文件系统(四)：FAT32文件系统实现原理

FAT32是从FAT12、FAT16发展而来，目前主要应用在移动存储设备中，比如SD卡、TF卡。隐藏的FAT文件系统现在也有被大量使用在UEFI启动分区中。

为使文章简单易读，下面内容特意隐藏了很多实现细节，关于分区、格式化等相关的内容，可以查看之前的文章：

文件系统(一)：存储介质、原理与架构

文件系统(二)：分区、格式化数据结构

文件系统(三)：嵌入式、计算机系统启动流程与步骤

(一)FAT32 磁盘布局

拿一个FAT32文件系统的存储设备，我们可以看到，它整个存储设备大概可以分为5个部分：引导、保留扇区、FAT表、目录和文件、备份。

(1)引导与保留扇区

引导和保留扇区部分，会因为分区方式的不同(MBR与GPT)而不同，同时也会因为存储设备分区个数的不同也会有差异。

下面这个是使用GPT方式将存储设备分为1个分区并格式化为FAT32文件系统格式的数据分布示意图。

(2)备份

在磁盘末尾的备份区域，主要是使用GPT方式分区的时候，会将分区表信息备份到存储设备的最后区域。对于MBR分区方式，并没有这部分。

(3)FAT表与目录项

在FAT32文件系统的使用过程中，FAT表和目录项是其核心部分，将在下面介绍

(二)文件在哪里？

将一个存储设备格式化成FAT32格式文件系统，然后再在上面创建几个文件夹和文件，那么这些文件和文件夹的名字信息是存储在什么位置？文件里面的数据又是存储在哪？要怎样才能找到这些文件？

上面在一个TF卡中创建了test1、test2、test3、test4 四个文件夹和一个0000.media媒体文件。

System Volume Information 目录及其下面的文件是在Windows系统格式化的时候系统写入的系统文件。

目录项

FAT表后面的区域，是根目录的存储区域，目录和文件以及文件中的实际数据都存储在这个一个大的区域。根目录是在该区域最开始的位置。

从根文件所在扇区的数据我们可以看到根目录的目录项信息：

从WinHex工具上，根目录所在位置的还有4个“新建文件夹”项。这个是因为在Windows创建文件夹的时候，开始的名字是“新建文件夹”，后面被我重命名成了test1~4

目录项分为长文件名和短文件名

如果一个文件它的名字大于11个字节，那它就至少有两个目录项，一个短文件名项和一个长文件名项。

文件名长度小于等于11个字节的话，就只有一个短文件名项。短文件名目录项长度为32个字节，各字节的定义如下：

根据上面定义可以对根目录下的目录项进行解析：

以test2目录项举例，我们可以看到：

• 文件名为test2 (短文件名)
• 文件属性为10 (子目录 )
• 这里时间需要转换，2字节用不同的位表示年月日和时分秒
• 起始簇号为07号

如果目录项是以E5开头，那表示该项是无效的或是已经删除了的目录项，比如上面的四个"新建文件夹"目录项

通过目录项，我们可以知道存储设备上都有哪些文件和目录，相应的子目录也是一样的实现，只不过子目录下面的目录项是在子目录所在的簇中记录。

(三)文件磁盘空间分配

在FAT32文件系统中，它是以簇为单位进行空间分配和管理。一般一个簇的大小为4KB(下面均以4KB做参考)。

一个文件或是一个目录，它是通过目录项知道它在存储设备上存放的的开始位置，也就是开始簇号，而簇号信息，是存储在FAT表上，

一个FAT32文件系统有两个FAT表，一个正常使用，另外一个为备份FAT表

通过分区上的DBR和FSINFO信息可以知道FAT表的大小和所在位置等信息。

FAT32 是以32位(4Byte)来定义一个FAT表项，也就是一个簇的状态，下表是FAT表项中值的含义：

对于FAT表，第0号簇是固定的0x0FFFFFF8，第1号簇项0xFFFFFFFF是被系统使用

第3号簇是根目录的开始簇，如果其值是0x0FFFFFFF,表示根目录只占用一个簇的空间，也就是4KB大小空间，如果其值是0x00000002~0x0FFFFFFE，表示根目录的下一个簇号，直到出现文件结束簇0x0FFFFFFF，也就是根目录大于4KB的大小。

下面是对FAT表现的一个解析。

从上面可以看出：

1. 如果文件或是目录小于4K(一个簇)，那它所占用的空间就是目录项中起始簇号所分配的空间，该簇号的值为结束簇号的值(0x0FFFFFFF)
2. 如果一个文件大于4K(一个簇)，目录项中的起始簇号所在位置的值，就是下一个位置存储的簇号值，比如0000.media 文件，它的起始簇号是10，第10簇号(0x0000000B)->第11簇号(0x0000000C)->......第241簇号(0x0x00000F2)->第242簇号(0x0FFFFFFF 结束簇号)
3. 上面这个0000.media文件是以连续的方式存储在磁盘中，当磁盘满了或是使用久了之后，会存在磁盘碎片，有可能就不是连续的空间了。

(四)实现原理

我们从文件的创建、数据写入、文件删除等操作流程看文件系统的基本实现原理

(1)文件创建

1. 创建文件或是目录的时候，会先在当前目录所在位置的目录项中添加一个目录项
2. 目录项会记录文件的起始簇号，创建、修改时间，文件属性等信息

(2)文件增删数据

1. 如果起始簇空间写满了，系统会查找一个空闲簇，数据将继续写入到该空闲簇中，FAT表中该空闲簇会被标记已经被使用，同时，该文件的结束簇号也会往后移动一个簇。
2. 更新该目录项中的修改时间、文件大小等信息
3. 删除或是修改文件里面的数据，就是一个反向的过程

(3)文件数据读取

1. 通过目录项，找需要读取文件所在的开始簇位置
2. 如果文件大于一个簇，开始簇位置的值为下一个簇的位置，可以顺着这个簇链一直查找，直到结束簇出现。

(4)文件删除

1. 文件删除的时候，根目录中该目录项的信息并不会被删除，而是将该目录项标记为删除状态
2. FAT表中该文件所占用的簇号，会被标记为0，表示该簇为未使用的簇。
3. 该文件所在簇号所对应扇区的实际文件数据不会被擦除，文件里面的数据还是存储在删除上。

文件删除，实际上也就是将该文件在FAT表中的簇信息标记为可使用，然后将目录项标记为已删除，实际数据不会做删除处理

如果要恢复被删除的文件，可以根据目录项中的信息进行恢复，前提是不要再创建新文件和写入新数据，因为新的数据容易将原来文件所在扇区的数据覆盖或是擦除。

(5)基本原理

FAT32文件系统的基本原理，是通过目录项来管理磁盘的文件目录结构，然后通过FAT表来管理磁盘文件所使用的簇(扇区)空间。

FAT32 文件系统的FAT表是通过单向链式的方法来管理扇区，这种方式在小文件和小容量的储存设备上使用比较方便，但不适合于大文件和大容量的存储设备。

目前大于32GB的SDXC卡，SD协会已采用exFAT作为默认的文件系统。

(五)优缺点

(1)优点

FAT32 文件系统现在还在被大量使用，其主要的优势在于：兼容性强和实现简单

兼容性强: 它可以同时支持Windows、Linux、Mac OS 三个操作系统，同时因为它的历史悠久，很早就已经被广泛使用，所以很多老旧电脑系统和设备都可以支持。

实现简单: 它的设计相对简单、易于实现和维护，特别是在系统资源紧张的嵌入式设备中。

(2)缺点

它的缺点主要有：不适合大文件、磁盘碎片化、安全性较差

不适合大文件：

目录项中使用4个字节表示文件大小，其最大表示的值为4GB，所以FAT32对于单个文件的最大大小限制为4GB。

安全性较差:

相比一些现代文件系统（如NTFS、exFAT等），FAT32的安全性较差。它缺乏对文件和文件夹的访问控制、加密、日志记录等高级功能，因此不适合用于存储敏感数据或需要更高安全性的场景。

(3)磁盘碎片化

磁盘碎片化这里描述详细一些，因为它会影响到文件系统的性能。

静态分配簇：

FAT32使用固定大小的簇（cluster）来管理存储空间。每个文件都被分配到一个或多个簇来存储，这些簇在存储设备上连续地排列。当文件大小超过一个簇的容量时，系统会分配额外的簇给文件。但是，如果在磁盘上没有足够的连续空闲簇来容纳整个文件，文件就会被分割成多个片段并存储在不同的地方，导致碎片化。

文件删除和大小改变：

FAT32文件系统的碎片化还会因为文件的删除和大小的改变而产生。当文件被删除时，它占用的簇会被标记为空闲，可以被其他文件使用。如果其他文件需要的空间无法与原文件的簇连续，新文件就会分配到磁盘上的不同位置，造成碎片化。同样地，当文件的大小发生改变时，如果新的大小需要的簇数超过了原文件所占用的连续簇数，文件也会发生碎片化。

碎片化的影响：

碎片化会影响文件的读取和写入性能。当文件被分割成多个片段时，系统需要花费更多的时间来定位和读取这些片段，从而降低了文件的读取速度。另外，由于文件存储不连续，存储设备上可能会出现许多小的空闲碎片，导致存储空间的浪费。

结尾

上面内容是以比较概况的方式来介绍FAT32文件系统的实现原理和它的优缺点，至于FAT32文件系统的详细实现细节，可以通过官方文档进行了解(晦涩难懂)，也可以找张TF卡，通过winhex等工具，自己动手查看它的实现细节。