一、磁盤結構

機械硬盤主要由磁盤盤片、磁頭、主軸與傳動軸等組成，數據存放在具有磁性物質的磁盤盤片中。
實際運行時，主軸馬達讓碟片轉動，然后磁頭臂讓磁頭在碟片上面進行讀寫操作。

讀取數據時以磁頭轉圈的方式進行，在磁片同心圓中切出一個一個的小區塊，這些小區塊就是磁盤的最小物理存儲單位，成為扇區（sector），同一個同心圓的扇區組合成的圓就是磁道（track）。由于磁盤里可能會有多個碟片，因此在所有碟片上面的同一個磁道可以組成 柱面（cylinder）。

外圈的圓比較大，為了合理利用這些空間，磁盤外圈圓會比內圈有更多的扇區。所以，當碟片轉一圈時，外圈的扇區數量比較多，因此如果數據寫入在外圈，轉一圈能夠讀寫的數據量比內圈多。因此數據的讀寫會由外圈開始向內寫，這是默認的方式。

原本硬盤的扇區都是設計成512B的大小，但隨著硬盤容量的增大，為了減少數據量的拆解，目前絕大多數的高容量硬盤使用了4K大小的扇區設計。

為什么要分區？

• 1.數據的安全性
  每個分區的數據是分開存儲的，當要對某個分區的數據進行整理時，不會影響到其它分區。例如對安裝有Windows系統的C盤進行重裝時，對其它分區如D盤、E盤中的數據不會產生影響。
• 2.系統的性能
  某個分區處在特定范圍的柱面范圍內，當要在該分區內讀取數據時，只需要在其柱面范圍內檢索，由于數據較為集中，所以讀取速度和性能較高。

主要的分區格式有早期的MBR格式和新的GPT格式。

二、分區格式

1、MBR

（1）簡介

MBR分區格式中柱面是文件系統的最小單位，也就是分區的最小單位。

第一個扇區（舊式磁盤中為512字節）中存放著啟動引導程序和分區表：

• 主引導記錄（Master Boot Record, MBR）：可以安裝啟動引導程序的地方，有446字節；
• 分區表（partition table）：記錄整塊硬盤分區的狀態，有64字節。

分區表64字節最多僅能有四組記錄區，每個記錄區16字節。

如圖中有4個主分區。

總結：

• 所謂的分區就是針對64字節的分區表進行設置而已。
• 磁盤默認的分區表僅能寫入四組分區信息，每組記錄區記錄了該區段的起始與結束的柱面號碼。
• 這四個分區的記錄被稱為主要（Primary）分區或擴展（Extended）分區。
• 當系統要寫入磁盤時，一定會參考磁盤分區表，才能針對某個分區進行數據的處理。

（2）擴展分區和邏輯分區：

擴展分區的目的是使用額外的扇區來記錄分區的信息，擴展分區本身并不能被拿來格式化。

擴展分區可以繼續劃分出邏輯分區（logical partition）。

/dev/sda[1-4] 都是留給主分區或擴展分區用的，所以邏輯分區的設備文件名就從 sda5 開始。

圖中分區在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

總結：

• 主分區和擴展分區最多可以有4個（硬盤限制）。
• 擴展分區最多只能有1個（操作系統限制）。
• 邏輯分區是由擴展分區持續劃分出來的分區。
• 能夠被格式化后作為數據存取的分區是主分區和邏輯分區，擴展分區無法格式化。
• 邏輯分區的數量依操作系統而不同，在Linux中SATA硬盤已經可以突破63個以上的分區限制。
• 一般建議將擴展分區的柱面號碼分配到最后的柱面內。

MBR模式簡略圖：

MBR分區表結構：

偏移長度（字節）意義

00H	1	分區狀態：00–>非活動分區；80–>活動分區；其它數值沒有意義
01H	1	分區起始磁頭號（HEAD），用到全部8位
02H	2	分區起始扇區號（SECTOR），占據02H的位0－5；該分區的起始磁柱號（CYLINDER），占據02H的位6－7和03H的全部8位
04H	1	文件系統標志位
05H	1	分區結束磁頭號（HEAD），用到全部8位
06H	2	分區結束扇區號（SECTOR），占據06H的位0－5；該分區的結束磁柱號（CYLINDER），占據06H的位6－7和07H的全部8位
08H	4	分區起始相對扇區號
0CH	4	分區總的扇區數

（3）MBR分區大小限制的問題：

分區表組最后4個字節表示分區中的扇區數量，有4*8=32位，最大值為 2⁰+2¹+ … +2³¹ = 2³²-1 個扇區，每個扇區大小為512字節，所以能表示的最大容量為 ：
$$(2^{32}?1)?512=2199023255040bytes=2048GB=2TB$$注意這里是用1：1024換算的，硬盤制造商使用1：1000換算，所以就會得出2.2TB的結果。

2TB是對單一分區容量的限制，如果第一個分區就占了2TB，那么其第二個分區的扇區物理地址就無法表示了，所以2TB也是對整個硬盤最大容量的限制。

詳細說明見Wiki頁面：https://zh.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record

MBR的弊端：

• 操作系統無法使用2.2TB以上的磁盤容量。
• MBR僅有一個區塊，被破壞后經常無法或很難恢復。
• MBR內的存放啟動引導程序的區塊僅446字節，無法存儲較多的程序代碼。

2、GPT

（1）簡介

如今扇區大小不僅有512字節的，還有4K大小的。為了兼容所有的磁盤，使用邏輯區塊地址（Logical Block Address，LBA）來處理扇區。GPT將硬盤所有區塊以LBA（默認512字節）來規劃，第一個LBA稱為LBA0。

與MBR僅使用第一個512字節來記錄不同，GPT使用了34個LBA來記錄分區信息。相比于MBR中只有一個區塊記錄分區信息，GPT除了前面34個LBA記錄以外，整個磁盤的最后34個LBA也拿來做備份。

（2）LBA

• LBA0（MBR兼容模塊）
  出于兼容性考慮存儲了一份傳統MBR，用來防止不支持GPT的硬盤管理工具錯誤識別并破壞硬盤中的數據，這個MBR也叫做保護MBR。
  分為兩個部分，第一個是前面446字節，用來存儲第一階段的啟動引導程序。而在原本的分區表的記錄區內，這個兼容模式僅放入了一個特殊字符來表示此磁盤為GPT格式之意。
  在使用 MBR/GPT 混合分區表的硬盤中，這部分存儲了GPT分區表的一部分分區（通常是前四個分區），可以使不支持從GPT啟動的操作系統從這個MBR啟動，啟動后只能操作MBR分區表中的分區。

• LBA1（GPT表頭記錄）
  記錄了分區表本身的位置和大小，也記錄了備份用的GPT分區（最后34個LBA區塊）放置的位置。同時放置了分區表的校驗碼（CRC32），操作系統可以根據這個校驗碼來判斷GPT是否正確。若有錯誤可以通過這個記錄區來獲取備份的GPT（磁盤最后面的備份區塊）來恢復正常。

• LBA[2-33]（實際記錄分區信息處）
  從LBA2區塊開始，每個LBA都可以記錄4組分區記錄，所以在默認情況下，總共有4*32=128組分區記錄。每組記錄用到128字節的空間。

起始字節長度內容

0	16字節	分區類型GUID
16	16字節	分區GUID
32	8字節	起始LBA（小端序）
40	8字節	末尾LBA
48	8字節	屬性標簽（如：60表示“只讀”）
56	72字節	分區名（可以包括36個UTF-16（小端序）字符）

（16+16+8+8+8+72=128）

（3）GPT分區大小限制：

GPT 在每組記錄中分別提供了 8字節 = 64位 來記載開始/結束的扇區號碼。因此，理論上對于單一分區槽來說， 它的最大容量限制為 2⁶⁴ * 512bytes = 2⁶³ Kbytes = 2³³TB = 8 ZB 。但是受操作系統限制，一般一個分區最大限制為 18EB。

GPT 分區沒有所謂的主、擴展、邏輯分區的概念，每個都可以視為是主分區，每一個分區都可以格式化。

GPT 分區默認可以提供多達128 組紀錄，而在Linux 本身的內核設備記錄中，針對單一磁盤來說，雖然過去最多只能到達15 個分區，不過由于Linux 內核通過udev 等方式的處理，現在Linux 也已經沒有這個限制了。

參考鏈接：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

總結

以上是生活随笔為你收集整理的磁盘分区MBR和GPT格式详解（Linux）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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