硬盘分区介绍

这篇文章介绍跟硬盘分区相关的知识和概念。我觉得和这相关的内容比较难理解，是因为一部分是硬件上的概念，一部分是软件的（文件系统），很多资料介绍的时候，没有放到一起对比，读者看到的时候就会对一些概念很模糊。比如硬盘的分区有分区类型，文件系统有类型，这两种类型有啥区别？硬盘有扇区大小，文件系统有 block 大小，这两者又有什么区别？这篇文章试图深入浅出，从基本的原理讲起，介绍一些概念，它们分别是做什么的，为什么要这么做。

认识硬盘

硬盘在 Linux 中，就是一个 block device，就是存储数据用的。你把数据输入到硬盘中，硬盘帮你存到一个位置。下次需要的时候，再从这个位置读出来。

那么给硬盘一个位置，它怎么去找这个位置的数据的呢？

这要从硬盘的结构说起（虽然现在大部分的机器都使用 SSD 了，但是很多资料都是基于机械硬盘的，所以这里以机械硬盘为例，介绍一下 CHS 寻址的原理。）。硬盘是由几张碟片组成的，每张碟片的正反两面都可以保存数据。

所以这个问题就转换成了：在几个圆面中，如何确定一个位置。首先我们想，在一个圆面中，确定一个位置需要几个参数？很显然是2个，距离圆心的距离可以确定一个圆，再加上一个“角度”可以确定这个圆上的一个点。那么在硬盘的结构中，再加上一个参数确定是第几个圆面就可以了。

这几个参数我们分别叫它：

• Cylinder/Track：磁道，柱面，确定距离圆心的位置；
• Head: 磁头，这个是读写数据的物理装置，实际上硬盘在运行的时候，是盘片在转的，磁头负责移动，调整读取的柱面；
• Sector: 扇区。上面两个参数确定了一个圆形，Sector 就可以确定这个圆形中哪个扇区了。

这就是 CHS 寻址的方式。

从中可以也看出，硬盘存储的读写单位是“一个扇区”。实际上，在分区的时候，（分区软件）也会用“第几个到第几个扇区”来表示，不会让你涉及到 Track 和 Head 的，这是属于硬件自己用来寻址的东西。

使用 fdisk 我们可以看到硬盘有多少个扇区，一个扇区多大。实际上从 1980 年以来，几乎所有的硬盘扇区大小都是 512bytes。（@yiran 纠正：现在一些新磁盘的物理扇区是 4k 了，系统中看到的逻辑扇区是512字节）

为什么要分区？

现在我们知道有了扇区的位置，硬盘就可以把数据写入或读出。那为什么要分区呢？原因以下几点：

• 隔离文件系统的腐烂（鸡蛋不放在一个篮子里）。我们要在设备上建立文件系统，操作系统才能使用文件系统来读写。文件系统是对存储设备的规划，记录着每一块都存了什么（inode, block）。万一文件系统的元数据错乱了，那么整个文件系统的数据可能都读不到了；
• 提高存储的利用率。参考之前的博文：Linux 文件系统 inode 介绍，一个文件最小将占用一个 block，如果 block 太大的话，将会浪费很多空间。比如 block size 是 4k，而存储的都是 1k 的文件，那么有 3/4 的空间是浪费的。如果 block 太小，那性能就很低，因为 kernel 是以 block 为单位拷贝的；我们可以分一个区，建一个 block size 为 512bytes 的文件系统来专门存储这些小文件；
• 限制文件增长。crontab 写日志太多了导致所有的进程都挂了，这肯定是不合理的。但是文件的增长不会越过文件系统，跑到另一个分区上，所以我们可以通过分区，来给特定的进程分配写空间。

基于此，我们可以在系统中为不同的存储内容划分区。比如为用户程序 /usr 单独分区，/home 单独分区。

分区的本质是什么？

不同的分区还是在一块硬盘上，相当于是对不同的扇区分组管理罢了。那么这个分组信息保存在哪里呢？

答案是第一个硬盘的第一个扇区上。硬盘的第一个扇区也是系统启动的时候第一个读的地方（基于 BIOS 的启动流程）。前面说到，一个扇区的大小是 512bytes，这 512bytes 都有什么呢？

在 Linux 中一切都是文件，硬盘也是一个文件，用 /dev/sda 表示（这是 SCSI 接口，IDE 接口会是 /dev/hda ，具体命名方式和编号见此）。这样，我们就可以将这个“文件”的前 512bytes 拷贝出来。

然后可以用 Vim 带的 xxd 命令看一下这个文件的内容：

这里面的内容可以分成4部分：

1. 001-440bytes（一共 440bytes）：给 BIOS 执行的代码； 这个其实很有意思，感兴趣的朋友可以将这段 dump 成机器码看一下。启动系统需要将代码加载到内存，但是我们需要系统启动才能加载代码。所以这个过程又叫做 boot，即 “pull oneself over a fence by one’s bootstraps”。
2. 441-446bytes（一共 6bytes）：MBR Disk 签名；
3. 447-510（一共 64bytes）：分区表，一共 4 部分，每部分16 bytes；
4. 最后的 511 和 512（一共2bytes）：固定为 0x55AA，表示硬盘可以用于启动；

从 00001be 到最后 00001fd 之间，记录的都是分区表的信息。

• 分区1: 0004 0104 82fe c2ff 0008 0000 0048 4500
• 分区2: 80fe c2ff 83bb c1bb 0050 4500 0000 e001
• 分区3：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
• 分区4：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

根据上面 fdisk -l 显示，我这个机器只有两个分区，所以分区3和4是空的。这 16bytes 里面都记录的什么呢？我们拿其中一个分区来说明，这里就用第2个分区说吧：

80fe c2ff 83fe c1bb 0050 4500 0000 e001

0字节，80，是一个标志：

• 80 此分区可以用于系统启动；
• 00 此分区不能用于系统启动；

1-3字节，fe c2ff 这就是用我们上面说的 CHS 地址表示，以及后面的 5-7 字节，分别表示此分区开始的位置是：

• fe Cylinder位置是 fe;
• c2 Head 开始位置是 c2;
• ff Sector 开始位置是 ff;

相应的，这个分区的结束位置是 bb c1 bb。

开始和结束中间的第4字节，是分区类型。在这里是 83 ，表示 type 是 Linux.

在 fdisk 中可以通过 l 命令列出所有的 type：

但其实，这个分区类型在 Linux 中用处并不大，无论是 ext2 还是 ext3 还是其他 Linux 分区，都是 83。这个标志位不同的操作系统有不同的解释方法，比如 Windows，会用这个标志来区分不同的分区类型，所以你看到在这个表中，FAT32 和 NTFS 这些常见的 Windows 分区都分别占用了一种标志位。说到底，这个标志位其实就是个普通的标志，怎么解释归操作系统的，甚至不同的操作系统安装在同一个硬盘上也是可行的，比如 0x07 ，OS/2 认为这个标志位是 HPFS 类型的分区，Windows 认为是 NTFS 类型的分区。

要注意的是，这个标志位和文件系统并没有本质的关系。既然 Linux 不关心这个标志位，那么无论这个分区的类型是什么，我都可以在这上面建一个文件系统。甚至我可以在系统运行的时候覆盖写入这个标志位。比如我把当前的这个分区改成 FAT12，也是一点问题都没有的。

8-11字节：0050 4500 逻辑 block 地址的第一个扇区的绝对地址。

11-15字节：0000 e001 此分区一共有多少个扇区。

MBR 分区的限制：从这里可以看出，4个字节表示第一扇区的绝对地址，4个字节表示此分区有多少个扇区，那么 MBR 分区表最多可以支持的硬盘大小是：

即 512 * (2^32 -1 ) * 2 ，是 4TiB -1Kb。

然而，这样分区的话，必须要最后一个分区是 2TiB，这样才能利用起 4Tib。如果一个用户有一个 4TiB 的硬盘，想要平均分成4区，每个分区 1TiB，是不行的。这会对很多用户造成困惑，所以在商业宣传的时候，就直接说 MBR 支持 2TiB。参考1 参考2 yiran补充

主分区和扩展分区

从这里也可以看出，分区数据一共 64bytes，每个分区表需要 16bytes 的信息。那么一共可以有 4 个分区。我第一次用电脑的时候，是 Windows，一直不明白“本地磁盘 CDEF”是什么意思。其实就是分区软件的快速分区模式默认平均将硬盘分了4个区而已。

分区表决定了我们只能创建 4 个分区，如果我们想要更多的分区怎么办？

还记得在文件系统中 block 寻址的时候如果超过 inode 能存放的 block 怎么办吗？答案是：inode 存放的 block，实际的内容是指向真正的 block 的地址。这里也用了同样的原理，我们可以创建一个类型为 Extended 类型（标志位是 5）的主分区，然后这个分区中每个分区的最后都保存着指向下一个分区的地址。

逻辑分区必须是连续的（显而易见），但是主分区可以不连续。除此之外逻辑分区和主分区在使用上并没有差别。逻辑分区也可以启动系统。

介绍到这里，应该能解决读者大部分的问题了（至少这些内容回答了我的很多疑问）。更加深入的问题，可能就要读者基于这些内容，自行搜索更详细的资料了。

扇区大小和Block大小

看文本文你应该对这个问题有所了解，扇区是一个硬盘的概念，几乎所有的硬盘扇区都是 512Bytes，如果不是，可能会出问题的。而 Block 指的是一个逻辑上的概念。但是可能在一些情景下依然对它们有些困惑。我研究了一番相关的内容，所以在这里多少一些，以便将来跟我有同样疑问的朋友，能找到这里，节省一些时间。

扇区大小的概念，出入很小。但是 Block 在不同的情景下是有不同的含义的。

首先是文件系统的 block，这里的 block 会影响存储文件使用的 block 大小。道理很简单，文件系统以 block 为单位寻址，如果 block 大小为 4k，那么即使文件写入 1k，也需要占用 4k。

创建文件系统，会自动分配 inode 和 block:

IO 中的 block：IO 是以 block 为单位的，这个 block 不一定是文件系统的 block 大小，也不一定是扇区的大小，可以比扇区更小，但是这是一种浪费，因为硬盘每次写会写 512bytes，如果 IO 的 block 是 256bytes，那么相当于写入相同一个扇区的内容，用了两次物理写入操作。此外，我们写入磁盘必须经过 syscall，在用户空间和 kernel 空间之间拷贝数据，也是以 block 为单位。我们可以用 madvice 这个系统调用向 Kernel 建议 IO block size。

以下是我用 dd 从硬盘拷贝相同的数据，使用不同的 block size，可以见期速度的影响。

但是 IO 其实是一个很复杂的问题，三言两语是说不清楚的，推荐一本书 Linux System Programming，里面用了四章介绍 IO 相关的话题。

除此之外，在看到 block 的时候，你还要注意它说的是什么语境。比如 ls -s 命令展示的 block，是以每个 block=1024bytes 展示的，而 stat 里面的 block 是 512bytes。

建议用相关工具实践一下分区，建议在虚拟机里面操作，不用担心搞坏宿主机。玩一下这些命令：

• xxd （vim提供）
• fdisk
• mount
• grub
• ss
• dd

这篇文章参考的资料：

1. Linux Partition HOWTO
2. 分区标志
3. Parition Types
4. Linux System Administrators Guide: Chapter 5. Using Disks and Other Storage Media
5. Linux 是如何启动的？
6. Linux MBR
7. 分区类型和文件系统类型的区别
8. 如何确定 block size

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