十万个为什么之--为什么磁盘需要分区与挂载?

发表于 2022-08-30 更新于 2023-12-05 分类于十万个为什么本文字数： 3.1k 阅读时长 ≈ 3 分钟

背景

经常会有个疑问:

为什么磁盘需要进行分区, 不分区直接按照文件夹划分有啥问题? 这个在Windows下尤其有疑问.
为啥需要挂载? 直接插入设备, 为啥不能像Windows下U盘一样直接热插拔? Linux下为啥还需要手动挂载下?
分区与格式化以及文件系统有啥关系与区别? 是一对一的么? 一个分区下只能有一个文件系统么? 一个文件系统下只能有一个分区么?

为啥需要分区?

前言

习惯了使用Linux/Mac之后, 完全没有分区的概念了.

Linux/Ubuntu装机步骤:
- 一整块磁盘, 选定文件系统类型, 进行格式化.
- 直接在磁盘上安装操作系统, 就可以开始使用了.
Mac甚至无需装机, 开机直接使用.

实际使用过程中, 不分区有如下优势:

软件安装: 无需关注需要把软件安装在哪个盘(C盘/D盘/E盘…), 通常只需要默认路径就好;
文件下载存储: 无需关注文件要保存在哪个盘, 只需要关注保存在哪个目录即可.

因此完全不用担心到底分几个区, 每个分区大小多少, C盘满了如何扩容之类的问题.

因此, 在攒了台Windows机器之后, 犹豫要不要分多个区. 后来事实教会了我怎么做人.

Win10很无节操地会在C盘预留30GB+的空间, 还要放虚拟内存文件等, 导致可怜的C盘立刻存储报警.

个人实践理解

个人使用下来, 唯一的理由就是: 分区隔离, 方便无损重装系统.

Mac/Linux上, 几乎无需也没有重装过系统. 但在Windows下, 重装系统简直是常态.

垃圾(病毒)软件太多, 连所谓的纯净镜像也根本不纯净.

都想往注册表里偷偷塞东西. 清理注册表, 一不小心就会把系统清理蓝屏.
或者有病毒, 直接系统崩溃.

解决方案

要么通过PE进入系统, 找到问题点, 进行修复.
要么直接重装系统.
找到问题点太麻烦, 所以还是无脑一键重装吧.

但重装系统, 就需要把分区重新格式化. 想想吧, 辛苦安装的软件, 设定的配置, 保存的文件, 都会随着格式化被完全抹除!
所以还是分区吧, 只格式化C盘就好. 软件啊, 文件啊, 配置啊, 都放到其他盘里好了.

其他专业理由

参照知乎其实windows分区是不是分C盘和D盘就好了？回答.

病毒泛滥, 会把系统搞Crash, 需要频繁重装系统.
早期的FAT16/32文件系统支持的单个分区容量有限. FAT32最大文件系统总容量 128GB, 在现在随便一个硬盘就是1TB+, 无法充分利用磁盘空间.
xp之前的windows系列操作系统本身稳定性堪忧，很容易因为用户操作、软件故障崩溃甚至破坏。尤其是经常折腾的桌面系统。这就导致用户不得不频繁重装系统。
操作系统权限&软件兼容问题: 现在win10管理员权限小了，某些软件装在C盘会有权限问题，比如notepad++装在C盘，直接运行的话是不能保存自定义配置的

所以在Windows下, 还是老老实实分区吧! 当然在严肃的企业场景, 也推荐按照系统盘与数据盘进行下区分.

为啥需要挂载?

尤其是在Linux下, 设备可以从 /dev/sda[b] 路径下获取, 为啥不能直接操作这些设备? 还需要挂载(mount)下?

为啥磁盘需要挂载才能使用?

为啥不能直接操作`/dev/sda[b]`等裸设备?

挂载具体做了啥?

本质上, Windows下也是有挂载这一步的, 本质上挂载就是把分区/磁盘格式化之后的文件系统, 挂载到操作系统文件树下, 映射到某个目录,
便于操作系统

Windows下也有挂载么?

是的. Windows下

为啥不能像Windows一样, 插入设备直接默认挂载?

这个搜索了知乎, 得到的结论是:

Unix-like的操作系统不支持自动mount原因是为了权限控制

POSIX权限的概念出现的很早，Unix、Linux都是支持POSIX权限的。
那么对于一个新设备来说，操作系统不是很确定是不是所有用户都对这个设备有访问权限，
这种情况下，如果自动mount，那么这个设备的内容就可能会被所有用户看到，
这样会有安全的隐患。所以Unix和Linux才要求必须先mount，
并且mount命令必须要用root权限，也就是说对于一个未知的设备，
必须由root来决定是不是可用的。

所以，这种设计的原因已经很清晰了，就是为了权限控制。
Windows不需要这个机制，是因为Windows是从DOS发展过来的，这个过程中一直没有权限控制，

所以Windows也不需要mount
Linux也可以做到自动挂载, 例如Ubuntu就是自动挂载的

磁盘&文件系统的扩展知识

磁盘, 分区, 文件系统关系

如下:

erDiagram
    DiskDevice ||--|{ Partition : contain
    Partition ||--|| FileSystem : format

磁盘/块设备 -> 分区

一个磁盘设备(HDD, SSD, U盘等), 可以划分为多个分区. 分区方式有MBR, GPT两种.
那么磁盘分区的元信息写在哪里?

是存储在文件系统中么? 此时磁盘还没有文件系统, 所以应该不是以文件形式保存, 所以我们也就无法直接在操作系统里找到这个文件并操作.
是存储在裸设备的固定位置(它在硬盘上的三维地址为（柱面，磁头，扇区）＝（0，0，1）。)

通过 lsblk 命令查看已经挂载的块设备

root@662fd3213ce8:/data# lsblk
NAME   MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
vda    254:0    0 59.6G  0 disk
`-vda1 254:1    0 59.6G  0 part /etc/hosts

分区 -> 文件系统

一个分区对应一个文件系统. 因此同一个磁盘设备的多个分区, 各个分区都可以格式化成不同的文件系统类型.

通过 df -h 命令查看分区

root@662fd3213ce8:/data# df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
overlay          59G  2.7G   53G   5% /
tmpfs            64M     0   64M   0% /dev
shm              64M     0   64M   0% /dev/shm
/dev/vda1        59G  2.7G   53G   5% /data
tmpfs           3.9G     0  3.9G   0% /proc/acpi
tmpfs           3.9G     0  3.9G   0% /sys/firmware

文件系统类型描述元数据

TODO: 暂时还没搜索到相关信息.

文件系统内部目录&文件元数据:

例如ext4, 以inode形式保存. 包括文件大小, 权限信息, gmtCreated, gmtModified, 包含的block数量, 存储在磁盘的位置(柱面) 等
可以使用 stat 命令查看

root@662fd3213ce8:/data# stat dump.rdb
  File: dump.rdb
  Size: 105       	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: fe01h/65025d	Inode: 1055693     Links: 1
Access: (0600/-rw-------)  Uid: (  999/   redis)   Gid: (  999/   redis)
Access: 2022-10-12 16:01:07.043330092 +0000
Modify: 2022-06-26 10:16:40.880774990 +0000
Change: 2022-06-26 10:16:40.896774990 +0000
 Birth: 2022-06-26 10:16:40.869774990 +0000

TODO: 分析下stat的具体信息含义, 尤其是 Device 相关的, 是不是操作系统直接就按照这个信息去寻找到文件的柱面范围了?

分区名称规范

在Linux系统中，硬盘分区命名为sda1－sda4或者hda1－hda4

TODO: 自己找个U盘试下划分成多个分区, 每个分区不同的文件系统类型?

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