2.2 磁盘分区
那Linux系统是安装在计算机元件的磁盘中。
一块磁盘是可以被分区成多个分区的（partition），以旧有的Windows观点来看，你可能会有一颗磁盘并且将他分区成为C:, D:, E:盘对吧！那个C, D, E就是分区（partition）啰。但是Linux的设备都是以文件的型态存在，那分区的文件名又是什么？ 如何进行磁盘分区？磁盘分区有哪些限制？目前的 BIOS 与 UEFI分别是啥？MSDOS 与 GPT 又是啥？
2.2.1 磁盘连接的方式与设备文件名的关系
个人计算机常见的磁盘接口有两种， 分别是SATA与SAS接口，目前（2015）的主流是SATA接口。不过更老旧的计算机则有可能是已经不再流行的IDE界面喔！
正常的实体机器大概使用的都是 /dev/sd[a-] 的磁盘文件名，至于虚拟机环境下面，为了加速，可能就会使用 /dev/vd[a-p] 这种设备文件名。
再以SATA接口来说，由于SATA/USB/SAS等磁盘接口都是使用SCSI模块来驱动的， 因此这些接口的磁盘设备文件名都是/dev/sd[a-p]的格式。 所以SATA/USB接口的磁盘根本就没有一定的顺序，那如何决定他的设备文件名呢？ 这个时候就得要根据Linux核心侦测到磁盘的顺序了！
例题：如果你的PC上面有两个SATA磁盘以及一个USB磁盘，而主板上面有六个SATA的插槽。这两个SATA磁盘分别安插在主板上的SATA1, SATA5插槽上， 请问这三个磁盘在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
因为如果你的磁盘被分区成两个分区，那么每个分区的设备文件名又是什么？在了解这个问题之前，我们先来复习一下磁盘的组成， 因为现今磁盘的分区与他物理的组成很有关系！
磁盘的组成主要有盘片、机械手臂、磁头与主轴马达所组成， 而数据的写入其实是在盘片上面。盘片上面又可细分出扇区（Sector）与磁道（Track）两种单位，其中扇区的物理量设计有两种大小，分别是 512Bytes 与 4KBytes。
整颗磁盘的第一个扇区特别的重要，因为他记录了整颗磁盘的重要信息！ 早期磁盘第一个扇区里面含有的重要信息我们称为MBR （Master Boot Record）格式，但是由于近年来磁盘的容量不断扩大，造成读写上的一些困扰， 甚至有些大于 2TB 以上的磁盘分区已经让某些操作系统无法存取。因此后来又多了一个新的磁盘分区格式，称为GPT （GUID partition table）！
那么分区表又是啥？其实你刚刚拿到的整颗硬盘就像一根原木，你必须要在这根原木上面切割出你想要的区段， 这个区段才能够再制作成为你想要的家具！如果没有进行切割，那么原木就不能被有效的使用。 同样的道理，你必须要针对你的硬盘进行分区，这样硬盘才可以被你使用！
2.2.2 MSDOS（MBR） 与 GPT 磁盘分区表（partition table）
在前一小节的图示中， 我们有看到“开始与结束磁道”吧？而通常磁盘可能有多个盘片，所有盘片的同一个磁道我们称为柱面 （Cylinder）， 通常那是文件系统的最小单位，也就是分区的最小单位啦！为什么说“通常”呢？因为近来有 GPT 这个可达到 64bit 纪录功能的分区表， 现在我们甚至可以使用扇区 （sector） 号码来作为分区单位哩！厉害了！ 所以说，我们就是利用参考对照柱面或扇区号码的方式来处理！也就是说，分区表其实目前有两种格式！
➡ MSDOS （MBR） 分区表格式与限制
早期的 Linux 系统为了相容于 Windows 的磁盘，因此使用的是支持 Windows 的MBR（Master Boot Record, 主要开机纪录区） 的方式来处理开机管理程序与分区表！而开机管理程序纪录区与分区表则通通放在磁盘的第一个扇区， 这个扇区通常是 512Bytes 的大小 （旧的磁盘扇区都是 512Bytes 喔！），
所以说，第一个扇区 512Bytes 会有这两个数据：
- 主要开机记录区（Master Boot Record, MBR）：可以安装开机管理程序的地方，有446Bytes
- 分区表（partition table）：记录整颗硬盘分区的状态，有64 Bytes
由于分区表所在区块仅有64 Bytes容量，因此最多仅能有四组记录区，每组记录区记录了该区段的启始与结束的柱面号码。 若将硬盘以长条形来看，然后将柱面以直条图来看，那么那64Bytes的记录区段有点像下面的图示：
假设上面的硬盘设备文件名为/dev/sda时，那么这四个分区在Linux系统中的设备文件名如下所示， 重点在于文件名后面会再接一个数字，这个数字与该分区所在的位置有关喔！
P1:/dev/sda1
P2:/dev/sda2
P3:/dev/sda3
P4:/dev/sda4
上图中我们假设硬盘只有400个柱面，共分区成为四个分区，第四个分区所在为第301到400号柱面的范围。 当你的操作系统为Windows时，那么第一到第四个分区的代号应该就是C, D, E, F。当你有数据要写入F盘时， 你的数据会被写入这颗磁盘的301~400号柱面之间的意思。
分区表就只有64 Bytes而已，最多只能容纳四笔分区的记录， 这四个分区的记录被称为主要（Primary）分区或延伸（Extended）分区。 根据上面的图示与说明，我们可以得到几个重点信息：
- 其实所谓的“分区”只是针对那个64 Bytes的分区表进行设置而已！
- 硬盘默认的分区表仅能写入四组分区信息
- 这四组分区信息我们称为主要（Primary）或延伸（Extended）分区
- 分区的最小单位“通常”为柱面（cylinder）
- 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
你可以这样思考分区的角度：
- 数据的安全性： 因为每个分区的数据是分开的！所以，当你需要将某个分区的数据重整时，例如你要将计算机中Windows的C 盘重新安装一次系统时， 可以将其他重要数据移动到其他分区，例如将邮件、桌面数据移动到D 盘去，那么C 盘重灌系统并不会影响到D盘！ 所以善用分区，可以让你的数据更安全。
- 系统的性能考虑： 由于分区将数据集中在某个柱面的区段，例如上图当中第一个分区位于柱面号码1~100号，如此一来当有数据要读取自该分区时， 磁盘只会搜寻前面1~100的柱面范围，由于数据集中了，将有助于数据读取的速度与性能！所以说，分区是很重要的！
既然分区表只有记录四组数据的空间，那么是否代表我一颗硬盘最多只能分区出四个分区？当然不是啦！有经验的朋友都知道， 你可以将一颗硬盘分区成十个以上的分区的！那又是如何达到的呢？在Windows/Linux系统中， 我们是通过刚刚谈到的延伸分区（Extended）的方式来处理的啦！延伸分区的想法是： 既然第一个扇区所在的分区表只能记录四笔数据， 那我可否利用额外的扇区来记录更多的分区信息？
在上图当中，我们知道硬盘的四个分区记录区仅使用到两个，P1为主要分区，而P2则为延伸分区。请注意， 延伸分区的目的是使用额外的扇区来记录分区信息，延伸分区本身并不能被拿来格式化。 然后我们可以通过延伸分区所指向的那个区块继续作分区的记录。
如上图右下方那个区块有继续分区出五个分区， 这五个由延伸分区继续切出来的分区，就被称为逻辑分区（logical partition）。 同时注意一下，由于逻辑分区是由延伸分区继续分区出来的，所以他可以使用的柱面范围就是延伸分区所设置的范围喔！ 也就是图中的101~400啦！
同样的，上述的分区在Linux系统中的设备文件名分别如下：
P1:/dev/sda1
P2:/dev/sda2
L1:/dev/sda5
L2:/dev/sda6
L3:/dev/sda7
L4:/dev/sda8
L5:/dev/sda9
怎么设备文件名没有/dev/sda3与/dev/sda4呢？因为前面四个号码都是保留给Primary或Extended用的！ 所以逻辑分区的设备名称号码就由5号开始了！这在 MBR 方式的分区表中是个很重要的特性，不能忘记！
MBR 主要分区、延伸分区与逻辑分区的特性我们作个简单的定义：
- 主要分区与延伸分区最多可以有四笔（硬盘的限制）
- 延伸分区最多只能有一个（操作系统的限制）
- 逻辑分区是由延伸分区持续切割出来的分区；
- 能够被格式化后，作为数据存取的分区为主要分区与逻辑分区。延伸分区无法格式化；
- 逻辑分区的数量依操作系统而不同，在Linux系统中SATA硬盘已经可以突破63个以上的分区限制；
事实上，分区是个很麻烦的东西，因为他是以柱面为单位的“连续”磁盘空间， 且延伸分区又是个类似独立的磁盘空间，所以在分区的时候得要特别注意。
❄ 例题：
在Windows操作系统当中，如果你想要将D与E盘整合成为一个新的分区，而如果有两种分区的情况如下图所示， 图中的特殊颜色区块为D与E盘的示意，请问这两种方式是否均可将D与E整合成为一个新的分区？
答：
- 上图可以整合：D与E同属于延伸分区内的逻辑分区，因此只要将两个分区删除，然后再重新创建一个新的分区，就能够在不影响其他分区的情况下，将两个分区的容量合成为一个。
- 下图不可整合：D与E分属主区与逻辑分区，两者不能够整合在一起。除非将延伸分区破坏掉后再重新分区。但会影响到所有的逻辑分区，要注意的是：如果延伸分区被破坏，所有逻辑分区将会被删除。因为逻辑分区的信息都记录再延伸分区里面。
由于第一个扇区所记录的分区表与MBR很重要，几乎只要读取硬盘都会由这个扇区先读起。因此，如果整个硬盘的第一个扇区（就是MBR与partition table所在的扇区）物理实体坏掉了，硬盘大概就没有用了。
❄ 例题：
如果我想将一颗大硬盘“暂时”分区成为四个partitions，同时还有其他的剩余容量可以让我在未来的时候进行规划， 我能不能分区出四个Primary？若不行，那么你建议该如何分区？
答：
- 由于Primary+Extended最多只能由四个，其中Extended最多只能有一个，因此P+P+P+P的分区方式是不适合的。因为使用到4个P，即使硬盘还有剩余容量，因为无法再继续分区，所以剩余容量就被浪费掉了。
- 假设想将所有四个分区记录都用上，那么P+P+P+E是比较适合的。所以可以用的4个partitions有3个主要及1个逻辑分区，剩余的容量在延伸分区中。
- 如果要分区超过4个以上，一定要有Extended分区，而且必须将所有剩下的空间都分配给Extended，然后再以logical的分区来规划Extended的空间。另外，考虑到磁盘的连续性，一般建议将Extended的柱面号码分配在最后面的柱面内。
❄ 例题：
假如我的PC有两颗SATA硬盘，我想在第二颗硬盘分区出6个可用的分区（可以被格式化来存取数据之用）， 那每个分区在Linux系统下的设备文件名为何？且分区类型各为何？至少写出两种不同的分区方式。
答：
由于P(Primary) + E(Extended)最多只能有四个，其中E最多只能有一个。需要分6个分区则不能分出4个P。
假设两种环境：
- P+P+P+E的环境
示意图中可用的是 /dev/sdb1, /dev/sdb2, /dev/sdb3, /dev/sdb4, /dev/sdb5, /dev/sdb6, /dev/sdb7, 至于/dev/sdb4这个延伸分区本身仅是提供来给逻辑分区创建之用。
- P+E的环境
1~4号是保留给主要/延伸分区的，因此第一个逻辑分区一定是由5号开始的！ 所以/dev/sdb3, /dev/sdb4 就会保留下来没有用到。
MBR分区表除了上述的主分区、延伸分区、逻辑分区需要注意之外，由于每组分区表仅有16Bytes而已，因此可记录的信息是相当有限的！所以，在过去MBR分区表的限制中经常发现以下问题：
- 操作系统无法抓取到2.2T以上的磁盘容量
- MBR仅有一个区块，若被破坏后，经常无法活很难救援
- MBR内的存放开机管理程序的区块仅446Bytes，无法容纳较多的程序码
早期2.2TB限制现象不是很严重，但是目前单一磁盘容量甚至高达8TB，或者用多颗磁盘搭建出磁盘阵列，可高达70TB甚至更大，如果使用MBR分割就得2TB/2TB的分割下去，这样分区会很繁琐。为了解决这个问题，后来就有了GPT这个磁盘分区格式的出现。
➡ GUID partition table, GPT 磁盘分区表
过去一个扇区大小就是512Bytes，不过目前已经有4K的扇区设计出现！为了相容于所有的磁盘，因此在扇区的定义上面，大多会使用所谓的逻辑区块位址（Logical Block, Address, LBA）来处理。GPT将磁盘所有区块以此LBA(默认为512Bytes)来规划，而第一个LBA成为LBA0（从0开始编号）。
与MBR仅使用第一个512Bytes区块来记录分区信息相比，GPT使用34个LBA区块来记录分区信息！同时，GPT除了前面34个LBA之外，整个磁盘最后33个LBA也拿来作为另一个备份！
LBA0（MBR相容区块）
与MBR模式相似，相容区块也分为两个部分，一个就是跟之前446Bytes相似的区块，存储了第一阶段的开机管理程序！而在原本的分区表的记录区内，这个相容模式仅放入一个特殊标志的分区，用来表示此磁盘为GPT格式之意。而不动GPT分区表的磁盘管理程序，就不会认识这颗磁盘，除非用户有特别要求要处理这颗磁盘，否则该管理软件不能修改此分区信息，进一步保护此磁盘。LBA1（GPT表头记录）
这个部分记录了分区表本身的位置与大小，同时记录了备份用的GPT分区（就是磁盘最后的34个LBA区块）放置的未知，同时放置了分区表的检验机制码（CRC32），操作系统可以根据这个检验码来判断GPT是否正确。若有错误，还可以通过这个记录区来取得备份的GPT（磁盘最后的备份区块）来恢复GPT的正常运行！LBA2-33（实际记录分区信息处）
从LBA2区块开始，每个LBA可以记录4笔分区记录，所以默认情况下，总共可以有432 = 128笔分区记录。因为每个LBA有512Bytes，因此每笔记录用到128Bytes的空间，除了每笔记录所需要的识别码与相关的记录之外，GPT在每笔记录中分别提供了64bits来记载开始/结束的扇区号码，因此，GPT分区表对于单一分区来说，他的最大容量限制就在“264 512Bytes = 263 1KBytes = 233TB = 8ZB”（1ZB = 230TB）。
现在GPT分区默认可提供多达128笔记录，而在Linux本身的核心设备记录中，针对单一磁盘来说，虽然过去最多只能达到15个分区，不过由于 Linux kernel 通过 udev 等方式的处理，现在LInux也没有这个限制在了！此外，GPT分区已没有所谓的主、延伸、逻辑分区的概念，既然每笔记录都可以独立存在，所以每个都可以视为是主分区！每一个分区都可以拿来格式化使用。
server常常需要比较大容量的磁盘，新版的Linux大多认识了GPT分区表。不过，老牌的fdisk磁盘管理工具并不认识GPT，要使用GPT，要操作类似gdisk或者是parted指令才行。另外，开机管理程序方面，grub第一版并不认识GPT，得要grub2以后才会认识。
并不是所有操作系统可以读取到GPT磁盘分区格式，同时也不是所有硬件都可以支持GPT格式。是否能够读写GPT格式又与开机检测程序（BIOS 和 UEFI）有关。
2.2.3 开机流程中的 BIOS 与 UEFI 开机检测程序
主机系统在嵌入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的开机流程
BIOS与CMOS，CMOS是记录各项硬件参数且嵌入在主板上面的存储器，BIOS则是一个写入到主板上的一个固件（固件就是写入到硬件上的一个软件程序）。BIOS就是开机适合，计算机系统会主动执行的第一个程序！
BIOS会分析计算机里面有哪些存储设备，以硬盘为例，BIOS会依据使用者的设置去取得能够开机的硬盘，并去读取硬盘里第一个扇区的MBR未知。MBR这个仅有446Bytes的硬盘容量里面会放置最基本的开机管理程序，此时BIOS就功成圆满，接下来就是MBR内开机管理程序的工作了。
这个开机管理程序的目的是在载入(load)核心文件，由于开机管理程序是操作系统在安装时候提供的，所以会认识硬盘内的文件系统格式，因此能够读取核心文件，接下来就是核心文件的工作，开机管理程序与BIOS也功成圆满，之后的工作就交给操作系统。
整个开机流程到操作系统之前的动作应该是这样的：
- BIOS：开机主动执行的固件，会认识第一个可开机设备；
- MBR：第一个可开机设备的第一个扇区内的主要开机记录区块，内含开机管理程序；
- 开机管理程序（boot loader）：一支可读取核心文件来执行的软件；
- 核心文件：开始操作系统的功能 ... ...
如果分区表为GPT格式，BIOS也能从LBA0的MBR相容区块读取第一阶段的开机管理程序码，那么BIOS同样可以读取到正确的操作系统核心（当然前提是开机管理程序能够认识GPT，比如Windows XP 就无法识别GPT格式）。
GPT中LBA0仅提供第一阶段的开机管理程序码，因此如果使用类似grub的开机管理程序，那么就得额外分区出一个“BIOS boot”分区来放置其他开机过程所需的程序码。在CentOS中，这个分区通常占用2MB左右。
BIOS与MBR都是硬件本身会支持的功能，Boot loader则是操作系统安装在MBR上面的一套软件。MBR仅有446Bytes，因此这个开机管理程序是非常小而美的。boot loader主要任务有：
- 提供菜单：使用者可以选择不同的开机项目，这也是多重开机的重要功能！
- 载入核心文件：直接指向可开机的程序区段来开始操作系统；
- 转交其他loader：将开机管理功能转交给其他loader负责。
计算机系统可能具有两个以上的开机管理程序！硬盘只有一个MBR，但是开机管理程序除了可以安装在MBR，还可以安装在每个分区的开机扇区（boot sector）。
❄ 例题
假设你的个人计算机只有一个硬盘，里面切成四个分区，其中第一、二分区分别安装了Windows及Linux， 你要如何在开机的时候选择用Windows还是Linux开机呢？假设MBR内安装的是可同时认识Windows/Linux操作系统的开机管理程序， 那么整个流程可以图示如下：
MBR开机管理程序提供两个菜单，菜单一（M1）可以直接载入Windows的核心文件来开机；菜单二（M2）将开机管理工作交给第二个分区的开机扇区（boot sector）。选择M2后，该开机管理程序仅有一个开机菜单，因此能够使用Linux核心文件来开机。
- 每个分区都拥有自己的开机扇区（boot sector）
- 图中的系统盘为第一及第二分区
- 实际可开机的核心文件是放置到个分区内的
- loader只会认识自己的系统盘内的可开机核心文件，以及其他loader
- loader可直接指向或间接将管理权转交给另一个管理程序
如果安装多重开机，最好先安装Windows再安装Linux
- Linux安装时，可以将开机管理程序安装再MBR或个别分区的开机扇区，而且Linux的loader可以手动设置菜单，所以可以在Linux的boot loader里加入Windows的开机选项；
- Windows安装时，会主动覆盖调MBR以及自己所在分区的开机扇区，没有让我们自己选择菜单的功能。
因此，先装Linux再装Windows，MBR的开机管理程序就只会有WIndows项目。（也有处理方法，利用Linux的救援模式来挽救MBR）
➡ UEFI BIOS 搭配 GPT开机的流程
GPT可以提供64bit的寻址，也能使用较大的区块来处理开机管理程序。但是BIOS需要GPT提供相容模式才能够读写这个磁盘设备~ 而且BIOS仅为16位的程序，与现阶段的操作系统接轨方面有点弱！为了解决这个问题，就有了UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）可延伸固件界面的产生。
UEFI主要想取代BIOS固件界面，因此也成UEFI 为 UEFI BIOS。
UEFI使用C程序语言，比使用组合语言的BIOS更容易开发！如果开发者够厉害，甚至可以在UEFI开机阶段就让该系统了解TCP/IP而直接上网，根本不需要进入操作系统。
- BIOS与UEFI的差异
| 比较项目 | 传统BIOS | UEFI |
|---|---|---|
| 使用程序语言 | 组合语言 | C语言 |
| 硬件资源控制 | 使用中断（IRQ）管理 不可变的内存读取 不可变得 输入/ 输出存取 | 使用驱动程序与协定 |
| 处理器运行环境 | 16位 | CPU保护模式 |
| 扩充方式 | 通过IRQ链接 | 直接载入驱动程序 |
| 第三方厂商支持 | 较差 | 较佳且可支持多平台 |
| 图形化能力 | 较差 | 较佳 |
| 内置简化操作系统前环境 | 不支持 | 支持 |
与BIOS不同，UEFI简直像是一个低阶的操作系统~ 甚至主板上硬件资源的管理，也跟操作系统相当类似，只需要载入驱动程序即可控制操作。
2.2.4 Linux安装模式下，磁盘分区的选择（极重要）
windows系统重装之前，都需要事先考虑C盘多少容量？D盘又要给多大容量？实际安装时候，发现C盘之前会有100MB的分区被独立出来（WIN7分两个盘时会预留100MB空间），所以实际上有三个分区。
Linux又该如何设计呢？
➡ 目录树结构（directory tree）
Linux内所有数据都是以文件形态呈现，所以Linux最重要的就在于目录树架构。
目录树架构（directory tree）就是以根目录为主，然后向下呈现分支状的目录结构的一种文件架构。整个目录树架构最重要的就是那个根目录（root directory），这个根目录的表示方法为“/”，所有的文件都与目录树有关。
如图所示，所有的文件都是又根目录（/）衍生来的，而次目录下还能够有其他的数据存在。图中长方形为目录，波浪形则为文件。想取的mydata文件，最终的文件名为：/home/dmstai/mydata。
Linux使用目录树架构，文件放置在磁盘分区中，“如果结合目录树的架构与磁盘内的数据”呢？这就牵涉到“挂载（mount）”问题了。
➡ 文件系统与目录树的关系（挂载）
“挂载”是利用一个目录当成进入点，将磁盘分区数据放置在该目录下；进入该目录就可以读取该分区。这个动作成为“挂载”，进入点的目录我们成为“挂载点”。由于Linux系统最重要的是根目录，因此根目录一定要挂载到某个分区。至于其他目录可依使用者需求来挂载到不同的分区。
如上图，假设硬盘分两个分区，partition 1是挂载到根目录， partition 2挂载到 /home目录。当数据放置在/home内的各次目录时，数据是放置到patition 2的，如果没在/home下，则数据会放置到partition 1。
windows也是挂载的概念，比如USB放置到windows时会侦测到F（或其他盘）盘，那么读取数据去相应盘读取即可。
➡ distributions 安装时，挂载点与磁盘分区的规划
Linux安装时需要规划磁盘分区与目录树的挂载。
Linux安装时提供“自订安装，Custom” - “Expert，专家模式”
- 自订安装“Custom”
A：初次接触Linux：只要分区“/”及“swap”即可：
初次安装Linux，通常直接以一个最大分区“/”来安装系统。这样不怕分区错误造成无法安装的困境！
例如/usr是Linux可执行程序及相关文件摆放的目录，所以他的容量需求蛮大的，玩意/usr分区不够大，由于无法将数据完全写入的问题，就有可能无法安装。因此初次安装，仅分区成两个分区“/”与Swap即可。
B： 建议分区方法：预留一个备用的剩余磁盘容量
Linux的学习，最麻烦的可能就是分区问题，分区是系统管理员很重要得一个任务。
预留的分区可以拿来做备份用。Linux实际使用中，某些script或者重要文件值得备份时，就可以使用剩余容量分出新的分区，来备份重要配置文件或者script。这样做最大的好处就是重装系统时，一些软件或工具程序马上在硬盘中找到。
- Linux安装程序提供的默认硬盘分区方式
通常不建议使用各个distribution所提供默认的Server安装方式，这会让你无法得知Linux在搞什么鬼，也不见得可以符合你的需求！而且需要注意的是，选择Server时候，需要“确定”你的硬盘数据是否不再需要！因为Linux会自动把硬盘旧的数据全部杀掉！
