Linux 磁盘与分区

发表于 2021-03-15 分类于 linux学习

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概述

本文介绍与磁盘分区相关的两种分区格式 —— MBR 和 GPT。

在介绍磁盘分区之前，简要说明各硬件设备在 Linux 系统中的表现形式以及分区的原因。

因为 Linux 的哲学思想为 “一切皆文件”，故而各硬件设备在 Linux 系统中的表现形式也为文件，其集中存放于 /dev 目录之下。例如：对于 STAT 接口的硬盘设备而言，其对应文件名称为 /dev/sd[a-d]，硬盘设备若存在分区，则分区对应的文件名称为 /dev/sd[a-d][number]。

使用分区的原因需要结合系统挂载来谈。系统挂载就是将某磁盘分区挂载至系统某目录之下，如此操作之后，该目录内容均会位于此磁盘分区之中，且目录内容不会影响其他磁盘分区中的数据。总结而言，磁盘分区具有如下优点：

充分利用磁盘空间。如果将整颗大磁盘挂载于某小型目录之下，该磁盘空间将会大大浪费。
提升数据读取效率。将目录内容放置于磁盘分区之内，有助于集中放置数据，从而加快磁臂搜索。
保护分区数据安全。进行磁盘分区之后，如果系统需要重装，那么只会影响存放系统核心所在分区，其余分区数据不受任何影响。另外，分区数据读取越频繁，磁盘越容易出故障，因此进行磁盘分区之后，可将磁盘故障集中于某一区域，从而保证其余区域安全。

对于磁盘构成要素而言，指出几个简单概念：扇区 (存在两种规格，512 Byte 和 4 KB。为向下兼容，4 KB 扇区通常会进一步划分为 8 个 512 Byte 的逻辑扇区。因此下面叙述之中，扇区规格均为 512 Byte)、磁道、柱面、磁头、磁臂、主轴马达。

在整颗磁盘的所有扇区之中，1 号扇区十分重要，其中存放整颗磁盘的重要信息 (包括分区信息)。

MBR

对于 MBR 分区格式而言，1 号扇区之中存放三种信息：

MBR：存放开机管理程序，即 Boot Loader，共计 446 Byte。
分区表：存放磁盘分区信息，共计 64 Byte。
记录签名：如果其中内容为 0x55AA，则表明该磁盘可作为启动之用，反之则不可，共计 2 Byte。

在此三种信息之中，我们仅关注分区表中的内容。

鉴于每条分区信息需要 16 Byte 空间 (其中 4 Byte 存放起始扇区编号，4 Byte 存放终止扇区编号)，因此分区表内部仅能容纳 4 组分区 (称为主分区)。其分区结构大致如图所示：

为进一步扩大所能容纳的分区数量，可将某一主分区转换为扩展分区，该分区可借助于内部的前几个扇区存储分区信息，以此进一步划分扩展分区，且划分得到的分区被命名为逻辑分区。

使用 MBR 分区格式划分磁盘时，通常做法为：三个主分区 + 一个扩展分区，扩展分区内部可自由划分逻辑分区。

实际之中，磁盘的第一个扇区和分区内的第一个扇区都会存放开机管理程序。也正是因为这个原因，才会存在多重开机，俗称 多系统电脑。

对于 MBR 分区格式而言，它具有如下缺点：

MBR 分区格式仅支持 2TB 以下的硬盘设备 (起始/终止扇区编号字段 4 字节，每个扇区存放 512 Byte，则 $2^{32} \times 512 Byte = 2^{41} Byte = 2 T$)，无法适应现今超大容量的硬盘设备。
虽扩展分区可使用内部的前几个扇区存储分区信息，但是分区数量仍有较大限制。

GPT

为克服 MBR 分区格式的上述缺点，GPT 分区格式被提出。

相比于 MBR 分区格式而言，它具有如下特点：

第一个扇区前半部分同样存储开机管理程序，后半部分存储 GPT 分区格式的标识信息。
第 2 ~ 33 扇区存储分区表信息，与此同时，最后 33 个扇区备份此分区表信息 (解决缺点 2，最大支持 128 个分区)。
对于分区表而言，每个分区条目使用 128 Byte 存储，其中 8 Byte 存放起始扇区编号，8 Byte 存放终止扇区编号 (解决缺点 1，最大支持 8 ZB 的磁盘)。

所涉指令

指令 fdisk 用于设置 MBR 分区格式的磁盘分区，指令 gdisk 用于设置 GPT 分区格式的磁盘分区。