MBR与GPT的区别（来自zyx）

Posted 2021-06-29 从零开始的智障生活

前言

 

想要了解MBR和GPT就说明已经知道了其目的是要将磁盘分区，那什么是磁盘分区？为什么要磁盘分区？怎么进行磁盘分区？而MBR和GPT又是什么？两者又有什么区别？其实这都是围绕着一个目的使用磁盘，而工厂生产的硬盘必须要经过三个步骤，才能让电脑使用它们存储数据：

这里以一个巨大的住房/dev/sda的使用为例：

1. 低级格式化：通常由生产厂家完成，目的是划定磁盘可供使用的扇区和磁道并标记有问题的扇区。
   想要建立住房，首先要有一个毛坯房/dev/sda，将毛坯房按地面平方划分，如果最小单位是1平方米，那么一个扇区就是1平方米。而有良心的开发商会告诉你哪一块地方容易漏水漏电塌墙。
2. 磁盘分区：但是硬盘不能直接使用，必须对硬盘进行分割，分割成一块一块的硬盘区域，这就是硬盘分区。
   第一天，毛坯房不能直接住人，我们现在要对其进行装修，按卧室/dev/sda1、厨房间/dev/sda2、洗手间/dev/sda3、客厅/dev/sda4、备用区（剩余未划分部分用来以后其他装修），立起一道一道水泥或木板墙，将其做成一个个没有门小的隔间。
   第二天，想要看看昨天划分的情形，一进房门，由于我装修除了立墙什么都没做呢，自己记性又不好，忘了哪里被划分为卧室、哪里被划分成洗手间、我要是真开始装修错了怎么办哪？总不能每次一忘就把墙全拆了，重新立吧。所以我们在自己的房门里面，房门边上的小桌子上放了一个小本子，这个小本子记录了我前一天的装修的隔间规划。这个小本子就是分区表，而这个分区表，可以用不同的小本子，比如MBR或GPT，100平的房间的我们用一个4K页小本子如MBR就行了，而一个1公顷大别墅我们可以用一个大黑板，如GPT，根据不同的需求选择不同的分区表。
   第三天，我想要再增加一个运动区，用来打Dota2，那怎么办？注意剩余的备用区，我们可以将其划分一部分出来。
   分出一个区就相当于装修完一个隔间。
3. 高级格式化：给分区挂载文件系统。
   注意，我们给毛坯房分隔间的时候，隔间是没有门的，要想使用的话至少需要一个门吧，所以挂载文件系统就相当于给一个房间一个门。实际上就是这个硬盘这个东西，放在这里，虽然我们把它划分了，即装修了，但是怎么把数据存储进去（这样说感觉像是我装修完房间，就把四周给堵上了=_=），就要开一扇门。
   挂载：一个进入隔间的门，即建立一个可以被用户打开的目录。通过一个目录（门）进去，Linux可以是/home/zyx_master进入/dev/sda3（卫生间）（即我将我的一个用户的数据直接用一个分区存放，换种说法就是把/dev/sda3挂载到/home/zyx_master下）。
   但是可以发现，/home/zyx_master这个目录是放在/home下的，而/home肯定是属于另一分区的。说明，目录仅仅只是一个逻辑路径，与其物理空间的存储规则不是相同关系的。
   设dev/sda2挂载在/home下，/dev/sda3挂载在/home/zyx_master下，相当于，在厨房间里面开了一道通往洗手间的门，但厨房间是厨房间，洗手间是洗手间，二者是相互独立的，你不能在洗手间里吃饭，也不能在厨房间上厕所。
4. 使用硬盘：在硬盘中存取数据。
   在/home/zyx_master里面建立子目录以及存放数据就相当于日常在/dev/sda3这个分区中进行操作。

低级格式化不谈。

MBR（MS-DOS）概述

MBR与GPT都是磁盘分区表（partition table）的一种格式。

当前常用的一些分区格式用的都是MBR。Linux系统是为了兼容Windows的磁盘，因此使用支持Windows的MBR（Master boot Record，主引导记录）的方式来处理启动引导程序与分区表。而启动引导程序与分区表则通通放在磁盘的第一个扇区，这个扇区在旧版中用的是512字节的大小，但是当前用的一般都是1M大小，一个扇区512字节（一个扇区的大小一般是512字节和4k字节，但现在普遍是512字节）。

第一个扇区的大小是512字节大小，其内容如图所示。

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，0x1BD=445，而操作系统中，都是从0开始计数的，所以要445+1=446字节。一般在操作系统安装时写入，但它并不属于操作系统。MBR就是一段引导程序，用于检测磁盘的分区合法性和加载操作系统，它的重要作用就是识别活动分区，并引导操作系统。

地址	描述	长度（字节数）
0	代码区	440（最大446）
440	选用磁盘标志	4
444	一般为空值	2
446	标准MBR分区表规划（四个16byte的主分区表入口）	64
510	MBR有效标志：0x55AA（就是上面图中灰色的部分）	2（MBR最后两个字节）

（上面主引导记录的表了解就行，可能今生今世都不用遇到）

分区表（Partition Table）：记录整块分区的状态，有64字节。每个分区16个字节，其内容如下表所示，因此MBR最多只能有四个分区。

偏移	描述
第1字节	引导标志。意思是此磁盘的分区状态，0x00表示磁盘分区未激活，0x80表示磁盘分区已激活。
第2字节	磁盘分区的起始磁头号。
第3、4字节	分区起始扇区和柱面号。低字节的低6位为扇区号，柱面号为高字节8位+低字节高2位xxxxxxxx xxxxxxxx。
第5字节	磁盘分区类型。0x00=该分区未用（即没有指定）、0x06=FAT16基本分区、0x0B=FAT32基本分区、 0x05=扩展分区、0x07=NTFS分区、0x0F=(LAB模式)扩展分区、0x83=Linux等。
第6字节	磁盘分区的结束磁头号。
第7、8字节	分区结束扇区和柱面号。低字节的低6位为扇区号，柱面号为高字节8位+低字节高2位xxxxxxxx xxxxxxxx。
第9、10、11、12字节	本磁盘已经被分区的部分已经用了的扇区数。
第13、14、15、16字节	本磁盘已经被分区的大小（总扇区数） 注意：在DOS/Windows系统下，基本分区必须以柱面为单位划分（Sectors*Heads个扇区），如对于CHS为764/255/63的硬盘，分区的尺寸大小为: 255 * 63 * 512 / 1048576 = 7.844MB。但是Linux下是以扇区为单位划分的。

以上就是这MBR的512个字节的内容。分区表的内容只是针对那64个字节的分区表进行设置而已。

MBR分区表内容

1. 所谓的分区只是针对哪个64字节的分区表进行设置，而分区表的每一段16字节，而这16字节的第13、14、15、16字节表示总扇区数，即最大是个扇区数，而每个扇区大小是512个字节，每个分区最大。
2. 硬盘默认的分区表仅能写入四组分区信息，这四个分区可以是主要（Primary）或扩展（Extended）分区。

在Linux中，对于MBR可以用命令fdisk建立分区。

答疑模块：

1. 问：第一个扇区所在的分区表总共64位只能记录四组数据，如果想要划分更多分区怎么办？
   答：可以利用额外的扇区来记录更多的分区信息。这就是扩展分区。
2. 问：什么是扩展分区？
   
   答：以/dev/sdb这个新硬盘为例。
   磁盘按照MBR分区表格式，最多有四个分区，有主分区和扩展分区，而扩展分区最多只有一个，主分区就是一个个独立的分区假设有三个主分区/dev/sdb1、/dev/sdb2、/dev/sdb3，而用户想要继续分区：
   1. 情形1：我只想再要一个分区，并且以后不会再考虑分区，那么我可以将第四个分区空间作为主分区，建立第四个主分区/dev/sdb4。
   2. 情形2：我想要再一个分区以后可能还会有其他分区，或我想再建几个分区，将第四个分区空间作为扩展（Extended）分区，建立扩展分区/dev/sdb4。
      但这个扩展分区的设备名/dev/sdb4，更类似于另一磁盘，我们可以在扩展分区上建立逻辑分区，理论上可以建立无数个逻辑分区，而所有逻辑（Logistic）分区的命名是从/dev/sdb5开始。
3. 问：为什么要分区？
   • 安全性
     如果Windows的C盘想要重新安装一次系统，可以先将C盘重要数据放到其他分区，如D盘，那么安装C盘重新安装系统并不会影响D盘。
   • 系统性能
     系统读取数据时，如果未分区的话，要在整个磁盘中查找数据，如果分区之后，只会在一个分区中读取。
4. 问：扩展分区划分的逻辑分区在Linux系统中的设备文件名是什么？
   
   答：P1:/dev/sda1、P2:/dev/sda2、L1:/dev/sda5、L2:/dev/sda6、L3:/dev/sda7、L4:/dev/sda8、L5:/dev/sda9。前四个号码都是留给主分区和扩展分区的，所以逻辑分区的设备名称号码就由5号开始。
5. 问：可否将同级分区，即逻辑分区与逻辑分区合并或主分区与主分区合并？
   答：可以，如下图中的逻辑分区二/dev/sdb6和逻辑分区三/dev/sdb7。只要将两个分区删除，然后再重新建立一个新的分区/dev/sdb6，就能够在不影响其他分区的情况下将两个分区的容量整合成一个。
   
6. 问：可否将非同级分区合并，就是把主分区与逻辑分区合并？
   答：不可以。如将第二主分区/dev/sdb2与逻辑分区二/dev/sdb5合并，必须要将第三扩展分区/dev/sdb3整个删除，然后根据起始扇区与结束扇区，重新建立分区。

MBR 主要分区、扩展分区与逻辑分区的特性我们对其作出定义：

1. 主要分区与扩展分区最多可以有4个（硬盘分区表64字节的限制）
2. 扩展分区最多只能有一个（操作系统的限制）
3. 逻辑分区是由扩展分区划分出来的分区
4. 能够被格式化后作为数据存储的分区是主要分区与逻辑分区，而扩展分区无法被格式化。

MBR分区表的局限性：

1. 操作系统无法使用2.2TB以上的磁盘容量
2. MBR仅有一个区块，即所有信息全都放在第一个扇区上，若被破坏后，经常无法或很难恢复
3. MBR内存放启动引导程序的区块仅446字节，无法存储更多的程序代码。

GPT概述

因为过去一个扇区大小就死512字节而已，不过目前已经有4K的扇区设计出现。为了兼容所有的磁盘，因此在扇区的定义上面，大多会使用所谓的逻辑区块地址（Logical Block Address，LBA）来处理。GPT将磁盘所有区块以此LBA（默认为512字节）来规划，而第一个LBA称为LBA0（从0开始编号）。

与MBR仅使用第一个512字节区块记录不同，GPT使用了34个LBA区块来记录分区信息。同时与过去MBR仅有一个区块，被干掉就死光光的情况不同，GPT除了前面34个LBA之外，整个磁盘的最后34个LBA（LBA -34——LBA -1）也拿来作为另一个备份。

 

启动流程中的Bios与UEFI启动检测程序

没有软件的硬件是没有用的，没有软件的计算机除了可以“电人”没有任何用。而为了合理分配计算机硬件资源，就有了操作系统这个系统软件的产生。

问：操作系统也是软件，那么我们的计算机是如何认识这个操作系统软件并执行它的呢？

答：这就要涉及到计算机的启动程序。目前的主机系统在加载硬件驱动方面的程序，主要有早期的BIOS与新的UEFI两种机制。

BIOS搭配MBR/GPT的启动流程

BIOS是一个写入到主板上的一个固件（固件就是写入到硬盘上的一个软件程序）。这个BIOS就是在启动的时候，计算机系统会主动执行的第一个程序。接下来BIOS会去分析计算机里面有哪些存储设备，BIOS会依据用户的设置去取得能够启动的硬盘，并且到该硬盘里去读取第一个扇区的MBR位置。MBR这个仅有446字节的硬盘容量里会放置基本的启动引导程序，此时BIOS就结束任务，而接下来的工作就交接给MBR内的启动引导程序。

这个启动引导程序的目的是加载内核文件，由于启动引导程序是操作系统在安装的时候所提供的，所以它会认识硬盘内的文件系统格式，因此就能够读取内核文件，接下来就是内核文件的工作，启动引导程序MBR和BIOS的工作就结束了，而接下来的工作就交接给操作系统。

整个启动流程到操作系统之前的过程应该是这样的：

1. BIOS：计算机启动会主动执行的固件，会认识第一个可启动的设备；
2. MBR：第一个可启动设备的第一个扇区内的主引导记录块，内含启动引导程序；
3. 启动引导程序（boot loader）：一个可读取内核文件来执行的软件；
4. 内核文件：开始启动操作系统。

由上面知道，BIOS与MBR都是硬件本身会支持的功能，至于Boot loader则是操作系统安装在MBR上的一个软件。由于MBR仅有446个字节，因此这个启动引导程序是非常小而高效。

这个MBR启动引导程序的主要任务有下面这些：

1. 提供选项：用户可以选择不同的启动选项，这也是多重引导的重要功能；
2. 加载内核文件：直接执行可使用的程序区段来启动操作系统；
3. 转交其他启动引导程序：将启动管理功能转交给其他启动引导程序负责。

前两点容易理解，但第三点有说法。说明计算机里面可能具有两个以上的启动引导程序。但根据上面内容可知，每一个启动引导程序放在MBR，都可以加载一个内核文件，来启动一个操作系统。

1. 问：那么说明硬盘不止一个MBR吗？
   答：对。硬盘是不止一个MBR，但是启动引导程序除了可以安装在MBR之外，还可以安装在每个分区的启动扇区（boot sector）。
2. 问：那么说明每个分区还有各自的启动扇区？
   答：对。每个分区有各自的启动扇区这个特性才能造成“多重引导”的功能。
3. 问：假设你的个人计算机中只有一个硬盘，里面分成四个区，其中1、2分区分别安装了Windows和Linux，你要如何在开机的时候选择用Windows还是Linux启动？
   答：正如上面所说的MBR的启动引导程序的主要任务中的第一项，MBR的启动引导程序提供两个选项：
   1. 选项一可以直接加载Windows的内核文件来开机；
   2. 选项二将开机管理工作交给第二个分区的启动扇区(boot sector)；
      而第二个分区的启动扇区的MBR的启动引导程序启动后，里面仅有一个启动选项，因此就能够使用Linux的内核文件来启动。
4. 问：为什么要安装多重引导，最好先安装Windows再安装Linux？
   答：
   Linux在安装的时候，你可以选择将启动引导程序安装在MBR或各别分区的启动扇区，而且Linux的启动引导程序可以手动设置选项(就是下图中的M1，M2)，所以你可以在Linux的启动引导程序里面加入Windows启动的选项；
   Windows在安装的时候，Windows的安装程序会主动地用自己的MBR以及自己所在分区的启动扇区覆盖掉原本的MBR以及自己所在分区的启动扇区，你没有选择的机会，而且它没有让我们选择选项的功能。
   如果先安装Linux再安装Windows的话，那MBR的启动引导程序就只有Windows的选项。而不会有Linux的选项（因为原本在MBR内的Linux的启动引导程序会被Windows的MBR覆盖掉）。
5. 问：如果先装Linux再装Windows，MBR只有Windows的选项，那么要重新安装一次Linux吗？
   答：不用，只要用尽各种方法来处理MBR的内容即可。