为什么SD记录大小为8-128 kB的随机写入性能下降到记录大小为4 kB的性能以下？

更新1：很明显，与顺序写入相比，尤其是对于小记录大小的随机写入性能要低得多。 NAND闪存的存储单元被分组为页面，即所谓的擦除块。典型的页面大小是4、8或16 kB。尽管控制器可以写单个页面，但是如果不先擦除就不能覆盖数据，而擦除块是NAND闪存可以擦除的最小单元。擦除块的大小通常在128 kB和2 MB之间。在现代SD卡中，少量的擦除块被组合成大小相等的较大单元，这些单元称为分配组或分配单元或段。通常的段大小为4 MB。存储器上的每个写操作都会导致整个段的读-修改-写操作。例如，在具有4 MB分段大小的SD卡上，将4 kB数据写入随机位置会导致写入放大系数为1024。SD卡的控制器实现了转换层。对于任何I / O操作，控制器都会执行从虚拟地址到物理地址的转换。如果段内的数据将被覆盖，则转换层会将段的虚拟地址重新映射到另一个已擦除的物理地址。旧的物理段被标记为脏，并排队等待擦除。以后，当其被擦除时，可以重复使用。 SD卡的控制器通常会缓存一个或多个段，以提高随机写入操作的性能。如果SD卡存储了根文件系统，则有益的是，卡的控制器可以缓存发生写操作的段，存储文件系统元数据的段和（如果可用）文件系统的日志。因此，SD卡的随机写入性能取决于擦除块大小，段大小和控制器缓存的段数。当我检查SD卡的性能以进行随机写入时，我发现对于4 kB的记录大小，该性能相当差（这并不奇怪），但是对于几张卡，对于更大的记录大小，它甚至在增大之前就下降了。我使用iozone v3.430测量了随机写入性能，并测试了不同制造商的几款闪存卡。这是iozone命令，我用来测量文件大小为50 MB：

iozone -RaeI -i 0 -i 1 -i 2 -y 4k -q 1M -s 50m -o -f /tmp/testfile

这是文件大小为50 MB的结果：



问题：为什么记录大小为8、16、32、64和128 kB的记录性能要比记录大小为4 kB的记录慢，是什么原因？

Peter Brittain建议使用更大的文件大小进行测试，因此我也尝试了使用500 MB的文件进行测试。结果如下：

整体性能变差，但现象仍然存在。

分区与4 MB边界对齐。文件系统是ext4，块大小为4 kB。用于测试的分区开始为mmcblk0p2。

$ lsblk 
NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
loop0         7:0    0 953.7M  0 loop /mnt/sdb1
mmcblk0     179:0    0  14.9G  0 disk 
├─mmcblk0p1 179:1    0    56M  0 part /boot
├─mmcblk0p2 179:2    0   7.8G  0 part /
└─mmcblk0p3 179:3    0     7G  0 part /mnt/mmcblk0p3

$ cat /etc/fstab | grep mmcblk0p2
/dev/mmcblk0p2  /               ext4    defaults,noatime  0       1

$ sudo fdisk -l /dev/mmcblk0

Disk /dev/mmcblk0: 15.9 GB, 15931539456 bytes
4 heads, 16 sectors/track, 486192 cylinders, total 31116288 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x000981cb

Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/mmcblk0p1            8192      122879       57344    c  W95 FAT32 (LBA)
/dev/mmcblk0p2          122880    16506879     8192000   83  Linux
/dev/mmcblk0p3        16506880    31115263     7304192   83  Linux

$ mount | grep ext4 | grep root
/dev/root on / type ext4 (rw,noatime,data=ordered)

# tune2fs -l /dev/mmcblk0p2 | grep Block
Block count:              2048000
Block size:               4096
Blocks per group:         32768

更新2（回答myaut）：表的屏幕截图是我自己的工作。目前，我撰写有关单板计算机群集的文章/论文，因为它们是为学生项目和研究人员提供资源的一种有趣的选择。在这种情况下，我还研究了单个节点的CPU，存储和网络接口的性能。我已经购买了所有经过测试的SD卡。在其中一张卡上，我安装了Raspian Wheezy（通过dd复制）（2014-06-20版）。配置完网络设置并安装了一些其他软件包（例如iozone）后，我将整个SD卡复制到了所有其他SD卡上。

更新3（对Gabriel Southern的回答）：结果来自单次运行。步骤是：


将卡插入Raspberry Pi Model B中
引导系统
通过SSH登录
开始iozone测试运行
暂停系统并尝试使用另一张SD卡。

我多次尝试对某些卡进行仔细检查。几乎没有变化。除两张三星卡和一张威宝卡外，这种现象一直在发生。

更新4：目前，我试图与一家生产NAND闪存克隆机的公司（三星，SanDisk，东芝...），以便在那里确定答案。 SanDisk有一个论坛。我在那里要求解释。我还向金斯敦的技术支持部门发送了请求。

更新5：擦除块大小和分配单元（段）大小与这种现象无关。我在ThinkPad X240笔记本电脑的内部读卡器中使用pritcsd.py工具拳头，最后在Raspberry Pi Model B中测试了所有SD卡的擦除块大小。对于所有卡，输出均为：Erase block size of mmcblk0 is 65536 bytes。此外，所有测试的SD卡的段大小均相等。这是4 MB。该信息可以在文件/sys/class/mmc_host/mmc0/mmc0*/preferred_erase_size中找到。
我认为所有这些卡具有相同的擦除块大小和段大小是非常不寻常的。同时，我从被测试卡的包装中收集了产品ID /产品编号。



更新6：金士顿的技术支持告诉我，经测试的金士顿卡（以及最有可能是其他卡）的控制器已经过优化。适用于大小为4 kB的文件。确切的控制器实现是机密的。金斯敦的答案是我得到的最好的答案。 SanDisk从未响应过我的支持请求，我无法找到Sony，Samsung或Verbatim的联系人。