面试题：文件系统中磁盘分区与格式化的常见步骤及原理

Question

请详细阐述在常见操作系统（如Windows、Linux）下，磁盘分区与格式化的一般步骤，并说明每个步骤背后涉及到的文件系统原理。

Answer 1

Windows下磁盘分区与格式化步骤及原理

1. 磁盘分区步骤
   • 打开磁盘管理工具：可以通过在“此电脑”上右键选择“管理”，然后在计算机管理窗口中找到“磁盘管理”。
   • 查看磁盘状态：在磁盘管理界面中，会显示当前计算机连接的所有磁盘及其状态，如基本磁盘、动态磁盘，以及未分配空间等信息。
   • 创建分区：在未分配空间上右键，选择“新建简单卷”，按照向导提示，设置分区大小、分配驱动器号（如C、D、E盘等）。
   • 完成分区创建：点击“完成”后，新分区即创建完成，但此时分区还未格式化，不能存储数据。
2. 分区原理
   • MBR（主引导记录）：对于传统的MBR分区表，磁盘开头的512字节空间存放MBR，其中最后2个字节是分区结束标志0x55AA 。MBR中有一个64字节的分区表，最多可记录4个主分区信息，每个分区表项16字节，记录了分区的起始扇区、结束扇区、分区类型等信息。如果需要更多分区，可以将其中一个主分区设为扩展分区，在扩展分区内再划分多个逻辑分区。
   • GPT（GUID分区表）：用于大于2TB的磁盘，GPT分区表位于磁盘开头的保护MBR之后，包含一个GPT头和分区表。GPT头记录了分区表的位置、大小等信息。GPT分区表可以定义多达128个分区，每个分区表项128字节，包含分区类型GUID、唯一分区GUID、分区起始和结束位置等详细信息。
3. 格式化步骤
   • 选择文件系统：在磁盘管理中，对新建分区右键选择“格式化”，可以选择NTFS、FAT32等文件系统格式。
   • 设置格式化选项：如分配单元大小（簇大小），一般默认即可。还可设置卷标（分区名称）。
   • 执行格式化：点击“确定”后，系统开始格式化操作，完成后该分区就可以正常使用。
4. 格式化原理
   • NTFS文件系统：格式化时，NTFS会创建主文件表（MFT），MFT是NTFS的核心，每个文件和目录在MFT中都有一个记录项，记录了文件的各种属性，如文件名、大小、创建时间、权限等。同时会划分元数据区域用于存储文件系统的管理信息，以及为文件数据分配簇（由多个扇区组成）。
   • FAT32文件系统：格式化时会创建文件分配表（FAT），FAT用于记录每个文件占用的簇链信息，通过簇链找到文件的所有数据。还会创建根目录表，存储根目录下文件和目录的信息。分配单元大小相对较小，适合较小容量存储设备，但单个文件最大不能超过4GB。

Linux下磁盘分区与格式化步骤及原理

1. 磁盘分区步骤
   • 查看磁盘设备：使用fdisk -l命令查看系统识别的磁盘设备，如/dev/sda、/dev/sdb等。
   • 启动分区工具：常用fdisk或parted工具，例如fdisk /dev/sda进入分区操作界面（以/dev/sda为例）。
   • 创建分区：在fdisk界面，按n键创建新分区，可选择主分区、扩展分区或逻辑分区，按提示输入分区编号、起始扇区、结束扇区或分区大小。
   • 保存分区表：完成分区创建后，按w键保存分区表并退出。
2. 分区原理
   • MBR分区原理同Windows：对于MBR分区，Linux系统同样遵循MBR分区表结构，通过修改MBR中的分区表记录来管理磁盘分区。
   • GPT分区原理同Windows：GPT分区在Linux下同样基于GPT头和分区表来管理分区，系统通过读取这些信息识别和访问不同分区。
3. 格式化步骤
   • 选择文件系统：常用的Linux文件系统有ext4、XFS等，使用mkfs系列命令进行格式化，如mkfs.ext4 /dev/sda1格式化/dev/sda1分区为ext4文件系统。
   • 设置文件系统参数：有些文件系统可以设置特定参数，如mkfs.ext4可以设置块大小等，但一般默认参数即可满足日常需求。
4. 格式化原理
   • ext4文件系统：格式化时会创建超级块，超级块存储文件系统的重要元数据，如块总数、空闲块数、inode总数、空闲inode数等。还会创建inode表，每个文件和目录都有对应的inode，inode记录文件的属性和数据块指针。文件数据存储在数据块中，通过inode的指针找到对应的数据块。
   • XFS文件系统：格式化时会创建超级块、inode、分配组等结构。XFS使用日志记录文件系统的更改操作，通过B + 树结构来管理文件和目录，能够高效处理大文件和高并发读写操作。