Register，大小与Page一样，目的是做主控和存储介质之前的缓冲区。
Page大小一般为4KB的整数倍，作为闪存读写最小单位，哪怕读写1byte数据，也要访问整个Page。同时，Page不允许覆盖写，举个例子，先写入1byte数据到Page1，再写入1byte数据时不会因为Page1未满就追加进去，而是先读出Page1中之前的1byte数据并与新数据合并后写入Page2，之后将Page1标记为stale，等待被GC。
因为闪存不能覆盖写，想要在老地方写数据，只能先擦除，这个过程会对闪存块造成一定的磨损，当闪存块的寿命结束，将会成为坏块，另外闪存块读的次数太多也会导致上面数据失真，所以SSD中的闪存转换层FTL（Flash Translation Layer）至关重要。它通过来维护一张映射表（Map Table）来完成用户逻辑地址到闪存物理地址的转换，另外为了避免上述一系列问题，FTL还做了很多“份外”之事，包括但不仅限于：
- 垃圾回收（Garbage Collection）：当闪存写入达到阈值时，触发GC回收，腾出更多的写入空间。
- 磨损平衡（Ware Leveling）：为了延长Block寿命，要避免对某些Block高频读写，保证所有块的均衡写入。
- 消除读干扰（Read Disturb）：当闪存块读取达到阈值时，FTL将这些数据迁移至其它块。
映射管理
用户逻辑地址到闪存物理地址的转换是FTL本职工作，FTL在内部维护了一张映射表，其中维护了用户逻辑空间到闪存空间中Block或Page的映射关系。
在进行读写时，用户通过逻辑地址访问SSD，会先经过映射表的转译来获取闪存物理地址再进行之后的操作，假如是对新块写操作，此时映射表并没有当前映射关系，经过FTL挑选合适的块写入后，映射表中会将当前映射记录下来。
映射表本身也会占用一定的空间用于自身的存储，SSD也都会为此类事情预留一部分空间。由于映射表的访问很频繁，通常会将映射表存储在RAM中，市面上有些SSD的主板上会自带一块小型DRAM用于映射表的缓存，而另外一部分SSD则选择会使用主机内存。
垃圾回收
因为闪存不能覆盖写的特性，每次写入老块之前都要先擦除，这个过程就是先将块数据读出，将有用数据读取出来，然后将当前块擦除，再将有效数据和当前数据一起写入目标块中，这个过程做的操作简称为读擦写，而这个过程为称为垃圾回收（GC）。
新盘刚开始写入过程中，因为是空盘，所以不会触发GC，当硬盘空间可用量小于某一个阈值时，GC操作将会触发。在GC之前，用户数据会先写入预留空间OP（Over Provisioning）中，这个空间对用户不可见，所以通常我们拿到收的硬盘可用空间往往会比规格容量小一些。
很明显，这种GC会使原本简单的操作变得复杂且低效，并且相比原本要写入的数据，会对块中有效数据做额外的写入，这种现象称为写放大WA（Write Amplification），计算公式为：WA = 实际写入量 / 用户数据量，其中实际写入量 = 块有效数据量 + 用户数据量。可以看出，块中的垃圾密度越大，有效数据就越小，WA也随之而然的跟着变小。
另外，SSD中GC有两种触发方式，一种是前台垃圾回收Foreground GC，它在用户写入数据无可用块时主动触发，另外一种是后台垃圾回收Background GC，它在SSD空闲时由内部控制触发。前者出发时，用户写入需要额外等待GC的完成，后者则尽可能避免前者带来的时间的耗费。
4K对齐
传统HDD扇区单位一直习惯于512Byte，有些文件系统默认保留前63个扇区，也就是前512 * 63 / 1024 = 31.5KB，假设闪存Page和簇（OS读写基本单位）都大小为4KB，那么一个Page对应着8个扇区，用户数据将于第8个Page的第3.5KB位置开始写入，导致之后的每一个簇都会跨两个Page，读写处于超界处，这对于闪存会造成更多的读损及读写开销。
除了OS层的4K对齐至关重要以外，在文件写入过程中仍然需要关注4K对齐的问题。假设Page大小仍然为4KB，向一个空白文件写入5KB数据，此时需要2个Page来存储数据，并且可以写满Page1，而Page2只写入1KB数据，当再次向文件顺序写入数据时，仍然需要读取Page2的数据与新写入数据合并再写入新的Page中，此时额外的开销已经产生了。
对于这种情况我们可以人工补齐4K来避免额外的读开销，当然这个优化不是必须的，同时要结合自己的实际场景来做抉择。
读写顺序
顺序读写和随机读写一直以来都是读写性能优化中最重要的一点，无论HDD还是SSD，读写方式的不同所带来的影响也不同。随机读写意味着要重新寻址，对于HDD来说需要磁头的切换甚至柱面的切换，SSD则需要重新定位行列地址线，相比于HDD，SSD不需要机械运动，因此随机读写带来的影响会小很多，而顺序读写可以免去再次寻址过程，在应用设计允许的情况下，顺序读写都是最优之选。
对于SSD来说，顺序写可以保证数据有序的写在相邻的Page和Block中，当数据或文件删除时，GC垃圾也相对比较集中，可以大大降低WA带来的影响。
主流操作系统都会有预读，顺序读可以提高预读缓存命中率，减少硬件读取次数。所以，如果可以，请尽可能顺序读写。