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2021年12月14日

微軟Windows、蘋果macOS、商業Linux各作業系統常用系統格式介紹

    PC文件系統是命名、放置文件的(邏輯)存儲、恢復系統,作業系統上存儲裝置或分區文件的方法,也就是存儲裝置上組織文件的方法。常見的家用Windows、macOS或商業Linux、UNIX作業系統,皆有文件系統。不同的作業系統,用的文件系統格式不一樣。日常生活中會用Windows插入隨身碟、外接硬碟讀取資料,到了蘋果Mac卻發現不能用。

  文件系統格式有很多種,它的結構、邏輯、存取速度、軟體大小、安全性和穩定性都不一樣,存儲介面也不同,這問題如果追根究底會很複雜,關聯到大量的PC軟體知識。以下介紹不同作業系統下常用系統格式,包括家用Windows及部分會用到蘋果macOS,以及玩家會接觸的Linux系統,讓您有大概的瞭解。

微軟Windows

FAT

  FAT全名(File Allocation Table)文件配置表,是1977年為了管理磁碟而發明。微軟創辦人比爾蓋茨是其中之一的發明人,微軟擁有部分專利。經多次調整逐漸使用在硬碟上,也被後來的DOS以及Windows 9x作業系統所用,是當時主流文件系統格式,用了相當長的一段時間。

  不過,FAT有個明顯的缺點,當文件刪除後重寫入資料,不會將文件整理成完整片段再寫入,用戶長期使用後會讓文件資料變得分散,到最後讀寫速度變慢。過去Windows 9x作業系統全盛時期,不少用戶每隔一段時間就要用系統工具進行碎片整理,以保持FAT文件系統的效率。後來隨硬碟容量增大,硬碟進行碎片整理的時間會越來越長,FAT磁碟低效率缺點更明顯,已變得有些不符合需求了。

  FAT在使用範圍上,幾乎所有作業系統都支援。雖然早已不是Windows作業系統的主流文件系統格式了,仍廣泛存在於(已淘汰的)軟碟、隨身碟和嵌入式設備上,適合不同作業系統之間交換資料。日常生活中最常用的是FAT32,常見於隨身碟,不過會有個別文件4GB容量的限制,隨資料的增加,以後用到的機率慢慢降低。

NTFS

  NTFS全名(New Technology File System)新技術文件系統,最早出現1993年,使用Windows NT核心的作業系統開始支援。從Windows 2000開始,包括後來的Windows XP直到我們現在用的Windows 10,默認文件系統格式都是NTFS。

  從Windows 9x時代過來的用戶都會記得,當年Windows系統經常當機,對玩家來說重灌系統是家常便飯。到了Windows XP時代,除了介面的大變化,使用上最讓人印象深刻的是穩定性高,重灌系統的機率減少。 NTFS文件系統具有錯誤預警功能、硬碟自我修復和日誌功能三個功能,比原來的FAT文件系統,NTFS文件系統在安全性、易用性和穩定度上都有了飛躍的高品質。

  NTFS系統是一個日誌文件系統,為網路和硬碟配額、文件加密等管理安全特性設計的磁碟格式,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,並支援跨越分區。在NTFS系統中,除了寫入資料,還會對作業進行記錄,當NTFS文件系統在發生錯誤的時候,利用日誌功能可以修復數據,使得系統恢復變得更加容易。

  日常使用中用蘋果Mac用戶可能會遇到不能用NTFS格式隨身碟的情況。因為在macOS系統,默認對NTFS格式的隨身碟只能讀取,不能寫入、刪除或修改,需要額外的工具才可以。

exFAT

  exFAT全名(Extended File Allocation Table File System)意思是擴充FAT,即擴充文件分配表。這是微軟專門為閃存設備而設的文件系統,在Windows Embeded 5.0開始提供支援,可以解決NTFS不太適用於閃存的問題(不斷讀寫會影響壽命),另一方面是為了解決FAT32文件大小4GB限制的問題。

  如果用戶使用Windows 8及更高版本的作業系統,可原生支援exFAT啟動,同時支援以特殊安裝在exFAT分區中。由於exFAT文件系統在Windows、Linux以及macOS上都能進行讀寫,而且支援大檔案文件,這些特性,讓exFAT使用在隨身碟上就很適合了。雖然exFAT相容性比FAT32差一點,但長遠來說使用率會越來越高。

蘋果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於軟碟、硬碟和光碟的文件系統格式,首次出現在1985年。 HFS用於取代更為老舊的MFS(Macintosh File System),即Macintosh(麥金塔)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所支援的最基本文件系統。

  HFS+稱為Mac OS擴充格式,是蘋果在1998年發布(首見於Mac OS 8.1)的Mac專有大容量硬碟文件系統,以改善HFS對磁碟空間的地址定位效率低下的問題,並加以改進。 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曾說:HFS+是有史以來最爛的文件系統,原文是:“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、磁碟快照、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PC技術的發展,CPU多核心、內存和硬碟的容量不斷增大、存儲裝置從HDD逐漸轉向SSD等,硬體的改變需要軟體的配合,而HFS+已不能適應新時代硬體的發展節奏了。 APFS不但適用於閃存/SSD存儲,還可以與HDD和外接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,而且是從零開始構建,前後僅用了三年的時間,效率可以說是非常高。

商業系統Linux

Ext2/Ext3

  Ext2全稱Second Extended Filesystem,是Linux核心所使用的文件系統,首次出現於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佔用率極低,既可以用在硬碟這樣的標準存儲設備,也能用在外接移動存儲設備。

  Ext3全稱Third Extended Filesystem,這也是不少Linux發行版默認的文件系統,首次出現於1999年。 Ext3屬於一種日誌文件系統,是對Ext2的擴充,並相容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基礎上加入日誌功能,實現了三個等級的日誌記錄方式,包括日記(journal))、順序(ordered)和回寫(writeback)。

  在Ext3文件系統裡,會將整個硬碟的寫入動作完整記錄在磁碟的某個區域上,詳細記錄每個細節,以便有需要的時候可以回溯追踪。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,首次發佈於2006年。由於改動導致Ext3變得不穩定,最終從Ext3中脫離單獨發展。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,但支援大文件系統,提高了對碎片的抵抗力,有更高的性能以及更好的時間戳。由於在Ext4開發過程中仍依賴於不少舊技術,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,以適應現階段硬體的發展需要。未來一段時間內,Ext4還會繼續開發新的功能,包括位元數據校驗和、一流的配額支持和大分配塊。


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