超能课堂(281)：常见文件系统格式介绍

在现代计算机中，文件系统（file system）是命名文件及放置文件的逻辑存储和恢复的系统，是操作系统用于明确存储设备或分区上的文件的方法和数据结构，也就是在存储设备上组织文件的方法，管理和存储文件的软件机构。我们日常见到的Windows、macOS、Linux甚至UNIX等操作系统，都有文件系统。不同的操作系统间，可以使用的文件系统格式也不一样。在日常生活里，可能会遇到在Windows里插入U盘或移动硬盘可以随意读取和写入，但到了Mac上却发现不能把资料放进去。

文件系统格式有很多，其结构、逻辑、存取速度、体积大小、安全性和稳定性等都不一样，同时面向的存储介质也有不同。这个问题如果细究起来会非常复杂，涉及到很多计算机软件方面的专业知识。接下来会介绍几种不同系统下的常见文件系统格式，包括了普通用户最常用的Windows系统，还有部分用户会使用的macOS系统，以及个别用户会接触到的Linux系统，让大家有个大致的了解。

Windows

FAT

FAT全称是File Allocation Table，即文件配置表，是在1977年为了管理磁盘而发明的。比尔盖茨是其中一位发明人，微软拥有部分专利。经过多次适配逐渐使用在硬盘上，也被后来的MS-DOS以及Windows 9x操作系统所使用，是当时的文件系统格式，使用了相当长的一段时间。

不过FAT有一个比较明显的缺点，当文件删除后写入新数据，不会将文件整理成完整片段再写入，用户长期使用后会使文件数据变得分散，最终会减慢读写速度。在过去Windows 9x操作系统时期，不少用户每隔一段时间就会使用系统里的工具进行碎片整理，以保证FAT文件系统的效率。后来随着硬盘容量的增大，硬盘进行碎片整理的时间会越来越长，FAT磁盘效率低的缺点更加明显，已经变得有点不适应发展需要了。

FAT使用广泛，几乎被所有操作系统支持。虽然早已不是Windows操作系统的主流文件系统格式了，但仍广泛存在于软盘、U盘和嵌入式设备上，适用于不同操作系统之间交换数据。在日常使用中，用户最容易接触到的是FAT32，常见于U盘，不过会有单个文件体积4GB的限制，随着数据量的增大，往后使用率会慢慢降低。

NTFS

NTFS全称是New Technology File System，最早出现于1993年，使用Windows NT内核的操作系统开始提供支持。从Windows 2000开始，包括后来的Windows XP直到现在我们使用的Windows 10，默认文件系统都是NTFS。

从Windows 9x时代过来的用户都会记得，当年Windows系统崩溃是常有的事情，对于喜欢折腾的用户来说，重装系统是家常便饭了。到了Windows XP时期，除了界面的巨大变化，在使用上最让人印象深刻的莫过于稳定性，重装系统的机率大幅度减少。NTFS文件系统具有错误预警功能、磁盘自我修复功能和日志功能三个功能，相比原来的FAT文件系统，NTFS文件系统在安全性、易用性和稳定性上都有了质的飞跃。

NTFS系统是一个日志文件系统，是为网络和磁盘配额、文件加密等管理安全特性设计的磁盘格式，提供长文件名、数据保护和恢复，能通过目录和文件许可实现安全性，并支持跨越分区。在NTFS系统中，除了写入信息，还会对操作进行记录，当NTFS文件系统在发生错误的时候，利用日志功能可以修复数据，使得系统恢复变得更加容易。

在日常使用中，个别使用Mac的用户可能会遇到不能正常使用NTFS文件系统格式U盘的情况。这是因为在macOS系统里，默认对NTFS文件系统格式的U盘只能读取，不能写入、删除或修改，需要额外的工具才可以。

exFAT

exFAT全称是Extended File Allocation Table File System，意思是扩展FAT，即扩展文件分配表。这是微软专门为闪存设备设计的文件系统，在Windows Embeded 5.0开始提供支持，一方面可以解决NTFS不太适用于闪存的问题（不断读写可能会影响使用寿命），另一方面是为了解决FAT32单个文件体积4GB限制等问题。

如果用户使用Windows 8及更高版本的操作系统，可原生支持exFAT启动，同时支持以特殊方式安装在exFAT分区中。由于exFAT文件系统在Windows，Linux以及macOS上都能进行读写操作，而且支持大文件，这些特性让exFAT使用在U盘上就非常适合了。虽然exFAT兼容性比起FAT32会差一些，但长远来说使用率会越来越高。

macOS

HFS/HFS+

HFS全称是Hierarchical File System，即分层文件系统，也称Mac OS 标准格式。这是由苹果开发可用于软盘、磁盘和光盘的文件系统格式，首次出现在1985年。HFS用于取代更为老旧的MFS（Macintosh File System），即Macintosh 文件系统。很长时间内，HFS都是Mac专有的主要文件系统，也是苹果Open Firmware所支持的最基本的文件系统。

HFS+称为Mac OS 扩展格式，是苹果在1998年发布（首见于Mac OS 8.1）的Mac专有大容量硬盘文件系统，以改善HFS对磁盘空间的地址定位效率低下的问题，并加以改进。HFS+使用了相当长的时间，差不多有20年的时间，一直到macOS 10.12。不过HFS+是一个饱受争议的文件系统格式，Linux之父Linus Benedict Torvalds曾称HFS+是有史以来最烂的文件系统，原话是：

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

当然，Linus的吐槽能力在业内是很出名的，值得一提的经典事件不止一两次。

APFS

APFS全称Apple File System，即Apple 文件系统。随着2017年苹果推出macOS10.13，APFS取代了 HFS+，成为Mac电脑所使用的默认文件系统。新的文件系统具有强加密、空间共享、磁盘快照、快速目录大小统计等特性，以及改进的文件系统基础，优化了SSD性能。

随着计算机技术的发展，CPU多核心、内存和硬盘的容量不断增大、存储介质从HDD逐渐转向SSD等，硬件的改变需要软件的配合，而HFS+已不能适应新时代硬件的发展节奏了。APFS不但适用于闪存/SSD存储，还可以与HDD和外置直连储存设备的低版本系统配合使用。值得一提的是，APFS的开发和设计是从2014年开始的，而且是从零开始构建，前后仅用了三年的时间，可以说非常高效。

Linux

Ext2/Ext3

Ext2全称Second Extended Filesystem，是Linux内核所使用的文件系统，首次出现于1993年，是许多早期Linux发行版默认的文件系统。Ext2可以说的Linux系统中使用最多的一种文件系统，其存取文件的性能极好，CPU占用率极低，既可以用在磁盘这样的标准存储设备，也能用在磁盘等移动存储设备上。

Ext3全称Third Extended Filesystem，这也是不少Linux发行版默认的文件系统，首次出现于1999年。Ext3属于一种日志文件系统，是对Ext2的扩展，并兼容Ext2，两者共享相同的工具集，而且两种文件系统之间进行转换非常容易。简单来说，Ext3就是Ext2基础上加入日志功能，实现了三个级别的日志记录方式，包括日记（journal)）、顺序（ordered）和回写（writeback）。

在Ext3文件系统里，会将整个磁盘的写入动作完整记录在磁盘的某个区域上，详细记录每个细节，以便有需要的时候可以回溯追踪。即使在某个过程被中断，系统可以根据记录重整，动作会非常迅速。

Ext4

Ext4全称Fourth Extended Filesystem，是在Ext3基础上新的高级功能，首次发布于2006年。由于改动导致Ext3变得不稳定，最终从Ext3中剥离并单独发展。经过了一段时间的不断改进，Ext4才变得稳定，成为现今大部分Linux发行版默认的文件系统。

在功能上，Ext4和Ext3非常相似，但支持大文件系统，提高了对碎片的抵抗力，有更高的性能以及更好的时间戳。由于在Ext4开发过程中仍依赖于不少旧技术，存在一定的局限性，但在Linux下一代文件系统诞生前还会不断改进，以适应现阶段硬件的发展需要。未来一段时间内，Ext4还会继续开发新的功能，包括元数据校验和、一流的配额支持和大分配块。