FreeBSD的磁盘分区
上面雨丝风片结合bochs的汇编调试器详细描述了mbr的引导过程。作为上文的延续，这里我和大家一起用基于实验的手法观察PC机上FreeBSD的分区。FreeBSD在PC结构的计算机上，有两种同时使用的，也是十分容易混淆的分区概念：一是DOS分区，一是BSD分区。本文的重点在帮助大家准确理解这两种分区。
为了理解分区，我们最好的插手阶段是FreeBSD的引导过程。简单的说，完整的FreeBSD的引导分为四部分：第一部分是DOS分区的mbr引导，FreeBSD将之称为boot0；第二部分是FreeBSD分区的引导，FreeBSD将之称为boot1；然后是FreeBSD所谓的boot2引导，最后是loader引导。
整个过程如下图1示
图1：引导过程简图
其中mbr引导是与FreeBSD无关的，也就是说我们可以使用很多不同的引导工具进行mbr引导，最著名的恐怕就是grub了。后面三个引导阶段是FreeBSD自有的，这是FreeBSD称之为三部曲的引导，本文仅解析磁盘分区，并不深入FreeBSD的引导，因此关于boot的详情可以参见man 8 boot。
第一部分：DOS分区
那么，奇怪的是为什么在讨论FreeBSD分区的时候，我们需要首先面对的却是DOS分区呢？原因在于，PC机上的FreeBSD运行在基于IA32的硬件之上，并且在设计时就考虑到和同一个磁盘上的其他系统共存的用户需求，比如Microsoft Windows。所以，FreeBSD不得不建立在DOS分区之上的。当然运行在非IA32体系的计算机上的FreeBSD系统并不一定使用DOS分区。
首先我们需要一个实验环境来观察后面的操作：操作系统FreeBSD7.0-release，虚拟机bochs2.3.7，虚拟磁盘大小10G，分为两个区：一个分区1G为FAT分区，另一个分区9G为BSD分区。创建虚拟磁盘的操作显示如图2：
图2: 实验用虚拟硬盘
图2告诉我们的最重要的信息是total sectors=20971440，而我们在安装*BSD时经常看到的cylinder=20805，heads=16等信息在现在较新的磁盘上已经不再重要，至于原因我们放在下面讲述。我们还可以看出这个磁盘的扇区大小为（10239.96MB/20971440扇区=512字节）。
空白磁盘添加了保留引导区之后的第一次划分光秃秃的如下图3：
图3: 磁盘的第一次划分
这时磁盘上并没有任何数据，这63个扇区的划分直到后面写入磁盘信息时才会正式建立，我们这里引用这些分区是为了文章描述的逻辑性。
OK，接下来我们正常安装FreeBSD，直到下一步，如图4：（同样的信息我们也可以在系统安装完成之后使用fdisk命令查看）
图4中显示了设备名:ad0，整个磁盘扇区大小:20971440，还有三个看起来像分区的条目。呃，这里用了“看起来像”，是因为从扇区0到扇区62结束的第一个条目，其实不是一个分区，它是磁盘的保留块，至于为什么要63个扇区而不是我们经常讲的mbr 1个扇区？原因在于磁盘开始的63个扇区保留给了mbr和扩展分区。而为什么保留的扇区是63而不是64，65呢？呃，因为一个柱面包含了63个扇区:) 第0个扇区确实是我们关心的mbr，而第1—62扇区，是为扩展分区保留的空间，它可以不使用。如果是这样，那么1—62扇区可以存放扩展引导代码，也可以放数据。
进一步划分：一个分区1G为FAT分区，从63扇区开始到2096639扇区结束，共(2096639−63+1) = 2096577个扇区，共2096577S · 512B = 1023KB = 1G。这个分区的分区号为Subtype = 6。另一个分区9G为FreeBSD分区，从2096640扇区开始到20971439扇区结束，共18874800个扇区，分区号为Subtype = 165。
图4: 划分磁盘DOS分区
图4中显示的Subtype也就是我们通常说的分区类型，我们会在后面的mbr实例中看到这个类型号。然而，分区类型的使用只与操作系统有关。系统挂载时，OS可以使用，也可以不使用这个类型决定目标分区系统的类型。
接下来的安装中，用户可以选择FreeBSD安装到mbr的操作类型，如图5所示。
图5: mbr引导程序选择
BootMgr对应/boot/boot0（代码在src/boot/i386/boot0/），Standard对应/boot/mbr（代码在src/boot/i386/mbr/），None当然就是不改变当前PC机安装的mbr。那么问题是：FreeBSD为什么要分两种类型的mbr？其实boot0和mbr都是安装在PC机的mbr上的，完成相同的引导功能，然而它们之间的区别在于boot0提供一种简单的分区选择功能。当系统启动时，boot0会根据分区表的内容自动检测系统上存在的磁盘分区，然后在一定计时范围内给出一个选择让用户自行选择boot0下一步引导的磁盘分区。这时可以看见屏幕上出现的所有分区列表，和它对应的选择键：F1, F2, F3等等。用户如果在这期间选择了一个分区进行引导，那么boot0自动将用户选择的分区激活为活动分区并进行加载。当计时超出之后，boot0将默认选择分区表中记录的活动分区进行引导。这样一来，如果上一次用户选择了某个分区进行引导，那么下一次PC机启动的时候，默认的启动分区就是上一次用户选择的引导分区。
/boot/mbr的功能就简单的多，只需要找到分区表里面的活动分区进行加载就完成任务。具体的代码分析参见雨丝风片的FreeBSD7.0 /sys/boot/i386/mbr/mbr.s源代码分析。
需要注意的是：我们这里仅仅只是引用文件系统上的对应特定文件，这并不意味着系统引导之时，就是执行的这些文件。也就是说：FreeBSD在引导过程中执行的boot0(mbr) 和后面讲述的boot1 都不是直接执行文件系统上的代码。因为在引导之时，FreeBSD的文件系统结构尚未在内存中建立。解决的办法是通过bsdlabel, boot0cfg等工具，FreeBSD直接将/boot/boot0(/boot/mbr) 和/boot/boot1 安装到磁盘的对应扇区上（需要root权限）。
图6: mbr结构，图片来自wiki
图6和图7显示了mbr的结构和分区表结构，下面祭起我们的照妖镜 -- bochs，观察有关分区的系统活动。
图7: mbr分区结构，图片来自wiki
中间插一句（等会还要继续按照我们的系统，呵呵），在整个系统安装完成之后，我们通过在bochs引导初期下断点的方式，取得图8所示的整个512字节mbr反汇编：
图8: mbr中的分区表
mbr信息我们也可以通过dd if=/dev/ad0 of=mbr.bin bs=512 count=1得到（为什么是/dev/ad0在后面解释）。我们最关心的是446—509字节表示的mbr分区表内容，每个条目16字节，共4个条目。446—462字节描述了第一个DOS分区，463—479描述了第二个DOS分区。
0x7DBE开始的16个字节依次是00 010100 06 0fffff 3f000000 c1fd1f00（注意，这里反汇编显示的是intel的little-ending序）按照图7的分区表格式，我们知道这个分区不是引导分区(0x0)，分区类型是0x6 (图4中的Subtype域，下同)，起始LBA在第0x3f=63 扇区，分区大小0x1ffdc1=2096577 扇区，这是一个FAT分区。继续0x7DCE开始的第二个分区，依次是80 ffffff a5 0fffff 00fe1f00 b0012001 按照图7的分区格式，这个分区是引导分区(0x80)，分区类型是0xa5 (表示FreeBSD分区)，起始LBA在第0x1ffe00=2096640扇区，分区大小0x12001b0=18874800 扇区，这是一个FreeBSD分区。
呵呵，是不是和我们在图4中看到的一样呢？至此，FreeBSD引导过程的DOS引导部分完成。
总结一下目前为止的DOS分区的情况，图9
图9: 简明DOS分区结构
整个第一个磁盘在FreeBSD里面表示为/dev/ad0，如果有第二个磁盘，则命名为/dev/ad1，依次类推。磁盘上的DOS分区在FreeBSD里面表示为Slice，因此第一个磁盘/dev/ad0上的第一个Slice为/dev/ad0s1，第二个Slice为/dev/ad0s2。正如9所示，/dev/ad0s1在mbr里面被表示为FAT分区，从63号扇区开始到2096639扇区结束；/dev/ad0s2在mbr里面被表示为FreeBSD分区，跨越剩下的磁盘空间。
最后做个简单的加法：
/dev/ad0s2 = /dev/ad0 + 2099640 。
这意味着
dd if=/dev/ad0s2 of=xxx bs=512 count=1
和
dd if=/dev/ad0 of=yyy bs=512 count=1 skip=2099640
完成相同的功能。
[ 本帖最后由 gvim 于 2008-6-30 16:55 编辑 ] 接上
第二部分：FreeBSD分区
我们继续前面的安装过程，进行到下步图10：
图10: BSD分区
这里我们同样看到了/dev/ad0s1和/dev/ad0s2的区分信息。我们在FreeBSD中分三个分区，第一个128M作为swap，接着是1G的/根，最后剩下的都分给/usr。默认剩下的操作步骤，就可以将FreeBSD系统安装到bochs虚拟机中，下面的实验操作（以及上面提及的相关操作都可以在完整系统中实验了）。
那么BSD分区结构又是什么样的呢，它在磁盘上的布局又是怎样？
首先源代码src/sys/sys/disklabel.h中的struct disklabel结构告诉了我们关于BSD分区结构的答案(分区类型号也记录在这个文件里)。
简单起见，我们只引用本文关心的结构域和分区类型：
#define MAXPARTITIONS 8
struct disklabel {
u_int32_t d_magic; /* the magic number */
char d_typename; /* type name, e.g. "eagle" */
struct partition { /* the partition table */
u_int32_t p_size; /* number of sectors in partition */
u_int32_t p_offset; /* starting sector */
u_int8_t p_fstype; /* filesystem type, see below */
} d_partitions; /* actually may be more */
};
#define FS_UNUSED 0 /* unused */
#define FS_SWAP 1 /* swap */
#define FS_V6 2 /* Sixth Edition */
#define FS_V7 3 /* Seventh Edition */
#define FS_SYSV 4 /* System V */
#define FS_V71K 5 /* V7 with 1K blocks (4.1, 2.9) */
#define FS_V8 6 /* Eighth Edition, 4K blocks */
#define FS_BSDFFS 7 /* 4.2BSD fast filesystem */
#define FS_MSDOS 8 /* MSDOS filesystem */
#define FS_BSDLFS 9 /* 4.4BSD log-structured filesystem */
#define FS_OTHER 10 /* in use, but unknown/unsupported */
#define FS_HPFS 11 /* OS/2 high-performance filesystem */
#define FS_ISO9660 12 /* ISO 9660, normally CD-ROM */
#define FS_BOOT 13 /* partition contains bootstrap */
#define FS_VINUM 14 /* Vinum drive */
#define FS_RAID 15 /* RAIDFrame drive */
#define FS_JFS2 21 /* IBM JFS2 */
d_magic表示分区的幻数，BSD的分区幻数表示为：0x82564557。d_packname是分区所在的磁盘标识符，也就是引用它的设备名。d_partitions中的p_size代表分区长度，p_offset代表起始扇区号，p_fstype表示分区类型。
FreeBSD系统正常安装之后，通过bsdlabel命令我们看到下面的BSD分区结构图11：
图11: BSD分区结构
那么BSD分区是如何在磁盘上分布的呢？图12显示出一个最一般的FreeBSD分区的磁盘分布。
图12: BSD分区磁盘分布
注意，这里的扇区号是相对/dev/ad0s2的扇区号。因此0，1，. . .，15，16等相对扇区需要在整个磁盘上引用的话，需要加上/dev/ad0s2的绝对起始扇区，也就是2096640。
简单解释一下这个图：在我们的实例系统里，FreeBSD分区的前128个扇区(64k)作为FreeBSD本身的引导区，后面接着是文件系统超级块，柱面组信息等等，这里就不详述了。其中第二个扇区开始的sizeof struct disklabel = 276个字节存放的是BSD分区表信息，这是我们这里的重点。围绕第二个扇区的其余十五个扇区，是FreeBSD的引导代码。。。（可恶，怎么又出来一个引导说-_-;），在图12中的boot1和boot2都是FreeBSD的引导代码，至于它们怎么一起工作，这里也不再关注（以后专文呈诉）。
为什么强调“我们的实例系统里”？因为FreeBSD的引导扇区并不固定为64K，还有其他尺寸可以选择，而我使用的刚好是最通常的情况：64K。
前面我们成功的从mbr里面找到了FreeBSD分区的起始扇区号：2096640。/boot/mbr读取2096640扇区的内容，正式进入FreeBSD系统的引导三部曲(man 8 boot)。
那么2096640扇区存放的是什么让我们感兴趣的东西呢？很容易从man 8 boot中找到信息：FreeBSD分区的第一个扇区存放的是boot1，图12中的第一部分。可以通过命令
dd if=/dev/ad0s2 of=boot1.bin bs=512 count=1得到这个引导块。
紧接着的磁盘块是我们的目标，呃，很简单，用命令dd if=/dev/ad0s2 of=bsdlabel.bin bs=512 count=1 skip=1 就取得了。用十六进制编辑器查看bsdlabel.bin这个文件的前276 个字节：
0000000057 45 56 82 05 00 00 0061 64 30 73 32 00 00 00|WEV.....ad0s2...|
0000001000 00 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00|................|
0000002000 00 00 00 00 00 00 0000 02 00 00 3f 00 00 00|............?...|
0000003010 00 00 00 45 51 00 00f0 03 00 00 b0 ff 3f 01|....EQ........?.|
0000004000 00 00 00 00 00 00 0010 0e 01 00 00 00 00 00|................|
0000005000 00 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00|................|
0000008000 00 00 00 57 45 56 82f3 96 08 00 00 20 00 00|....WEV...... ..|
0000009000 00 00 00 00 00 20 0000 fe 23 00 00 08 00 00|...... ...#.....|
000000a007 08 88 6f 00 00 04 0000 fe 1f 00 00 00 00 00|...o............|
000000b001 00 00 00 b0 01 20 0100 fe 1f 00 00 00 00 00|...... .........|
000000c000 00 00 00 b0 01 fc 0000 fe 43 00 00 08 00 00|..........C.....|
000000d007 08 88 6f 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00|...o............|
000000e000 00 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00|................|
0000011000 00 00 00
结合struct disklabel的结构域，我们清楚的看到：d_magic = 0x82564557，d_typename = da0s2，第一个BSD分区的分区信息从0x94字节偏移开始共16字节。前面8个字节是p_size = 0x200000 = 2097152个扇区，p_offset = 0x23fe00 = 2358784号扇区，p_fstype = 0x07。
咦，怎么回事，offset居然跑那么远？嗯，不要忘记了还要算上/dev/ad0s2的绝对偏移：2096640 + 262144 = 2358784。这样就对了，我们在图11中看到这个分区就是分区'a'，在FreeBSD里面表示“/” 根分区，表示为/dev/ad0s2a，由于这个条目在bsdlabel中是第一个条目，所以就是'a'咯。类型号0x07经过查表，知道这个分区表示FS_BSDFFS。
然后下面的第二个条目，类推当然就是'b'：/dev/ad0s2b，大小为0x40000 = 262144 个扇区，绝对偏移为0x1ffe00 = 2096640号扇区。相对于/dev/ad0s2的启示扇区，这个相对偏移当然就是0（图11中的offset域）。类型号0x01，表示FS_SWAP。
下面的第三个和第四个条目，可以用相同的方法推知。需要特别说明的是，'c' 在BSD分区里面表示整个Slice。
bingo！通过我们的分析，得到了和图11完全一致的结果:)
最后，说了这么多，终于可以总结DOS分区和BSD分区的关系：
图13: 磁盘上的分区总览
[ 本帖最后由 gvim 于 2008-7-1 09:50 编辑 ] 不错，最近越玩越高深了啊:mrgreen: 继续学习
感谢分享 好文，支持GVIM老兄 对了，忘了补一句“cylinder=20805，heads=16等信息在现在较新的磁盘上已经不再重要”，意味着现在较新的磁盘使用的线性扇区寻址，大概来说就是LBA（Logic Block Address），不再用这些柱面，磁头等东西寻址啦。
忘说了:luya: :luya: :luya:
[ 本帖最后由 gvim 于 2008-6-30 17:36 编辑 ] 非常感谢！希望BSD版多出这样的好贴:mrgreen: 经典好文，看完之后对freebsd硬盘分区的概念清晰多了。:mrgreen: 好贴!支持!!:em17: 不错不错，收藏了