一文了解檔案系統

檔案系統在作業系統中扮演關鍵的角色，它負責對儲存媒體上的資料進行組織和管理，同時實現資料的存取和儲存功能。使用者透過檔案系統與系統進行交互，管理和存取數據，這使得數據的儲存和檢索變得更加高效和便捷。

各種作業系統都配備自己獨特的檔案系統，如Windows的NTFS、Linux的ext4和MacOS的APFS。除此之外，也有一些通用的檔案系統，如FAT32和exFAT，方便不同系統間的資料交換。檔案系統負責將實體儲存設備分割和合併，為作業系統提供一個統一的邏輯設備。它能將一個實體磁碟分割成多個邏輯分割區，或將多個邏輯分割區合併為一個磁碟區。當跨越多個實體磁碟進行磁碟區合併時，檔案系統便實現了單一實體裝置容量的邏輯擴充。

分區和磁碟區示意圖

檔案系統的核心功能是管理和組織文件。每個文件都有獨特的路徑和名稱，這構成了文件在系統中的標識和位置。檔案系統的頂層是邏輯分割區或邏輯卷，檔案以層級儲存在不同目錄中，形成了樹狀結構。

樹狀檔案結構示意圖

檔案系統中，檔案的存取權限和執行權限是檔案之間的主要區別，而檔案內容的不同取決於檔案本身的定義。各種文件類型根據文件協議存取其數據，通常在文件頭部聲明文件類型。文件名的格式有助於系統和使用者識別文件類型，但並不能改變文件的類型和內容。在早期的Windows系統中，採用了8.3檔名命名標準，其中"."後的3個字元幫助系統區分檔案類型，例如，"exe"代表可執行檔。

檔案系統中除了硬體上容量的限制，檔案數量也有一個上限。當系統中有大量的小體積檔案時，檔案系統的檔案索引數量就會用盡，即使實體磁碟上還有儲存空間也無法建立新的檔案。當這種情況出現時，我們就需要依賴一些應用程式層級的文件管理程序，對這些小文件進行統一的管理。在這些應用程式層級的文件管理程式中，會建立一些固定尺寸的「大」文件，例如64MB、128MB等。檔案管理程式會將小檔案儲存到這些大檔案內部指定的位置，檔案系統中的一個「大」檔案會包含了多個小檔案。這樣有效降低了檔案系統中的檔案數量。雖然檔案管理程式存取檔案可能導致存取效能降低和空間使用率下降，但是檔案系統中儲存的都是大檔案。儲存大檔案有效的避免檔案系統的磁片碎片化和檔案數量過多導致的效能下降，是一種有效的平衡手段。

檔案系統是資料的基礎，包括文件、多媒體和資料庫檔案。掌握其特性對應用資料儲存設計和開發至關重要。

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