文件系统

文件系统

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https://zhuanlan.zhihu.com/p/26098509

硬盘在进行文件操作时并非以扇区为单位，而是——簇，“簇”是系统进行分配的最小单位，一个簇可以包含多个扇区，假设目前一个簇包含4个扇区，簇大小为2KB，一个文件大小恰为2KB，则占用了簇的所有可用空间，即便你有一个1B大小的文件需要保存，那么你占用的空间也是一个簇，簇内其他空间不可读写。

FAT16/FAT32

早期的MS-DOS和WIN95操作系统中最常见的硬盘分区格式。一个簇最小为512个字节，其大小可以成倍增长，最大为32K，系统为每个簇分配唯一的索引号——一个16位二进制数来标识。因为16位二进制数最大为65536，所以FAT分区所拥有的簇的数量不可能超过65536个。这正是FAT分区大小不能超过2GB的原因。FAT16的继任者——FAT32与其原理基本相同，相比前任优势仅在于分区可以大于2GB，但不能存储大于4GB的单个文件，看看现在一部BD的电影都要3,4个G，显然不能满足时代的需求，被淘汰的很快。

NTFS

NTFS文件系统相比FAT，最大优点在于支持文件加密，通过采用日志式文件系统，详细记录磁盘的所有读写操作（格式化后可以恢复），提高了数据和系统的安全性，另一点则是突破了4GB大小限制。也是目前机械硬盘上的分区主流。不过对于目前越来越亲民的的flash存储，过多的操作记录对存储介质造成了较大的负担，同样的存取操作，NTFS下的读写次数就会比FAT32下来得多，造成了寿命较短的缺陷。因此针对移动存储设备和固态硬盘，推出了exFAT文件系统。

exFAT

分区大小和单文件大小最大可达16EB（16×1024×1024TB）；簇大小非 常灵活，最小512B，最高达32MB；采用了剩余空间分配表，空间利用率更高；同一目录下最大文件数可达65536个。其特性未必强于NTFS，主要是针对flash存储设备进行了优化（SSD，U盘），传统硬盘不能格式化为该格式。

要是到现在你对扇区，簇，文件系统，分区几个名词有点混淆，不妨看看下图：

有人会问，图中的怎么突然出现了4k扇区，而且为什么下面又包含的是8个512b的扇区呢？边上的伪装是啥意思？恭喜你，你已经抓住了近年来的硬盘发展潮流。

扇区的大小虽然约定俗成，但其实是可以更改的，开始于 2009 年晚期，硬盘制造商正在从传统的 512 字节扇区迁移到更大、更高效的 4096 字节扇区，国际硬盘设备与材料协会（International Disk Drive Equipment and

Materials Association，IDEMA）将之称为高级格式化，也就是现在常说的“4K扇区”。

多年来，硬盘行业一直采用512字节扇区。然而，随着硬盘容量的不断增长，扇区大小日渐成为提高硬盘容量和纠错效率方面的制约。扇区分辨率（扇区大小和总存储大小的百分比）越来越低，尽管在管理小型离散数据时，分辨率越低越好。但现代的计算系统中多的是大型数据块，一般远比传统 512 字节扇区大小要大得多。另外，随着区域密度的增加，小型 512 字节扇区在硬盘表面上占用的空间也将越来越小。硬盘扇区中的数据占据的空间越小，错误纠正就会变得越困难，因为同样大小的介质缺陷对总体数据负载损害的百分比更高，所以就需要更大的纠错强度。现在，硬盘开始通过先进的区域密度来提高错误纠正的上限。因此，为了改善错误纠正和实现格式化效率，提高扇区大小是硬盘行业内的普遍诉求。

不过，由于计算机系统的缓慢发展，多数仍将扇区假定为512字节，因此就产生了4K对齐问题。即使物理硬盘分区与计算机使用的逻辑分区对齐，保证硬盘读写效率。

有4k对齐当然就有4k对不齐。这个锅，或许应该甩给操作系统。硬盘厂商为了保证与操作系统的兼容性，将新标准的"4K扇区"的硬盘模拟成扇区为512B的硬盘，问题出现在此时：当在一些特殊情况下格式化的系统（比如用ghost11.5以下版本），会默认定义为4096字节大小为一个簇，这没毛病，但是，由于其引导区只占用了不多不少63个扇区，真正的文件系统在63号扇区之后，

我们可以算出前63个扇区大小为：63*512B = 32256B。

63个扇区占用簇个数：32256B/4096B=7.875簇。

从第64个扇区开始，每个簇都会跨越两个物理单元，占据前一个单元的一小部分和后一个单元的一大部分，前面说过，系统文件操作以簇为单位，如果每个簇都要用到两个扇区，势必拖累读写速度。也就产生了“4k对不齐”的概念，“4K对齐”要做的事就是将硬盘的模拟扇区(512B)对齐到的8整数倍个“实际”4K扇区，即8*4096 = 32768B，使其正好跨过63扇区的特性，从第64个扇区对齐。

其实不仅是操作系统，一些广泛使用的软件程序也可能引发4k对不齐现象。因此，对齐技术的存在确有其必要性。尽管4k必然取代512b，但冰冻三尺非一日之寒，全行业仍需要一个时间来进行技术的全面推广。