[科普中国]-4K对齐

“4K对齐”指的是符合“4K扇区”定义格式化过的硬盘，并且按照“4K扇区”的规则写入数据。4K对齐是一种高级硬盘使用技术，用特殊方法将文件系统格式与硬盘物理层上进行契合，为提高硬盘寿命与高效率使用硬盘空间提供解决方案。1

产生背景机械硬盘在储存数据时，一直都是以512byte大小的扇区（Sector）为单位分割进行读写。随着硬盘容量的不断提升，这种分配标准已经越来越显的不合时宜。因此，硬盘生产厂商们决定将扇区容量扩大到4KB，也就是“4K扇区”。1

在NTFS6.X以前的规范中，数据的写入点正好会介于两个4K扇区的之间，也就是说即使是写入数据量非常小，也会使用到两个4K扇区，显然这样对写入速度和读取速度都会造成比较大的影响。为此对于“4K不对齐”的情况来说，一定要修改成“4K对齐”才好，否则不但会极大的降低数据写入和读取速度，还会造成硬盘不必要的写入次数，减少使用寿命。将硬盘调整为4K对齐后，可以提升硬盘的读写速度。要实现4K对齐，首先要开启硬盘的AHCI模式，然后使用4K对齐工具进行4K对齐，进而减少读写次数，使数据传输更为高效。1

原理电脑传统机械硬盘的每个扇区一般大小为512字节；当使用某一文件系统将硬盘格式化时，文件系统会将硬盘扇区、磁道与柱面统计整理并定义一个簇为多少扇区方便快速存储。3

Windows中常见使用的NTFS文件系统，默认定义为4096字节大小为一个簇，但NTFS分区因为其引导区占用了一个磁道共63个扇区，真正的文件系统在63号扇区之后，那么依照计算得出前63个扇区大小为：512B×63=32256B，并按照默认簇大小得出63扇区为32256B÷4096B=7.875个簇，即为每个簇都会跨越两个物理单元，占据第一个单元的组后512字节和第二个单元的前3584字节。这样文件系统在读写某个簇的时候，硬盘需要读写两个物理单元，这会降低读写速度，并缩短使用寿命。3现时一般使用一些硬盘分区软件在主引导记录的63个扇区后作牺牲地空出数个扇区以对齐文件系统的4096B每簇，4096B=4KB，即4K对齐（如图1所示），以避免过多的读写操作，提升读写速度、延长使用寿命。2

方法1、安装系统时对齐

用Win7安装光盘进行安装的时，使用安装过程中的分区方式进行分区，只是产生100M的隐藏小分区用于存储页面启动文件。1

2、使用Disk Genius来进行对齐

首先，选择硬盘并建立分区。其次，选择系统盘为主分区，文件分配表类型为NTFS，并将对齐到下列扇区的整数倍的勾打上，扇区数选4096。最后，点击确定，Disk Genius系统弹出“确定要保存对分区表的所有更改吗？所做的更改将立即生效。”，点击“是”，弹出“是否立即格式化下列新建立的分区？未格式化（0）”，点击“是”，系统开始格式化，就可以完成4K对齐。2

3、使用Paragon Alignment 对齐

启动Paragon Alignment后首先会扫描你当前连接的硬盘和U盘等外存储器；之后会看到左侧是硬盘，右侧是说明信息，同时图标用相关颜色显示当前磁盘状态，若显示绿色，则是已经对齐4K，显示黄色是可以4K对齐，当前还未对齐，如果显示粉红色的，表示不支持高级格式化。选择黄色未对齐的硬盘，然后点下面的Align Partitons，会有一个对齐过程完成之后直接点Restart Align电脑自动重启，重启过程中，会转到DOS下进行对齐，在这个过程中电脑不要断电，对齐程序不要强制停止或重启机器，否则有可能会造成硬盘损坏，对齐后电脑会自动重启，然后进入系统后，会弹出下图的窗口，可以看到分区的图标已经变成了绿色，而后面有一个Succeeded成功的标识，硬盘就4K对齐了。3

意义“4K对齐”这个概念因固态硬盘的出现而兴起，那么4K这个数值就肯定跟固态硬盘有关。固态硬盘的内部结构不同于机械硬盘，其读写的最小单位是“页”，相当于机械硬盘的物理扇区，并且常见尺寸为4KB。固态硬盘存颗粒不允许像机械硬盘一样覆盖写入，因此在有数据的地方要写入新数据，就需要先进行擦除操作，而擦除的最小单位是块（每个块都由很多个页组成）。因此，4K这个数值是顺应了硬盘设备的发展而得出的。1

以固态硬盘为例，固态硬盘的页大小为4KB，传统分区偏移尺寸为31.5KB。如果4K不对齐，那么用户的数据都会跨两个页，导致每次的写入操作都变成了读-擦-写操作，造成性能下降。1写入一个4KB的数据，实际运行时会有两次写入操作，4K对齐就让是操作系统的最小分配单元和闪存的一个页对应起来，这样操作系统写入一个4KB的数据，一次就能完成。因此，“4K”对齐能够提升硬盘工作效率，延长硬盘寿命，提升文件操作的稳定性与安全性。2

发展前景1、“4K对齐”将成为过去

4K对齐是由于硬盘与操作系统各自的扇区单元大小不匹配、不兼容造成的。随着技术的发展和时间的推移，操作系统更新换代，硬盘厂商将不用再对物理扇区进行模拟，从而实现默认的“4K对齐”，手动的“4K对齐”将成为过去。1

2、“扇区对齐”将替代“4K对齐”

正如物理扇区大小由5l2B扩大到4K一样，4K在不久的将来也会成为过去。操作系统支持的逻辑扇区大小已经高达2048K，由于硬盘厂商和操作系统厂商之间技术的差异，追逐与被追逐、兼容与被兼容的状况将一直持续，“4K对齐”将会变成“8K对齐”、“16K对齐”。实际上，其实质就是“扇区对齐”。2

本词条内容贡献者为:

尚轶伦 - 副教授 - 同济大学数学科学学院