文件系统4K 对齐

早期磁盘规范将扇区大小定义为512字节。然而随着硬盘容量的不断扩展，这一大小已不再能满足硬盘管理和性能提升的需要。为了提高容错能力和硬盘的使用及管理效率，IDEMA（International Disk Drive Equipment and Materials Association）将原来的每个扇区512字节改为每个扇区4096个字节，也就是现在常说4K扇区。支持这一标准的硬盘称为高级格式化（Advanced Format）硬盘。

4K扇区格式继承了传统512字节扇区格式的关键设计要点，比如扇区起始区域的同步（synchronization）和地址（address）标志以及扇区结尾的纠错编码ECC（error correction coding）。

由于4K扇区标准在2010年才完成制定，所以目前大量的硬件及软件系统仍然是以512字节扇区标准来设计的，其中包括了很多芯片集，操作系统，数据库引擎，硬盘分区和镜像工具，文件备份设备等。为了向下兼容这些系统及程序， 很多硬盘制造商都在AF格式的硬盘上集成了512字节转换固件。集成了这种固件的硬盘被称为Advanced Format 512e硬盘，其中512e代表512仿真（512 emulation）。

将4K物理扇区转换成512字节虚拟扇区这一过程对系统和硬盘来说都是透明的，系统对AF格式的硬盘所以发出的读写请求跟对传统格式的硬盘发出的请求一样。

在处理读请求的过程中，AF格式硬盘会将包含了所需要的512字节数据的整个4K扇区加载到内存中，转换固件会将所需要的512字节数据提取出来然后转化成512字节格式，再将其发送到主机。读-过程通常对性能都不会有影响，或者只有很小的影响。

处理写请求的过程比读请求要复杂一些，硬盘需要将包含目标数据的整个4K扇区读到内存中，再将改写后的数据和原有数据整合到一起，最后将这4K扇区一起写回到磁盘当中。这一读-改-写的操作在4K不对齐的情况下会给系统带来明显的性能影响。

以常见的NTFS文件系统为例，在版本6以前的规范中，其引导区占用63个扇区，真正的文件分区从第63个扇区之后开始存储。依照计算，63个扇区的大小为 63×512字节=31.5K，无法被4K整除，也可以说是4K没有对齐。扇区是磁盘的硬件物理参数，是对磁盘进行读写操作的最小单元。而磁盘与主存之间进行数据传输时的逻辑单元则为簇（cluster）或者块（block），其由一个或多个扇区所组成。一个簇只存放一个文件。NTFS数据传输单元-簇的默认大小为4K，如果从31.5K开始进行数据存储，那么每个簇都会跨越两个物理扇区，占据第一个扇区的后512字节和第二个扇区的前3584字节。这样文件系统在读写某个簇的时候，硬盘都需要对两个扇区进行读-改-写操作，而在4K对齐的系统里，只要一次操作就可以了。

Linux系统的磁盘4k对齐

使用 fdisk 命令进行4k 对齐分区：

[root@yangyidba ~]# fdisk /dev/vdb
欢迎使用 fdisk (util-linux 2.23.2)。

更改将停留在内存中，直到您决定将更改写入磁盘。
使用写入命令前请三思。

Device does not contain a recognized partition table
使用磁盘标识符 0x0cea25c8 创建新的 DOS 磁盘标签。

命令(输入 m 获取帮助)：n
Partition type:
   p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
   e   extended
Select (default p): p
分区号 (1-4，默认 1)：
起始 扇区 (2048-1048575999，默认为 2048)：
将使用默认值 2048
Last 扇区, +扇区 or +size{K,M,G} (2048-1048575999，默认为 1048575999)：
将使用默认值 1048575999
分区 1 已设置为 Linux 类型，大小设为 500 GiB

命令(输入 m 获取帮助)：w
The partition table has been altered!

Calling ioctl() to re-read partition table.
正在同步磁盘。
[root@yangyidba ~]# fdisk  -lu /dev/vdb

磁盘 /dev/vdb：536.9 GB, 536870912000 字节，1048576000 个扇区
Units = 扇区 of 1 * 512 = 512 bytes
扇区大小(逻辑/物理)：512 字节 / 512 字节
I/O 大小(最小/最佳)：512 字节 / 512 字节
磁盘标签类型：dos
磁盘标识符：0x0cea25c8

   设备 Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/vdb1            2048  1048575999   524286976   83  Linux

fio 测试命令：

fio -filename=/test/test.bat -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randread  -ioengine=psync -bs=4k -size=100G -numjobs=50 -runtime=180 -group_reporting -name=XXX

其中 bs选择不同的 blocksize ，-rw 选择不同的读写策略，测试结果如下: