FAT32：一个跨越时代的文件系统，为何至今仍在发光？

操作系统开发基础教程：FAT32文件系统

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在数字世界的底层，文件系统如同“数据的图书馆”——它负责将零散的二进制数据组织成文件，让用户能轻松存储、查找和删除资料。而在众多文件系统中，FAT32（File Allocation Table 32）是一个特殊的存在：它诞生于1996年，曾是Windows 95的“标配”，如今却在U盘、SD卡、嵌入式设备中广泛应用。

有人觉得它“过时”，有人依赖它的兼容性。这篇文章将从技术视角拆解FAT32的设计逻辑，带你理解它为何能跨越近30年，至今仍是许多设备的“存储基石”。

一、从软盘到U盘：FAT32的诞生背景

要理解FAT32，得先回到它的“童年”。

1980年代，个人电脑的存储介质主要是软盘（Floppy Disk）。早期的DOS系统使用FAT12文件系统管理软盘，但随着软盘容量从1.44MB提升到2.88MB，FAT12的局限性逐渐暴露：它最多只能管理约16MB的存储空间，且文件大小限制为4GB（实际受限于簇大小）。

1990年，微软推出FAT16，将文件分配表（FAT）的位数从12位扩展到16位，理论上支持最大2GB的分区和4GB的文件。这在当时是个巨大的进步——直到1995年，Windows 95发布，用户对更大容量存储的需求（比如CD-ROM、更大硬盘）让FAT16再次“力不从心”：2GB的分区上限和4GB的文件限制，逐渐成为瓶颈。

于是，1996年，微软在Windows 95 OSR2中推出了FAT32。它的核心改进是将FAT表的位数从16位扩展到32位，理论上支持最大2TB的分区（实际受限于操作系统和硬件）和4GB的单个文件。这一改进让它成为Windows 98/ME的默认文件系统，并延续至今。

二、FAT32的核心结构：用“索引卡片”管理数据

FAT32的设计哲学很简单：用一张“全局索引表”记录所有文件的存储位置。这张表就是“文件分配表”（File Allocation Table，简称FAT）。理解FAT32，关键是理解它的三大核心组件：

1. 簇（Cluster）：数据存储的最小单位

FAT32不直接管理单个字节，而是将磁盘划分为若干个簇（Cluster）——每个簇包含多个连续的扇区（Sector，通常是512字节）。例如，一个簇可能包含8个扇区（4KB），或16个扇区（8KB），具体大小由分区格式化时决定。

为什么用簇？
如果每个字节都要记录在FAT表中，表的大小会爆炸式增长（比如1TB磁盘需要记录1万亿个字节的位置）。用簇作为最小单位，FAT表只需记录每个簇的“下一个簇”地址，大幅减少了表的大小。

2. FAT表：文件的“导航地图”

FAT表是一张链式索引表，每个条目（FAT Entry）对应一个簇，记录该簇的“状态”和“下一个簇的位置”。

状态标记：比如0x0000表示“空闲簇”，0xFFFFFFF7表示“坏簇”（无法存储数据），0xFFFFFFFF表示“文件结束”。
链式结构：一个文件的数据可能分散在多个簇中，FAT表通过“簇链”将这些簇串联起来。例如，文件A的第一个簇是100，FAT[100]记录下一个簇是101，FAT[101]记录102，直到某个簇的FAT值为0xFFFFFFFF，表示文件结束。

3. 目录项（Directory Entry）：文件的“身份证”

在FAT32中，每个文件或目录都有一个目录项（存储在根目录或子目录中），包含以下关键信息：

文件名：8个字符的主名 + 3个字符的扩展名（如“FILE.TXT”）。
文件大小：以字节为单位。
起始簇号：文件第一个数据簇的编号（指向FAT表的入口）。
属性：标记是否为只读、隐藏、目录等。

三、FAT32如何工作？从存文件到删文件的全流程

场景1：存储一个新文件

当你将“文档.docx”保存到FAT32分区时，系统会执行以下步骤：

分配簇：根据文件大小计算需要的簇数（比如4KB的文件需要1个簇，10MB的文件需要3个簇）。
查找空闲簇：遍历FAT表，找到连续的空闲簇（或分散的空闲簇）。
更新FAT表：将第一个簇的FAT值设为第二个簇的编号，第二个簇的FAT值设为第三个簇的编号，最后一个簇的FAT值设为0xFFFFFFFF（文件结束）。
写入数据：将文件内容写入分配的簇中。
创建目录项：在父目录中添加“文档.docx”的目录项，记录起始簇号和文件大小。

场景2：删除一个文件

删除文件时，FAT32的操作非常“高效”：

清空目录项：将文件对应的目录项标记为“已删除”（通常是修改文件名的首字符为0xE5）。
释放FAT链：将文件占用的所有簇的FAT值重置为0x0000（空闲状态）。

注意：FAT32的删除是“逻辑删除”——数据并未真正擦除，只是标记为可覆盖。这也是为什么数据恢复工具能找回被删除文件的原因。

场景3：查找一个文件

当你在资源管理器中输入“文档.docx”并回车时，系统会：

遍历目录项：从根目录开始，逐个检查目录项的文件名是否匹配。
定位起始簇：找到匹配的目录项后，读取其“起始簇号”。
遍历FAT链：根据起始簇号，沿着FAT表的链式结构，找到所有数据簇的位置。
读取数据：从这些簇中读取数据，还原文件内容。

四、FAT32的优缺点：为什么它至今未被淘汰？

优点：兼容性的“王者”

跨平台支持：几乎所有操作系统（Windows、macOS、Linux、Android）都能读写FAT32分区。这是它在U盘、SD卡中流行的核心原因——你不需要为不同设备格式化不同的文件系统。
简单轻量：FAT32的元数据（FAT表、目录项）结构简单，占用空间小，适合嵌入式设备或低性能存储介质（如早期的SD卡）。

缺点：时代的“局限”

最大文件限制：FAT32的单个文件最大为4GB（受限于32位FAT表项，最大簇号为0xFFFFFFFF，乘以簇大小后约为4GB）。这对现代视频、大型游戏来说显然不够。
分区大小限制：尽管理论支持2TB分区，但Windows系统对FAT32分区的实际支持上限是32GB（超过后格式化会默认选NTFS）。
效率问题：频繁的文件删除和创建会导致FAT表碎片化，降低读写速度（NTFS的日志功能可避免这一问题）。

五、FAT32 vs NTFS vs exFAT：谁更适合你？

特性	FAT32	NTFS	exFAT
最大文件大小	4GB	16EB（理论值）	16EB
最大分区大小	2TB（实际32GB）	16EB	128PB
跨平台兼容性	所有系统	仅Windows/macOS（部分）	Windows/macOS/Android
日志功能	无	有（防数据丢失）	无
适用场景	U盘、SD卡、嵌入式设备	本地硬盘、系统盘	大容量U盘、移动硬盘