操作系统中的文件系统：文件分配表（FAT）文件系统详解

一、问题描述
文件分配表（File Allocation Table, FAT）是一种经典的文件系统，曾广泛应用于DOS、Windows 9x系列和早期移动存储设备（如U盘）。其核心设计目标是通过简单的表结构管理磁盘块的分配与文件寻址，适应资源受限的环境。面试中常围绕FAT的数据结构、文件存储机制、优缺点及与现代文件系统（如NTFS、ext4）的对比展开。

二、FAT的核心组成

1. 磁盘分区结构
   FAT文件系统将存储空间划分为三个连续区域：

   • 引导扇区（Boot Sector）：存储分区信息（如扇区大小、FAT表数量）、引导代码。
   • 文件分配表（FAT区）：一个或多个FAT表（互为备份），每个表项对应一个磁盘簇（Cluster），记录簇的分配状态或指向下一个簇的编号。
   • 数据区（Data Region）：实际存储文件内容的簇集合。

2. 簇（Cluster）的概念

   • 簇是FAT中空间分配的基本单位，由连续扇区组成（如1个簇=4个扇区=2KB）。
   • 文件可能占用多个簇，这些簇在磁盘上不一定连续，通过FAT表链式连接。

三、文件存储与寻址机制

1. 目录项（Directory Entry）

   • 每个文件/目录在父目录的数据区中对应一个32字节的目录项，存储：
     • 文件名（8.3格式）、属性（如目录/隐藏）、创建时间、起始簇号。
   • 示例：文件"ABC.TXT"的目录项中记录其第一个簇的编号为5。

2. FAT表的链式寻址

   • 步骤1：系统读取目录项，获取起始簇号（如簇5）。
   • 步骤2：查询FAT表第5项，若值为6，表示文件下一部分在簇6；若值为特殊标记（如0xFFF8），表示已是最后一簇。
   • 步骤3：按链式顺序（5→6→7→...）读取所有簇，完成文件访问。

3. 空闲空间管理

   • FAT表中值为0的项表示空闲簇；分配时扫描FAT表找到连续或分散的空闲簇。

四、FAT的变体与演进

1. FAT12/FAT16/FAT32的区别

   • FAT12：表项为12位，最多支持4096个簇，适用于小容量软盘。
   • FAT16：16位表项，最大分区2GB（簇大小64KB时）。
   • FAT32：32位表项（实际用28位），支持更大分区和更小簇，兼容性极佳。

2. FAT的局限性

   • 单文件大小限制：FAT32单文件最大4GB（因目录项中文件大小字段为32位）。
   • 无日志功能：断电可能导致文件系统损坏（需chkdsk修复）。
   • 低效的碎片化：文件分散存储时访问性能下降。

五、对比现代文件系统

1. 与NTFS的对比

   • NTFS使用元数据日志提升可靠性，支持权限控制、硬链接等高级特性。
   • FAT无需日志，结构简单，适合闪存设备（减少写入次数）。

2. 与ext4的对比

   • ext4采用extent（区间） 管理连续块，减少碎片；FAT依赖链式结构。

六、总结
FAT的核心思想是通过集中式表结构实现文件的非连续存储，平衡了简单性与功能性。尽管逐渐被替代，但其设计理念仍影响嵌入式系统和便携存储设备。理解FAT有助于深入掌握文件系统在数据结构、空间分配、可靠性权衡方面的基础问题。