神奇的现象：一个字符却占用 4KB？

你可以跟着一起实验，在你的电脑（Windows 或者 MacBook 都可

以）上新建或者修改一个 Txt 格式的文档，使其只有一个字符“a”，然后保存。

然后查看该文件的详情，会神奇的发现：只有一个字符 a 的文件却占用着 4KB 的磁盘空间？

更神奇的是，如果写入 1000 个、2000 个、4096 个 “a”，都是占用 4KB；持续增加数量，而如果写入 4097 个“a”，将占用 8KB？

这究竟是怎么回事呢？

磁盘的物理结构

要回答这个问题，得从磁盘的物理结构说起。磁盘的物理结构主要包括盘片、磁头、磁道、扇区和柱面等部分，它们共同构成了磁盘存储和检索数据的基础。

如上图所示，磁盘是由一个或者多个叠放在一起的盘片（Platter）构成的；每个盘片有两个表面（Surface），表面覆盖的磁性材料负责记录信息。

在盘片中央有一个主轴（Spindle），主轴可以使得盘片以固定的速度绕轴旋转，这个速度通常就是我们平时所说的磁盘是多少转的，专业术语叫做转每分钟（Revolution Per Minute，RPM）。

这样的结构封装在一个密封的容器中，我们叫做磁盘驱动器（Disk drive），简称磁盘（Disk）。

每个表面是由一组同心圆组成的，这些同心圆称为磁道（Track）。

每个磁道被划分为一组扇区（Sector）。每个扇区包含相等数量的数据位（通常是 512 字节）。

扇区之间是由间隙（Gap）隔开的，这些间隙不存储数据。

柱面（Cylinder）是所有盘片表面到主轴中心距离相等的磁道的集合。

磁盘容量

一个磁盘上可以记录的最大位数称为磁盘容量。磁盘容量是评估磁盘性能和存储能力的重要指标，它指的是磁盘可以存放数据量的大小。

磁盘容量的计算方式： 假设一个磁盘有 5 个盘片，每个面 20000 条磁道，每条磁道平均 300 个扇区，每个扇区 512 字节那么磁盘容量为：

根据笔者的计算机硬盘设置，1 个簇 =8 个扇区 =4 KB（4096 字节）， 因此，无论多小的文件，在硬盘上应该也会占用 4 KB 的空间。

扇区是磁盘在物理上可读写的最小单位。一个扇区的长度一般为 512 字节。在电脑上，软件读写磁盘的单位是簇（ cluster）， 它的长度是扇区的整数倍，一般是 8 倍。

同一个簇中不能存放不同的文件，否则无法只删除簇中的部分文件。 因此，无论多小的文件，都要占用一个簇的空间，所有文件实际占用的磁盘空间是簇的整数倍。

1 个簇=8 个扇区=4 KB（4096 字节），无论写入 1 个“a”、2 个“a”，还是 4096 个“a”，都会占用 4KB 的磁盘空间。

而如果 4097 个字符“a”，1 个簇已经无法存下了，需要使用 2 个簇，那就是 8KB。

磁盘操作

磁盘读写操作的过程可以分为以下几个步骤：

磁盘读写操作过程

磁盘的读写其实就是读写头（read/write head）来读写存储在磁性表面的位。

移动传动臂（Arm）依靠机械运动定位到盘面上的磁道的操作称为寻道（Seek）。

寻道完成之后，会“寻找扇区”；“寻找扇区”传动臂不动，是依靠磁盘旋转来实现的；可以对照着物理结构图想一想。

当扇区确定之后，就可以从该扇区第一位开始读取内容了。

其实，上述的过程只是物理结构方面的过程，真正的读写过程中肯定还得靠操作系统的参与。

磁盘操作时间估算

在上面过程中，涉及寻道时间、旋转时间、传送时间。

寻道时间：移动传动臂，定位磁道所需要的时间；依赖读写头以前的位置和传动臂在盘面上移动的速度，一般为 3-9ms；

旋转时间：旋转磁盘，定位到扇区所需要的时间；依赖读写头到达目标扇区时盘面的位置以及磁盘旋转速度；

传送时间：读取整个扇区数据的时间；依赖磁盘旋转速度和每条磁道的扇区数目；

提高磁盘访问速度

那如何提高磁盘访问速度呢？

首先，从上面过程分析，可以想到的办法肯定是让提高影响访问时间的影响参数。可以让磁盘的传动臂移动得更快一点；旋转得更快一点；每条磁道上面的扇区数多一些；那么买电脑的时候也可以参考这些参数。

其次，可以考虑更换为固态硬盘，固态硬盘使用闪存芯片代替传统磁盘的机械驱动器，随机访问时间比旋转磁盘要快得多，能耗也更低，同时更结实。

其他，其实还可以通过操作系统方面的优化，这个后续再操作系统部分更新。