FAT文件系统

定义

FAT文件系统是一种以文件分配表(File Allocation Table)为核心数据结构的文件系统，由微软开发，最初用于小型磁盘与层级简单的目录结构^[1]。它把卷划分成若干固定大小的簇，并用一张与簇一一对应的表记录每个簇是空闲、占用、损坏，还是指向同一文件的下一个簇^[3]。因为表在卷的最前端以固定位置存放，且通常保存两个副本，所以结构易于解析，也便于在其他平台上重新实现^[5]。

「FAT」这个名称既指整套文件系统，也常被用来直接称呼那张分配表本身，两种用法在技术文献中并存^[2]。

原理

FAT卷在逻辑上分为4个区域：引导扇区所在的保留区、保存分配表的FAT区、根目录区(仅FAT12与FAT16独立存在)，以及存放文件实际内容的数据区^[6]。引导扇区中的BIOS参数块记录着簇大小、FAT副本数、每份FAT的扇区数等几何参数，操作系统依靠这些字段定位其余结构^[6]。FAT32把根目录移入数据区，因此根目录可以像普通目录一样增长，不再受固定表项数限制^[6]。

文件的目录项只记录起始簇号与文件长度，后续内容靠分配表中的指针逐簇串联，形成所谓的簇链^[3]。若簇号为 $c$，读取时先查分配表第 $c$ 项，得到的值若是有效簇号就继续跳转，若是文件结束标记则停止；0 值表示该簇空闲，另有保留值用于标记坏簇^[7]。目录本身也是一种特殊文件，其内容由若干目录项组成。

flowchart LR

A[引导扇区 / BIOS参数块] --> B[FAT 副本 1]

B --> C[FAT 副本 2]

C --> D[根目录]

D --> E[数据区：簇链]

簇是分配空间的最小单位，其大小随卷容量增长，早期软盘上通常只有 1 个至数个扇区，而exFAT允许的簇可达 32 MB^[4][8]。表项宽度决定了可寻址的簇数上限：12 位对应约 4000 余个簇，16 位对应 6 万余个，32 位版本则只用其中 28 位^[9]。这正是各版本容量差异的根源^[9]。

发展历程

原始的 8 位FAT由马克·麦克唐纳(Marc McDonald)在与其时同事讨论的基础上设计并实现，1977 年前后随微软为NCR数据录入终端配套的独立磁盘版BASIC投入使用，当时的目录项为 16 字节且不支持子目录^[10][11]。1978 年该BASIC被移植到 8086 平台，1979 年起FAT亦被用于微软自研的MDOS/MIDAS系统^[11]。

1980 年问世的QDOS/86-DOS采用FAT12作为8英寸与5.25英寸软盘的文件系统，此后随MS-DOS进入个人计算机，成为PC上的主流格式^[9]。1984 年IBM PC AT与PC DOS 3.0发布，簇地址扩展到 16 位，可管理的簇数升至 6 万余个，FAT16由此成形^[10]。VFAT扩展则在Windows 95中引入长文件名支持，使文件名可超出传统 8.3 格式的限制^[4]。

FAT32于 1995 年随Windows 95 OSR2推出，将表项扩展至 32 位(实际使用 28 位)，分区上限显著提高，Windows 2000起NT系列也提供支持^[12][8]。不过Windows 2000及之后的格式化程序把可创建的FAT32卷限制在 32 GB，读写更大卷仍可进行^[13]。为适应闪存与大文件需求，微软在 2006 年11 月随Windows Embedded CE 6.0引入exFAT，其后又被Windows Vista SP1采纳^[4]。

在Windows NT系列上，NTFS逐步取代FAT承担系统盘角色，FAT退居可移动介质与兼容性场景^[2]。微软至今仍在新版Windows中保留FAT与exFAT支持^[2]。

应用

FAT最广泛的用途是可移动存储：软盘、U盘、闪存卡、记忆棒等介质普遍以FAT或exFAT格式化^[3]。数字相机采用的DCF规范自 1998 年起要求物理层使用FAT12、FAT16、FAT32或exFAT之一，以保证存储卡能在不同厂商设备间通用^[3]。便携播放器、摄像机、手机、游戏机以及车载音响、机顶盒等嵌入式系统也常读写该格式^[14]。

在双系统或混合环境中，FAT因几乎被所有操作系统原生支持，常被选作Windows、macOS、Linux之间交换数据的中间格式^[1]。固件与引导场景同样依赖其简洁性，因为存储需在操作系统加载之前被读取^[15]。Windows还提供将FAT卷就地转换为NTFS的工具，但转换难以逆向^[3]。

局限

容量与文件大小受表项位数与簇大小共同约束：FAT32单文件上限为 4 GiB，卷上限理论约 2 TiB，FAT16的分区上限则在 2 GB 量级^[2][4]。文件按整簇分配，1 KB 的文件放在 32 KB 簇中会浪费 31 KB，小文件众多时空间利用率明显下降^[6]。

FAT不提供文件级访问权限，也不支持日志、加密与压缩，因此难以满足多用户隔离与审计需求^[16]。由于缺少日志机制，写入过程若被中断，分配表可能与其他结构不一致，造成簇丢失或数据损坏，需借助外部检查工具修复^[15][17]。

簇链是单向链表，随机定位需要从头逐簇遍历，文件越大寻道次数越多，访问性能随之下降^[7]。频繁改写还会造成文件碎片分散，通常要定期整理以维持效率^[13]。此外，目录需顺序扫描，表项数量随卷容量增长，容量越大空闲空间统计与分配的开销越明显^[17]。exFAT虽解除了容量瓶颈，但同样没有日志机制，可靠性仍不及日志式文件系统^[18]。

参见

• exFAT —— FAT系列为闪存介质设计的后继格式，突破单文件 4 GB 限制

• NTFS —— Windows NT系列采用的文件系统，具备日志与权限控制

• 簇 —— FAT及其他文件系统分配磁盘空间的基本单位

• MS-DOS —— 使FAT成为个人计算机主流文件格式的操作系统

• 文件系统 —— FAT所属的上位概念