磁盘分区表 — GPT 与 MBR / Disk Partition Tables: GPT and MBR
📅 创建时间：2026-06-17 🏷️ 标签：#分区表 #GPT #MBR #fdisk #gdisk 📚 前置知识：[[02-firmware-bios-uefi]]
📋 本章目标
- 理解为什么要分区——不只是为了"把数据和系统分开"
- 掌握 MBR 的 512 字节结构——引导代码、分区表、魔数
- 理解主分区/扩展分区/逻辑分区的蹩脚设计及其历史原因
- 掌握 GPT 的结构——Protective MBR、GPT Header、Partition Entry Array
- 理解分区类型 GUID 的作用
- 理解分区对齐（1MiB 偏移）的硬件原因
- 知道
fdisk、gdisk、parted各自的适用场景
第1部分：为什么需要分区？
1.1 分区不是文件夹
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 分区 vs 文件夹——本质区别 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 文件夹：文件系统内部的概念 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ /home/ 只是一个 inode，指向一些数据块 │ │
│ │ 不涉及磁盘上的物理边界 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 分区：块设备级别的概念 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ /dev/nvme0n1p3 对应磁盘上一段连续的 LBA 区间 │ │
│ │ 分区表记录了这个区间的"起点"和"大小" │ │
│ │ │ │
│ │ 分区表 = 磁盘的"目录" │ │
│ │ 它告诉 OS："这块磁盘分成以下几段，每段从哪到哪" │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 分区的实际用途： │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ 1. 不同文件系统 —— /boot 用 FAT32, / 用 btrfs │ │
│ │ 2. 隔离故障域 —— /home 满了不影响 / │ │
│ │ 3. 多系统共存 —— Windows 和 Linux 各占一段 │ │
│ │ 4. 特殊用途 —— swap 分区不需要文件系统 │ │
│ │ 5. 保护恢复环境 —— 厂商的恢复分区 │ │
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│ │
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第2部分：MBR — 被 512 字节支配的恐惧
2.1 MBR 的 512 字节完整布局
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ MBR（LBA 0）完整 512 字节布局 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ Offset 大小 内容 │
│ ────────────────────────────────────────── │
│ 0x000 440B 引导代码 (Bootstrap Code) │
│ ┌─────────────────────────────────────┐ │
│ │ GRUB 第一阶段 (boot.img) 就塞在这里 │ │
│ │ 只做一件事：加载第二阶段 (core.img) │ │
│ │ │ │
│ │ 非启动磁盘这段可能是 0（没有引导代码） │ │
│ └─────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 0x1B8 4B 磁盘签名 (Windows 磁盘管理用) │
│ │
│ 0x1BC 2B 保留 (0x0000) │
│ │
│ 0x1BE 16B 分区项 #1 ┐ │
│ 0x1CE 16B 分区项 #2 │ 4 条分区项 │
│ 0x1DE 16B 分区项 #3 │ 每条 16 字节 │
│ 0x1EE 16B 分区项 #4 ┘ │
│ │
│ 0x1FE 2B 魔数 0x55 0xAA │
│ │
│ ═══════════════════════════════ │
│ 总计：512 字节 │
│ ═══════════════════════════════ │
│ │
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2.2 分区项（16 字节）的逐字节解读
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 一个 MBR 分区项 = 16 字节 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ Offset 大小 字段 说明 │
│ ──────────────────────────────────────────── │
│ 0x00 1B 活动标志 0x80 = 可启动 (active) │
│ 0x00 = 不可启动 │
│ │
│ 0x01 3B CHS 起始地址 旧式寻址 (基本不再使用) │
│ │
│ 0x04 1B 分区类型 0x83 = Linux │
│ 0x07 = NTFS │
│ 0x0C = FAT32 (LBA) │
│ 0x82 = Linux Swap │
│ 0x05 = 扩展分区 │
│ 0xEE = GPT Protective │
│ │
│ 0x05 3B CHS 结束地址 旧式寻址 │
│ │
│ 0x08 4B LBA 起始扇区 分区第一个扇区的编号 │
│ │
│ 0x0C 4B 扇区总数 分区包含的扇区数 │
│ │
│ ════════════════════════════════════ │
│ 关键字段：LBA 起始扇区 + 扇区总数 │
│ 由此两个数字确定分区在磁盘上的精确范围 │
│ │
│ 限制：32 位扇区数 × 512B = 2TB 最大分区大小 │
│ 超过 2TB 的磁盘必须用 GPT │
│ │
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2.3 主分区、扩展分区、逻辑分区 — 一个 hack
MBR 只有 4 个分区槽。1980 年代这够了，但很快不够用。于是发明了扩展分区：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 主分区 / 扩展分区 / 逻辑分区的结构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ MBR (LBA 0): │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 分区项 #1: 主分区 /dev/sda1 (NTFS, Windows C:) │ │
│ │ 分区项 #2: 扩展分区 /dev/sda2 (类型 0x05/0x0F) │ │
│ │ 分区项 #3: 空 │ │
│ │ 分区项 #4: 空 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ │ 扩展分区指向磁盘上的一个区域 │
│ │ 这个区域里有一串 "EBR" (Extended Boot Record) │
│ ↓ │
│ │
│ 扩展分区区域: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ EBR #1 (一个扇区): │ │
│ │ 分区项 #1: 逻辑分区 /dev/sda5 (数据) │ │
│ │ 分区项 #2: 指向下一个 EBR → │ │
│ ├─────────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ EBR #2 (一个扇区): │ │
│ │ 分区项 #1: 逻辑分区 /dev/sda6 (数据) │ │
│ │ 分区项 #2: 指向下一个 EBR → │ │
│ ├─────────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ EBR #3: 同上... │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 这是一个链表。每个 EBR 只描述一个分区 + 下一块的地址。 │
│ 为什么 /dev/sda 的分区编号跳过 3,4？ │
│ → 1-4 保留给主分区/扩展分区 │
│ → 逻辑分区从 5 开始 │
│ │
│ MBR 分区方案的本质问题： │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ • 只有 4 个主分区槽 → 靠扩展分区补丁 │ │
│ │ • 32 位 LBA → 2TB 天花板 │ │
│ │ • 无备份 → 分区表损坏 = 找不到所有数据 │ │
│ │ • 无 CRC/校验 → 不知道分区表是否被篡改 │ │
│ │ • 无分区名称/ID → 全靠"分区类型"一个字节区分 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
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第3部分：GPT — 为现代磁盘设计的方案
3.1 GPT 的整体布局
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ GPT 磁盘布局 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ LBA 0: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Protective MBR │ │
│ │ │ │
│ │ • 分区项 #1: 类型 0xEE, 覆盖整个磁盘 │ │
│ │ ("这个磁盘已经被 GPT 占用了") │ │
│ │ • 引导代码: 无 (或保护性代码) │ │
│ │ • 目的: 让老工具知道这不是一块"空磁盘" │ │
│ │ 防止 MBR 工具误认为磁盘未分区而覆盖数据 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ LBA 1: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ GPT Header │ │
│ │ │ │
│ │ 签名: "EFI PART" (8 字节) │ │
│ │ GPT 版本: 通常是 0x00010000 │ │
│ │ Header 大小: 92 字节 │ │
│ │ Header CRC32 │ │
│ │ Header 自身 LBA: 1 │ │
│ │ 备份 Header LBA: 磁盘最后一个 LBA │ │
│ │ 第一个可用 LBA: 分区开始位置 │ │
│ │ 最后一个可用 LBA: 分区结束位置 │ │
│ │ Disk GUID: 16 字节全局唯一标识 │ │
│ │ Partition Entry Array 起始 LBA: 通常是 2 │ │
│ │ 分区项总数: 通常是 128 │ │
│ │ 每个分区项大小: 128 字节 │ │
│ │ Partition Entry Array CRC32 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ LBA 2 ~ 33: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Partition Entry Array │ │
│ │ │ │
│ │ 128 条分区项，每条 128 字节 │ │
│ │ (从 LBA 2 到 LBA 33，占用 32 个扇区) │ │
│ │ │ │
│ │ 每条分区项 = 128 字节: │ │
│ │ • 分区类型 GUID (16B) — 分区的"身份证" │ │
│ │ • 分区唯一 GUID (16B) — 这个分区的唯一标识 │ │
│ │ • 起始 LBA (8B) │ │
│ │ • 结束 LBA (8B) │ │
│ │ • 属性标志 (8B) — 只读/隐藏/不自动挂载 │ │
│ │ • 分区名称 (72B) — UTF-16 LE, 36个字符 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ... 实际的分区数据 ... │
│ │
│ 磁盘最后 33 个扇区: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 备份 GPT (Header + Entry Array) │ │
│ │ │ │
│ │ 与开头的 GPT 完全一样，存储在磁盘末尾 │ │
│ │ 如果主 GPT 损坏，可以从备份恢复 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 为什么更可靠： │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 1. 有 CRC32 校验 → 能检测损坏 │ │
│ │ 2. 末尾有完整备份 → 分区表损坏可以恢复 │ │
│ │ 3. 128 条分区项 → 不需要扩展分区这种 hack │ │
│ │ 4. 64 位 LBA → 最大寻址 ~9.4ZB │ │
│ │ (9.4 ZB = 9.4 × 10^21 字节 = 足够用到地老天荒) │ │
│ │ 5. 每条分区有名字和 GUID → 可读性好 │ │
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│ │
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3.2 分区类型 GUID — 分区的"身份证"
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 常见 GPT 分区类型 GUID │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ GUID 用途 │
│ ────────────────────────────────────────────────────── │
│ C12A7328-F81F-11D2-BA4B-00A0C93EC93B ESP (EFI 系统分区) │
│ 0FC63DAF-8483-4772-8E79-3D69D8477DE4 Linux 文件系统 │
│ 0657FD6D-A4AB-43C4-84E5-0933C84B4F4F Linux Swap │
│ EBD0A0A2-B9E5-4433-87C0-68B6B72699C7 Windows 基本数据分区 │
│ DE94BBA4-06D1-4D40-A16A-BFD50179D6AC Windows 恢复分区 │
│ E3C9E316-0B5C-4DB8-817D-F92DF00215AE Microsoft Reserved │
│ │
│ 为什么要这么长的 GUID 而不是 1 字节？ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 1 字节 = 256 种类型 → 根本不够用 │ │
│ │ GUID = 16 字节 = 2^128 种 → 永远不会冲突 │ │
│ │ 任何公司/社区都可以注册自己的类型 GUID │ │
│ │ 固件/OS 读到不认识的分区类型 → 安全地忽略它 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
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3.3 Protective MBR 的巧妙设计
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Protective MBR —— 最低成本的兼容 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 问题：GPT 磁盘被插到一台只有 MBR 工具的老系统上会怎样？ │
│ │
│ 如果没有 Protective MBR: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 老 fdisk 读取 LBA 0 → 没有 0x55AA 签名 → 认为是空磁盘 │ │
│ │ → 用户可能初始化 MBR → 覆盖 GPT Header │ │
│ │ → 灾难 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 有了 Protective MBR: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 老 fdisk 读取 LBA 0 → 看到一个 0xEE 类型的分区 │ │
│ │ → 占据整个磁盘 │ │
│ │ → "这块磁盘被某种我不认识的格式使用" │ │
│ │ → 老工具不会尝试初始化 │ │
│ │ (除非用户强制执行，但那是自找的) │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 这就是"用一个 MBR 分区槽来保护 GPT 磁盘"的巧妙之处 │
│ │
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第4部分：分区对齐 — 为什么第一个分区从 2048 开始
4.1 1MiB 对齐的来源
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 分区对齐——一个物理限制导致的软件约定 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 问题链: │
│ │
│ HDD 物理扇区 → 4K │
│ ↓ │
│ SSD 的 Page → 4K/8K/16K │
│ ↓ │
│ 分区起始 LBA 如果不是 4K 的倍数 → 跨物理扇区读写 │
│ ↓ │
│ 每次跨扇区写入 = Read-Modify-Write = 性能灾难 │
│ │
│ 解法: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ 传统 MBR: 第一个分区从 LBA 63 开始 │ │
│ │ (Track 0 被 MBR 占用，Track 1 开始 = 63 扇区 × 512) │ │
│ │ 63 % 8 = 7 → 不对齐 4K！ │ │
│ │ │ │
│ │ 现代标准: 第一个分区从 LBA 2048 开始 │ │
│ │ 2048 × 512B = 1 MiB │ │
│ │ 1 MiB 是 4K/8K/16K/32K/64K 所有常见扇区大小的倍数 │ │
│ │ → 永远对齐 │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 你的 Arch 安装中 fdisk 默认就是这样做的。 │
│ `fdisk -l` 看到的 `Start=2048` 就是这个原因。 │
│ │
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第5部分：工具选择 — fdisk vs gdisk vs parted
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│ 分区工具对比 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 工具 MBR GPT 交互式 非交互 推荐场景 │
│ ──────────────────────────────────────────────────────── │
│ fdisk ✅ ✅ ✅ ❌ 日常手动分区 │
│ gdisk ❌ ✅ ✅ ❌ GPT 专用，类似 fdisk │
│ parted ✅ ✅ ✅ ✅ 脚本化分区 │
│ cfdisk ✅ ✅ ✅ ❌ TUI 半图形界面 │
│ cgdisk ❌ ✅ ✅ ❌ GPT 版 cfdisk │
│ │
│ 实用建议: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ • 交互式手动分区 → fdisk (支持 MBR+GPT) │ │
│ │ • shell 脚本里分区 → parted --script │ │
│ │ • 查看分区信息 → fdisk -l 或 parted -l │ │
│ │ • 修复 GPT 表 → gdisk (gdisk 的诊断模式更强) │ │
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│ │
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核心总结
总结1：MBR 的一身病
MBR 结构：440B引导 + 64B分区表 + 2B魔数 = 512B
核心限制：4 个主分区 → 扩展分区 hack →
32 位 LBA → 2TB 天花板 →
无校验、无备份 → 出问题就是灾难1
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总结2：GPT 的六个改进
1. 128 条分区项 → 不需要扩展分区
2. 64 位 LBA → 9.4ZB 寻址
3. CRC32 校验 → 能检测损坏
4. 末尾备份 → 可以恢复
5. 分区类型 GUID → 人类可读的分区"身份证"
6. Protective MBR → 防止老工具误判空磁盘1
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总结3：对齐 1MiB 的理由
LBA 2048 = 1MiB 偏移 → 是 4K/8K/16K/...所有常见扇区大小的倍数
避免跨物理扇区写入 → 避免 Read-Modify-Write → 保证性能1
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章节测试
测试1：MBR 分区的最大数量
MBR 最多支持几个主分区？如果想超过这个数量怎么办？
测试2：2TB 限制
MBR 为什么不能支持超过 2TB 的磁盘？
测试3：Protective MBR
什么是 Protective MBR？它的作用是什么？
测试4：GPT 备份
GPT 的备份放在哪里？为什么有备份？
测试5：分区对齐
你的 fdisk 显示分区从 LBA 2048 开始。如果手动改为 LBA 63，会发生什么？
参考答案
测试1答案
MBR 最多 4 个主分区（分区表只有 4 个 16B 槽位）。想超过 4 个分区时，必须将一个主分区改为扩展分区，在其中创建逻辑分区（链表结构）。逻辑分区的编号从 5 开始（sda5, sda6...）。这是纯软件层面的 hack，硬件并不理解"扩展分区"这个概念。
测试2答案
MBR 分区项的"扇区总数"字段只有 4 字节（32 位）。最大扇区数 = 2^32。2^32 × 512B = 2TB。对于 4K 原生扇区，理论上可以到 16TB，但大多数 MBR 实现仍然按 512B 逻辑扇区计算。
测试3答案
Protective MBR 是 GPT 磁盘 LBA 0 处的 MBR 结构，包含一个类型为 0xEE 的分区项占据整个磁盘。它的作用是防止老式 MBR 工具误认为磁盘未分区而覆盖 GPT 数据。它不是用来启动的——只是占位符。
测试4答案
GPT 的备份（Header + Partition Entry Array）存储在磁盘的最后 33 个扇区。有备份是因为主 GPT 如果损坏（比如被覆盖），可以从末尾的备份恢复整个分区表。这是 MBR 没有的保护机制。
测试5答案
如果分区从 LBA 63 开始，63 % 8 = 7，不对齐 4K 物理扇区。每次文件系统执行跨逻辑扇区的 4K 写入时，磁盘固件内部会触发 Read-Modify-Write——先读整个 4K 物理扇区，修改其中 512B，再写回整个 4K。这会显著降低随机写入性能。现代工具默认 LBA 2048 = 1MiB = 对任何常见扇区大小都对齐。
相关笔记
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- [ ] 阅读 04 - 文件系统核心概念
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