文件系统(五)：exFAT 文件系统原理详解
前言
exFAT是微软2006年推出的一种文件系统，距今已快二十年，相比于FAT16和FAT32，exFAT还是算年轻。exFAT一直是微软的一个专用文件系统，直到2019年微软发布它的规范，目前微软拥有exFAT多个元素的专利，如果产品上使用exFAT，需要微软授权，否则有可能侵权。
exFAT被SD协会采用作为大于32GB SDXC卡的默认文件系统，在win11系统上，SDXC卡默认格式化选项已经没有FAT32选项，exFAT文件系统的使用范围正逐渐扩大。
为啥微软要用exFAT来代替FAT32呢？
因为exFAT数据结构开销比NTFS低，但它又可以突破FAT32 单个文件大小和分区大小的限制。
(一)磁盘布局
在Windows系统上将一张TF卡格式化成exFAT文件系统，发现它是将整个TF格式化成了exFAT文件系统，没有前面介绍的MBR和GPT分区表信息。
整体分为5个部分：
- DBR及其保留扇区
- FAT 文件分配表
- 簇号位图
- 大写字符
- 目录和文件(根目录在该区最开始位置)
(1) DBR
DBR 中主要有：跳转指令，OEM代号、BPB参数、引导程序、结束标志组成。这里只介绍BPB(BIOS Parameter Block，BIOS参数块)，其它部分在前面其它文章中已经有介绍过了。
根据上面第0扇区的DBR信息，可以解析exFAT的BPB参数如下：
从上面解析的数据我们可以知道：
- FAT表在第2048扇区
- 簇位号图在第4096扇区=首簇起始扇区号=第2号簇
- 大写字符在第4160扇区=簇位号图的下一个簇=4096 + 64 = =第3号簇
- 根目录在第4224扇区=首簇起始扇区号 + 根目录首簇号 - 2 = 4096 +(4-2)*64 = 第4号簇
(2) FAT表
与FAT32不同，exFAT只有一个FAT表，没有备份
表项里的内容与FAT32的类似：4个字节表示一个簇，每个簇都有自己的编号，F8 表示介质类型为硬盘，写入4个FF，表示结束标志。具体可查看上一篇文件系统(四)：FAT32文件系统实现原理
与FAT32不同的是：exFAT文件系统中FAT表中记录的是不连续存储文件的簇链，如果是连续的簇链，在FAT表中不会体现。
上面exFAT文件系统FAT表中为0的簇，并不能表示该簇是未使用，也有可能它是连续簇
exFAT文件系统的簇使用情况，是通过簇位号图来实现的
(3) 簇号位图
簇位图中的每一个位，实际映射到数据区中的每一个簇。
如果对应簇已经被使用，簇位图上对应该簇的位值就是1，否则就为0
上面我们看，簇位图上的值为：FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 03
FF = 11111111b = 8个簇，11个FF表示88个簇，03的二进制位11b，表示2个簇
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 03 表示从第2号簇到92号簇的90个簇号已经被使用了。
为什么这里是从第2号簇开始呢？
因为0号和1号FAT项有特殊用途，无法与数据区中的簇形成映射，只能从2号FAT项开始与数据区中的第一个簇映射，所以数据区中的第一个簇也就编号为2号簇。
(4)大写字符元文件
exFAT是一个大小写不敏感的文件系统
大写字符元文件(UPCASE file)里面存储的是一个全局字符映射表，包含了所有可能字符的大小写映射。
它主要作用是：大小写转换、文件名比较、国际化支持(跨语言)
(5) 目录项
exFAT 包含4种目录项
- 卷标目录项(32字节)
- 簇位图文件的目录项(32字节)
- 大写字符文件的目录项(32字节)
- 用户文件的目录项(至少3个目录项)
前面三个是系统目录项我们就不分析了，简单介绍一下用户文件的目录项 以上图中test3目录为例进行分析：
用户目录项的三个目录项被称为三个属性，
- 第一个目录项称为“属性1”，目录项首字节的特征值为“85H”；
- 第二个目录项称为“属性2”，目录项首字节的特征值为“C0H”；
- 第三个目录项称为“属性3”，目录项首字节的特征值为“C1H”。
第一目录项
与FAT32 文件系统相比多了附属目录项数，校验和,这里重点介绍一下校验和的作用。
校验和
校验和是用来确保目录项数据的完整性和可靠性，防止和检测目录项数据损坏。
在目录项读取的时候，可以通过校验和确定目录项数据是否损坏或是被篡改。
第二目录项
这里需要注意文件碎片标志和文件名Hash值两个参数，这是FAT32文件系统不具有的功能。
文件碎片标志
文件碎片是用来标记文件是否连续存储。
如果值为0x03，表示文件是连续的，没有碎片，在FAT表中不会有记录。在文件读取的时候，可以直接根据文件所在的起始簇号，直接进行数据连续读取，而不需要去查找FAT表的中FAT项。
如果值为0x01，表示文件是不连续的，有碎片，在FAT表中会记录该文件簇链，在文件读取的时候，除了文件的起始簇号，还需要根据FAT表中的信息去寻找下一个簇号。
因为有了文件碎片标记，exFAT文件读写效率要比FAT32高。
文件名Hash值
文件名Hash值是用来加速文件查找过程，通过快速匹配Hash值减少详细比较的次数。
在目录查找过程中，通过先比较Hash值，可以减少实际需要比较完整文件名的次数。
如果Hash值不匹配，则文件名一定不匹配；如果Hash值匹配，再进行文件名的详细比较。
第三目录项
在exFAT 中没有长文件名和短文件名的区分，统一记录到文件名位置，如果文件名超出了第三目录项空间，就继续写入到下一个目录项中，
比如上面第一个文件 System Volume Information 的目录项
(二)实现原理
这里从文件创建、写入、读取、删除、查找的角度来介绍一下exFAT文件系统的实现原理
(1)文件创建
- 根据簇号位图查找空闲簇号
- 将簇号位图中该簇号标记为已使用
- 目录项中添加一个新的目录条目，记录新文件的元数据，包括文件名、文件大小、创建时间、起始簇号、HASH值、校验和等信息
(2)文件写入
- 通过目录项找到文件的起始簇号
- 如果数据超过了一个簇大小，通过簇号位图查找下一个可写入的簇
- 如果下一个簇与当前簇不连续，则将簇号信息同步到FAT表中，同时目录项文件碎片标志设置为0x01
- 如果一下簇与当前簇是连续的，FAT表信息就不需要修改
- 更新目录项的其它信息，比如文件大小和最后修改时间
(3)文件读取
- 通过目录项找到文件的起始簇号，通过件碎片标志判断文件是否连续
- 如果文件连读，可根据起始簇号直接按序读取
- 如果文件不连续，还需要根据FAT表查找下一个数据所在的簇号
(4)文件删除
- 文件删除是文件创建的一个逆过程
(5)文件查找
- 通过BPB(BIOS参数块)定位到根目录或是起始目录位置
- 读取目录簇数据
- 计算目标文件名的Hash值
- 遍历目录，逐个比较目录项的Hash值，如果Hash值相同，则进行文件名比较
- 文件名比较，使用UPCASE表(大写字符元文件)进行大小写无关的比较
- 检查匹配结果,如果匹配，则读取该目录项的详细信息并进行校验
- 如果未找到匹配项且当前目录有子目录，递归进入子目录继续查找
(三)优缺点
优点
(1)支持大文件和大容量卷
FAT32 支持最大文件4GB、最大卷2TB、每子目录最大支持65534个文件
exFAT 支持最大文件16EB、最大卷128PB、每子目录最大支持2796202个文件
(2)轻量级和高兼容性
exFAT与FAT32类似，文件系统的元数据比较小，适用于内存空间有限的嵌入式设备
同时，exFAT也可以兼容Windows、Linux、macOS 这几个常用操作系统
(3)支持元数据校验
exFAT 目录项上有校验和参数，当目录项内容损坏或是被篡改的时候，可以通过校验和进行检测
(4)效率比FAT32高
exFAT 采用簇号位图+簇号链表的方式来管理簇号，比FAT32只能通过簇号链表的方式效率高
exFAT 文件查找的时候，首先是根据Hash值查找，在匹配文件名，比FAT32只能比较文件名效率高
缺点
(1)专利和授权限制
微软拥有exFAT的多项专利，使用exFAT在某些情况下可能会涉及专利和授权问题，尤其是对于商业产品。
(2)缺乏日志功能
与NTFS相比，exFAT缺乏日志功能，这意味着在突然断电或系统崩溃时，数据损坏的风险更高。
(3)碎片问题：
虽然exFAT在一定程度上减轻了文件碎片的问题，但它依然没有NTFS那么高效地管理碎片。
结尾
以上就是关于exFAT文件系统的介绍，如有错误，欢迎在下面评论区批评指正，不胜感激。下一篇将介绍ext4 或是ntfs 文件系统。