Windows机制：硬盘相关概念、MBR、GPT、MFT、NTFS

相关概念

机械硬盘-磁道

1. 机械硬盘盘片上的同心圆轨迹，数据沿磁道存储

机械硬盘-扇区

1. 每个磁道被等分为若干弧段，每个弧段称为一个扇区
   1. 是物理扇区
   2. 是真实存在的物理结构
   3. 例如：一个磁道可能包含数百至上千个扇区，外圈磁道因周长更长可容纳更多扇区
2. 读写单位
   1. 扇区是硬盘读写的最小物理单元，传统大小为 512字节（现代硬盘也有4KB扇区）
3. 最小擦除单位
   1. 无（可直接覆盖）
4. 扇区对齐要求
   1. 无特别要求

固态硬盘-扇区

1. 固态硬盘（SSD）没有物理扇区，但有逻辑扇区概念：
   1. SSD基于闪存芯片（NAND Flash），数据存储在浮栅晶体管中
   2. 最小操作单位是 页（Page）（通常4KB），最小擦除单位是 块（Block）（包含多个页）
2. 逻辑扇区
   1. 为兼容传统系统，SSD通过 闪存转换层（FTL） 将逻辑扇区地址映射到物理页地址：
3. 逻辑扇区大小
   1. 可配置为512B（兼容模式，称 512e）或4KB（原生模式，称 4Kn）
4. 读写单位
   1. 实际以页为单位（如4KB），若逻辑扇区为512B，则一次物理读写可能覆盖多个逻辑扇区
5. 最小擦除单位
   1. 最小擦除单位是 块（Block）（包含多个页）
6. 扇区对齐要求
   1. 需4KB对齐以避免性能下降

页（Page）

1. 数据库管理磁盘的最小单位，或SSD的物理读写单元
2. 典型大小：
   1. 数据库：16KB
   2. SSD：4KB

块（Block）

1. 操作系统与磁盘交互的最小数据单元（Linux/Unix术语），等同于簇（Windows）
2. 典型大小：
   1. 通常4KB（与页对齐）

簇（Cluster）

1. 文件系统管理磁盘空间的最小逻辑单元，由连续扇区组成
2. 典型大小：
   1. 1KB–64KB（如NTFS默认4KB）

机械硬盘-簇

1. 文件系统将多个连续扇区合并为簇（如NTFS中8扇区=4KB），以减少寻址开销
2. 空间浪费问题：
   1. 1字节文件也占用完整一簇（如4KB），导致存储效率降低
3. 性能优化
   1. 减少寻道时间（大簇连续存储）

机械硬盘-块

1. Linux系统中与簇等价的概念，是read/write系统调用的最小单位（默认4KB）

固态硬盘-页

1. 最小读写单元，通常为4KB（与操作系统块大小对齐），基于NAND闪存结构
2. 特点：
   1. 页可无限次读，但写入前需擦除整个块

固态硬盘-块

1. 最小擦除单元，由多个页组成（如128页=512KB），擦除寿命约1万次
2. 问题
   1. 修改数据需复制整个块到新位置再写入，引发写放大问题

固态硬盘-簇

1. 逻辑概念与HDD相同（如NTFS簇大小4KB），但SSD无物理寻道成本，故小簇不会导致性能下降
2. 性能优化
   1. 减少写放大（小簇 + FTL优化）

固态硬盘-闪存转换层（FTL）

1. 将文件系统的逻辑簇地址（LBA） 映射到SSD的物理页地址（PBA），隐藏物理写入限制

优化

1. hdd
   1. 视频存储用64KB簇，数据库用4KB簇，平衡空间与性能
2. ssd
   1. 禁用碎片整理：避免无谓擦写（寿命消耗）
   2. 4K对齐：分区时确保簇大小=页大小（4KB），提升FTL效率

MBR (Master Boot Record)

1. 物理位置
   1. 硬盘首个扇区（0柱面0磁头1扇区）
2. 组成
   1. 分区表（DPT） 是MBR的一部分

3. MBR功能
   1. 作为磁盘的启动入口，BIOS在开机时加载并执行MBR中的引导代码
   2. 通过分区表定位活动分区（标记为 0x80 的分区），并移交控制权
4. 分区表功能
   1. 定义磁盘的逻辑划分（如主分区、扩展分区），决定分区数量、位置及大小
   2. 无分区表则操作系统无法识别磁盘空间
5. 工作流程
   1. BIOS加载MBR至内存0x7C00
   2. MBR程序扫描分区表，定位活动分区（标记为0x80）
   3. 加载活动分区的引导扇区（如DBR），移交控制权

分区信息示例

MBR位置

1. MBR（主引导记录）既不存在于EFI系统分区，也不在C盘主分区，而是位于整个物理磁盘的第一个扇区（绝对位置）
2. 那是不是，每块物理磁盘的第一个扇区，都存的是该物理磁盘的MBR相关数据？
   1. MBR分区磁盘：
      第一扇区（0柱面0磁头1扇区）必然存储MBR，包含引导程序、分区表（DPT）和结束标志55AA
   2. GPT分区磁盘：
      第一扇区存储的是保护性MBR（Protective MBR），而非传统MBR，其作用仅为兼容旧系统，阻止MBR工具误操作GPT磁盘

判断是MBR分区还是GPT分区

1. win + x
   1. 磁盘管理
   2. 右击磁盘0，属性，卷，磁盘分区形式
2. cmd
   1. diskpart
   2. list disk
   3. Gpt那行有*号是Gpt，空白是Mbr

MBR和GPT

1. 分区结构与容量限制
   1. MBR：使用32位逻辑块地址（LBA），分区表仅64字节，仅能记录4个分区项。超过2TB的磁盘无法充分利用空间，且需通过扩展分区+逻辑分区扩展数量，管理复杂
   2. GPT：采用64位LBA，分区表动态扩展，支持超大容量（如18EB）。分区直接以主分区形式存在，无需逻辑分区，管理更直观
2. 引导机制与系统兼容性
   1. MBR + BIOS：启动时BIOS读取磁盘首扇区的MBR代码，跳转至活动分区加载系统。兼容老旧系统（如WinXP），但无法支持Secure Boot等安全特性
   2. GPT + UEFI：UEFI固件直接访问ESP分区中的EFI文件（如bootx64.efi），启动更快且支持安全启动。仅限Win8以上或64位系统（Win11强制要求GPT）
3. 数据可靠性与恢复
   1. MBR：分区表仅存储于磁盘首扇区，无备份。若损坏需手动修复或依赖工具恢复，成功率低
   2. GPT：分区表在磁盘头部和尾部各存一份，CRC校验可检测错误。即使主表损坏，备份表可自动恢复，数据安全性高
4. 特殊分区需求
   1. MBR：需保留一个主分区作为“活动分区”引导系统
   2. GPT：必须包含ESP分区（存放EFI引导文件）和可选的MSR分区（微软保留空间，用于动态磁盘转换）

GPT分区的分区表

1. 主分区表位于磁盘的 2~33号扇区（LBA 2–33），紧随GPT头（LBA 1）之后
2. 备份分区表位于磁盘的最后一个扇区（LBA -1），与主分区表完全镜像

MFT与MBR的关系

1. 功能定位不同
   1. MBR：位于磁盘的首个扇区（LBA 0），负责分区管理和系统启动
      作用：BIOS加载MBR后，由其定位活动分区并移交控制权至分区的引导扇区（如DBR）
   2. MFT：是NTFS文件系统的核心元数据文件，位于每个NTFS分区的数据区
      作用：操作系统通过MFT访问文件数据，与磁盘分区方案无关

MFT和GPT的关系

1. 无论分区采用MBR或GPT，只要格式化为NTFS文件系统，其文件管理仍依赖MFT
2. GPT仅影响分区管理方式，与文件系统无关

MBR或GPT和NTFS的关系

1. MBR或GPT可以理解为是磁盘的不同规划方式，定义分区数量、边界（起始/结束扇区）等
2. NTFS或EXT4或FAT32这些文件系统可以理解为是分区内的管理方式（文件命名，簇分配，MFT等）
   1. 也就是说可以分区1是NTFS，分区2是FAT32

总结

1. 文件系统向磁盘发起的读写请求以簇为单位，但磁盘硬件实际执行（读写）的最小物理操作单位不同：
   1. HDD：物理读写单位为扇区（512B或4KB），但系统通常以簇为单位发起请求以减少I/O次数
   2. SSD：物理读写单位为页（通常4KB），但文件系统仍以簇（如4KB）发起请求，由FTL层映射到物理页
   3. 一个簇由 多个连续扇区（Sector）组成
2. 对于数据的擦除，HDD无最小擦除单元可直接覆盖，SSD以物理块为最小擦除单元
   1. 而一个物理块由多个连续页组成
   2. 擦除操作不可拆分，即使仅需修改一页数据，也需整块擦除再写入
3. 特定概念总结
   1. 簇是个逻辑概念（Windows中文件系统向磁盘发请求以簇为单位）
   2. 块也是个逻辑概念（Linux/Unix中文件系统向磁盘发请求以块为单位）
   3. 而所谓的物理块是个SSD特有的物理概念（指NAND闪存的物理最小擦除单元）

问题

1. 机械硬盘没有页的概念吗
   1. “页”是固态硬盘（SSD）特有的物理存储单位，而机械硬盘的物理操作单位是扇区（Sector）

2. windows系统中，块与簇是否等价概念
   1. 在Windows系统中，“块”（Block）与“簇”（Cluster）本质上是等价概念，指代文件系统管理磁盘空间的最小逻辑单位