操作系统中的 GUID 分区表 (GPT)

在本文中，您将了解操作系统中的 GUID 分区表及其组件、功能等。但在讨论 GUID 分区表之前，您必须了解分区表。

分区表简介

分区表在存储管理系统中很重要，它允许操作系统组织硬盘或其他存储设备上的空间。它作为一种路线图，通过它定义介质块和模式的布局。每个分区都由操作系统表示为物理驱动器的单个段。

分区表的目的

分区表有几个目的。分区表的一些主要目的如下

• 组织存储空间：分区表将一个物理设备分成多个逻辑分区。它帮助用户确定存储数据的位置，并将两种数据类型或操作系统分离到单独的分区中。
• 数据隔离：通过单独的区域，用户可以将他们不希望任何人访问的信息进行隔离。这可以通过操作系统安装在一个分区中，而用户数据、应用程序、文件等可以全部存储在单独的分区中来体现。这种隔离是即使在系统故障或损坏的情况下也能帮助保护数据的方法之一。
• 操作系统支持：操作系统的分歧可能导致每个独立的操作系统具有单独的文件系统和分区方案。在分区表的帮助下，每个操作系统都可以被系统识别为在同一磁盘上共存的独立操作系统，并且可以实现多重引导配置。

分区表的组件

分区表有几个组件。分区表的一些主要组件如下

• 分区条目：分区表中的每个位置都有两个参数：分区开始的扇区号和属于该分区的扇区数。此表包含诸如初始扇区块和最终扇区、分区类型和属性等数据。
• 分区类型：分区可以带有主、扩展和逻辑签名（MBR 和 GUID 是最后一个选项）。分区类型确定计算机操作系统用于访问和应用分区的方法。
• 分区表签名：条目的特定标记位于分区表的末尾，这意味着该表是正确且稳定的。它提供了一种用于定位磁盘分区表的方法。

GUID 分区表简介

GUID 分区表 (GPT)取代了传统的主引导记录 (MBR)，并用于最近开发的系统。UEFI基于 MBR 来解决其缺点并支持高级计算平台配置。GPT 可以生成更大的分区并支持超过 2 兆兆字节 (TB) 的磁盘大小。由于一些更强大的性能，数据可靠性也得到了增强。

GPT 的结构

GPT 以分层方式构建，由几个关键组件组成

• 保护性 MBR： GPT被设计为一种活动且独立的分区方案。除此之外，硬盘的开头还有一个保护性 MBR。在该服务中，保护性 MBR 有一个划分整个磁盘的单个分区区域和一个将磁盘定义为 GPT 类型的 GUID 分区类型指示符。通过这种方式，GPT 将逻辑地评估可以识别 GPT 磁盘的旧系统的工作，并防止磁盘被视为未分区。
• 主 GPT 头：在磁盘的最开始，主 GPT 头存储有关 GPT 磁盘的关键信息。此信息包括磁盘的 GUID、分区快捷方式的数量、每个分区条目的大小以及辅助 GPT 头的位置。
• 分区条目：分区条目位于主 GPT 头之后。磁盘上的单个分区由每个分区记录描述，其中还包括分区类型、GUID、名称、起始和终止 LBA（逻辑块地址）以及分区属性的详细信息。
• 分区数组：分区图的架构由分区表组成，分区表中的一组条目列出了磁盘上的所有分区。分区信息数组的大小由主 GPT 头中给出的分区条目数定义。
• 辅助 GPT 头：辅助 GPT 头位于磁盘的末尾，作为主 GPT 头的备份。它用于数据恢复和冗余，并包含与主 GPT 头相同的信息。如果主 GPT 头损坏或无法使用，可以使用辅助 GPT 头重建分区表。

GUID（全局唯一标识符）

GUID 掩码是 GPT 磁盘布局的重要功能之一。由 128 位 GUID标识，每个分区和磁盘根级条目在全球所有 GPT 磁盘中都提供唯一性。因此，它有助于方便地对分区进行分段，使同一或不同磁盘或系统上的分区可区分。

GPT 头

GPT 头结构分为主 GPT 和辅助 GPT，为 GPT 分区提供了强大的手段。它包含带有关键磁盘和分区数据的元数据，例如类型编号、GUID 和分区记录位置。最初，GPT 表在系统启动过程中挂载，因此有助于在应用程序和内核之间定位自身时无错误地访问和挂载磁盘。

分区条目

每个磁盘分区的特定详细信息通过分区条目提供。它们包含诸如分区类型、大小、名称以及分区的起始和终止 LBA 等详细信息。操作系统使用分区数组中保存的分区条目来识别和访问不同的磁盘分区。

保护性 MBR

GPT 磁盘受到一种称为保护性 MBR的独特分区条目的保护，它出现在磁盘的开头，以防止旧系统意外更改。它有一个覆盖整个驱动器的单个分区条目，分区类型 GUID 指示它是一个 GPT 磁盘。保护性 MBR 保证与这些系统的兼容性，同时禁止旧系统更改或覆盖 GPT 分区表。

GPT 在各种操作系统上的应用

GUID 分区表 (GPT)是一种分区系统，由于其许多增强功能，在当代操作系统中越来越受欢迎。例如，它支持更长的磁盘、更大的分区数量、更好的数据完整性功能和短引导扇区。

GPT 在 Windows 中的应用

自 Windows Server 2003（用于 Itanium 系统，后来用于 x64 系统）发布以来，Windows 一直支持 GPT。

• 安装和启动：从 Vista 及更高版本开始，可启动和后续版本的 Windows 可以安装在 GPT 磁盘上，此外，它们可以基于 UEFI 固件。它允许 GPT 利用比 MBR 更优越的数据容量和对更多分区的支持。
• 磁盘管理：Windows 具有用于处理 GPT（GUID 分区表）的管理资源，包括磁盘管理和 DiskPart 工具。这些实用程序允许用户在 GPT 磁盘上初始化、终止、格式化和调整分区大小，以及在 MBR 或 GPT 分区方案之间进行转换。
• 兼容性：尽管 Windows 支持 GPT，但旧版本的 Windows（例如 Windows XP 32 位）不原生支持从 GPT 驱动器启动。但是，如果 GPT 驱动器用作辅助存储，这些系统仍然可以访问其上的数据。
• 备份和恢复：第三方产品创建 Windows 备份模块和 GPT 磁盘的备份解决方案，允许用户备份命令并从 GPT 分区恢复数据。

macOS 中的 GPT 支持

Apple 是 GPT 的早期采用者，于 2005 年发布了 Mac OS X 10.4 Tiger。macOS 使用 GPT 的方式如下：

• 安装和启动：GPT 磁盘可以安装 macOS 和 EFI，其中 EFI 现在是一个选项，而不是 UEFI 提示。这是一种理想的方法，因为这种内存使 Mac 电脑能够使用特定的 GPT 功能，包括更小的卷和更好的分区。
• 磁盘工具：由于磁盘工具是集成的磁盘管理工具，macOS 上的 GPT 磁盘可以得到充分管理。这些磁盘允许用户添加、删除、调整大小、重新格式化分区、验证和修复磁盘结构，以及数据中心的最佳磁盘解决方案。
• 时间机器备份：时间机器是 macOS 的内部应用程序，其 GPT 磁盘是包罗万象的。它将系统映像和 GPT 分区备份到用 GPT 格式化的外部驱动器，从而构成完整的备份。
• 兼容性：macOS 的功能在于它可以与 GPT 和 Apple 分区图 (APM) 协同工作。GPT 在基于 Intel 的 Mac 中占据主导地位，而旧一代基于 PowerPC 的 Mac 仍可在 APM 上运行。

GPT 在 Linux 中的应用

Linux 拥有稳定且受支持的 GPT，目前已被许多发行版用作默认分区方案，这是一项重大成就。

• 安装和启动：大多数现代 Linux 发行版都可以通过 UEFI 固件启动并支持 GPT 磁盘安装。这使得 Linux 用户能够从 GPT 的功能中受益，例如支持多个分区和更大的驱动器。
• 磁盘管理：Linux 提供了命令行和图形工具来管理 GPT 磁盘，例如 Fdisk、Gdisk、parted 和 GParted。用户可以使用上述实用程序在 GPT 磁盘上生成、删除、统一和修饰（格式化）分区。
• 文件系统支持：Linux 可以在 GPT 卷上的 NVMe 上安装非常广泛的文件系统，包括 ext4、Btrfs、XFS 和 NTFS。这种灵活性使用户能够选择各种文件系统并将首选文件系统分配给每个部分。
• 兼容性：Linux 可以读写 GPT 硬盘。因此，从其他操作系统（如 Windows 和 macOS）启动磁盘没有问题。通过这样做，GPT 被广泛用于多重引导配置和它分离的操作系统之间的数据共享。

GPT 的特点和优点

• 支持更大的磁盘：GUID 分区表 (GPT) 最重要的优势之一是它与以前的传统分区方案不兼容，后者具有磁盘大小限制。GPT 可以管理高达 2TB 的磁盘；这些磁盘绕过了只能与低容量存储单元一起使用的旧设备的尺寸限制。提供巨大存储容量的能力是一项独特的功能，使其适用于数据量巨大的应用程序，包括数据中心、多媒体制作和科学计算。
• 更多分区：GPT 的另一项增强功能是可以在单个磁盘上创建比 MBR 更多的分区。然而，MBR 的灵活性不足以支持超过 4 或 3 个主分区和一个扩展分区，而 GPT 可以在一个磁盘上支持多达 128 个主分区。这种灵活性允许许多可自定义的选项，例如操作系统 (OS)、应用程序、用户数据、系统备份和其他功能，这与无法扩展分区大小的经典分区模型不同。
• 改进的数据完整性：GPT 利用额外的数据保护工具来确保用户拥有一个坚不可摧的存储解决方案。另一个功能是使用内置的循环冗余校验 (CRC 校验)来验证分区表条目的完整性并执行性能检查。GPT 将这些数据结构复制到磁盘的引导程序区域磁盘，以最大限度地减少物理故障。这种冗余负责数据安全和容易出现磁盘故障或故障的组件。
• 与现代系统的兼容性：随着 UEFI GPT 开始取代传统的 MBR，UEFI 固件已开始被大多数较新的系统支持，这取代了传统的 BIOS 固件，并为从 GDT 磁盘启动提供了必要的基础设施。提供这种兼容性还确保了与现代硬件平台（如台式计算机、笔记本电脑、服务器和虚拟机）的轻松集成，以提供对 GPT 功能的完全访问，而不会出现兼容性问题。

创建和管理 GPT 分区

工具内核拆分

在使用 GPT 格式的分区表类型上创建分区需要某些工具来与 GPT 规范进行交互。

1. 磁盘管理工具

• Windows：Windows 通过磁盘管理应用程序提供图形界面来管理磁盘分区。此实用程序允许用户格式化、调整大小、删除和创建 GPT 分区。
• macOS：macOS 内置的磁盘管理实用程序“磁盘工具”使用户能够格式化、创建和删除 GPT 分区。在 Mac 电脑上，它提供了一个易于使用的磁盘分区管理界面。

2. 命令行工具

• Windows：DiskPart 是 Windows 中的命令行工具，用于管理磁盘、分区和卷。它完全支持运行脚本和设备分区。它还比磁盘管理工具更好地处理较小的分区。
• macOS/Linux：磁盘、parted 和 fdisk等实用程序执行基于 Unix 的操作系统的 GPT 分区任务。这些工具配备了强大的命令行，可用于创建新分区、删除现有分区和调整（增加或减少）分区的大小。

管理 GPT 分区

创建 GPT 分区后，可以使用各种工具和技术进行管理

• 调整分区大小：当驱动器在使用时，磁盘空间可能会动态变化；因此，内部分区（即包含操作系统文件的分区）可以扩展以允许额外的存储空间，或者在需要时释放空间以重新分配。Windows 中的磁盘管理和基于 Linux 的系统下的磁盘是 GPT 分区时调整分区大小的方法。
• 格式化分区：在 GPT 或全局分区表中，格式化功能可以通过多种方式更改，因为它将扩展并允许多个文件系统，这可能取决于用户的操作系统和需求。标准 GPT 分区磁盘通常使用 NTFS、FAT32、exFAT、HFS+ 和 ext4 文件系统。
• 挂载和卸载分区：在基于 Unix 的系统中，挂载所有分区必须且只能在其上进行访问。分别使用“mount”和“umount”命令来挂载和卸载不再需要的分区。
• 数据备份和恢复：包含定期备份存储在 GPT 分区上的数据的备份计划是必不可少的。如果发生数据丢失或磁盘损坏，可以通过数据恢复工具或备份副本进行恢复。

动态磁盘管理

• 虽然较新的操作系统提供了复杂的动态磁盘管理功能，但 GPT 仍然提供了分区的基本框架。一套功能包括软件 RAID、跨多个磁盘的卷跨越以及无需重新分区即可动态扩展卷，这些都是将基本磁盘转换为动态磁盘的能力。重要的是要记住，动态驱动器是 Windows 独有的功能，不能与其他操作系统完美配合。

热插拔和可移动媒体

• GPT 很好地支持可移动和热插拔存储介质。由于 GPT，操作系统可以动态识别和控制外部硬盘、存储卡和 USB 驱动器上的分区。因此，系统可以无缝集成可移动介质，而无需手动配置或分区。

与虚拟化平台的集成

• 在 VMware、Hyper-V 和 VirtualBox 等虚拟化平台上运行的虚拟机可以使用 GPT 磁盘进行存储，因为 GPT 与这些平台完全兼容。随着基于 MBR 的磁盘的限制被消除，这允许在虚拟化设置中进行有效的磁盘管理，并支持实时迁移、快照和动态磁盘大小调整等功能。