超能課堂(281)：常見(jiàn)文件系統格式介紹

在現代計算機中，文件系統（file system）是命名文件及放置文件的邏輯存儲和恢復的系統，是操作系統用于明確存儲設備或分區上的文件的方法和數據結構，也就是在存儲設備上組織文件的方法，管理和存儲文件的軟件機構。我們日常見(jiàn)到的Windows、macOS、Linux甚至UNIX等操作系統，都有文件系統。不同的操作系統間，可以使用的文件系統格式也不一樣。在日常生活里，可能會(huì )遇到在Windows里插入U盤(pán)或移動(dòng)硬盤(pán)可以隨意讀取和寫(xiě)入，但到了Mac上卻發(fā)現不能把資料放進(jìn)去。

文件系統格式有很多，其結構、邏輯、存取速度、體積大小、安全性和穩定性等都不一樣，同時(shí)面向的存儲介質(zhì)也有不同。這個(gè)問(wèn)題如果細究起來(lái)會(huì )非常復雜，涉及到很多計算機軟件方面的專(zhuān)業(yè)知識。接下來(lái)會(huì )介紹幾種不同系統下的常見(jiàn)文件系統格式，包括了普通用戶(hù)最常用的Windows系統，還有部分用戶(hù)會(huì )使用的macOS系統，以及個(gè)別用戶(hù)會(huì )接觸到的Linux系統，讓大家有個(gè)大致的了解。

Windows

FAT

FAT全稱(chēng)是File Allocation Table，即文件配置表，是在1977年為了管理磁盤(pán)而發(fā)明的。比爾蓋茨是其中一位發(fā)明人，微軟擁有部分專(zhuān)利。經(jīng)過(guò)多次適配逐漸使用在硬盤(pán)上，也被后來(lái)的MS-DOS以及Windows 9x操作系統所使用，是當時(shí)的文件系統格式，使用了相當長(cháng)的一段時(shí)間。

不過(guò)FAT有一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)，當文件刪除后寫(xiě)入新數據，不會(huì )將文件整理成完整片段再寫(xiě)入，用戶(hù)長(cháng)期使用后會(huì )使文件數據變得分散，最終會(huì )減慢讀寫(xiě)速度。在過(guò)去Windows 9x操作系統時(shí)期，不少用戶(hù)每隔一段時(shí)間就會(huì )使用系統里的工具進(jìn)行碎片整理，以保證FAT文件系統的效率。后來(lái)隨著(zhù)硬盤(pán)容量的增大，硬盤(pán)進(jìn)行碎片整理的時(shí)間會(huì )越來(lái)越長(cháng)，FAT磁盤(pán)效率低的缺點(diǎn)更加明顯，已經(jīng)變得有點(diǎn)不適應發(fā)展需要了。

FAT使用廣泛，幾乎被所有操作系統支持。雖然早已不是Windows操作系統的主流文件系統格式了，但仍廣泛存在于軟盤(pán)、U盤(pán)和嵌入式設備上，適用于不同操作系統之間交換數據。在日常使用中，用戶(hù)最容易接觸到的是FAT32，常見(jiàn)于U盤(pán)，不過(guò)會(huì )有單個(gè)文件體積4GB的限制，隨著(zhù)數據量的增大，往后使用率會(huì )慢慢降低。

NTFS

NTFS全稱(chēng)是New Technology File System，最早出現于1993年，使用Windows NT內核的操作系統開(kāi)始提供支持。從Windows 2000開(kāi)始，包括后來(lái)的Windows XP直到現在我們使用的Windows 10，默認文件系統都是NTFS。

從Windows 9x時(shí)代過(guò)來(lái)的用戶(hù)都會(huì )記得，當年Windows系統崩潰是常有的事情，對于喜歡折騰的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，重裝系統是家常便飯了。到了Windows XP時(shí)期，除了界面的巨大變化，在使用上最讓人印象深刻的莫過(guò)于穩定性，重裝系統的機率大幅度減少。NTFS文件系統具有錯誤預警功能、磁盤(pán)自我修復功能和日志功能三個(gè)功能，相比原來(lái)的FAT文件系統，NTFS文件系統在安全性、易用性和穩定性上都有了質(zhì)的飛躍。

NTFS系統是一個(gè)日志文件系統，是為網(wǎng)絡(luò )和磁盤(pán)配額、文件加密等管理安全特性設計的磁盤(pán)格式，提供長(cháng)文件名、數據保護和恢復，能通過(guò)目錄和文件許可實(shí)現安全性，并支持跨越分區。在NTFS系統中，除了寫(xiě)入信息，還會(huì )對操作進(jìn)行記錄，當NTFS文件系統在發(fā)生錯誤的時(shí)候，利用日志功能可以修復數據，使得系統恢復變得更加容易。

在日常使用中，個(gè)別使用Mac的用戶(hù)可能會(huì )遇到不能正常使用NTFS文件系統格式U盤(pán)的情況。這是因為在macOS系統里，默認對NTFS文件系統格式的U盤(pán)只能讀取，不能寫(xiě)入、刪除或修改，需要額外的工具才可以。

exFAT

exFAT全稱(chēng)是Extended File Allocation Table File System，意思是擴展FAT，即擴展文件分配表。這是微軟專(zhuān)門(mén)為閃存設備設計的文件系統，在Windows Embeded 5.0開(kāi)始提供支持，一方面可以解決NTFS不太適用于閃存的問(wèn)題（不斷讀寫(xiě)可能會(huì )影響使用壽命），另一方面是為了解決FAT32單個(gè)文件體積4GB限制等問(wèn)題。

如果用戶(hù)使用Windows 8及更高版本的操作系統，可原生支持exFAT啟動(dòng)，同時(shí)支持以特殊方式安裝在exFAT分區中。由于exFAT文件系統在Windows，Linux以及macOS上都能進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而且支持大文件，這些特性讓exFAT使用在U盤(pán)上就非常適合了。雖然exFAT兼容性比起FAT32會(huì )差一些，但長(cháng)遠來(lái)說(shuō)使用率會(huì )越來(lái)越高。

macOS

HFS/HFS+

HFS全稱(chēng)是Hierarchical File System，即分層文件系統，也稱(chēng)Mac OS 標準格式。這是由蘋(píng)果開(kāi)發(fā)可用于軟盤(pán)、磁盤(pán)和光盤(pán)的文件系統格式，首次出現在1985年。HFS用于取代更為老舊的MFS（Macintosh File System），即Macintosh 文件系統。很長(cháng)時(shí)間內，HFS都是Mac專(zhuān)有的主要文件系統，也是蘋(píng)果Open Firmware所支持的最基本的文件系統。

HFS+稱(chēng)為Mac OS 擴展格式，是蘋(píng)果在1998年發(fā)布（首見(jiàn)于Mac OS 8.1）的Mac專(zhuān)有大容量硬盤(pán)文件系統，以改善HFS對磁盤(pán)空間的地址定位效率低下的問(wèn)題，并加以改進(jìn)。HFS+使用了相當長(cháng)的時(shí)間，差不多有20年的時(shí)間，一直到macOS 10.12。不過(guò)HFS+是一個(gè)飽受爭議的文件系統格式，Linux之父Linus Benedict Torvalds曾稱(chēng)HFS+是有史以來(lái)最爛的文件系統，原話(huà)是：

“Quite frankly, HFS+ is probably the worst filesystem ever. Christ what shit it is.”

當然，Linus的吐槽能力在業(yè)內是很出名的，值得一提的經(jīng)典事件不止一兩次。

APFS

APFS全稱(chēng)Apple File System，即Apple 文件系統。隨著(zhù)2017年蘋(píng)果推出macOS10.13，APFS取代了 HFS+，成為Mac電腦所使用的默認文件系統。新的文件系統具有強加密、空間共享、磁盤(pán)快照、快速目錄大小統計等特性，以及改進(jìn)的文件系統基礎，優(yōu)化了SSD性能。

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，CPU多核心、內存和硬盤(pán)的容量不斷增大、存儲介質(zhì)從HDD逐漸轉向SSD等，硬件的改變需要軟件的配合，而HFS+已不能適應新時(shí)代硬件的發(fā)展節奏了。APFS不但適用于閃存/SSD存儲，還可以與HDD和外置直連儲存設備的低版本系統配合使用。值得一提的是，APFS的開(kāi)發(fā)和設計是從2014年開(kāi)始的，而且是從零開(kāi)始構建，前后僅用了三年的時(shí)間，可以說(shuō)非常高效。

Linux

Ext2/Ext3

Ext2全稱(chēng)Second Extended Filesystem，是Linux內核所使用的文件系統，首次出現于1993年，是許多早期Linux發(fā)行版默認的文件系統。Ext2可以說(shuō)的Linux系統中使用最多的一種文件系統，其存取文件的性能極好，CPU占用率極低，既可以用在磁盤(pán)這樣的標準存儲設備，也能用在磁盤(pán)等移動(dòng)存儲設備上。

Ext3全稱(chēng)Third Extended Filesystem，這也是不少Linux發(fā)行版默認的文件系統，首次出現于1999年。Ext3屬于一種日志文件系統，是對Ext2的擴展，并兼容Ext2，兩者共享相同的工具集，而且兩種文件系統之間進(jìn)行轉換非常容易。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Ext3就是Ext2基礎上加入日志功能，實(shí)現了三個(gè)級別的日志記錄方式，包括日記（journal)）、順序（ordered）和回寫(xiě)（writeback）。

在Ext3文件系統里，會(huì )將整個(gè)磁盤(pán)的寫(xiě)入動(dòng)作完整記錄在磁盤(pán)的某個(gè)區域上，詳細記錄每個(gè)細節，以便有需要的時(shí)候可以回溯追蹤。即使在某個(gè)過(guò)程被中斷，系統可以根據記錄重整，動(dòng)作會(huì )非常迅速。

Ext4

Ext4全稱(chēng)Fourth Extended Filesystem，是在Ext3基礎上新的高級功能，首次發(fā)布于2006年。由于改動(dòng)導致Ext3變得不穩定，最終從Ext3中剝離并單獨發(fā)展。經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的不斷改進(jìn)，Ext4才變得穩定，成為現今大部分Linux發(fā)行版默認的文件系統。

在功能上，Ext4和Ext3非常相似，但支持大文件系統，提高了對碎片的抵抗力，有更高的性能以及更好的時(shí)間戳。由于在Ext4開(kāi)發(fā)過(guò)程中仍依賴(lài)于不少舊技術(shù)，存在一定的局限性，但在Linux下一代文件系統誕生前還會(huì )不斷改進(jìn)，以適應現階段硬件的發(fā)展需要。未來(lái)一段時(shí)間內，Ext4還會(huì )繼續開(kāi)發(fā)新的功能，包括元數據校驗和、一流的配額支持和大分配塊。