#头条创作挑战赛#

磁盘存储和文件系统

1 磁盘结构1.1 设备文件

一切皆文件：open(), read(), write(), close()

设备文件：关联至一个设备驱动程序，进而能够跟与之对应硬件设备进行通信

设备号码：

主设备号：major number, 标识设备类型次设备号：minor number, 标识同一类型下的不同设备

设备类型：

块设备：block，存取单位“块”，磁盘字符设备：char，存取单位“字符”，键盘

磁盘设备的设备文件命名：

/dev/DEV_FILE/dev/sdX # SAS,SATA,SCSI,IDE,USB/dev/nvme0n# #nvme协议硬盘，如：第一个硬盘：nvme0n1，第二个硬盘：nvme0n2

虚拟磁盘：

/dev/vd/dev/xvd

不同磁盘标识：a-z,aa,ab…

/dev/sda，/dev/sdb, ...

同一设备上的不同分区：1,2, ...

/dev/sda1/dev/sda5

案例：创建设备文件

1 确定磁盘的设备号：

首先，您需要确定要创建设备文件的磁盘的设备号。您可以使用lsblk命令来查看系统中的磁盘设备及其相关信息。打开终端，并输入以下命令：

lsblk

在输出中，找到要创建设备文件的磁盘。记下其MAJ:MIN值，这是设备的主设备号和次设备号。例如，假设要创建一个名为/dev/sdb的设备文件，其设备号为8:16。

2 创建设备文件：

使用mknod命令来创建设备文件。打开终端，并输入以下命令：

sudo mknod /dev/sdb b 8 16

其中，/dev/sdb是要创建的设备文件路径，b表示块设备类型，8是主设备号，16是次设备号。请确保使用sudo命令以管理员权限运行该命令。

案例：操纵设备文件

现在，可以操纵设备文件以进行各种操作，例如挂载磁盘、格式化磁盘或进行数据传输等。以下是一些常见的操作示例：

挂载磁盘：

使用mount命令来挂载磁盘。首先，创建一个目标目录，例如/mnt/mydisk，然后运行以下命令来挂载磁盘：

sudo mount /dev/sdb /mnt/mydisk

使用适当的工具（例如mkfs命令）来格式化磁盘。例如，要使用ext4文件系统格式化磁盘，运行以下命令：

sudo mkfs.ext4 /dev/sdb

使用cp命令或其他文件传输工具将文件从系统中的一个位置复制到磁盘中。例如，要将文件myfile.txt复制到挂载的磁盘上，运行以下命令：

sudo cp myfile.txt /mnt/mydisk

注意，创建设备文件和操纵设备文件是一项敏感的操作，需要谨慎处理。确保了解正确的设备号，并且具有足够的权限来创建设备文件和执行相应的操作。

1.2 硬盘类型

硬盘接口类型

IDE：133MB/s，并行接口，早期家用电脑SCSI：640MB/s，并行接口，早期服务器SATA：6Gbps，SATA数据端口与电源端口是分开的，即需要两条线，一条数据线，一条电源线SAS：6Gbps，SAS是一整条线，数据端口与电源端口是一体化的，SAS中是包含供电线的，而SATA中不包含供电线。SATA标准其实是SAS标准的一个子集，二者可兼容，SATA硬盘可以插入SAS主板上，反之不行USB：480MB/sM.2：

注意：速度不是由单纯的接口类型决定，支持Nvme协议硬盘速度是最快的

服务器硬盘大小

LFF：3.5寸，一般见到的那种台式机硬盘的大小SFF：Small Form Factor 小形状因数，2.5寸，注意不同于2.5寸的笔记本硬盘

L、S分别是大、小的意思，目前服务器或者盘柜采用sff规格的硬盘主要是考内虑增大单位密度内的磁盘容量、增强散热、减小功耗

1.3 机械硬盘和固态硬盘

机械硬盘（HDD）：Hard Disk Drive，即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。机械硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。数据通过磁头由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，也可以通过相反方式读取。硬盘为精密设备，进入硬盘的空气必须过滤

固态硬盘（SSD）：Solid State Drive，用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致相较于HDD，SSD在防震抗摔、传输速率、功耗、重量、噪音上有明显优势，SSD传输速率性能是HDD的2倍

相较于SSD，HDD在价格、容量占有绝对优势

硬盘有价，数据无价，目前SSD不能完全取代HHD

机械硬盘结构：

固态硬盘（SSD）：

2 管理存储

使用磁盘空间过程

1. 设备分区

2. 创建文件系统

3. 挂载新的文件系统

2.1 磁盘分区2.1.1 为什么分区优化I/O性能实现磁盘空间配额限制提高修复速度隔离系统和程序安装多个OS采用不同文件系统2.1.2 分区方式

两种分区方式：MBR，GPT

2.1.2.1 MBR分区

MBR：Master Boot Record，1982年，使用32位表示扇区数，分区不超过2T

划分分区的单位：

CentOS 5 之前按整柱面划分CentOS 6 版本后可以按Sector划分

0磁道0扇区：512bytes

446bytes: boot loader 启动相关 64bytes：分区表，其中每16bytes标识一个分区 2bytes: 55AA

MBR分区中一块硬盘最多有4个主分区，也可以3主分区+1扩展(N个逻辑分区)

MBR分区：主和扩展分区对应的1--4，/dev/sda3，逻辑分区从5开始，/dev/sda5

MBR分区结构：

硬盘主引导记录MBR由4个部分组成

0000-0088

Master Boot Record

主引导程序

主引导程序

0089-01BD

出错信息数据区

数据区

01BE-01CD

分区项1（16字节）

分区表

01CE-01DO

分区项2（16字节）

01DE-01ED

分区项3（16字节）

01EE-01FD

分区项4（16字节）

01FE

55

结束标志

01FF

AA

主引导程序（偏移地址0000H--0088H），它负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序出错信息数据区，偏移地址0089H--00E1H为出错信息，00E2H--01BDH全为0字节分区表（DPT,Disk Partition Table）含4个分区项，偏移地址01BEH--01FDH,每个分区表项长16个字节，共64字节为分区项1、分区项2、分区项3、分区项4结束标志字，偏移地址01FE--01FF的2个字节值为结束标志55AA

MBR中DPT结构

存贮字节位

内容及含义

第1字节

引导标志，若值为SOH表示活动分区，若值为00H表示为非活动分区

第2、3、4字节

本分区的其实磁头号、扇区号、边柱号。其中

磁头号--第2字节；

扇区号--第3字节的低6位；

煮面号--为什么第3字节搞于2位+第4字节8面

第5字节

分区类型符：

00H--表示该分区未用（即使没有执行）

06H--FAT16基本分区

0BH--FAT32基本分区；

O5H--扩展分区

07H--NFTS分区

0FH--（LBA模式）扩展分区（83位linux分区等）

第6、7、8字节

本分区的结束磁头号、扇区号、柱面号，集中：

磁头号--第6字节

扇区号--第7字节的低6位

柱面号--第7字节的高2位+第8字节

第9、10、11、12字节

本分区之前已用了的扇函数

第13、14、15、16字节

本分区的总扇形区数

案例：备份MBR的分区表,并破坏后恢复

1. 备份MBR分区表：

打开终端，并使用`dd`命令将MBR分区表备份到一个文件中。假设您要备份的磁盘是`/dev/sdb`，备份文件名为`mbr_backup.bin`，则运行以下命令：

sudo dd if=/dev/sdb of=mbr_backup.bin bs=512 count=1

这会将磁盘`/dev/sdb`的第一个扇区（即MBR）复制到名为`mbr_backup.bin`的文件中。

2. 破坏MBR分区表：

模拟破坏情况，可以使用`dd`命令将一些随机数据写入MBR分区表。注意，这将导致磁盘上的所有分区信息丢失。运行以下命令来破坏MBR分区表：

sudo dd if=/dev/urandom of=/dev/sdb bs=512 count=1

3. 恢复MBR分区表：

使用备份的MBR分区表文件来恢复磁盘的分区表。运行以下命令来恢复MBR分区表：

sudo dd if=mbr_backup.bin of=/dev/sdb bs=512 count=1

将备份文件`mbr_backup.bin`中的内容写入磁盘`/dev/sdb`的第一个扇区，从而恢复MBR分区表。

注意，备份和恢复MBR分区表也是一项敏感的操作，需要谨慎处理。确保备份了正确的MBR分区表，并具有足够的权限才来执行这些操作。此外，破坏MBR分区表将导致数据丢失，请谨慎操作。

2.1.2.2 GPT分区

GPT：GUID（Globals Unique Identifiers） partition table 支持128个分区，使用64位，支持8Z（512Byte/block ）64Z （ 4096Byte/block）使用128位UUID(Universally Unique Identifier) 表示磁盘和分区 GPT分区表自动备份在头和尾两份，并有CRC校验位。

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface 统一可扩展固件接口)硬件支持GPT，使得操作系统可以启动

GPT分区结构

GPT分区结构分为4个区域：

GPT头分区表GPT分区备份区域2.1.3 BIOS和UEFI

BIOS是固化在电脑主板上的程序，主要用于开机系统自检和引导操作系统。目前新式的电脑基本上都是UEFI启动

BIOS（Basic Input Output System 基本输入输出系统）主要完成系统硬件自检和引导操作系统，操作系统开始启动之后，BIOS的任务就完成了。系统硬件自检：如果系统硬件有故障，主板上的扬声器就会发出长短不同的“滴滴”音，可以简单的判断硬件故障，比如“1长1短”通常表示内存故障，“1长3短”通常表示显卡故障

BIOS在1975年就诞生了，使用汇编语言编写，当初只有16位，因此只能访问1M的内存，其中前640K称为基本内存，后384K内存留给开机和各类BIOS本身使用。BIOS只能识别到主引导记录（MBR）初始化的硬盘，最大支持2T的硬盘，4个主分区（逻辑分区中的扩展分区除外），而目前普遍实现了64位系统，传统的BIOS已经无法满足需求了，这时英特尔主导的EFI就诞生了

EFI（Extensible Firmware Interface）可扩展固件接口，是 Intel 为 PC 固件的体系结构、接口和服务提出的建议标准。其主要目的是为了提供一组在 OS 加载之前（启动前）在所有平台上一致的、正确指定的启动服务，被看做是BIOS 的继任者，或者理解为新版BIOS。

UEFI是由EFI1.10为基础发展起来的，它的所有者已不再是Intel，而是一个称作Unified EFI Form的国际组织

UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)统一的可扩展固件接口， 是一种详细描述类型接口的标准。UEFI 相当于一个轻量化的操作系统，提供了硬件和操作系统之间的一个接口，提供了图形化的操作界面。最关键的是引入了GPT分区表，支持2T以上的硬盘，硬盘分区不受限制

BIOS和UEFI区别

BIOS采用了16位汇编语言编写，只能运行在实模式（内存寻址方式由16位段寄存器的内容乘以16(10H)当做段基地址，加上16位偏移地址形成20位的物理地址）下，可访问的内存空间为1MB，只支持字符操作界面

UEFI采用32位或者64位的C语言编写，突破了实模式的限制，可以达到最大的寻址空间，支持图形操作界面，使用文件方式保存信息，支持GPT分区启动，适合和较新的系统和硬件的配合使用

BIOS+MBR与UEFI+GPT

MSDN (Microsoft Developer Network) 指出，Windows 只能安装于 BIOS + MBR 或是 UEFI + GPT 的组合上，而 BIOS + GPT 和 UEFI + MBR 是不允许的。但是 BIOS + GPT + GRUB 启动Linux 是可以的

2.1.3 管理分区

列出块设备

lsblk

创建分区命令

fdisk 管理MBR分区gdisk 管理GPT分区parted 高级分区操作，可以是交互或非交互方式

重新设置内存中的内核分区表版本，适合于除了CentOS 6 以外的其它版本 5，7，8

partprobe

注意：parted的操作都是实时生效的，小心使用

格式：

parted [选项]... [设备 [命令 [参数]...]...]

案例：

sudo parted -l #列出当前系统上的所有磁盘#根据上一步中列出的磁盘信息，选择要进行分区的磁盘,假设选择的磁盘是/dev/sdbsudo parted /dev/sdb  #使用parted工具打开选定的磁盘#使用parted的交互式命令来进行分区，以下是一些常用的命令示例：mklabel gpt 或者 mklabel msdos     #创建一个新的分区表（GPT或MBR）格式：mkpart primary <文件系统类型> <起始位置> <结束位置>   #创建一个新的分区例如：mkpart primary ext4 1MiB 100GiB格式：rm <分区号>    #删除一个分区例如：rm 1print   #显示当前分区表和分区信息quit    #退出parted工具在完成分区操作后，可以使用其他工具（如mkfs命令）来格式化新创建的分区，并将其用于存储数据。

注意，使用parted工具进行磁盘分区当然也是一项敏感操作，需要谨慎操作并确保选择了正确的磁盘。在进行分区操作之前，备份重要数据，确保具有足够的权限来执行这些操作。

2.1.3.2 分区工具fdisk和gdisk

gdisk [device...]             类fdisk 的GPT分区工具fdisk -l [-u] [device...]     查看分区fdisk [device...]             管理MBR分区

子命令：

p 分区列表t 更改分区类型n 创建新分区d 删除分区v 校验分区u 转换单位w 保存并退出q 不保存并退出

查看内核是否已经识别新的分区

cat /proc/partations

CentOS 7,8 同步分区表:

partprobe

Centos6 通知内核重新读取硬盘分区表

新增分区用

partx -a /dev/DEVICE kpartx -a /dev/DEVICE -f: force#示例：[root@centos6 ~]#partx -a /dev/sda

删除分区用

partx -d --nr M-N /dev/DEVICE#示例：[root@centos6 ~]#partx -d --nr 6-8 /dev/sda