前些时间为了给笔记本上的Arch Linux系统增加存储空间，折腾了一下磁盘分区，借此了解了磁盘分区、固件接口等等与计算机启动过程相关的底层结构，记录如下。
固件与固件接口 (Firmware Interface)
在操作系统之下，直接操作硬件的底层控制软件称为固件（Firmware）。顾名思义，“固”件就是固定在硬件中的软件，按照这个理解，的确有很多固件被存储于ROM、EEPROM之类的只读存储器上，很难变更。然而也有一些固件被存储在磁盘上，没有被定死，一个典型的例子就是引导程序 bootloader。事实上，固件只要存储在非易失性存储器上就可以了。
固件接口定义了计算机启动时操作系统和固件（也就是嵌入硬件当中的软件）之间的交互过程，是二者之间的桥梁。常见的固件接口有两个，分别是当下常用的较新的标准 UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) 和较旧的遗留的标准 BIOS (Basic Input/Output System)。
既然要负责计算机的启动，固件接口必须解决从哪里加载 bootloader，怎样搜索要启动的操作系统的问题。如前所述，两者都在磁盘上。但具体在磁盘的哪里呢？这就与磁盘的格式有关了。
磁盘分区格式
为了方便管理磁盘，通常把磁盘划分为若干个分区来管理。正如文件系统的第一个块是 Superblock 一样，磁盘的特殊位置也要有相应的结构来记录磁盘的区域划分，这个结构就是分区表 (partition table)。以两种常见的磁盘分区格式 MBR (Master Boot Record) 和 GPT (GUID Partition Table) 为例，MBR的分区表在磁盘的第一个扇区（sector）上，而 GPT 的分区表在磁盘的第一个和最后一个扇区。
GPT 是一种较新的标准，MBR 是一种较旧的标准。UEFI 通常支持 GPT 磁盘分区标准，如果需要使用 MBR，需要打开 UEFI 的 legacy support。
以 UEFI + GPT 的组合为例，GPT 的每一个表项会记录分区的起止位置、分区类型和一个独属于每个分区的 GUID (globally unique identifier)。在计算机启动的过程中，会去寻找 EFI System Partition 类型的分区并从中加载引导程序，这就解决了“引导程序在哪里”的问题。如果分区包含了可供启动的操作系统，这会在分区类型上体现出来，于是可以轻松列出磁盘上有哪些可供启动的操作系统。
在 GPT 分区方案里，每个分区的 GUID 是随机生成而互不相同的，方便了分区的识别和管理。相似地，ext4 等文件系统也会使用相同的机制生成 128位的 UUID，存储在相应文件系统的 superblock 里，方便文件系统的识别和管理。磁盘上所有文件系统的 UUID 等信息可以通过如 `lsblk -o name,mountpoint,label,uuid,fstype` 等命令来获得，而且常被 fstab 配置文件、fdisk 工具使用；而 GUID 则不容易查询得到了，也很少被直接使用。
实例：Linux kernel 初始化时的挂载过程
如果使用 GRUB，那么可以通过观察其配置脚本来验证相应的启动过程：
首先，通过 UUID 来搜索 EFI System Partition 并设置成一个临时的根目录：`search –fs-uuid –set=root XXXX-…-XXXX`
然后，找到并调用存在于 EFI System Partition 中的 linux kernel，通过 UUID 指定目标的分区，作为调用的参数，分区将被挂载到启动过程结束后的根目录：`linux /vmlinuz-linux root=UUID=XXXX-…-XXXX`
脚本的最后，建立一个初始的文件系统：`initrd /initramfs-linux.img`
在成功挂载真正的根文件系统之后，操作系统可以进一步初始化了，例如读取根文件系统中的 /etc/fstab 文件，并据此挂载更多的分区。
应用：分区的移动和扩大
假想有如下情形：你有一个 25GB 的磁盘，磁盘的前 5GB 未分配，后 20 GB 是一个分区，分区里是一个 ext4 文件系统，它是一个操作系统的根文件系统。现在假设该文件系统占用了将近全部 20GB 的空间，你想要给它扩容，如何操作？
首先，既然想给文件系统扩容，必要的条件是扩大分区。然而，扩大分区还不够－文件系统的 superblock 在磁盘的 5GB 处，而受 superblock 这一“左边界”的制约，文件系统只能“向右”扩张，难以“向左”扩张，所以磁盘左边的 5GB 存储空间难以被利用。
一个解决方法是复制（如逐字节复制）整个文件系统，使得 superblock 移动到磁盘的 0GB 处。这个操作可以通过危险的 dd 命令来完成。之所以说这个操作危险，是因为如下情况：如果我们把复制的方向倒转，把区间 [0, 20] 的内容复制到 [5, 25]，由于 dd 默认从“左”到“右”复制且 blocksize 一般不会超过 GB 的量级，原先的 [5, 20] 区间的内容会被复制的内容覆盖，我们最终会得到 5 份原先的 [0, 5] 区间内的数据，造成数据丢失。所以，使用 dd 时要尽量避免“源”区间与“目的”区间重叠的情况，否则可能出现预期之外的结果。
逐字节复制数据后，我们还需要修改分区表，否则由于分区表中的内容和实际硬盘中的字节不一致，我们无法通过这个磁盘启动。这可以通过在 fdisk 命令中删除旧分区并创建新分区来完成，创建的新分区可以利用全部 25GB 的空间。
最后，使用 resize2fs 等命令，扩大 ext4 文件系统，使其利用新分区的全部空间。
令人惊奇的是，我们不需要修改启动使用的 GRUB 脚本或者 fstab 文件，就可以启动分区中的操作系统了。这是因为两者都使用 UUID 来识别文件系统或分区，而这个 UUID 是存储在 ext4 文件系统的 superblock 中的，被 dd 命令被原样复制到了新的地方。
注：为了避免损坏系统丢失数据，建议在虚拟机中进行上述实验。在真机上操作分区可以使用 GParted (on Linux) 或者 DiskGenius (on Windows) 等工具，避免手动复制字节或设置分区表。
附注
【2024年10月18日更新】关于移动 Windows 恢复分区
克隆 Windows 恢复分区到新位置，并删除原有 Windows 恢复分区后，GPT 表项中存储的 GUID 和 attributes 可能不会被复制到新表项中，因此 Windows 可能无法识别并显示出新位置上的分区是恢复分区。为此，需要手动设置。在 Windows 管理员命令行中，运行 diskpart，进入其交互环境，然后：
list disk
select disk X
list partition
select partition Y 注：恢复分区新位置的分区号
set id="de94bba4-06d1-4d40-a16a-bfd50179d6ac" 注释1
gpt attributes=0x8000000000000001 注释2
exit注释1，这一行设置了新分区在 GPT 表项中的 PartitionType 变量，这个以 de94bb 开头的 id 是一个 GUID，含义为 “本类别为 Windows 恢复分区”，见 (1) (2)
注释2，这一行设置了新分区的 EFI attribute，开头的 8 表示不要分配盘符，结尾的 1 表示这个分区是计算机运行所必须的。参考链接同上。
验证
然后，可以在管理员命令行中检查配置是否成功（或者在 Windows 自带磁盘管理工具中检查）
reagentc /disable
reagnetc /enable
reagentc /infoinfo 输出的分区应该对应新分区，磁盘管理工具应该能够标志出新分区是恢复分区。
移除盘符
如果电脑挂载了新恢复分区，并为其分配了驱动器盘符（如 “F:”），可以在 diskpart 环境中通过如下方法移除盘符：
list volume 找出所有卷，卷(volume)是一个或多个分区
select volume <volume_number>
remove letter=<drive_letter> 一个驱动器(drive)就是一个分配了字母代号的卷
Leave a Reply