第23讲 · 存储设备的抽象

2026 南京大学《操作系统原理》第二十三讲 · 课堂实录重构

对应讲次：第23讲（南京大学 操作系统原理）

制作模型：deepseek-flash（coding-agent / pi；据 ~/.pi/agent/settings.json）

编者说明：本书由课堂录像的语音字幕重构而成，术语、章节骨架与参考链接已按课程官方讲义（lect23.md）校准。讲师的口语风格、类比与案例被尽量保留；编辑性的补充一律以「编者说明」或「编者拓展」标出。

引子

(参考时间: 00:00)

进入持久化部分的第二节课——讲一个 bit 是怎么存储的。

回顾 I/O 设备：设备 = Canonical Device Model（总线上的寄存器），从 LED 灯到打印机、GPU 都遵循这个模型；设备驱动程序把 file operations 翻译成设备能听懂的命令（读、写、控制 ioctl）。

编者拓展｜DeepSeek 在招「Agent Harness 研发工程师」：讲师开场评论了一份招聘 JD——「除模型本身以外的所有工作，都属于 Harness 的范畴」，要求「能够在 AI 辅助下，在没有直接经验的领域（如语言、技术、框架等）进行有质量保证的编程工作」。「这不就是招 AI 原生时代的超级个体吗？写这个 JD 的人说『这年头还有不拥抱 AI 的学生啊』——传统的学习方法可以说是出生即死亡了。」

正式进入 Persistence：

Persistence: "A firm or obstinate continuance in a course of action in spite of difficulty or opposition."

「我们的祖先就希望数据能永久留存——在石头上刻字就行啦。」

📷 Rosetta Stone：跨越千年的持久化存储——在稳定介质上「挖坑」
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一、数据的持久化

1.1 正 v.s. 反：磁

持久化可能没有想象的那么困难——「你只要有一个能够反复改写的状态，就能持久化」。就像小时候的磁性画板：六边形格子里是铁粉，磁笔把铁粉吸到上表面就有颜色，底下磁铁一刷就擦掉了。

📷 磁性画板：一个能反复改写的状态（铁粉在格子里的上/下）
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编者说明：在计算机世界里，为了能让计算机访问，一个 bit 必须能用电路读写——必须能转成电信号并被电信号驱动。理论上你可以给画板加上电磁铁和摄像头来「Persist data」，但那显然不高效。更高效的做法就是「内卷」：把尽可能多的 bit 塞到很小的空间里。

电磁感应：物理和数字世界的桥梁

1D 存储设备：磁带（1928）——在纸带上均匀粘上铁磁体，只需要一个机械部件（转动）定位：

• 读取：磁通量变化产生电动势，放大感应电流；
• 写入：强磁场下电子自旋方向翻转（不是磁针物理翻转）。

📷 磁带：一维存储，用电磁感应读写
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编者拓展｜「磁带密度可以高得离谱」：现代磁带的存储部分只需要结晶（结构比集成电路简单得多），但密度可达 300 Gb/in²（30TB/磁带）。「以前我的小霸王学习机还要插卡带、用录音机把 BASIC 程序录到磁带上……」——磁带作为存储设备的分析：

特性	评价
价格 / 容量 / 可靠性	低 / 高 / 高（固体，放几十年上百年）
顺序读写	勉强（需等待定位）
随机读写	几乎完全不行（这是致命缺陷）
应用场景	冷数据存档备份；音频/视频（只需要顺序读写）

📷 磁带的应用场景：音频/视频——正好只需要顺序读写
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磁鼓（Magnetic Drum, 1932）：1D → 1.5D——用旋转的二维平面（绕成圈的磁带）存储数据，读写延迟不会超过旋转周期（随机读写大幅提升）。

疯狂内卷：磁盘（Hard Disk, 1956）：1.5D → 2.5D——在二维平面上放置许多「磁带」（磁道），读写头还有一个自由度可以切换磁道。

📷 磁盘：在二维平面上放置许多磁道，读写头 + 转轴
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编者说明：现代磁盘是很硬的密封封装，转速可达 5400/7200 rpm；为提升密度，工程师不断改进——垂直记录（磁畴竖着排列）、减小 bit 尺寸、多盘片双面……成本低、容量高、可靠性高，是计算机系统的主力数据存储（「甚至坏了还有可能修」，因为盘片化学性质稳定）。

性能调优：读/写一个扇区时，读写头要到对应磁道（7200 rpm → 120 rps → 寻道约 8.3ms），转轴再把盘片旋到读写头下。用缓存/调度缓解——著名的「电梯」调度算法（「现在这些算法都集成到磁盘控制器里了，因为只有厂商最清楚磁盘的参数」）。

软盘（Floppy Disk, 1971）：把读写头和盘片分开——计算机上的驱动器 + 可移动盘片（8″(1971)、5.25″(1975)、3.5″(1981)）。

📷 软盘：5.25″ 与 3.5″——把盘片做成可移动的「数据快递」
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编者拓展｜软盘的「写保护」与吉祥物：3.5″ 软盘上有一个写保护小孔——拨下塑料片后，驱动器用一个光电传感器就能知道是否写保护。软盘以 1.44MB 为单位携带数据，「仙剑奇侠传就是软盘发行的，玩到一半它会说『请插入下一张软盘』」。「软盘今天作为吉祥物存在——就是你们软件里那个没见过却代表『保存』的按钮 💾。」

1.2 坑 v.s. 平：光

坑：天然容易「阅读」的数据存储——从 Rosetta Stone 的「挖坑」，到现代工业挖出更精细的坑。

Compact Disk（CD, 1980）：在反射平面（1）上挖上粗糙的坑（0），激光扫过表面就能读出信息：

• 44.1kHz, 16-bit, 2 声道贝多芬第九交响曲（74 分钟，~700MB）——飞利浦（碟片）和索尼（数字音频）发明；
• Eight-to-Fourteen Modulation（EFM）编码（8 bit → 14 bit）。

📷 CD：激光读取反射面上的坑；8→14 调制编码
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编者拓展｜光盘最有趣的特性：容易复制：坑是挖在透明塑料上的，压上反射膜——「压盘」：母盘做好后，每复制一张只要压一下。3 秒生产一张 Blue Ray 100GB（33,000 MB/s 写入速度）。

「有个有意思的故事：在两个数据中心之间传数据，把整个数据中心写成磁盘、用卡车拖过去，带宽可能比网络更快。」

Project Silica：回归 Rosetta Stone——用激光在玻璃内部聚焦、改变晶体结构写入 bit（Random read + Append-only write = 任何数据结构），配一个像图书馆一样的机器人来做随机寻址。

📷 Project Silica：在玻璃中「永久挖坑」，用机器人实现随机访问
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编者拓展｜Random Read + Append-only Write = 任何数据结构：讲师插入了一节「数据结构课」——如果你有一个只能随机读、但只能追加写的介质，你完全可以实现任何数据结构，比如持久化二叉树（persistent data structure）：修改时把从根到叶的整条路径复制一份（旧的子树指针仍然指过去），代价是 $O(\log n)$，且所有历史版本都还在。「只要拿到那个指针，就知道这是上一次的那棵树。」——这正暗合 Project Silica 与 FTL 的设计。

1.3 充电 v.s. 放电：电

磁和坑都不太完美：磁有机械部件（无法避免的 ms 级延迟）；光挖坑效率低、填坑困难。

「完美」= 电子的密度、电路的速度——Flash Memory「闪存」：在电路里「挖个坑」——把电子填进去是一个状态，把电子放跑是另一个状态。甚至可以精确控制电压实现多 bit：MLC（2 bits）、TLC（3 bits）、QLC（4 bits）。

📷 1-Bit Flash Memory：Floating Gate 的充电/放电
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编者拓展｜Jim Gray 的预言（2006）：「Tape is Dead, Disk is Tape, Flash is Disk, RAM Locality is King」——在 SSD 还没普及时就预见到 Flash 会取代磁盘。「Flash 全身都是优点……最不讲道理的特点是扩展性：容量越大，速度越快。」

——因为闪存颗粒之间是完全并行的：「你买 MacBook，512G 的磁盘性能比 256G 好接近一倍，因为多一份颗粒就多一倍的带宽。」

开启「优盘」时代（1999）：使 Flash 普及的不是高速 SSD，而是优盘——朗科专利「用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法」（把 USB 接口和芯片封装在一块电路板上）。

📷 朗科优盘专利：让 Flash 通过 USB 直接接入电脑
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Flash Memory 有一个致命的缺陷：放电（erase）做不到 100% 放干净——放电数千/数万次后，cell 就好像「充电」状态了（Erase Saturation），cell 死掉，「wear out」。QLC 大约只有 1,000 次写入寿命。

for i in range(1000):
    Path("a.txt").write_text(str(i))

「这个文件就该要损坏了？」——但你们从来没遇到过这个问题。

编者说明：物理的限制不可能突破，但可以用软件弥补。「你的 SSD、优盘、甚至是 TF 卡里都藏了一个完整的计算机系统」——有主控 CPU、DRAM、缓存、store buffer、操作系统……

软件定义磁盘：FTL（Flash Translation Layer）

• Wear Leveling：用软件使写入变得「均匀」（虚拟内存）——维护一张 Logical-to-Physical Table（L2P Table）；
• 逻辑块 1 这次可能写到物理块 2，下次写到物理块 4……每块都记录写入次数；
• 再一次：Random Read + Append-only Write = 任何数据结构——L2P 表本身就是一张持久化的数据结构，不能是一个普通的 hash table（否则第一项会被写坏），必须用一个 append-only 的持久化数据结构来实现。

📷 FTL：Logical-to-Physical 映射表 + Wear Leveling，把写入均匀分摊到每个颗粒
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编者拓展｜不要买过度便宜的优盘：优盘、SD 卡、SSD 都是 NAND Flash，但软件/硬件系统的复杂程度不同（一个 SD 卡上也有一个 ARM CPU，但 RAM/缓存/算力远不如 SSD）。「设备 = 一组寄存器 → 设备可以伪造」：主控可以改，假 SSD 会伪装成 1TB 但实际只有 64GB——「写超出的部分就直接扔掉，这就是为什么不要买过度便宜的优盘。」

📷 哪怕是一张 SD/TF 卡里也藏了一个完整的计算机系统（ARM CPU + RAM + FTL）
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二、操作系统视角的存储设备

2.1 存储设备的抽象

Random Access 的代价：寻址——磁盘/磁带/光盘需要物理旋转；电路也需要选通信号 Die → Plane → Block → Page（16KB）。

减少寻址的代价：按块访问：

• SSD Page 内的独立选通信号就是浪费电路——整个 Page 是同步并行读写的；
• 存储设备 = 随机读写的 block array：struct block disk[NUM_BLOCKS]。

Block devices：按块访问的字节序列（可以直接 mmap 到进程地址空间）。但这个抽象不是没有代价的——不经意间的读/写放大：

如果你 mmap 一整个磁盘，哪怕只写一个字节，也要把这一整块读出来、改掉、再写回去——「我写一个字节，甚至你还读了 16KB 的数据。」

📷 存储设备 = 随机读写的 block 数组；映射到内存后一个字节的写也会带来读写放大
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📷 存储设备 = 随机读写的 block 数组：SSD 内部 Die → Plane → Block → Page（16KB）
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编者拓展｜NVMe ZNS 与读写放大：需要极致性能的场景用 NVMe ZNS（Zoned Namespaces） 直接操纵 append-only 的 Zone。NVMe 2.0 允许不再用 block array 的方式访问设备，而是直接操纵设备内部的数据结构，从而避免读写放大。

2.2 Linux Bio：一个应用程序「看不见」的接口

为你的存储设备实现 struct block_device_operations 和 struct request_queue，剩下的 read/write/mmap 都是文件系统的事了。

编者说明：block device 与 file operations 不同——file 支持任意 offset 读写（用 lseek 跳游标），但 block device 要么读一块、要么连续读/写多少块。只要实现「读/写块」，剩下的操作系统全帮你搞定。

打开 Linux Block I/O：讲师借助 Coding Agent，实践那份 JD 说的「在没有直接经验的领域进行有质量保证的编程工作」——模型 deepseek-v4-pro (high)，成本 ¥0.72。

• 「我作为操作系统教师，本来知道内核内部机制，但我决定在对话时假装一无所知」；
• 用几行 prompt，让 AI 实现工具，把系统所有的 block read/write 打印出来（用了 eBPF）；
• 「操作系统也是一个程序，那我没有道理不能 debug 它」——这是 first principle。

📷 Linux Block I/O：用 eBPF 把系统里所有 block 的读/写抓出来，可视化各进程的 IO 延迟分布
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编者说明：演示中执行 find / 会产生大量文件读取（蓝色「读」），写入 100MB 到 a.txt 会看到黄色「写」，还有橙色「同步」；工具还展示了每个进程的 IO 延迟分布。「以前写这样的 demo 我要花好几天，今天就完全变了。」

总结

• 持久化的本质：需要一个能反复改写的状态；在计算机里，每个 bit 必须能用电路读写；
• 正 vs 反（磁）：磁带（1D，1928）→ 磁鼓（1.5D，1932）→ 磁盘（2.5D，1956）→ 软盘（1971）；
• 坑 vs 平（光）：Rosetta Stone → CD（1980，EFM，74 分钟）→ Project Silica（Random read + Append-only write = 任何数据结构）；
• 充电 vs 放电（电）：Flash Memory（Floating Gate、MLC/TLC/QLC）；优盘（1999）；致命缺陷 = 写入寿命（QLC ~1000 次），用 FTL + Wear Leveling 弥补；
• 操作系统视角：存储设备 = 随机读写的 block array；按块访问减少寻址代价；Block device + block_device_operations；读写放大与 NVMe ZNS；
• Takeaway：无论是内存还是持久存储，最终胜出的仍然是电——它的密度和速度是其他介质难以比拟的。但 NAND Flash 作为持久存储时有巨大缺陷（写入寿命），工业界竟敢于试制这样跨时代的产品，在十多年争议中终究成为今天存储的主角。「如果更快的 non-volatile memory 到来又退场，我们的计算机系统是否会发生翻天覆地的变化？」

编者拓展｜「重要的是你能外推到任何一件事」：讲师最后的总结很动人——「我这门课讲的所有操作系统知识其实都可能不重要了，重要的是你们通过这些案例可以外推到做任何一件事：想到一些疯狂的事情，就去想，然后有一个非常强的 AI 去帮你实现。但如果你都不想的话，你这辈子就不会有机会去实现它了。」

附：官方参考与延伸阅读

本讲的讲义见课程主页，以下链接按书中出现顺序整理：

阅读材料：读 OSTEP 第 37 章（Hard Disk Drives）与第 44 章（Flash-based SSDs）；在 AI 帮助下扩展知识面（SSD Guide、Coding for SSDs）。

版权说明：本讲讲义与幻灯片作者为蒋炎岩，采用 Creative Commons BY-NC 4.0 许可，来源于 https://jyywiki.cn/OS/2026/。视频画面与字幕版权归原作者所有。本书为课堂内容的学习性重构。