罗杰 刘梦彧 李健枝 罗慧敏 王洪江

摘要：随着固态硬盘的兴起和大容量机械硬盘的发展，“4K对齐”这个概念渐渐兴起。硬盘物理扇区和逻辑扇区之间的关系影响着硬盘的性能，文中以此阐述了“4K对齐”的概念，分析了原理及其重要性，并展望发展前景，以期能够为计算机应用方面的发展提供有价值的参考。

关键词：4K对齐；扇区；发展前景

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0270-01

1 引言

“4K对齐”这个概念因固态硬盘的出现而兴起。大多数人们都知道4K对齐这个概念，也知道在使用电脑过程中如何运用4K对齐，却很少知道4K对齐背后的原理。显然，4K对齐对于提升硬盘性能，加快文件操作速度有着非常重要的作用。在未来一段时间内，4K对齐将继续成为硬盘产业的主流。

2 什么是“4K对齐”

“4K对齐”指的是符合“4K扇区”定义格式化过的硬盘，并且按照“4K 扇区”的规则写入数据。但笔者认为此定义过于狭隘化，4K对齐是一个具体化了的概念，不适合广义情况下对此种技术进行解释。因此，笔者提出一个新的概念：扇区对齐。扇区对齐指的是硬盘物理扇区单元大小与逻辑扇区单元大小相同，并按照分配单元大小的规则写入数据。值得注意的是，扇区对齐是扇区单元大小的对齐，并不是指扇区地址的对齐。扇区对齐这个概念与4K对齐这个概念相比，更加本质化，更加具有概括性和广义性。

3 底层原理分析

3.1 硬盘上的物理扇区和逻辑扇区

以机械硬盘为例（下同），硬盘上一般有很多盘片组成，每张盘片被划分为一块块的扇面，同时沿着半径方向被划分成了很多磁道，每条磁道与扇面形成的扇形区域就叫作物理扇区。逻辑扇区是由操作系统划分的软件层上的扇区，是为了方便操作系统读写硬盘数据而设置的，其大小与具体地址，都可以通过一定的公式与物理扇区地址对应。扇区是读写信息的最小单位。

3.2 硬盘扇区与操作系统读写操作

以windows系统为例，在格式化硬盘时，我们会看到格式化选项卡中有“分配单元大小”一栏。其意思就是操作系统为这个逻辑分区分配的逻辑扇区空间大小，格式化后操作系统会按照这个单元大小对硬盘进行读写操作。每个分配单元只能存放一个文件。文件按照这个分配单元的大小被分成若干块存储在磁盘上。

传统的硬盘一般以512B为物理扇区大小，其分区偏移尺寸一直是从63扇区（63X512B=31.5KB）开始。直到近年来，大容量的机械硬盘的扇区尺寸提高至4096字节（即4KB），而电脑文件系统（FAT、NTFS等）一直都习惯以512字节的扇区单位来操作硬盘。新标准的"4K扇区"的硬盘在厂商为了保证与操作系统兼容的前提下，也将扇区模拟成512B，因此出现“4K不对齐”的情况发生。如果“4K不对齐”，那么从第63个扇区结束，往后的每一个簇都会跨越两个物理单元，占据前一个单元的一部分和后一个单元的一部分。而“4K对齐”主要是将硬盘的逻辑扇区从第64个扇区开始对齐，即操作系统从第64个扇区开始读写数据，这样就跨过了63扇区的特性，解决了每一个簇跨两个物理单元读写的问题。

4 “4K对齐”的重要性

引言中提到，“4K对齐”这个概念因固态硬盘的出现而兴起，那么4K这个数值就肯定跟固态硬盘有关。固态硬盘的内部结构不同于机械硬盘，其读写的最小单位是“页”，相当于机械硬盘的物理扇区，并且常见尺寸为4KB。固态硬盘存颗粒不允许像机械硬盘一样覆盖写入，因此在有数据的地方要写入新数据，就需要先进行擦除操作，而擦除的最小单位是块（每个块都由很多个页组成）。因此，4K这个数值是顺应了硬盘设备的发展而得出的。

以固态硬盘为例，固态硬盘的页大小为4KB，传统分区偏移尺寸为31.5KB。如果4K不对齐，那么用户的数据都会跨两个页，导致每次的写入操作都变成了读-擦-写操作，造成性能下降。写入一个4KB的数据，实际运行时会有两次写入操作，4K对齐就让是操作系统的最小分配单元和闪存的一个页对应起来，这样操作系统写入一个4KB的数据，一次就能完成。因此，“4K”对齐能够提升硬盘工作效率，延长硬盘寿命，提升文件操作的稳定性与安全性。

5 发展前景展望

5.1 “4K对齐”将成为过去

目前的4K对齐是由于硬盘与操作系统各自的扇区单元大小不匹配、不兼容造成的。随着技术的发展和时间的推移，操作系统更新换代，硬盘厂商将不用再对物理扇区进行模拟，从而实现默认的“4K对齐”，手动的“4K对齐”将成为过去。

5.2 “扇区对齐”将替代“4K对齐”

正如物理扇区大小由512B扩大到4K一样，4K在不久的将来也会成为过去。目前，操作系统支持的逻辑扇区大小已经高达2048K，由于硬盘厂商和操作系统厂商之间技术的差异，追逐与被追逐、兼容与被兼容的状况将一直持续，“4K对齐”将会变成“8K对齐”、“16K对齐”。实际上，其实质就是“扇区对齐”。这正是笔者提出“扇区对齐”这个概念的原因。“扇区对齐”将替代“4K對齐”。

6 结束语

认识和了解“4K对齐”对于指导人们使用和维护硬盘具有重要的作用。然而不可忽略的是，“4K对齐”因其局限性将会被取代，而“扇区对齐”将更加具有广义性，是取代“4K对齐”的词语之一。