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Partition (区分け)

2023/10/06

はじめに

手持ちの古い HD(hard disk)を整理していると、Vista がインストールされた 2.5 インチ SATA HD に出会った。format して別の用途に使ってもよいのだが、ちょいと不思議に思うことがあって、調べてみることにした。手頃な教材として。僕は実例を見ないと解った気にならないから...

GPT については、まだ解らぬこといっぱい... 信頼できる文献が欲しい。

以下ではパーティション情報を調べているが、パーティションに関する操作は最も危険な操作であり、間違えるとコンピュータの全データが吹っ飛ぶ。パーティションの変更が発生する可能性がある操作は必ず不要なハードディスクに対して行うこと。

Partition Info.

Linux

After inserting the disk to maia (linux)

ubu$ ls -l /dev/sd*
brw-rw---- 1 root disk 8,  0  8月 23 18:30 /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk 8,  1  8月 23 18:30 /dev/sda1
brw-rw---- 1 root disk 8,  2  8月 23 18:30 /dev/sda2
brw-rw---- 1 root disk 8,  3  8月 23 18:30 /dev/sda3
brw-rw---- 1 root disk 8, 16  9月 27 07:25 /dev/sdb
brw-rw---- 1 root disk 8, 17  9月 27 07:25 /dev/sdb1
brw-rw---- 1 root disk 8, 18  9月 27 07:25 /dev/sdb2
brw-rw---- 1 root disk 8, 21  9月 27 07:25 /dev/sdb5
ubu$

exec

sudo fdisk /dev/sdb
in fdisk

Command (m for help): p

Disk /dev/sdb: 111.79 GiB, 120033041920 bytes, 234439535 sectors
Disk model: 106X
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x9247f3e2

Device     Boot     Start       End   Sectors  Size Id Type
/dev/sdb1  *         2048 116566015 116563968 55.6G  7 HPFS/NTFS/exFAT
/dev/sdb2       116567640 234436544 117868905 56.2G  5 Extended
/dev/sdb5       228765663 234436544   5670882  2.7G 82 Linux swap / Solaris

/dev/sdb1 は HPFS/NTFS/exFAT のどれかでフォーマットされていると思われる。どれなのかは、これからは分からない。拡張パーティションの中に Linux の swap パーティションが含まれている。Vista をインストールする前に、このディスクは Linux で使われていのではないかと推測するが、昔のことですっかり忘れている。

MacOS diskutil

Looking the disk on MacOS

mbook$ ls /dev/disk*
/dev/disk0	/dev/disk0s2	/dev/disk1	/dev/disk2s1
/dev/disk0s1	/dev/disk0s3	/dev/disk2	/dev/disk2s5
mbook$


mbook$ diskutil list
...
/dev/disk2 (external, physical):
   #:                       TYPE NAME                    SIZE       IDENTIFIER
   0:     FDisk_partition_scheme                        *120.0 GB   disk2
   1:               Windows_NTFS                         59.7 GB    disk2s1
   2:                 Linux_Swap                         2.9 GB     disk2s5
mbook$
NB: disk2s2 is not here.
MacOS は /dev/disk2(これは Linux の /dev/sdb2 に相当する)に関してもっと詳しい情報を提供している。これは NTFS なのだと。
他方では拡張パーティションの存在に関しては何も言わない。捉えそこねたのではなくて、必要なしと判断したのであろう。

mbook$ diskutil info /dev/disk2s1
   Device Identifier:        disk2s1
   Device Node:              /dev/disk2s1
   Whole:                    No
   Part of Whole:            disk2

   Volume Name:
   Mounted:                  Yes
   Mount Point:              /Volumes/Untitled

   Partition Type:           Windows_NTFS
   File System Personality:  NTFS
   Type (Bundle):            ntfs
   Name (User Visible):      Windows NT File System (NTFS)

   OS Can Be Installed:      No
   Media Type:               Generic
   Protocol:                 USB
   SMART Status:             Not Supported
   Volume UUID:              47E04978-EF4E-4277-BC05-0AE7280FDBE2

   Disk Size:                59.7 GB (59680751616 Bytes) (exactly 116563968 512-Byte-Units)
   Device Block Size:        512 Bytes

   Volume Total Space:       59.7 GB (59680747520 Bytes) (exactly 116563960 512-Byte-Units)
   Volume Used Space:        26.3 GB (26331676672 Bytes) (exactly 51429056 512-Byte-Units) (44.1%)
   Volume Available Space:   33.3 GB (33349070848 Bytes) (exactly 65134904 512-Byte-Units) (55.9%)
   Allocation Block Size:    4096 Bytes

   Read-Only Media:          No
   Read-Only Volume:         Yes

   Device Location:          External
   Removable Media:          Fixed
mbook$

NTFS の利用状態まで報告している。

mbook automatically mount the disk.
the contents is seen in /Volumes/Untitled

mbook$ ls -l /Volumes/Untitled
total 9002256
drwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff           0  7  8  2011 $Recycle.Bin
-rwxr-xr-x  1 arisawa  staff        8192  7  8  2011 BOOTSECT.BAK
drwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff        4096  7 11  2011 Boot
drwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff           0 11  2  2006 Documents and Settings
-rwxr-xr-x  1 arisawa  staff         244  7  9  2011 Install.log
drwxr-xr-x  1 arisawa  staff           0  7  9  2011 Intel
drwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff           0  7  8  2011 MSOCache
drwxr-xr-x  1 arisawa  staff       12288  7 29  2011 Program Files
drwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff        4096  7 29  2011 ProgramData
-rwxr-xr-x  1 arisawa  staff        1841  7  9  2011 RHDSetup.log
drwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff       12288  8  2  2011 System Volume Information
drwxr-xr-x  1 arisawa  staff        4096  7  8  2011 Users
drwxr-xr-x  1 arisawa  staff       20480  8  2  2011 Windows
-rwxr-xr-x  1 arisawa  staff          24  9 19  2006 autoexec.bat
-rwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff      443912  7 11  2011 bootmgr
-rwxr-xr-x  2 arisawa  staff          10  9 19  2006 config.sys
-rwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff  2147483648  1  3  2022 hiberfil.sys
-rwxr-xr-x@ 1 arisawa  staff  2461212672  1  3  2022 pagefile.sys
-rwxr-xr-x  1 arisawa  staff         218  1  3  2022 service.log
mbook$
NB: mbook can mount NTFS in this disk

Plan9 fdisk

hebe# ls /dev/sd*
/dev/sdE0/9fat
/dev/sdE0/ctl
...
/dev/sdE1/raw
/dev/sdU76a40/ctl
/dev/sdU76a40/data
/dev/sdU76a40/linuxswap
/dev/sdU76a40/ntfs
/dev/sdU76a40/raw
/dev/sdctl
hebe# ls -l /dev/sdU76a40
--rw-rw-r-- M 1062929 arisawa arisawa            0 Jan  1  1970 /dev/sdU76a40/ctl
--rw-r----- M 1062929 arisawa arisawa 120033041920 Jan  1  1970 /dev/sdU76a40/data
--rw-r----- M 1062929 arisawa arisawa   2903491584 Jan  1  1970 /dev/sdU76a40/linuxswap
--rw-r----- M 1062929 arisawa arisawa  59680751616 Jan  1  1970 /dev/sdU76a40/ntfs
--rw-r----- M 1062929 arisawa arisawa            0 Jan  1  1970 /dev/sdU76a40/raw
hebe# disk/fdisk /dev/sdU76a40/data
cylinder = 8225280 bytes
 * p1                      0 7256         (7256 cylinders, 55.58 GB) HPFS
   empty                7256 14240        (6984 cylinders, 53.50 GB)
   s2                  14240 14593        (353 cylinders, 2.70 GB) LINUXSWAP
>>> q
hebe#

Plan9(9front) では、デバイスファイルを普通のファイルとして見せている。すなわち

/dev/sdU76a40/data
が usb 接続された sata HD の内容である。ここは unix と違うところ。
このままでは sata HD にデータを読み取るなどの命令を送れない。(本来はかなり原始的な命令だったはずである)
/dev/sdU76a40/raw は sata HD を制御するために存在するのであろう。

MBR (Master Boot Record)

IBM-PC 互換機
パソコンの記憶容量が指数関数的に増えていく
FD(フロッピーディスク)
HD(ハードディスク)
BIOS
起動ドライブ
起動ドライブの最初のセクター(sector)の先頭は 8086 命令*
読み書きの最小単位
シリンダー(cylinder)数
1シリンダーに含まれるセクター数
HD 毎に異なる

統一的に扱うために
HD を Byte 列と考えて
論理ブロック(logical block) (単にセクターとも言われる)
512B
を単位にアドレス(0,1,2,...)やサイズを扱う。

MBR は各 HD の
LBA 0
size 1

注*: 詳しくは文献[1]を見よ。なかなか良い。

[1]: Day 2: ブートローダ（MBR）
https://ja.tech.jar.jp/ac/2018/day02.html

MBR の例

HD を区分けして使う
各 HD の MBR に区分け情報

図1: MBR

枠で囲った 64B(=16✕4 B) -- from addr 0x1be to 0x1fd.
ここに4つの partition の情報が含まれている。続く 2B (55 AA) は boot signature と呼ばれている。後に説明する PBR と EBR にも同じ signature が含まれている。

first partition info:

80 20 21 00 07 FE FF FF 00 08 00 00 00 A0 F2 06
second partition info:
00 FE FF FF 05 FE FF FF 58 AE F2 06 69 89 06 07
third and fourth partition info:
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
つまりこの disk では実際には2つの partition が定義されている。
それらの partition type は(例えば文献[2]によると)
07	-- hpfs
05  -- extended
それらの置き場所の情報は各々
00 08 00 00
58 AE F2 06
から得られるが、(8086 で扱いやすい little endian になっているので) big endian に治すと(順序を反転させて)各々
00 00 08 00	--> 0x800
06 F2 AE 58	--> 0x6f2ae58
のようにして LBA を単位とした partition のアドレスが得られる。Ba(Byte address)に変換するには 512 倍する。それらは各々
0x100000
0xde55cb000
である。

size 情報は各々

00 A0 F2 06
69 89 06 07
に含まれるが、これらは little endian で表された lba である。通常の意味でのサイズは各々
0x06f2a000*512 B	--> 59680751616 B
0x07068969*512 B	--> 60348879360 B
である。

first partition の first sector の byte アドレスを計算すると 0x0100000 である。

PBR/EBR

パーティションの最初のセクターは PBR (Partition Boot Record) から始まる。
この例では最初のパーティションの PBR は次のとおりである。

0100000: EB 52 90 4E 54 46 53 20 20 20 20 00 02 08 00 00
0100010: 00 00 00 00 00 F8 00 00 3F 00 FF 00 00 08 00 00
0100020: 00 00 00 00 80 00 80 00 FF 9F F2 06 00 00 00 00
0100030: 00 00 0C 00 00 00 00 00 FF 29 6F 00 00 00 00 00
0100040: F6 00 00 00 01 00 00 00 C5 99 AC 9A A8 AC 9A 42
0100050: 00 00 00 00 FA 33 C0 8E D0 BC 00 7C FB 68 C0 07
0100060: 1F 1E 68 66 00 CB 88 16 0E 00 66 81 3E 03 00 4E
0100070: 54 46 53 75 15 B4 41 BB AA 55 CD 13 72 0C 81 FB
0100080: 55 AA 75 06 F7 C1 01 00 75 03 E9 D2 00 1E 83 EC
0100090: 18 68 1A 00 B4 48 8A 16 0E 00 8B F4 16 1F CD 13
01000a0: 9F 83 C4 18 9E 58 1F 72 E1 3B 06 0B 00 75 DB A3
01000b0: 0F 00 C1 2E 0F 00 04 1E 5A 33 DB B9 00 20 2B C8
01000c0: 66 FF 06 11 00 03 16 0F 00 8E C2 FF 06 16 00 E8
01000d0: 40 00 2B C8 77 EF B8 00 BB CD 1A 66 23 C0 75 2D
01000e0: 66 81 FB 54 43 50 41 75 24 81 F9 02 01 72 1E 16
01000f0: 68 07 BB 16 68 70 0E 16 68 09 00 66 53 66 53 66
0100100: 55 16 16 16 68 B8 01 66 61 0E 07 CD 1A E9 6A 01
0100110: 90 90 66 60 1E 06 66 A1 11 00 66 03 06 1C 00 1E
0100120: 66 68 00 00 00 00 66 50 06 53 68 01 00 68 10 00
0100130: B4 42 8A 16 0E 00 16 1F 8B F4 CD 13 66 59 5B 5A
0100140: 66 59 66 59 1F 0F 82 16 00 66 FF 06 11 00 03 16
0100150: 0F 00 8E C2 FF 0E 16 00 75 BC 07 1F 66 61 C3 A0
0100160: F8 01 E8 08 00 A0 FB 01 E8 02 00 EB FE B4 01 8B
0100170: F0 AC 3C 00 74 09 B4 0E BB 07 00 CD 10 EB F2 C3
0100180: 0D 0A 41 20 64 69 73 6B 20 72 65 61 64 20 65 72
0100190: 72 6F 72 20 6F 63 63 75 72 72 65 64 00 0D 0A 42
01001a0: 4F 4F 54 4D 47 52 20 69 73 20 6D 69 73 73 69 6E
01001b0: 67 00 0D 0A 42 4F 4F 54 4D 47 52 20 69 73 20 63
01001c0: 6F 6D 70 72 65 73 73 65 64 00 0D 0A 50 72 65 73
01001d0: 73 20 43 74 72 6C 2B 41 6C 74 2B 44 65 6C 20 74
01001e0: 6F 20 72 65 73 74 61 72 74 0D 0A 00 00 00 00 00
01001f0: 00 00 00 00 00 00 00 00 80 9D B2 CA 00 00 55 AA
note "4E 54 64 53" --> NTFS

他方(すでに述べたように) second partition の first sector の byte アドレスを計算すると 0xde55cb000 であった。

de55cb000: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb010: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb020: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb030: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
何も書かれていないように見えるが、512B を表示すると
de55cb000: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb010: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb020: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
...
de55cb190: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb1a0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb1b0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 FE
de55cb1c0: FF FF 82 FE FF FF 87 01 B0 06 E2 87 56 00 00 00
de55cb1d0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb1e0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
de55cb1f0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 AA
これが拡張 partition における EBR (Extended Boot Record) の内容である。
この形式は MBR とよく似ているが、末尾の 64B の partion 情報の半分は利用されない。(すべて 00)
このケースでは
00 FE FF FF 82 FE FF FF 87 01 B0 06 E2 87 56 00
だけが使われている。partition type は 0x82 であり、これは linux swap partition を意味する。我々は拡張パーティションの中に埋め込まれたパーティションの例を見たのである。

図2: 拡張パーティションと論理パーティション

拡張パーティションは高々1個。
基本パーティション(primary partition)と拡張パーティションを合わせて4個まで。
最後。(多分1)
拡張パーティションの中には多数の仮想的なパーティション(論理パーティション)を作ることができる。
もっとも Windows 以外の OS では、拡張パーティションに頼らずとも自前で同様なことを実現していた。

図3: 拡張パーティションを利用した swp パーティションの追加

論理パーティション(Logical partition)はどのような仕組みで実現されているのか?
MBR とよく似た構造を持った EBR が論理パーティションを結びつけている。

図4: EBR によって多数の論理パーティションが追加できる

詳しくは文献[4]を見よ。

注1: 僕が設計するとしたら拡張パーティションは最後に限定する。なぜなら探索に後戻りを許すとプログラムが一挙に複雑になるから...

[2]: https://ja.wikipedia.org/wiki/マスターブートレコード

[3]: マスターブートレコード（MBR）とは？定義と使用方法
https://jp.minitool.com/lib/mbr-master-boot-record.html

[4]: Extended boot record
https://en.wikipedia.org/wiki/Extended_boot_record

用語の問題

パーティション絡みの問題は用語が混乱する嫌いがある。

Plan9 の fdisk のマニュアルでは「拡張パーティション」のことを secondary partition と言っている。

「パーティション」を FreeBSD では slice と言っていた([6])。しかし現在は partition と言っている([7])。"partition" と言うネーミングは悪くない。役割を簡明に語っているから。

Linux のマニュアル([8])には次の語が出てくる。

(しかし "primary partition" を除けば、これらは他 OS のマニュアルで受け入れられているわけではない)

「論理パーティション」は Windows の世界では「論理ドライブ」と言うらしい([9])。
「論理〇〇」について
この「論理」は「仮想的な」の意味合いで使われている。つまり「〇〇」のように振る舞うが、実際には〇〇ではない、の意味合いである。

パーティションをさらに分割したとの意味合いで語るのであれば subpartition とでも言うべきであろう。
subpartition は FreeBSD も Plan9 も旧くから活用している。OS 独自の partition 形式である。

「拡張」の英語
Plan9 -- extant ([10])
FreeBSD -- ?
Linux -- extended ([5])
Windows -- extended

[6]: FreeBSD man page fdisk(8)
[7]: FreeBSD man page gpart(8)
[8]: Linux man page fdisk(8)
[9]: ベーシックおよびダイナミックディスク
https://learn.microsoft.com/ja-jp/windows/win32/fileio/basic-and-dynamic-disks
[10]: Plan9 man page prep(8)

Tools

mbr.lua

mbr を調べる Lua で書かれた toy program:
http:mbr.lua
unix 環境では(lua がインストールされていれば)修正なしで動くはず。調べるだけで書き込みは行っていない。
Plan9 環境では、最初の行を

#!/bin/lua
に変更する。

次は Ubuntu での実行例。

ubu$ sudo ./mbr.lua /dev/sdb 0
mbr	512
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info partition 2

info partition 3

ubu$

僕は今の所、これで間に合っているが、partition type に関してはもっとサポートが必要だろうと思われる。必要なデータは文献[2]に載っているので追加すればよい。mbr.lua は小さなプログラムだから、追加場所は簡単に見つかるはずである。

Python と Lua

同じことは Python でどうだろうか? と考えてちょっと調べたら、Python は file open のときに text file と　binary file を区別している。Lua は区別しない。なぜ区別が必要なのか?

もうかなり記憶が薄れているが... 昔々、MS-DOS ができた頃、MS-DOS では text file と binary ファイルの区別が必要であった。その頃はファイルはセクター単位で管理されていて、ファイルの文字数も然り。
プログラムコードであれば、後ろに無意味なデータがついていても問題はない。しかしテキストデータでは困る。そこでテキストのデータは ctlr-Z のコード(0x1a) で終わるルールにしていた。

やがて MS-DOS は前身の CP/M から一歩進んでファイルに含まれている文字数の情報を持つようになった。この情報に基づいてファイルを読み取れば 0x1a は要らないはずある。あれから50年、このルールがまだ使われているとも思えない。

当時のルールが未だ生きている場面が行の定義である。「行」と言うからにはテキストを想定している。unix の「行」は LF コード1文字で終わるが、MS-DOS は (従って Windows も) CR LF の 2文字で終わる。行の読み取り関数は行末記号に応じた処理をしなくてはならない。つまり行の読み取り関数の問題なのである。このことを open mode と絡めると複雑になってくる。行読み取り関数は open の mode を参照しなくても、この程度の違いは処理できる。

Python の open/seek の仕様を眺めていると、旧い C の仕様に縛られていると感じる。対して Lua は無くてもよいものは大胆に捨てている。その方が扱いやすい。