超能課堂(281)：常見文件系統格式介紹

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，可能會遇到在Windows里插入U盤或移動硬盤可以隨意讀取和寫入，但到了Mac上卻發現不能把資料放進去。

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，同時面向的存儲介質也有不同。這個問題如果細究起來會非常復雜，涉及到很多計算機軟件方面的專業知識。接下來會介紹幾種不同系統下的常見文件系統格式，包括了普通用戶最常用的Windows系統，還有部分用戶會使用的macOS系統，以及個別用戶會接觸到的Linux系統，讓大家有個大致的了解。

Windows

FAT

FAT全稱是File Allocation Table，即文件配置表，是在1977年為了管理磁盤而發明的。比爾蓋茨是其中一位發明人，微軟擁有部分專利。經過多次適配逐漸使用在硬盤上，也被后來的MS-DOS以及Windows 9x操作系統所使用，是當時的文件系統格式，使用了相當長的一段時間。

不過FAT有一個比較明顯的缺點，當文件刪除后寫入新數據，不會將文件整理成完整片段再寫入，用戶長期使用后會使文件數據變得分散，最終會減慢讀寫速度。在過去Windows 9x操作系統時期，不少用戶每隔一段時間就會使用系統里的工具進行碎片整理，以保證FAT文件系統的效率。后來隨著硬盤容量的增大，硬盤進行碎片整理的時間會越來越長，FAT磁盤效率低的缺點更加明顯，已經變得有點不適應發展需要了。

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、U盤和嵌入式設備上，適用于不同操作系統之間交換數據。在日常使用中，用戶最容易接觸到的是FAT32，常見于U盤，不過會有單個文件體積4GB的限制，隨著數據量的增大，往后使用率會慢慢降低。

NTFS

NTFS全稱是New Technology File System，最早出現于1993年，使用Windows NT內核的操作系統開始提供支持。從Windows 2000開始，包括后來的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時代過來的用戶都會記得，當年Windows系統崩潰是常有的事情，對于喜歡折騰的用戶來說，重裝系統是家常便飯了。到了Windows XP時期，除了界面的巨大變化，在使用上最讓人印象深刻的莫過于穩定性，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、磁盤自我修復功能和日志功能三個功能，相比原來的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的飛躍。

NTFS系統是一個日志文件系統，是為網絡和磁盤配額、文件加密等管理安全特性設計的磁盤格式，提供長文件名、數據保護和恢復，能通過目錄和文件許可實現安全性，并支持跨越分區。在NTFS系統中，除了寫入信息，還會對操作進行記錄，當NTFS文件系統在發生錯誤的時候，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，個別使用Mac的用戶可能會遇到不能正常使用NTFS文件系統格式U盤的情況。這是因為在macOS系統里，默認對NTFS文件系統格式的U盤只能讀取，不能寫入、刪除或修改，需要額外的工具才可以。

exFAT

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

如果用戶使用Windows 8及更高版本的操作系統，可原生支持exFAT啟動，同時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上都能進行讀寫操作，而且支持大文件，這些特性讓exFAT使用在U盤上就非常適合了。雖然exFAT兼容性比起FAT32會差一些，但長遠來說使用率會越來越高。

macOS

HFS/HFS+

HFS全稱是Hierarchical File System，即分層文件系統，也稱Mac OS 標準格式。這是由蘋果開發可用于軟盤、磁盤和光盤的文件系統格式，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。很長時間內，HFS都是Mac專有的主要文件系統，也是蘋果Open Firmware所支持的最基本的文件系統。

HFS+稱為Mac OS 擴展格式，是蘋果在1998年發布（首見于Mac OS 8.1）的Mac專有大容量硬盤文件系統，以改善HFS對磁盤空間的地址定位效率低下的問題，并加以改進。HFS+使用了相當長的時間，差不多有20年的時間，一直到macOS 10.12。不過HFS+是一個飽受爭議的文件系統格式，Linux之父Linus Benedict Torvalds曾稱HFS+是有史以來最爛的文件系統，原話是：

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

當然，Linus的吐槽能力在業內是很出名的，值得一提的經典事件不止一兩次。

APFS

APFS全稱Apple File System，即Apple 文件系統。隨著2017年蘋果推出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、磁盤快照、快速目錄大小統計等特性，以及改進的文件系統基礎，優化了SSD性能。

隨著計算機技術的發展，CPU多核心、內存和硬盤的容量不斷增大、存儲介質從HDD逐漸轉向SSD等，硬件的改變需要軟件的配合，而HFS+已不能適應新時代硬件的發展節奏了。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的開發和設計是從2014年開始的，而且是從零開始構建，前后僅用了三年的時間，可以說非常高效。

Linux

Ext2/Ext3

Ext2全稱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發行版默認的文件系統。Ext2可以說的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，既可以用在磁盤這樣的標準存儲設備，也能用在磁盤等移動存儲設備上。

Ext3全稱Third Extended Filesystem，這也是不少Linux發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行轉換非常容易。簡單來說，Ext3就是Ext2基礎上加入日志功能，實現了三個級別的日志記錄方式，包括日記（journal)）、順序（ordered）和回寫（writeback）。

在Ext3文件系統里，會將整個磁盤的寫入動作完整記錄在磁盤的某個區域上，詳細記錄每個細節，以便有需要的時候可以回溯追蹤。即使在某個過程被中斷，系統可以根據記錄重整，動作會非常迅速。

Ext4

Ext4全稱Fourth Extended Filesystem，是在Ext3基礎上新的高級功能，首次發布于2006年。由于改動導致Ext3變得不穩定，最終從Ext3中剝離并單獨發展。經過了一段時間的不斷改進，Ext4才變得穩定，成為現今大部分Linux發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間戳。由于在Ext4開發過程中仍依賴于不少舊技術，存在一定的局限性，但在Linux下一代文件系統誕生前還會不斷改進，以適應現階段硬件的發展需要。未來一段時間內，Ext4還會繼續開發新的功能，包括元數據校驗和、一流的配額支持和大分配塊。