操作系统之块尺寸为什么太大或太小都不好，而且必须是个2的幂次。

块尺寸（Block Size）在许多计算机科学和工程领域（如内存管理、文件系统、数据传输等）是一个非常重要的概念。选择合适的块尺寸对于系统的性能和效率至关重要。以下是为什么块尺寸过大或过小都不好，以及块尺寸必须是 2 的幂次的原因：

1. 块尺寸太大或太小都不合适

1.1 块尺寸太大

• 空间浪费：

  • 当块尺寸太大时，很多数据并不能完全占满一个块。这会导致未使用的空间被浪费，这种现象叫做内部碎片（Internal Fragmentation）。
  • 特别是当你需要存储很多小文件时，过大的块尺寸会导致每个文件分配到一个块，而这些块中的大部分可能都是空的，从而浪费了存储空间。

• I/O 过量：

  • 对于某些操作系统或存储设备，当数据块较大时，每次进行 I/O 操作需要传输的数据量也更大。对于一些小数据请求，这会导致不必要的过量数据传输，增加 I/O 操作的开销和延迟。

1.2 块尺寸太小

• 管理开销：

  • 当块尺寸太小时，存储数据需要的块数量就会增加。每个块都需要被跟踪和管理，这会导致更多的管理开销，如块表的维护、索引表的增加等。
  • 例如，文件系统中使用的索引结构（如索引节点，inode）需要跟踪每个数据块。如果块尺寸很小，那么需要更多的块来存储文件，意味着要使用更大的索引结构来记录这些块的位置，从而导致更大的管理开销。

• 性能下降：

  • 小块尺寸会导致频繁的 I/O 操作。对于读取较大文件来说，需要更多次的磁盘寻址和数据传输，这会使得文件读取性能下降。
  • 在数据传输中，如果块尺寸过小，频繁的数据交换会增加系统的调度和管理负担，导致效率低下。

2. 块尺寸必须是 2 的幂次

• 二进制硬件设计：

  • 计算机硬件基于二进制（0 和 1）进行设计，因此在内存管理、地址计算、数据存取等过程中，以 2 的幂次为单位进行操作是非常高效的。使用 2 的幂次可以简化地址的计算和偏移量的计算，比如位运算的移位操作，可以快速地将地址映射到内存或磁盘上的相应位置。

• 地址对齐优化：

  • 使用 2 的幂次作为块大小可以确保数据对齐，这对内存访问的效率至关重要。在 CPU 进行内存访问时，如果数据是对齐的，那么访问的时间会更短，因为对齐的数据减少了跨越多个缓存行或内存页的可能性。

• 方便位运算：

  • 当块大小是 2 的幂次时，地址的计算可以通过简单的位运算来完成。例如，对于 4096 字节（2^12）的块，可以通过位与操作快速判断一个地址是否是块的开始地址，以及对地址进行取模计算，便于分配和查找。

• 减少复杂性：

  • 块大小为 2 的幂次使得地址映射、分段以及管理数据块的算法设计更加简单和高效，减少了计算的复杂性，也避免了不必要的余数计算和除法操作。

3. 选择合适的块尺寸的权衡

• 工作负载类型：

  • 选择合适的块尺寸通常需要考虑系统的工作负载。如果系统经常处理小文件，则较小的块尺寸可以减少内部碎片，提高存储空间的利用率。但如果系统主要处理大文件，则较大的块尺寸可以减少块管理的开销和寻址次数，提高读写性能。

• 性能与空间的平衡：

  • 大块尺寸适合顺序访问大数据，例如视频文件的读取。但对于随机小文件的读写，较小的块尺寸则能提高利用率。因此，通常选择的块尺寸需要在空间效率和系统性能之间找到一个合理的平衡点。

• 常见的块尺寸选择：

  • 在文件系统（如 NTFS、EXT4）或存储系统中，常见的块尺寸通常是 4KB、8KB、16KB 等。这些块尺寸是 2 的幂次，可以在性能和空间利用率之间取得较好的折中。

综上所述，块尺寸的选择在系统设计中起着重要的作用，必须在存储效率、I/O 性能、管理开销等多个方面进行权衡。而选择 2 的幂次作为块大小则是由于计算机系统硬件的二进制特性，使得地址计算、内存对齐和管理都变得更加高效。