4 KB 扇区磁盘上的 Linux：实用性建议-2

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希捷硬盘测试结果在希捷 ST2000L003 磁盘上进行测试时，产生了截然不同的结果。文件系统创建的性能损失范围为 1.09（对于 ReiserFS）到 1.97（对于 JFS），平均值为 1.42，这个结果与东芝磁盘上的结果类似。
令人惊讶的首先是读访问结果，如  所示。读取性能在希捷驱动器上受到的影响远大于在西部数据或东芝驱动器上受到的影响，在 JFS 下，小型文件读取的性能损失值的范围高达 8.54，平均值为 4.13。甚至大型文件读取性能也受到了影响，平均值为 1.88，而且最高可达 3.76（对于 ReiserFS）。
图 6. 在希捷 ST2000L003 磁盘上使用未对齐分区的读取性能损失希捷磁盘的写入性能损失如  所示。小型文件创建的性能损失的范围为 1.23（对于 Btrfs）到 3.04（对于 ext3），平均值为 1.98。大型文件创建的性能损失的范围为 1.04（对于 Btrfs）到 3.87（对于 ReiserFS），平均值为 1.78。对于大多数文件系统来说，最大的损失在文件删除中，范围为 1.23（对于 Btrfs）到 7.75（对于 ext4），平均值为 4.14。
图 7. 在希捷 ST2000L003 磁盘上使用未对齐分区的写入性能损失测试结果分析三个硬盘上的结果模式之间的差异令人感到惊讶。我几乎花费了近四年的时间进行这些测试，我认为变量（磁盘品牌和型号、非磁盘硬件和 Linux 内核版本）不能精确地说明造成这些差异的原因。我对关于特定磁盘品牌的推断结果都很谨慎；尤其是，与西部数据磁盘相比，东芝磁盘的性能损失较小，这可能是改进的内核功能或主板磁盘硬件造成的。但是，不同的结果模式对于大多数人而言并不重要，因为结论是相同的：使用未对齐的分区会带来重大的性能损失。
注意：这些测试并不反映所有文件系统的总体性能。例如，例如，您不应该因为 ReiserFS 产生一些最大的性能差异，就认为它对性能的影响不好。不过，ReiserFS 对不合理的对齐比其他文件系统更敏感，至少在某些重要测试中是这样。
如果使用了逻辑卷管理器 (LVM)，那么您需要意识到，LVM 的对齐规则与分区的对齐规则是相同的。虽然您不需要关心 LVM 中的逻辑卷对齐，但您应该注意 LVM 分区本身的对齐。少数文件系统的抽样检查使用了 LVM 来复制以前的结果。
在实际情况中，所有这些意味着什么？您首先应该确定磁盘的物理扇区大小。如果发现您已经有一个高级格式化驱动器，则应该正确地对齐您的分区。
确定物理扇区大小从理论上讲，Linux 内核应该在 /sys/block/sdX/queue/physical_block_size 伪文件中返回物理扇区大小相关信息，在 /sys/block/sdX/queue/logical_block_size 伪文件中返回物理扇区大小相关信息，其中 sdX 是设备的节点名（通常为 sda、sdb 等）。但在实践中，物理块大小信息通常是假的 — 根据我的经验，内核只报告适用于某些磁盘的准确信息，而报告的准确度会因内核版本而异。这就意味着磁盘实用程序无法可靠地检测到这类磁盘的存在。
因此，您需要通过其他方式在制造商的网站上查看驱动器的说明书。设备的型号保存在 /sys/block/sdX/device/model 伪文件中，因此您可以在这里找到设备型号，然后再检查制造商。如有疑问，可假设您的磁盘是高级格式化模型 — 大多数新磁盘都是高级格式化磁盘。
对齐分区RAID 和 SSD 对齐问题独立磁盘冗余阵列 (RAID) 第 5 级和第 6 级（以及固态硬盘 (SSD)）都存在与这些高级格式化驱动器类似的对齐问题。对于 RAID，应该执行对齐操作，以便匹配用来创建阵列的数据条带的大小 — 通常为 16KiB 到 256KiB。对于 SSD，应该执行对齐操作来匹配驱动器的擦除块大小，该大小通常为 512KiB，但我曾听说过对齐需求中的该单元大小高达 3MiB 的时候。作为一种新兴标准，2048 扇区（1024KB）上的默认对齐对大多数 RAID 条带大小和 SSD 设备都很适用。不过，因为有些 SSD 超过了这个值，所以您应该查看制造商的说明书。
已发布的测试结果表明，RAID 阵列上不合理对齐带来的性能损失大约为 5% 到 30%，该值远低于高级格式化磁盘上的不合理对齐带来的损失。在高级格式化磁盘上创建 RAID 阵列时，您不需要采取任何额外的步骤。因为 RAID 对齐值是高级格式化磁盘所需的 4,096 字节对齐的倍数，所以，如果您为带 512 字节物理扇区的 RAID 磁盘阵列对齐分区，那么两种技术便都能实现。

大部分或所有西部数据高级格式化驱动器都包括一个跳线，可用于设置 Windows XP 兼容性。该跳线能够将扇区编号移动 1 位，这是解决 Windows XP 中常见情形（即使用跨整个驱动器的单一分区的扇区对齐问题）的一种应急方法。但是，如果您使用了多个分区，或者使用了最新的分区软件，那么该跳线就会带来一些问题，所以我强烈建议不要试用它。而是使用 Linux 分区软件来创建合理对齐的分区。（希捷公司和东芝公司在其驱动器中均未提供这样的跳线。）
主引导记录 (MBR) 的三个系列和 GPT 分区工具可供 Linux 使用，而且每个工具都有自己的对齐分区的方式。如果您有一个高级格式化驱动器，那么最好的选择就是运行可用的最新 Linux 分区软件。
fdisk 系列fdisk 系列是大多数 util-linux 或 util-linux-ng 分发包的一部分，支持直接编辑 MBR 数据结构，但它不能创建或修改文件系统。在 util-linux V2.17 中，fdisk 对分区的 8 扇区对齐不提供任何直接支持；对齐仍然是基于柱面的。这种情况在 V2.18 中有所改变，在默认情况下，fdisk 在扇区 2,048 上开始设置第一个分区的起始点。如果您在 fdisk 中使用是 1MiB 或更大大小的倍数的分区大小来创建所有分区，那么 fdisk 会保持您的分区是根据 1MiB 的倍数进行对齐的，分区的大小应该是 8 个扇区的倍数。
fdisk 最新版本的风险就是：如果磁盘开始的时候就存在不合理的对齐，那么在您创建后续分区时，fdisk 不会自动纠正。您还可以输入未合理对齐的手动分区起始扇区。因此，在使用 fdisk 时，总是会检查分区起始点，以确保它是 8 的倍数。执行这项操作时，验证程序使用了扇区作为其单元值；如果在主菜单中键入 u，那么即使是 2.17 以后的版本也可以使用柱面。输入 p 后出现的显示框指出您可以用它来检查这些细节，如  所示。虽然单元值并不是明确表述的，但显然这些单元位于扇区中，因为起始值和最终值都很大。在这种情况下，最终值在磁盘的最后一个扇区上；将该值与输出起点附近的总扇区值进行比较。请注意，fdisk 2.17 和更早的版本可能会抱怨，分区在合理对齐的情况下没有在柱面边界上终止。您可以忽略这条警告。
清单 1. 显示了合理对齐的 fdisk 输出的示例

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Command (m for help): p Disk /dev/sdb: 2000.4 GB, 2000398934016 bytes 256 heads, 63 sectors/track, 242251 cylinders, total 3907029168 sectors Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0x00000000 Device Boot         Start         End      Blocks   Id  System /dev/sdb1            2048     2097151     1047552   83  Linux /dev/sdb2         2097152  3907029167  1952466008   83  Linux

当操作 MBR 磁盘时，要意识到扩展分区的对齐并不是很重要。这些分区保留了定义逻辑分区的单个扇区（one-sector）数据结构，因此，从某种意义上讲，扩展分区无法 合理对齐。对齐主分区和逻辑分区时要谨慎操作。
libparted 库libparted 库支持许多 Linux 分区工具，而且支持 MBR 和 GPT 分区模式。libparted 3.1 附带了文本模式的 parted 分区工具，从 parted 2.2 起，您可以通过指定单位为 1MiB 或者更大的起始点和终点来对齐到 MiB 边界。如果想验证该对齐，可输入 unit s 来切换到扇区单元，并检查分区起始点，和对 fdisk 的操作一样，如  所示：
清单 2. 显示了合理对齐的 parted 输出的示例

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(parted) unit s (parted) print Model: ATA ST2000DL003-9VT1 (scsi) Disk /dev/sdb: 3907029168s Sector size (logical/physical): 512B/512B Partition Table: gpt Disk Flags: Number  Start       End          Size         File system  Name     Flags 1      2048s       2097151s     2095104s     ntfs         Windows 2      2097152s    3907029167s  3904932016s               Linux

通过使用图形用户界面 (GUI) GParted 程序，确保已在 Create new Partition 对话框中将 Align to 值设置为 MiB，如 图 8 所示。这样做会产生合理的对齐分区。您可以打开分区的 Information 对话框，了解分区的起始扇区和最终扇区的绝对数值。
图 8. 利用 GParted 创建分区时注意将 Align to 值设置为 MiBGPT fdisk 实用程序GPT fdisk 实用程序只在 GPT 磁盘中有用。0.5.2 以前的版本并不执行任何对齐，但您可以通过指定合理的起始扇区数量来手动对齐分区。0.5.2 和 0.6.0 以及 0.6.0 到 0.6.5 都将所有分区的起始扇区调整为大型磁盘的 8 扇区边界（超过 800GiB 的磁盘），但这不适用于较小的磁盘。0.6.6 为所有未分区的磁盘引入了一种 Windows 样式的 2,048 扇区 (1MiB) 对齐，并试图根据现有分区推断出过去使用的磁盘对齐。
通过 0.5.2 及其后期版本，您可以通过专家菜单上的 l 选项手动调整对齐值。该选项将大量扇区作为一个选项。为了实现高级格式化磁盘的合理对齐，可将该值设置为 8 或其倍数。验证选项（任何菜单上的 v）根据当前对齐值报告未合理对齐的所有分区；gdisk 显示了扇区值中的分区起始点和最终点。 显示了使用该程序来验证合理分区对齐：
清单 3. 显示了合理对齐的 gdisk 输出的示例

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Command (? for help): p Disk /dev/sdb: 3907029168 sectors, 1.8 TiB Logical sector size: 512 bytes Disk identifier (GUID): 4B18D328-5E8E-49DB-8690-9FE89807ABF8 Partition table holds up to 128 entries First usable sector is 34, last usable sector is 3907029134 Partitions will be aligned on 8-sector boundaries Total free space is 6 sectors (3.0 KiB) Number  Start (sector)    End (sector)  Size       Code  Name    1              40          409639   200.0 MiB   8300  Unused /boot    2          409640          819239   200.0 MiB   8300  Unused /boot    3          819240      3907029134   1.8 TiB     8E00  Linux LVM Command (? for help): v No problems found. 6 free sectors (3.0 KiB) available in 1 segments, the largest of which is 6 (3.0 KiB) in size.

结束语目前，最安全的假设就是您购买的所有新硬盘都使用了高级格式化技术。当然，您可以查看制造商说明书来确认这一假设，但是，对于高级格式化磁盘而言，对齐分区对旧的磁盘类型没有什么不利的影响，使用废弃的实用程序或操作系统时除外。
如今，一些外部磁盘使用了 4,096 字节的扇区，但内部磁盘使用了扇区大小转换。这在未来可能会发生改变。如果您遇到一个具有 4,096 字节的扇区的驱动器，而且它提供了一个使用真正的扇区大小的选项，那么您可能想要使用真正的扇区大小；但是，一定要了解相关的注意事项。
从 BIOS 启动的软件可能会对硬盘的扇区大小作出假设。如果 BIOS 包含这样的假设，那么您的计算机可能无法从具有 4,096 字节扇区但缺乏将其转换成 512 字节扇区的固件的磁盘进行启动。使用最新的软件可帮助您解决这些问题，例如可以将传统磁盘作为启动磁盘使用，将新技术磁盘仅作为数据磁盘使用。