[操作系统/Linux]磁盘分区

0 基本概念1: 盘片/盘面/磁头/扇区/磁道/柱面

本小节摘自: 硬盘基本知识（磁头、磁道、扇区、柱面） - 博客园

一张磁盘并不是拿过来直接用，需要先分区。

磁盘本身有很多sector(扇区)、cylinder(柱面)，partion(分区)等。

我们说，cylinder(柱面)通常原先是文件系统的最小单位，也就是分区的最小单位。

为什么说“通常”呢？因为近来有 GPT 这个可达到 64 bit记录功能的分区表。

然而，到现在，我们甚至使用扇区(sector)号码来作为分区单位。

其中，MBR和GPT是目前主流的两种分区方式。

0-1 盘片 / 盘面 / 磁头

硬盘中一般会有多个盘片组成，每个盘片包含两个(盘)面，每个盘面都对应地有一个读/写磁头。

受到硬盘整体体积和生产成本的限制，盘片数量都受到限制，一般都在5片以内。

盘片的编号自下向上从0开始，如最下边的盘片有0面和1面，再上一个盘片就编号为2面和3面。

0-2 扇区 / 磁道

盘面中一圈圈灰色同心圆为一条条磁道，从圆心向外画直线，可以将磁道划分为若干个弧段，每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区（图中绿色部分）。

扇区是磁盘的最小组成单元，通常是512字节。（由于不断提高磁盘的大小，部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节）

0-3 磁头 / 柱面

硬盘通常由重叠的一组盘片构成，盘片的每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。

磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。

由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。

0-4 磁盘容量计算

存储容量

:＝ 磁头数(盘面数) x [磁道数(柱面数) x 每条磁道的扇区数] x 每扇区字节数

:＝ 磁头数(盘面数) x [每张盘面的总扇区数] × 每扇区字节数

[以图为例]
磁盘是一个 3个圆盘6个磁头，7个柱面（每个盘片7个磁道） 的磁盘，图3中每条磁道有12个扇区，所以此磁盘的容量为：
存储容量:= 6 * [7 * 12] * 512 = 258048

0-5 磁盘读取响应时间

寻道时间：磁头从开始移动到数据所在磁道所需要的时间，寻道时间越短，I/O操作越快，目前磁盘的平均寻道时间一般在3－15ms，一般都在10ms左右。

旋转延迟：盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间，旋转延迟取决于磁盘转速。普通硬盘一般都是7200rpm，慢的5400rpm。

数据传输时间：完成传输所请求的数据所需要的时间。

小结：从上面的指标来看，其实最重要的，或者说我们最关心的应该只有两个：寻道时间；旋转延迟。

读写一次磁盘信息所需的时间可分解为：寻道时间、延迟时间、传输时间。

为提高磁盘传输效率，软件应着重考虑减少寻道时间和延迟时间。

1 基本概念2: 主分区/扩展分区/逻辑分区/物理分区 | MBR/GPT | BIOS/UEFI

主分区中不能再划分其他类型的分区,主分区是直接在硬盘上划分的；而逻辑分区必须建立于扩展分区中。

[例题]现有2个SATA磁盘以及1个USB磁盘，主板上面有6个SATA的插槽。2个SATA磁盘分别插在主板上的SATA1, SATA5插槽上。
问:这3个磁盘在Linux中的设备文件名为何？

答：由于是使用侦测到的顺序来决定设备文件名，并非与实际插槽代号有关。
因此，设备的文件名如下：
SATA1插槽上的文件名：/dev/sda
SATA5插槽上的文件名：/dev/sdb
USB磁盘（开机完成后才被系统捉到）：/dev/sdc

1-1 主分区 := 主磁盘分区

主分区 := 硬盘的启动分区。

人们常说的"C盘"就是硬盘上的主分区。

它被操作系统和主板认定为这个硬盘的第一个分区。所以，C盘永远都是排在所有磁盘分区的第一的位置上。

1-2 扩展分区

扩展分区： 除去主分区所占用的容量以外，硬盘剩下的容量————就被认定为扩展分区

也就是说：一块硬盘除去主分区外的容量后，如果对剩下的容量进行了再分区，那么，这个再分区就是扩展分区。

即 扩展分区容量 := 硬盘总容量 - 主分区总容量

1-3 逻辑分区

逻辑分区：扩展分区是不能直接使用的，它是以逻辑分区的方式来使用的。

所以说，扩展分区可以分成N个逻辑分区，二者是包含的关系，所有的逻辑分区都是扩展分区的一部分。

扩展分区如果不再进行分区了，那么：整个扩展分区就是逻辑分区了。

即 N个逻辑分区容量 := 扩展分区容量

1-4 物理分区

1-5 补充1：应用场景

• 场景1

主分区能够激活，通常用来【引导系统】。

扩展分区本身并不能直接用来存放数据，必须先划分成若干逻辑分区；逻辑分区是扩展分区进一步分割出来的区块，通常用来【存储数据】。

如果将逻辑分区比作房间，那么扩展分区就好比客房区(包括若干个房间)。

1-6 补充2: MBR分区表 / GPT分区表

在Linux中对磁盘分区有两个方案:

1)MBR分区方案(Main Boot Record:=主引导记录);

2)GPT分区方案(GUID Partition Table := 全局唯一标识磁盘分区表)

Q1:如何区分硬盘采用 MBR分区 还是 GPT分区?

[方式1]fdisk -l

# fdisk -l
[情况1] gpt := GPT分区
...
Disk label type: gpt
...

[情况2] dos := MBR分区
...
Disk label type: dos
...

[方式2]parted -l

[情况1] MBR分区
...
Partition Table: msdos
...

[情况2] GPT分区
...
Partition Table: gpt
...

Q2:MBR分区表方案

Master Boot Record := 硬盘主引导记录分区表

• 特点：
  
  1、最多支持4个主分区，或3个主分区和1个扩展分区，扩展分区下可以有多个逻辑分区。
  
  2、在Linux上使用扩展分区和逻辑分区最多可以创建15个分区
  
  3、由于分区中的数据以32位存储，使用MBR分区是最大支持2T空间
  
  4、fdisk管理工具只能创建MBR分区

• 简述

MBR的意思是“主引导记录”，是IBM公司早年间提出的。
它是存在于磁盘驱动器开始部分的一个特殊的启动扇区。
这个扇区包含了已安装的操作系统系统信息，并用一小段代码来启动系统。
如果你安装了Windows，其启动信息就放在这一段代码中——如果MBR的信息损坏或误删就不能正常启动Windows，这时候你就需要找一个引导修复软件工具来修复它就可以了。
Linux系统中MBR通常会是GRUB加载器。
当一台电脑启动时，它会先启动主板自带的BIOS系统，bios加载MBR，MBR再启动Windows，这就是MBR的启动过程。

Q3:GPT分区表方案

GUID Partition Table := 全局唯一标识分区表(GUID Partition Table)

• 特点
  
  1、是UEFI标准的一部分，主板必须要支持UEFI标准。
  
  即 只有基于UEFI平台的主板才支持GPT分区引导启动。
  
  2、GPT分区列表支持最大128PB(1PB=1024TB)
  
  3、【分区数量】：与MBR最大4个分区表项的限制相比，GPT对分区数量没有限制。Windows系统下，最大可支持定义128个分区，GPT可管理硬盘大小达到了18EB
  
  4、没有主分区，扩展分区和逻辑分区的概念，所有分区都能格式化
  
  5、gdisk管理工具可以创建GPT分区
  
  6、系统分区 := EFI分区(即 ESP分区)

• 简述

GPT的意思是GUID Partition Table，即“全局唯一标识磁盘分区表”。
它是另外一种更加先进新颖的磁盘组织方式，一种使用UEFI启动的磁盘组织方式。
最开始是为了更好的兼容性，后来因为其更大的支持内存（mbr分区最多支持2T的磁盘），更多的兼容而被广泛使用，特别是苹果的MAC系统全部使用gpt分区。
GPT不在有分区的概念，所有CDEF盘都在一段信息中存储。
可以简单的理解为更先进，但是(早先暂时)使用不够广泛的技术。

Q4:二者区别

因为兼容问题，GPT其实在引导的最开始部分也有一段MBR引导，也叫做“保护引导”，为了防止设备不支持UEFI区别内存支持：MBR最多支持2T，而GPT理论上是无限制的。

• 分区

分区：mbr最多支持4个主分区，GPT没有限制。如果你想跑多系统，mbr最多4个而gpt没有限制。

GPT 分区没有所谓的primary、extend、logic partion的概念，每个分区都可以视为主分区，都可以格式化。
新版的 Linux 大多支持 GPT 分区表

• 系统

系统：win7只能用MBR分区（GPT也可以，但是很麻烦，不被建议），从Win8开始微软建议你使用GPT。

• 其它

GPT是由UEFI启动的，而UEFI是后来才提出的概念，兼容性和稳定性(暂)不如【BIOS+MBR】。

Q5: GPT分区表的MSR/EFI分区(ESP分区)?

只有GPT分区表模式才有MSR分区和EFI分区，MBR分区表无此类型的分区。

[MSR分区]
Microsoft Reserved Partition := Microsoft 保留 (MSR) 分区
  微软保留分区，是GPT磁盘上用于保留空间以备用的分区，例如在将磁盘转换为动态磁盘时需要使用这些分区空间。
  MSR分区本身没有做任何工作，是名副其实的保留分区。
  windows不会向msr分区建立文件系统或者写数据，而是为了调整分区结构而保留的分区。
  在Win8以上系统更新时，会检测msr分区。msr分区本质上就是写在分区表上面的“未分配空间”，目的是微软不想让别人乱动。
每个在GUID 分区表 (GPT) 上的 Windows操作系统（windows7以上）都要求的分区
  任何一块GPT磁盘上都有一个MSR分区，大小随硬盘总容量而定，一般不超过128MB。
这个分区不能被用户直接使用，它的用途是防止将一块GPT磁盘接到老系统（如XP）中，被当作未格式化的空硬盘而继续操作（例如重新格式化），导致数据丢失。
  GPT磁盘上有了这个分区，当把它接入XP等老系统中，会提示无法识别的磁盘，也无法进一步操作。

[ESP分区 := EFI分区 := 系统启动/引导分区]
ESP分区 := EFI System Partition := 该分区用于采用了EFI BIOS的电脑系统，用来启动操作系统。
  该分区中，存放：引导管理程序、驱动程序、系统维护工具等。
  如果电脑采用了EFI系统，或当前磁盘用于在EFI平台上启动操作系统，则应建议ESP分区。
  该分区在 Windows 操作系统下一般是不可见的。支持EFI模式的电脑需要从ESP启动系统，EFI固件可从ESP加载EFI启动程序和应用程序。
GPT磁盘只有做【系统盘】的时候才会有【EFI分区】，这个分区是操作系统的【引导分区】，与在MBR磁盘上安装Win7(8)生成的那个100MB隐藏分区用途相同。
  ESP是一个独立于操作系统之外的分区，操作系统被引导之后，就不再依赖它。

Q6:BIOS: BIOS | Legacy VS UEFI

• BIOS
  
  BIOS (Basic Input Output System) := 基本输入输出系统

所有的电脑都会有一个BIOS，用于加载电脑最基本的程序代码，担负着初始化硬件，检测硬件功能以及引导操作系统的任务。

• UEFI
  
  UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) := 统一的可扩展固件接口
  
  UEFI旨在提高软件互操作性和解决BIOS的局限性。

而UEFI就是与BIOS相对的概念，这种接口用于操作系统自动从预启动的操作环境，加载到一种操作系统上，从而达到开机程序化繁为简节省时间的目的。
传统BIOS技术正在逐步被UEFI取而代之，在最近新出厂的电脑中，很多已经使用UEFI，使用UEFI模式安装操作系统是趋势所在。

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) , 即“统一的可扩展固件接口”, 是一种详细描述全新类型接口的标准, 是由INTEL提出的旨在为下一代BIOS开发而构建的架构。
我们知道每一台普通的电脑都会有一个BIOS, 用于加载电脑最基本的程序代码, 担负着初始化硬件, 检测硬件功能以及引导操作系统的任务。
UEFI可以克服BIOS自检时间长、启动过程多、速度慢的弊病, 这种接口用于操作系统自动从预启动的操作环境, 加载到一种操作系统上, 从而达到加快开机速度的目的。
UEFI有点类似于一个操作系统, 其固化在主板上。

本质上，UEFI就是为了替代BIOS而生的，在功能上，UEFI的扩展性和执行能力，远比简陋的BIOS高级。
最直观的是：你可以在UEFI界面下看到图形界面，可以使用鼠标操作，可以让启动时自检过程大为简化，这就是最基本的区别。

• UEFI相比BIOS的优势

1、通过保护预启动或预引导进程，抵御bootkit攻击，从而提高安全性。

2、缩短了启动时间和从休眠状态恢复的时间。

3、支持容量超过2.2 TB的驱动器。

4、支持64位的现代固件设备驱动程序，系统在启动过程中可以使用它们来对超过172亿GB的内存进行寻址。

5、UEFI硬件可与BIOS结合使用。

1-7 补充3: 分区(partition) / 卷(volume) 的区别?

partition要挂载到volume上才能被系统————操作系统/文件系统操作。

磁盘上的是分区(partition)，装载到卷(volume)才能被操作系统/文件系统使用;

传统的1个分区装载成1~N个卷，而1个跨区卷或带区卷都是使用多个分区的

下述观点引述自: 磁盘上的volume和partition和driver有什么区别？ - Zhihu

partition是偏【物理】/设备层面的概念，代表整个硬盘/块设备上的某一部分空间；
一个硬盘，就是一个存储数据的载体。在这个载体上分成几大部分，每一部分就是一个分区。磁盘有一个驱动管着。分区又有一个驱动管着。
partition可以不使用Windows的NTFS文件格式（例如双系统用Linux的文件格式格式化），这个时候只有partition没有volume。
如果把硬盘转换为动态磁盘，可把多个硬盘上的多个partition组合起来组成一个跨区/条带/镜像/奇偶卷，这个时候一个volume包括多个partition。

volume是偏【逻辑】层的概念，代表操作系统可以用来存储文件/数据的某个存储空间。一般情况下它们是等效的，但实质上二者并不完全可以等同。
Volume的逻辑概念是什么呢？就是对上层（文件系统）提供了一个可以存储数据的【逻辑载体】。文件系统通过对Volume的读写，来管理自己的数据。
    应用API到内核之后，请求交给了文件系统，文件系统就通过块读写请求，发到volume。
    volume再将请求发向自己的底层。
    底层可能就只有一个分区，那volume将读写动作发到这个分区；底层可能是两个分区，则volume需要计算每个分区需要读写的位置。
    RAID的软件实现，一般就在volume层完成。
Volume是一个逻辑概念，也有一个驱动管着。
1个Volume，可以是只有一个分区，也可以跨好几个分区，甚至跨好几个磁盘的分区。
但因为常见的是1个volume对应1个分区，1个分区对应N个volume；所以，慢慢地习惯了叫XX分区。

1-8 补充4: 硬件设备在Linux中文件名

2 重要命令

命令概览

• fdisk【磁盘分区命令】
  • fdisk -l：查看磁盘分区情况
  • fdisk /dev/sdc：进入磁盘，分区操作（创建、删除）准备
• mkfs.xfs【分区格式化命令(文件系统:ext4)】
  • mkfs.ext4 /dev/sda1 将硬盘sda的逻辑分区sda1格式化→Ext4文件系统
  • mkfs.xfs /dev/sda1 将硬盘sda的逻辑分区sda1格式化→xfs
• mkdir【创建目录命令（挂载之前，必须先格式化）】
  • mkdir /home
• umount / mount【分区卸载/挂载命令】
  • umount /dev/sdc2 卸载逻辑分区sdc2
• df【报告文件系统磁盘空间的使用情况】
  • df -alhT：查看所有目录挂载点

部分命令详情

进入磁盘，准备进行（查看、创建、删除等）分区操作

[root@etl143 ~]# fdisk /dev/sda
Command (m for help): m        #查看帮助

Command action
   a   toggle a bootable flag
   b   edit bsd disklabel
   c   toggle the dos compatibility flag
   d   delete a partition              #【删除分区】
   l   list known partition types      #列举已知分区
   m   print this menu                 #【打印菜单/查看帮助】
   n   add a new partition             #【增加分区】
   o   create a new empty DOS partition table
   p   print the partition table       #【显示分区表】
   q   quit without saving changes     #不保存退出分区
   s   create a new empty Sun disklabel
   t   change a partition's system id  #改变分区ID
   u   change display/entry units
   v   verify the partition table
   w   write table to disk and exit    #【保存分区操作】
   x   extra functionality (experts only)

查看分区及对应挂载点

[root@etl143 ~]# df -lhT
文件系统       类型      容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sda3      xfs        50G  8.3G   42G   17% /
devtmpfs       devtmpfs  5.8G     0  5.8G    0% /dev
tmpfs          tmpfs     5.8G     0  5.8G    0% /dev/shm
tmpfs          tmpfs     5.8G   17M  5.8G    1% /run
tmpfs          tmpfs     5.8G     0  5.8G    0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1      xfs       494M  135M  360M   28% /boot
/dev/sda5      xfs       410G   14G  396G    4% /home
tmpfs          tmpfs     1.2G     0  1.2G    0% /run/user/0

[root@etl143 ~]# df -k
文件系统           1K-块     已用      可用 已用% 挂载点
/dev/sda3       52403200  8665444  43737756   17% /
devtmpfs         5984148        0   5984148    0% /dev
tmpfs            6012116        0   6012116    0% /dev/shm
tmpfs            6012116    17040   5995076    1% /run
tmpfs            6012116        0   6012116    0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1         505580   137832    367748   28% /boot
/dev/sda5      429072696 14136288 414936408    4% /home
tmpfs            1202424        0   1202424    0% /run/user/0

[root@etl143 ~]# parted -l
Model: ATA ST500DM002-1BD14 (scsi)
Disk /dev/sda: 500GB
Sector size (logical/physical): 512B/4096B
Partition Table: msdos
Disk Flags: 

Number  Start   End     Size    Type      File system     标志
 1      1049kB  525MB   524MB   primary   xfs             启动
 2      525MB   6835MB  6309MB  primary   linux-swap(v1)
 3      6835MB  60.5GB  53.7GB  primary   xfs
 4      60.5GB  500GB   440GB   extended
 5      60.5GB  500GB   440GB   logical   xfs

3 分区操作过程

• mkdir /home_backup
• cp -avt /home /home_backup ：源文件复制至目标文件，或多个源文件复制至目标目录
• 【X】mv -t /home /home_backup：对原/home目录进行重命名
• umount -v /home：通过挂载点的方式，卸载/home目录
  • 关键术语： 挂载点（/home、/mnt/mymount）、设备名（/dev/sda1）
• fdisk /dev/sda ：进入原/home所挂载的硬盘sda
  • 假定：原/home对应的其逻辑分区sda3）
  • m ：查看帮助
  • p：打印分区表
  • n：新建分区
  • 分区编号：默认，回车就是1 从头开始计算逻辑分区编号
  • 分区大小（100GB）：+102400M
  • p：再次打印分区表，确认新建分区成功
  • w：保存分区表到硬盘，并退出
• mkfs.xfs /dev/sda3 ：格式化原/home的逻辑分区sda3
  • df -lhT ：可通过此命令，提前查看各目录的文件系统类型
• mkfs.xfs /dev/sda4 ：格式化硬盘sda的新逻辑分区sda4
• mkdir /home
• mount /dev/sda3 /home ：将原/home目录挂载到逻辑分区sda3上
• cp -av /home_backup /home ： 将备份内容还原到/home中（采取拷贝动作）
  • 重点： 文件系统必须保持一致
• rm -r /home_bakcup ： 删除备份内容，若上述操作无误
• （结束）

X 参考文献

• 主分区，逻辑分区，扩展分区有什么区别 - Baidu Zhidao
• Linux中MBR和GPT分区的区别 - CSDN
• Linux磁盘管理——MBR 与 GPT - 博客园
• 硬盘基本知识（磁头、磁道、扇区、柱面） - 博客园
• 三分钟告诉你MBR和GPT的区别，选择适合自己的 - 360doc
• UEFI 引导与 BIOS 引导在原理上有什么区别？ - Zhihu