4K對齊

硬盤中文件保存的基本單元是扇區，不管文件大小，都要佔用一個扇區的空間。機械硬盤一個扇區是512字節，固態硬盤一個扇區是4K字節 ^[2]  。

微軟操作系統常用的NTFS格式，默認的扇區大小也是512字節，並且規定前63個扇區是保留的，也就是前31.5K字節的空間是不用的，數據從第64個扇區開始保存 ^[2]  。

這對於機械硬盤不是什麼問題，但對於固態硬盤來説，數據保存從一開始就出現錯位，一塊數據橫跨兩個扇區的情況變得相當普遍，這意味着讀寫這塊數據需要讀寫兩個扇區，而閃存讀寫次數是受限制的，過多無意義的讀寫對固態硬盤的性能和壽命會造成很大的損傷。可以藉助固態硬盤相關工具(如 Paragon Alignment Tool)進行4K對齊 ^[2]  。

由於SSD硬盤的讀寫機制特性，寫入數據時，以8個扇區(4096字節)為一基本存儲單元。寫滿後繼續下ー個4K區塊寫操作，若SSD硬盤沒有4K對齊處理，數據寫入會4K“超界”，讀取數據時會在超界處，造成二次往復讀取，讀取數據時間増加，讀寫效率降低 ^[3]  。

以機械硬盤為例（下同），硬盤上一般有很多盤片組成，每張盤片被劃分為一塊塊的扇面，同時沿着半徑方向被劃分成了很多磁道，每條磁道與扇面形成的扇形區域就叫作物理扇區。邏輯扇區是由操作系統劃分的軟件層上的扇區，是為了方便操作系統讀寫硬盤數據而設置的，其大小與具體地址，都可以通過一定的公式與物理扇區地址對應。扇區是讀寫信息的最小單位 ^[4]  。

以windows系統為例，在格式化硬盤時，我們會看到格式化選項卡中有“分配單元大小”一欄。其意思就是操作系統為這個邏輯分區分配的邏輯扇區空間大小，格式化後操作系統會按照這個單元大小對硬盤進行讀寫操作。每個分配單元只能存放一個文件。文件按照這個分配單元的大小被分成若干塊存儲在磁盤上 ^[4]  。

傳統的硬盤一般以512B為物理扇區大小，其分區偏移尺寸一直是從63扇區（63X512B=31.5KB）開始。大容量的機械硬盤的扇區尺寸提高至4096字節（即4KB），而電腦文件系統（FAT、NTFS等）一直都習慣以512字節的扇區單位來操作硬盤。新標準的"4K扇區"的硬盤在廠商為了保證與操作系統兼容的前提下，也將扇區模擬成512B，因此出現“4K不對齊”的情況發生。如果“4K不對齊”，那麼從第63個扇區結束，往後的每一個簇都會跨越兩個物理單元，佔據前一個單元的一部分和後一個單元的一部分。而“4K對齊”主要是將硬盤的邏輯扇區從第64個扇區開始對齊，即操作系統從第64個扇區開始讀寫數據，這樣就跨過了63扇區的特性，解決了每一個簇跨兩個物理單元讀寫的問題 ^[4]  。

“4K對齊”這個概念因固態硬盤的出現而興起，那麼4K這個數值就肯定跟固態硬盤有關。固態硬盤的內部結構不同於機械硬盤，其讀寫的最小單位是“頁”，相當於機械硬盤的物理扇區，並且常見尺寸為4KB。固態硬盤存顆粒不允許像機械硬盤一樣覆蓋寫入，因此在有數據的地方要寫入新數據，就需要先進行擦除操作，而擦除的最小單位是塊（每個塊都由很多個頁組成）。因此，4K這個數值是順應了硬盤設備的發展而得出的 ^[4]  。

以固態硬盤為例，固態硬盤的頁大小為4KB，傳統分區偏移尺寸為31.5KB。如果4K不對齊，那麼用户的數據都會跨兩個頁，導致每次的寫入操作都變成了讀-擦-寫操作，造成性能下降。寫入一個4KB的數據，實際運行時會有兩次寫入操作，4K對齊就讓是操作系統的最小分配單元和閃存的一個頁對應起來，這樣操作系統寫入一個4KB的數據，一次就能完成。因此，“4K”對齊能夠提升硬盤工作效率，延長硬盤壽命，提升文件操作的穩定性與安全性 ^[4]  。

可以通過 AS SSD Benchmark軟件查看4K對齊，如下圖《查看4K對齊》所示。在左上角出現“1024K-OK"字樣，説明已經4K對齊。不同的硬盤可能出現不同的數值。但只要是綠色字體OK狀態即可，否則是紅色字體BAD狀態 ^[3]  。

事實證明，如果SSD固態硬盤不進行4K對齊，性能損失近一半，極大地降低數據寫入和讀取速度，還會造成固態硬盤不必要的寫入次數。所謂4K對齊，是指符合“4K扇區”定義格式化過的硬盤，並按照“4K扇區”的規則寫入數據。對於SSD固態硬盤來説，最直接的方法就是格式化進行4K對齊。但在DOS模式下Format格式化是無法進行4K對齊的。而 Windows內置分區工具使用有繁瑣，而且對於預裝了系統的筆記本而言，重分區更麻煩 ^[5]  。

要對SSD固態硬盤進行無損4K對齊，可以Paragon Alignment無損對齊軟件，運行軟件後，點下一步”按鈕。此時軟件界面會顯示硬盤狀態，綠色説明已經對齊，黃色則表示沒有對齊，粉色不需要對齊。這個時候選擇需要對齊的SSD固態硬盤，點擊“ Align Partitons”按鈕，此時系統會重啓並自動切換到DOS下進行對齊進程，值得注意，需要耐心等待1個小時左右才能完成4K對齊 ^[5]  。

當4K對齊完成後，筆記本再次重啓，進入系統後，會彈出一個提醒對齊成功的窗口，如果分區的顏色變為綠色，後面有succeeded的表示，表示4K對齊成功。當然也可以藉助 AS SSD Benchmark軟件查看是否4K對齊，在軟件主界面左上角，如果出現有紅色字樣的“BAD"提示，説明還沒有4K對齊。如果全是綠色的字體，顯示OK，就表示已4K對齊 ^[5]  。

4K對齊是由於硬盤與操作系統各自的扇區單元大小不匹配、不兼容造成的。隨着技術的發展和時間的推移，操作系統更新換代，硬盤廠商將不用再對物理扇區進行模擬，從而實現默認的“4K對齊”，手動的“4K對齊”將成為過去 ^[4]  。

正如物理扇區大小由512B擴大到4K一樣，4K在不久的將來也會成為過去。操作系統支持的邏輯扇區大小已經高達2048K，由於硬盤廠商和操作系統廠商之間技術的差異，追逐與被追逐、兼容與被兼容的狀況將一直持續，“4K對齊”將會變成“8K對齊”、“16K對齊”。實際上，其實質就是“扇區對齊”。“扇區對齊”將替代“4K對齊” ^[4]  。