MacBookPro的硬盘太小，前几天买了个128G的U盘想装好系统在虚拟机里引导，以节省日益膨胀的虚拟机文件占用的空间。我同时需要Mac、Win、Linux，买不起大容量MBP，天天寻思着删东西，实在是伤不起啊！😭预设的目标是要把Win和Ubuntu都装U盘上，而且支持在我的旧笔记本、Mac、虚拟机里都能正确引导，同时还要有一个数据分区，能在所有的系统中正常识别为U盘。为此，我狠狠研究了一通分区表，被各种缩写和规则搞得头昏脑胀。看看网上的东西也是常有错误，趁着还没忘光，自己梳理一遍吧！
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GPT和MBR
首先当然是这俩，一切都源于此。最重要的信息是：他们都是分区表，一种用来表示硬盘分区信息的格式，不太严格地说是一个软件概念。啰嗦一句分区表是干什么的：在操作系统启动之前、硬件初始化之后，确定从硬盘启动的话，需要获得硬盘分区的基本信息，那就需要分区表了。分区表不只包含硬盘的分区信息，也包括一个很小的最基本的引导程序，用到引导第二阶段引导程序，如NTLDR、BOOTMGR和GRUB等，这些第二阶段的引导程序，是需要针对每个分区进一步读取数据才能获得的。
MBR
全称主引导记录（Master Boot Record），又叫做主引导扇区，位于硬盘的第一个扇区主要分为两个部分：引导程序和分区结构表。有时候也将其开头的446字节引导程序特指为MBR，其后是64字节的“磁盘分区表”（DPT），以及2字节的结束标志（55AA）。因此，在使用“主引导记
录”（MBR）这个术语的时候，需要根据具体情况判断其到底是指整个主引导扇区，还是主引导扇区的前446字节。通常地相对于GPT来讨论MBR，则就是指这种分区模式的整套标准。你看到的是非授权版本！爬虫凶猛，请尊重知识产权！
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在这种模式下，描述分区的部分占64个字节，分别是对四个分区的信息进行描述，其中每个分区的信息占据16个字节（当然小于4个分区也可以），这也就是说MBR分区表最多只能有4个主分区或者3个主分区+1个扩展分区的由来。
具体分区信息的标准就不多说了，在每个分区信息的16字节中，分别有4个字节是表示分区的扇区起始号和扇区数目，它们的最大值是2^32-1。而通常来说一个扇区的大小为512byte，所以MBR能支持的最大硬盘（取决于扇区起始offset）大小是2^41byte，也就是2TB(按1024算)，或者说是2.2TB(按硬盘厂商的1000算)😶，亦即”MBR不支持3T大硬盘”（因为人家可以支持2T嘛）！
当年这个硬件限制出现的时候，有的厂商为了解决这个问题，另辟蹊径，通过提高每个扇区的大小来支持更大容量的硬盘。例如将扇区从512byte升级到2K，那么MBR就可以支持8T的硬盘了。但这种方法在扇区普遍为512B的市场上，反而出现了很多麻烦……后来，GPT出现了。
GPT
GPT的全称是：全局唯一标识分区表（GUID Partition Table)，是用来取代MBR的新一代分区表格式。它的具体结构定义比较复杂，我就不多赘述了。相对MBR来说，GPT的信息量更大，表本身所占用的size也大得多。不同于MBR的使用偏移量来标识不同分区，GPT中每个分区都有一个唯一标识GUID作为关键字。
GPT表分为表头和n个表项两个部分，顾名思义，表头存储了一些总体上的信息，例如版本、校验、表项数目等；而每个表项就是每个分区的具体描述。在Windows里，使用GPT的硬盘最多可以有128个分区，但这不是GPT标准规定，只是因为Windows给分区表预留的大小只够放128个分区罢了（将来会改也说不定哦）。在GPT的表头中，表项的数目占4个字节，所以理论上来说是可以有2^32个分区的。
在每个表项中，用来记录分区起始和结束位置的信息扩展成了8字节，也就是最大能表示2^64的地址。不幸的是，这次它不是表示扇区号了，而是LBA(Logical Block Address,逻辑区块地址)；幸运的是，通常LBA的大小也是512Byte，不影响对这个问题的理解。LBA和扇区的区别，跟现代存储设备的发展有关，又是一个大长篇，不展开说了。总之，GPT分区表比MBR支持更多的分区、更大的分区、更大的物理硬盘。
GUID & UUID
说到GPT，就不得不解释一下GUID是什么了。GUID的中文是全局唯一标识符(Global Unique Identifier)， 是一种由算法生成的唯一标识，总共有32个16进制数，即一个128位长的二进制整数。唯一标识，也就是说每个不同的分区都有自己的独一无二的GUID。从理论的角度看，GUID的生成并不是肯定没有重复的，只是概率非常非常小，小到在实际中可以忽略不计。例如在一个大的服务器集群里，都不会有重复的GUID。另外还有个UUID(Universally Unique Identifier，唯一识别码)，这是微软搞出来的，主要是对文档进行标识，跟GUID是一个意思，经常混用。
在很多描述系统启动、引导的文章或者是日常表述中，GPT和GUID是等价的（使用GUID来代替GPT）。阅读的时候概念清楚就行，别太较真。😄
(U)EFI 和 (Legacy) BIOS
讲了半天，终于轮到EFI了。虽然EFI和GPT并不是一回事，但在很多的地方，都用EFI和GPT/GUID表达同一个意思，即EFI+GPT的启动方式。EFI实际上是一套包括软硬件的标准接口，但我们通常说的”主板支持EFI“是指的它的硬件部分，即主板符合EFI的标准。在这个维度意义上，和EFI相对的，则是从前广泛使用的Legacy BIOS标准（多数教程、文章将其直接写为BIOS，下同）。虽然他们都只是一种接口的定义，但再次不严格地说，我们大致可以将网络上多数文章、教程中的EFI和BIOS理解为一个硬件概念，即支持或不支持EFI的主板。可以说，EFI和传统BIOS的关系就如同GPT和MBR的关系，一代新人胜旧人。
(U)EFI
UEFI中文统一可扩展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface），它的前身是Intel在1998年开始开发的Intel Boot Initiative，后来被重命名为EFI（Extensible Firmware Interface, 可扩展固件接口）。Intel在2005年将其交由统一可扩展固件接口论坛（Unified EFI Forum）来推广与发展，为了凸显这一点，EFI也更名为UEFI。也就是说，UEFI和EFI是同一个东西，在本文全部写为EFI。
前面说了，EFI和GPT不是一回事，但他们其实是有从属关系的：GPT是EFI的一个组成部分。EFI的其他部分还包括初始化模块、驱动程序、执行环境、支持模块和应用等，可以说，EFI实际上是一个简单的小型操作系统。如果你了解过Linux中的Uboot，它和EFI在概念和流程上非常像。在一个EFI启动的系统中，上电后先执行初始化模块，然后加载各种基本的驱动，如果需要则读取一个特定的EFI系统分区，通过放在里面的引导文件启动系统。同时，EFI也包含一个是能够向下兼容BIOS的模块，用来引导传统的BIOS服务。
由于EFI是一整套接口定义，所以实际上完成一个完整的EFI启动需要硬件（通常指包含基本初始化模块的主板）、GPT分区表、EFI系统分区和操作系统几个部份的支持。虽然不大好理解，但本质上EFI规范与BIOS的区别是包含了主要的三个变化：
- 能够读取GPT分区表。
- 能够执行特殊格式的代码。这种代码使用了C语言风格的参数堆栈传递方式，动态链接的形式构建，运行于32位或者64位模式，而不是BIOS中使用的16位基于中断的驱动程序。
- 支持从特定文件系统（EFI系统分区）中读取程序并加载运行。
EFI系统分区
说到EFI系统分区，又是一个新名词。其实EFI系统分区(也称为ESP或者EFISYS)是一个 FAT32 格式的物理分区 (在硬盘主分区表上，而不是 LVM 或软件 RAID 等等)，它可以直接被EFI系统读取，但在一般情况下是一个隐藏分区，用来保存启动信息。想想Uboot，如果移植了Fat文件系统在Uboot里，它就可以读取SD卡中的kernel Image，是不是很像？同样的，在支持EFI的主板固件中也包含了FAT32的文件系统驱动，从而能够做到这一点。
在MacOS中，EFISYS（方便起见，后文均使用EFISYS表示）的大小固定为200MB，不可调整；在Windows中默认为100MB, 可以在装系统的时候修改。下图是我的Mac上的分区情况（空间真的少得可怜😭）：
可以看到其中那个标记为”EFI“的分区就是了，平时你在磁盘管理中是看不到它的。但Linux与众不同，现在大多数的发行版都是把EFISYS直接挂载成boot分区，也就是可见的，Ubuntu, Debian, ArchLinux都是如此。
除了操作系统的引导文件，EFISYS也常常用来做多系统引导。因为EFI系统实际上是读一个程序并运行，那么其实可以做很多其他的事情，绝大多数多系统引导工具也都是基于这一点。例如比较出名的有变色龙、四叶草等，在各种黑苹果的安装教程中应用广泛，此处先按下不表。
(Legacy) BIOS
按顺序本来应该先说BIOS，但说了GPT不多讲讲EFI很多问题就解释不清了。BIOS其实大家都很熟悉，中文 基本输入输出系统（Basic Input/Output System），在IBM兼容系统上，也是一种标准的固件接口。BIOS也没什么可多说的，从2012年起在PC市场逐渐被淘汰的老人家，但依然还是有很多老旧的发挥着余热的电脑在使用着它。
顺便说一下，曾经看到传说的一种分辨主板是否支持EFI的方法，就是看进入BIOS（此BIOS指按F2或什么别的进入的那个配置界面）以后鼠标能否使用、界面是否为带图片有UI的那种复杂界面而不是蓝白。这种判断方式当然不准确，但一定程度上说明了传统BIOS和EFI的区别：传统BIOS只能从ROM里load很小的一个程序，界面也都是用ASCII码组成的；而EFI可以支持FAT文件系统，也就有了更多的可能性和扩展性。
启动引导
理清楚概念，可以来聊聊启动引导的各种情况了。首先需要明确一个概念：BIOS的类型和分区表的格式是两个不同的概念，所以EFI和GPT并没有必然联系！事实上，EFI和MBR都有向下兼容的设计，而老版本的BIOS也并非不可能引导GPT（需要一些技巧）。下面来分别看看几种组合的情况。
BIOS+MBR & EFI+GPT
BIOS和MBR的组合历史悠久，是过去长期使用的方式，没什么好说的。而EFI+GPT的组合，则是两个新鲜事物，他们无疑也是匹配的。前面介绍的典型EFI启动过程，就是这种情况，目前市场的新电脑，也都是使用这种组合。
EFI+MBR
EFI+MBR的启动靠的是EFI标准中CSM（Compatibility Support Module，兼容性支持模块）的作用，说白了就是把EFI假装成一个BIOS使用，也就是很多主板设置里面的兼容模式。这时候准确地说启动流程是跑在BIOS+MBR的模式，所以在这里所说的EFI+MBR指的是“支持EFI的主板在兼容模式下引导MBR”。
BIOS+GPT
这一部分才是真正复杂的地方。前面为了理解清晰并没有提到，GPT其实是完全向下兼容的，它兼容的方式是在表的最开头仍然存储了一份传统的MBR，给那些只支持MBR的设备/工具读取，这个MBR也叫做保护MBR。在一般情况下，为了防止不支持GPT的硬盘管理工具错误识别并破坏硬盘中的数据，在这个MBR中，只有一个标识为0xEE的分区，以此来表示这块硬盘使用GPT分区表。不能识别GPT硬盘的操作系统通常会识别出一个未知类型的分区，并且拒绝对硬盘进行操作，除非用户特别要求删除这个分区。这就避免了意外删除分区的危险。另外，能够识别GPT分区表的操作系统会检查保护MBR中的分区表，如果分区类型不是0xEE或者MBR分区表中有多个项，也会拒绝对硬盘进行操作。我在自己的Mac上验证了一下，能看到fdisk所看到的分区如下：
这种情况下，BIOS自然无法引导系统，因为它看到的是一个整无法识别的分区。而要想让BIOS能够引导GPT分区的硬盘，方法自然也就跟EFI+MBR类似：让GPT装作自己是MBR。为了做到这一点，GPT支持一种叫“Hybrid MBR”的混合分区表模式。
混合分区表Hybrid MBR
所谓的混合分区表，关键就在于GPT在表头存储的那份传统MBR。这个MBR存储了GPT分区表的一部分分区（通常是前四个分区），可以使不支持从GPT启动的操作系统从这个MBR启动，启动后只能操作MBR分区表中的分区。在传统BIOS看来，它是一个普通的MBR硬盘；而在EFI或者支持GPT的工具看来，它又是一个使用了GPT的硬盘。它的主体仍然是GPT分区表，只不过是将一般标记全硬盘为未知分区的MBR，改为正常的MBR信息，用以欺骗BIOS和操作系统。我将普通GPT在不同情况下的识别情况画了个图：
可以看到，一个包含n个分区的GPT硬盘（指使用GPT来存储分区情况的硬盘），如果不使用混合分区表的特殊处理，则会被只支持MBR的工具/设备认为是无法使用的。而对于混合分区表，它们则能够认出来一部分分区，和一个未知的分区。在启动时，如果混合分区表中被认出来的分区有可启动的系统，则也能顺利的引导，这就是传说中的BIOS+GPT模式，Apple那个“神奇”的Bootcamp也是基于这个原理。
手动制作混合分区表
混合分区表的应用虽然广泛，但除了Bootcamp还真没有好的制作工具，一般是手动使用gdisk（跟fdisk类似的linux tool）制作。gdisk的基本操作跟fdisk基本一样，p是打印各个分区，d是删除，n是新建。为了测试需要，我在一个普通U盘使用gdisk分了几个不同类型的分区，下图是我用gdisk查看的情况：
这是一种默认的情况，即GPT表中的MBR部分写为保护分区。然后输入r进入高级回复（Recovery/transformation）模式，按?可以看到命令菜单。我们输入h来制作混合分区表（make hybrid MBR）。程序会问你选择哪些分区加入MBR分区表？在这里输入分区的序列号即可，用空格分开，最多输入4个。如果不足4个，会问你是否要把未分区部分标记成成0XEE也就是未知分区。然后就是依次设置每个分区，包括启动分区和分区类型的设置。
完成以后，输入o来查看混合分区的情况，输入w将修改写入分区表。
设置中我输入的是2 3 6三个分区，并且同意将第一个分区做成未知分区。可以看到，对比GPT表的分区，没有被加入的分区就跳过了，不会在MBR表中被显示出来。这时候再次使用gdisk读取磁盘，能看到MBR的状态从protective变成了hybrid：
Partition table scan:
MBR: hybrid
BSD: not present
APM: not present
GPT: present
为了验证成果，把U盘拿到Windows的磁盘管理中查看：
可以看到4可用分区，以及一部分的未分配空间，即被我跳过的4，5分区。如果这几个分区中有安装Windows系统且标记为活动的分区，则可以启动Windows。
多操作系统引导
一般情况下，一台电脑只需要装一个系统，根据自己的主板，该MBR的MBR，该GPT的GPT，没有什么问题；如果有多操作系统的需求，普通的安装盘例如Windows、Ubuntu也都支持。所以正常来说，多操作系统和MBR、GPT这些没啥关系，可架不住有的人、有的公司爱折腾啊！需要了解这些机制的情况，一种是牵涉到Apple的MacOS，什么黑苹果、Mac上装Windows；另一种是制作可携带的U盘上的操作系统并要求能兼容各种硬件（就是我了）。废话不多说，下面简单聊一下多操作系统的引导，才疏学浅时间有限，并没有全部实践过一遍，以原理为主，力求不纸上谈兵误导观众。
启动器
多操作系统绕不开启动器。顾名思义，启动器是系统启动用的工具，在BIOS/EFI读取磁盘信息后，往往不是直接进入操作系统，而是运行一个启动器，再由启动器引导真正的操作系统。即使在单操作系统中，你也一定见识过启动器的存在，比如Linux用户开机后的图形or命令行的选择，或者Windows用户强制关机后出现的修复菜单，至于Mac？按住option开机试试看。😄Linux系列常用的启动器是GRUB，而盗版启动光盘、修电脑小哥常用启动器则有cover四叶草和变色龙。启动器本身是一个比较宽泛的概念，有的只有引导作用，有的甚至集成了一些常用的驱动程序和工具。具体不同的启动器就不展开说了，大工程，总之，启动器是操作系统和BIOS/EFI之间的桥梁。
操作系统对EFI的支持情况
回到EFI死磕。前面说了，EFI是一套标准，那么其实跟操作系统也有关。贴一下Wiki上的操作系统支持列表：
那些“自EFI/GPT启动”启动的，才是我们平常说的“支持EFI”或者“支持GPT”的系统。很明显，Linux是最开放的，MacOS因为几乎没有重装系统的问题自成一派，而Windows……呵呵哒🙄这种混乱造就了一大波折腾爱好者们在各种论坛上的各种安装教程，把我看得也是脑子跟着混乱了。
BootCamp
BootCamp是Apple出品的在Mac上安装Window的工具，看到这里，聪明的小伙伴应该已经猜到BootCamp所使用的原理了，对，就是混合分区表。事实上，BootCamp不只是分区工具、引导器，它还是一整套软硬件的支持系统，例如还有输入输出设备的支持等等（Mac键盘布局跟Win不一样）。
关于BootCamp的启动模式，威锋上有一篇帖子写得很详细，有兴趣可以研究一下，感觉他写得比我好多了，这部份我也就不献丑了。Mac 系统引导过程概述 & BootCamp 的秘密这篇帖子中关于GPT的细节也有讲到，正好可以作为此文的补充。😊但有一点要特别指出：Apple的主板是支持EFI的，并且没有什么地方可以设置成兼容模式。所以BootCamp并不是简单使用了前文所述EFI+MBR模式，更不是BOIS+GPT的模式，而是利用EFI的系统来启动引导器，使用引导器软件读取MBR再启动。至于你问我为什么这么麻烦，为什么不直接全部用GPT？看看上面的操作系统EFI支持列表……微软💊的锅推不掉……
我的启动U盘
读到这里，我想面对各种奇葩的操作系统安装需求，心中会有数很多了吧。至于文章开头提到的需求，老实说，我放弃了。😥我的旧电脑是leagcy BIOS的，也就是不支持GPT。MBR只支持4个分区，Ubuntu又不想完全不分区，那就只有使用混合分区了，这就需要一个好的启动器，让BIOS先把启动器跑起来，再用启动器引导不同的系统。但更关键的问题是我没有找到一个把Windows装到U盘某一个分区的办法（只找到安装到整个U盘的工具WinToUSB）。于是最后我做了两个系统U盘，一个Ubuntu，一个Windows。真是个悲伤的结局……
小结
本文尽量详细的梳理了一遍跟GPT相关的各种概念，力求清晰原理，让各位能看完以后不再跟我一样面对各种混杂的缩写和理论发蒙。不求讲得有多精彩多么深入浅出（我自己了解的都很浅），只求能解释清楚原理，指导实践。
附录-参考Wiki
列一下参考的Wiki中文条目：