磁盘分区MBR和GPT格式详解（Linux）

一、磁盘结构

机械硬盘主要由磁盘盘片、磁头、主轴与传动轴等组成，数据存放在具有磁性物质的磁盘盘片中。
实际运行时，主轴马达让碟片转动，然后磁头臂让磁头在碟片上面进行读写操作。

读取数据时以磁头转圈的方式进行，在磁片同心圆中切出一个一个的小区块，这些小区块就是磁盘的最小物理存储单位，成为扇区（sector），同一个同心圆的扇区组合成的圆就是磁道（track）。由于磁盘里可能会有多个碟片，因此在所有碟片上面的同一个磁道可以组成 柱面（cylinder）。

外圈的圆比较大，为了合理利用这些空间，磁盘外圈圆会比内圈有更多的扇区。所以，当碟片转一圈时，外圈的扇区数量比较多，因此如果数据写入在外圈，转一圈能够读写的数据量比内圈多。因此数据的读写会由外圈开始向内写，这是默认的方式。

原本硬盘的扇区都是设计成512B的大小，但随着硬盘容量的增大，为了减少数据量的拆解，目前绝大多数的高容量硬盘使用了4K大小的扇区设计。

为什么要分区？

• 1.数据的安全性
  每个分区的数据是分开存储的，当要对某个分区的数据进行整理时，不会影响到其它分区。例如对安装有Windows系统的C盘进行重装时，对其它分区如D盘、E盘中的数据不会产生影响。
• 2.系统的性能
  某个分区处在特定范围的柱面范围内，当要在该分区内读取数据时，只需要在其柱面范围内检索，由于数据较为集中，所以读取速度和性能较高。

主要的分区格式有早期的MBR格式和新的GPT格式。

二、分区格式

1、MBR

（1）简介

MBR分区格式中柱面是文件系统的最小单位，也就是分区的最小单位。

第一个扇区（旧式磁盘中为512字节）中存放着启动引导程序和分区表：

• 主引导记录（Master Boot Record, MBR）：可以安装启动引导程序的地方，有446字节；
• 分区表（partition table）：记录整块硬盘分区的状态，有64字节。

分区表64字节最多仅能有四组记录区，每个记录区16字节。

如图中有4个主分区。

总结：

• 所谓的分区就是针对64字节的分区表进行设置而已。
• 磁盘默认的分区表仅能写入四组分区信息，每组记录区记录了该区段的起始与结束的柱面号码。
• 这四个分区的记录被称为主要（Primary）分区或扩展（Extended）分区。
• 当系统要写入磁盘时，一定会参考磁盘分区表，才能针对某个分区进行数据的处理。

（2）扩展分区和逻辑分区：

扩展分区的目的是使用额外的扇区来记录分区的信息，扩展分区本身并不能被拿来格式化。

扩展分区可以继续划分出逻辑分区（logical partition）。

/dev/sda[1-4] 都是留给主分区或扩展分区用的，所以逻辑分区的设备文件名就从 sda5 开始。

图中分区在Linux下的文件名是：
P1:/dev/sda1
P2:/dev/sda2
L1:/dev/sda5
L2:/dev/sda6
L3:/dev/sda7
L4:/dev/sda8
L5:/dev/sda9

总结：

• 主分区和扩展分区最多可以有4个（硬盘限制）。
• 扩展分区最多只能有1个（操作系统限制）。
• 逻辑分区是由扩展分区持续划分出来的分区。
• 能够被格式化后作为数据存取的分区是主分区和逻辑分区，扩展分区无法格式化。
• 逻辑分区的数量依操作系统而不同，在Linux中SATA硬盘已经可以突破63个以上的分区限制。
• 一般建议将扩展分区的柱面号码分配到最后的柱面内。

MBR模式简略图：

MBR分区表结构：

（3）MBR分区大小限制的问题：

分区表组最后4个字节表示分区中的扇区数量，有4*8=32位，最大值为 2⁰+2¹+ … +2³¹ = 2³²-1 个扇区，每个扇区大小为512字节，所以能表示的最大容量为 ：
$$(2^{32}-1)\ast 512=2199023255040bytes=2048GB=2TB$$注意这里是用1：1024换算的，硬盘制造商使用1：1000换算，所以就会得出2.2TB的结果。

2TB是对单一分区容量的限制，如果第一个分区就占了2TB，那么其第二个分区的扇区物理地址就无法表示了，所以2TB也是对整个硬盘最大容量的限制。

详细说明见Wiki页面：https://zh.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record

MBR的弊端：

• 操作系统无法使用2.2TB以上的磁盘容量。
• MBR仅有一个区块，被破坏后经常无法或很难恢复。
• MBR内的存放启动引导程序的区块仅446字节，无法存储较多的程序代码。

2、GPT

（1）简介

如今扇区大小不仅有512字节的，还有4K大小的。为了兼容所有的磁盘，使用逻辑区块地址（Logical Block Address，LBA）来处理扇区。GPT将硬盘所有区块以LBA（默认512字节）来规划，第一个LBA称为LBA0。

与MBR仅使用第一个512字节来记录不同，GPT使用了34个LBA来记录分区信息。相比于MBR中只有一个区块记录分区信息，GPT除了前面34个LBA记录以外，整个磁盘的最后34个LBA也拿来做备份。

（2）LBA

• LBA0（MBR兼容模块）
  出于兼容性考虑存储了一份传统MBR，用来防止不支持GPT的硬盘管理工具错误识别并破坏硬盘中的数据，这个MBR也叫做保护MBR。
  分为两个部分，第一个是前面446字节，用来存储第一阶段的启动引导程序。而在原本的分区表的记录区内，这个兼容模式仅放入了一个特殊字符来表示此磁盘为GPT格式之意。
  在使用 MBR/GPT 混合分区表的硬盘中，这部分存储了GPT分区表的一部分分区（通常是前四个分区），可以使不支持从GPT启动的操作系统从这个MBR启动，启动后只能操作MBR分区表中的分区。

• LBA1（GPT表头记录）
  记录了分区表本身的位置和大小，也记录了备份用的GPT分区（最后34个LBA区块）放置的位置。同时放置了分区表的校验码（CRC32），操作系统可以根据这个校验码来判断GPT是否正确。若有错误可以通过这个记录区来获取备份的GPT（磁盘最后面的备份区块）来恢复正常。

• LBA[2-33]（实际记录分区信息处）
  从LBA2区块开始，每个LBA都可以记录4组分区记录，所以在默认情况下，总共有4*32=128组分区记录。每组记录用到128字节的空间。

（16+16+8+8+8+72=128）

（3）GPT分区大小限制：

GPT 在每组记录中分别提供了 8字节 = 64位 来记载开始/结束的扇区号码。因此，理论上对于单一分区槽来说， 它的最大容量限制为 2⁶⁴ * 512bytes = 2⁶³ Kbytes = 2³³TB = 8 ZB 。但是受操作系统限制，一般一个分区最大限制为 18EB。

GPT 分区没有所谓的主、扩展、逻辑分区的概念，每个都可以视为是主分区，每一个分区都可以格式化。

GPT 分区默认可以提供多达128 组纪录，而在Linux 本身的内核设备记录中，针对单一磁盘来说，虽然过去最多只能到达15 个分区，不过由于Linux 内核通过udev 等方式的处理，现在Linux 也已经没有这个限制了。

参考链接：1.https://en.wikipedia.org/wiki/GUID_Partition_Table
2.https://docs.microsoft.com/en-us/troubleshoot/windows-server/backup-and-storage/guid-partitioning-table-disk-faq