为什么ssd的4k随机读写，读比写慢？
关于SSD的4K随机读写性能，很多人都有一个直观的感受：为什么实际使用中，或者在一些性能测试报告里，会发现4K随机读的速度似乎比4K随机写要快？这确实是一个普遍存在的现象，但背后的原因并非简单的“谁比谁慢”，而是涉及到SSD内部工作机制的复杂交互。要彻底弄明白这一点，我们需要一层层剥开SSD的“神秘面纱”。
首先，我们得明确“4K随机读写”到底是什么意思。这指的是SSD以4KB为单位，进行无序（随机）的数据读取或写入操作。之所以强调“4K”，是因为这是操作系统和文件系统进行数据交换的最小单元，也是固态硬盘最基本的工作块。而“随机”则意味着数据不像顺序读写那样是按部就班地进行，而是可能分散在SSD的各个角落。
为什么会存在“读比写快”的普遍印象？这背后有几个核心的驱动因素：
1. NAND闪存的物理特性与工作原理
SSD的核心是NAND闪存芯片。NAND闪存的工作方式与我们熟悉的机械硬盘（HDD）有着本质的区别。闪存芯片内部是由大量的存储单元（Cell）组成的，这些存储单元被组织成页（Page）和块（Block）。
写入（Program）的限制： NAND闪存的写入操作有一个非常关键的限制：只能由空置的单元进行写入，而不能直接修改已有的数据。 如果要修改一个已经写入数据的存储单元，SSD控制器并不能直接在原地进行覆盖。它必须执行一个称为“读修改写”（ReadModifyWrite）的复杂过程：
1. 读取（Read）： 首先，SSD控制器需要读取包含待修改数据的整个页面。
2. 修改（Modify）： 然后，在内存（通常是DRAM缓存）中，它会将新的数据与原有的数据进行合并或替换。
3. 擦除（Erase）： 最重要的一步来了：为了写入修改后的数据，整个包含该页面的闪存块（Block）必须被擦除。擦除操作不是针对单个页面或单元，而是针对整个块进行。
4. 写入（Program）： 最后，将修改后的数据写入到该闪存块中的一个新的、空置的页面。
你可以想象一下，如果我要求你修改一本书里的一句话，你不能直接在原页上涂改。你得把那页撕下来，在另一张纸上写上修改后的句子，然后把整本书的这一页重新打印一遍（这是一个非常简化的类比）。
读取（Read）的效率： 相较之下，读取操作就直接得多。SSD控制器可以直接定位到目标页面，从中读取数据，然后传输给主机。这个过程不需要复杂的擦除和重写步骤，因此效率更高，延迟更低。
总结一下，闪存的“原地不可修改性”是导致写操作比读操作复杂和耗时的一个根本原因。
2. 垃圾回收（Garbage Collection, GC）与磨损均衡（Wear Leveling）的影响
SSD为了解决NAND闪存的写入特性，以及延长闪存寿命，会引入一些后台的辅助机制，这些机制在写入操作时会产生额外的开销，从而影响到4K随机写性能。
垃圾回收（GC）： 闪存块在擦除前，里面的所有页面都必须是空的。但是，当用户删除文件或更新数据时，SSD并不会立即擦除相关页面。它会在内部标记这些页面为“无效”（Invalid）。随着无效页面的增多，单个闪存块可能混合了有效和无效页面。当需要向一个已经充满数据的块写入新数据时，SSD控制器必须进行垃圾回收。
GC的过程就是将一个块中所有有效的页面读取出来，然后写入到另一个新的、空置的块中。
完成数据迁移后，原本的那个块就可以被完全擦除，然后用于新的写入操作。
这个过程需要耗费大量的读取、写入和内部数据迁移操作，尤其是在写入负载较高时，GC会频繁运行，占用宝贵的闪存带宽和控制器资源，这会显著降低感知到的前端写入性能。简单来说，一部分用户写入操作的“性能”被消耗在了后台的GC上。
磨损均衡（Wear Leveling）： NAND闪存的每个存储单元都有有限的擦写次数（Program/Erase Cycles）。为了保证整个SSD的寿命，SSD控制器会通过磨损均衡算法，将写入操作均匀地分布到所有的闪存块上，避免某些块因为频繁写入而过早失效。这虽然是保证SSD寿命的必要措施，但也意味着控制器在选择写入目标时，可能需要进行额外的计算和寻址，相比于直接读取一个已经定位好的单元，也会增加一点点的开销。
3. 固件、控制器和缓存的作用
SSD的性能很大程度上取决于其内部的控制器（Controller）和固件（Firmware）的算法。
控制器： 控制器是SSD的大脑，负责接收来自主机的命令，将数据映射到闪存的物理位置，执行GC、磨损均衡等操作。
写放大（Write Amplification）： 由于GC和管理机制，SSD实际写入到NAND闪存的数据量往往会大于主机请求写入的数据量。这就是写放大。4K随机写通常比顺序写更容易出现较高的写放大，因为随机操作的局部性差，更容易导致大量需要被迁移的有效数据。
调度算法： 控制器如何调度大量的读、写、GC任务，也会影响到最终的性能表现。一些先进的控制器能够更有效地管理这些任务，减少冲突。
缓存（DRAM Cache）： 许多高性能SSD会配备DRAM缓存，用于存放映射表（FTL, Flash Translation Layer）、待写入的数据（Buffer）以及日志等。
写入缓存： 当主机发起写入请求时，数据会先被写入DRAM缓存。这使得SSD可以快速向主机报告写入完成，即使实际的闪存写入还没完成。这是提升“感知性能”的重要手段，但底层闪存的实际写入速度依然受NAND特性影响。
读取缓存： DRAM缓存也可以缓存经常访问的数据，提升读取速度。
SLC Cache（假SLC模式）： 部分SSD为了提升持续写入性能，会划出一部分TLC/QLC闪存区域，模拟成SLC（SingleLevel Cell）模式来使用。SLC模式的读写速度和寿命都远高于TLC/QLC。当写入数据量超过这个SLC Cache大小时，性能会急剧下降，回归到TLC/QLC的原始速度。4K随机写，尤其是持续的随机写，更容易“填满”SLC Cache，从而暴露其底层的慢速。
4. 操作系统和文件系统的交互
操作系统和文件系统的调度也会对SSD的4K随机读写性能产生影响。
I/O队列： 操作系统会将大量的IO请求放入队列中，SSD控制器负责从队列中取出并执行。
TRIM指令： TRIM指令允许操作系统告诉SSD哪些数据块不再被使用，SSD可以在后台执行GC时更有效地处理这些块。
并发性： 现代操作系统和应用程序会产生大量的并发IO请求。控制器如何有效地处理这些并发的读写请求，也决定了最终的性能表现。
为什么“4K随机写”通常比“4K随机读”慢？
综合以上几点，我们可以更清晰地看到：
1. 基础耗时： NAND闪存的写入涉及复杂的“读修改写”过程，而读取则相对直接。
2. 后台开销： 写入操作更容易触发后台的垃圾回收机制，这会消耗大量的资源，并可能导致实际写入速度低于用户感知到的速度。
3. 写放大： 写入操作通常伴随更高的写放大，意味着SSD内部实际处理的数据量更大。
4. 缓存利用： 写入数据先经过DRAM缓存，但最终还是要落到闪存，并且闪存的写入速度是瓶颈。读取时，DRAM缓存可以更有效地提供数据。
5. SLC Cache效应： 持续的随机写更容易耗尽SLC缓存，使得性能回落到更慢的TLC/QLC原生速度。
因此，虽然SSD的整体性能已经远超HDD，但在4K随机读写这种高并发、低延迟的测试场景下，NAND闪存固有的写入特性、后台管理机制以及控制器算法的综合作用，就使得4K随机写往往比4K随机读展现出相对较慢的速度。这并不是说SSD的写入能力差，而是说在最苛刻的条件下，写入的复杂性比读取要高得多。
最终，在选择SSD时，除了关注4K随机读写性能，还要考虑其持续读写能力、主控、缓存大小以及品牌的口碑，这些都会影响到SSD的整体使用体验。
首先，我们得明确“4K随机读写”到底是什么意思。这指的是SSD以4KB为单位，进行无序（随机）的数据读取或写入操作。之所以强调“4K”，是因为这是操作系统和文件系统进行数据交换的最小单元，也是固态硬盘最基本的工作块。而“随机”则意味着数据不像顺序读写那样是按部就班地进行，而是可能分散在SSD的各个角落。
为什么会存在“读比写快”的普遍印象？这背后有几个核心的驱动因素：
1. NAND闪存的物理特性与工作原理
SSD的核心是NAND闪存芯片。NAND闪存的工作方式与我们熟悉的机械硬盘（HDD）有着本质的区别。闪存芯片内部是由大量的存储单元（Cell）组成的，这些存储单元被组织成页（Page）和块（Block）。
写入（Program）的限制： NAND闪存的写入操作有一个非常关键的限制：只能由空置的单元进行写入，而不能直接修改已有的数据。 如果要修改一个已经写入数据的存储单元，SSD控制器并不能直接在原地进行覆盖。它必须执行一个称为“读修改写”（ReadModifyWrite）的复杂过程：
1. 读取（Read）： 首先，SSD控制器需要读取包含待修改数据的整个页面。
2. 修改（Modify）： 然后，在内存（通常是DRAM缓存）中，它会将新的数据与原有的数据进行合并或替换。
3. 擦除（Erase）： 最重要的一步来了：为了写入修改后的数据，整个包含该页面的闪存块（Block）必须被擦除。擦除操作不是针对单个页面或单元，而是针对整个块进行。
4. 写入（Program）： 最后，将修改后的数据写入到该闪存块中的一个新的、空置的页面。
你可以想象一下，如果我要求你修改一本书里的一句话，你不能直接在原页上涂改。你得把那页撕下来，在另一张纸上写上修改后的句子，然后把整本书的这一页重新打印一遍（这是一个非常简化的类比）。
读取（Read）的效率： 相较之下，读取操作就直接得多。SSD控制器可以直接定位到目标页面，从中读取数据，然后传输给主机。这个过程不需要复杂的擦除和重写步骤，因此效率更高，延迟更低。
总结一下，闪存的“原地不可修改性”是导致写操作比读操作复杂和耗时的一个根本原因。
2. 垃圾回收（Garbage Collection, GC）与磨损均衡（Wear Leveling）的影响
SSD为了解决NAND闪存的写入特性，以及延长闪存寿命，会引入一些后台的辅助机制，这些机制在写入操作时会产生额外的开销，从而影响到4K随机写性能。
垃圾回收（GC）： 闪存块在擦除前，里面的所有页面都必须是空的。但是，当用户删除文件或更新数据时，SSD并不会立即擦除相关页面。它会在内部标记这些页面为“无效”（Invalid）。随着无效页面的增多，单个闪存块可能混合了有效和无效页面。当需要向一个已经充满数据的块写入新数据时，SSD控制器必须进行垃圾回收。
GC的过程就是将一个块中所有有效的页面读取出来，然后写入到另一个新的、空置的块中。
完成数据迁移后，原本的那个块就可以被完全擦除，然后用于新的写入操作。
这个过程需要耗费大量的读取、写入和内部数据迁移操作，尤其是在写入负载较高时，GC会频繁运行，占用宝贵的闪存带宽和控制器资源，这会显著降低感知到的前端写入性能。简单来说，一部分用户写入操作的“性能”被消耗在了后台的GC上。
磨损均衡（Wear Leveling）： NAND闪存的每个存储单元都有有限的擦写次数（Program/Erase Cycles）。为了保证整个SSD的寿命，SSD控制器会通过磨损均衡算法，将写入操作均匀地分布到所有的闪存块上，避免某些块因为频繁写入而过早失效。这虽然是保证SSD寿命的必要措施，但也意味着控制器在选择写入目标时，可能需要进行额外的计算和寻址，相比于直接读取一个已经定位好的单元，也会增加一点点的开销。
3. 固件、控制器和缓存的作用
SSD的性能很大程度上取决于其内部的控制器（Controller）和固件（Firmware）的算法。
控制器： 控制器是SSD的大脑，负责接收来自主机的命令，将数据映射到闪存的物理位置，执行GC、磨损均衡等操作。
写放大（Write Amplification）： 由于GC和管理机制，SSD实际写入到NAND闪存的数据量往往会大于主机请求写入的数据量。这就是写放大。4K随机写通常比顺序写更容易出现较高的写放大，因为随机操作的局部性差，更容易导致大量需要被迁移的有效数据。
调度算法： 控制器如何调度大量的读、写、GC任务，也会影响到最终的性能表现。一些先进的控制器能够更有效地管理这些任务，减少冲突。
缓存（DRAM Cache）： 许多高性能SSD会配备DRAM缓存，用于存放映射表（FTL, Flash Translation Layer）、待写入的数据（Buffer）以及日志等。
写入缓存： 当主机发起写入请求时，数据会先被写入DRAM缓存。这使得SSD可以快速向主机报告写入完成，即使实际的闪存写入还没完成。这是提升“感知性能”的重要手段，但底层闪存的实际写入速度依然受NAND特性影响。
读取缓存： DRAM缓存也可以缓存经常访问的数据，提升读取速度。
SLC Cache（假SLC模式）： 部分SSD为了提升持续写入性能，会划出一部分TLC/QLC闪存区域，模拟成SLC（SingleLevel Cell）模式来使用。SLC模式的读写速度和寿命都远高于TLC/QLC。当写入数据量超过这个SLC Cache大小时，性能会急剧下降，回归到TLC/QLC的原始速度。4K随机写，尤其是持续的随机写，更容易“填满”SLC Cache，从而暴露其底层的慢速。
4. 操作系统和文件系统的交互
操作系统和文件系统的调度也会对SSD的4K随机读写性能产生影响。
I/O队列： 操作系统会将大量的IO请求放入队列中，SSD控制器负责从队列中取出并执行。
TRIM指令： TRIM指令允许操作系统告诉SSD哪些数据块不再被使用，SSD可以在后台执行GC时更有效地处理这些块。
并发性： 现代操作系统和应用程序会产生大量的并发IO请求。控制器如何有效地处理这些并发的读写请求，也决定了最终的性能表现。
为什么“4K随机写”通常比“4K随机读”慢？
综合以上几点，我们可以更清晰地看到：
1. 基础耗时： NAND闪存的写入涉及复杂的“读修改写”过程，而读取则相对直接。
2. 后台开销： 写入操作更容易触发后台的垃圾回收机制，这会消耗大量的资源，并可能导致实际写入速度低于用户感知到的速度。
3. 写放大： 写入操作通常伴随更高的写放大，意味着SSD内部实际处理的数据量更大。
4. 缓存利用： 写入数据先经过DRAM缓存，但最终还是要落到闪存，并且闪存的写入速度是瓶颈。读取时，DRAM缓存可以更有效地提供数据。
5. SLC Cache效应： 持续的随机写更容易耗尽SLC缓存，使得性能回落到更慢的TLC/QLC原生速度。
因此，虽然SSD的整体性能已经远超HDD，但在4K随机读写这种高并发、低延迟的测试场景下，NAND闪存固有的写入特性、后台管理机制以及控制器算法的综合作用，就使得4K随机写往往比4K随机读展现出相对较慢的速度。这并不是说SSD的写入能力差，而是说在最苛刻的条件下，写入的复杂性比读取要高得多。
最终，在选择SSD时，除了关注4K随机读写性能，还要考虑其持续读写能力、主控、缓存大小以及品牌的口碑，这些都会影响到SSD的整体使用体验。
网友意见
SSD其实类似于一个大号的U盘，但U盘的速度无论如何也是赶不上SSD的，主要区别包括：主控、缓存、通道数。
操作SSD的时候，不管是读还是写，其实都是要走缓存的，Intel高端SSD内置上GB的DDR缓存，所以性能才高的吓人。
所以4K随机写，多数情况下都是先写到SSD的缓存里，然后SSD的主控再慢慢刷，但随机读就不一样了，随机读多数情况下会cache miss，需要直接到闪存里读，NAND flash的读速度并不快，主流的SSD为了保证性能，都有巨大的缓存，所以效果就是随机写有时候会比随机读更快，但这也看SSD主控的算法，并非所有SSD都这样（甚至需要考虑操作系统本身的缓存策略）。
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