FAT32是從FAT12、FAT16發展而來，目前主要應用在移動存儲設備中，比如SD卡、TF卡。隱藏的FAT文件系統現在也有被大量使用在UEFI啟動分區中。 為使文章簡單易讀，下麵內容特意隱藏了很多實現細節，關於分區、格式化等相關的內容，可以查看之前的文章： 文件系統(一)：存儲介質、原理與架構 文 ...
FAT32是從FAT12、FAT16發展而來，目前主要應用在移動存儲設備中，比如SD卡、TF卡。隱藏的FAT文件系統現在也有被大量使用在UEFI啟動分區中。
為使文章簡單易讀，下麵內容特意隱藏了很多實現細節，關於分區、格式化等相關的內容，可以查看之前的文章：
(一)FAT32 磁碟佈局
拿一個FAT32文件系統的存儲設備，我們可以看到，它整個存儲設備大概可以分為5個部分：引導、保留扇區、FAT表、目錄和文件、備份。
(1)引導與保留扇區
引導和保留扇區部分，會因為分區方式的不同(MBR與GPT)而不同，同時也會因為存儲設備分區個數的不同也會有差異。
下麵這個是使用GPT方式將存儲設備分為1個分區並格式化為FAT32文件系統格式的數據分佈示意圖。
(2)備份
在磁碟末尾的備份區域，主要是使用GPT方式分區的時候，會將分區表信息備份到存儲設備的最後區域。對於MBR分區方式，並沒有這部分。
(3)FAT表與目錄項
在FAT32文件系統的使用過程中，FAT表和目錄項是其核心部分，將在下麵介紹
(二)文件在哪裡？
將一個存儲設備格式化成FAT32格式文件系統，然後再在上面創建幾個文件夾和文件，那麼這些文件和文件夾的名字信息是存儲在什麼位置？文件裡面的數據又是存儲在哪？要怎樣才能找到這些文件？
上面在一個TF卡中創建了test1、test2、test3、test4 四個文件夾和一個0000.media媒體文件。
System Volume Information 目錄及其下麵的文件是在Windows系統格式化的時候系統寫入的系統文件。
目錄項
FAT表後面的區域，是根目錄的存儲區域，目錄和文件以及文件中的實際數據都存儲在這個一個大的區域。根目錄是在該區域最開始的位置。
從根文件所在扇區的數據我們可以看到根目錄的目錄項信息：
從WinHex工具上，根目錄所在位置的還有4個“新建文件夾”項。這個是因為在Windows創建文件夾的時候，開始的名字是“新建文件夾”，後面被我重命名成了test1~4
目錄項分為長文件名和短文件名
如果一個文件它的名字大於11個位元組，那它就至少有兩個目錄項，一個短文件名項和一個長文件名項。
文件名長度小於等於11個位元組的話，就只有一個短文件名項。短文件名目錄項長度為32個位元組，各位元組的定義如下：
根據上面定義可以對根目錄下的目錄項進行解析：
以test2目錄項舉例，我們可以看到：
- 文件名為test2 (短文件名)
- 文件屬性為10 (子目錄 )
- 這裡時間需要轉換，2位元組用不同的位表示年月日和時分秒
- 起始簇號為07號
如果目錄項是以E5開頭，那表示該項是無效的或是已經刪除了的目錄項，比如上面的四個"新建文件夾"目錄項
通過目錄項，我們可以知道存儲設備上都有哪些文件和目錄，相應的子目錄也是一樣的實現，只不過子目錄下麵的目錄項是在子目錄所在的簇中記錄。
(三)文件磁碟空間分配
在FAT32文件系統中，它是以簇為單位進行空間分配和管理。一般一個簇的大小為4KB(下麵均以4KB做參考)。
一個文件或是一個目錄，它是通過目錄項知道它在存儲設備上存放的的開始位置，也就是開始簇號，而簇號信息，是存儲在FAT表上，
一個FAT32文件系統有兩個FAT表，一個正常使用，另外一個為備份FAT表
通過分區上的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)來定義一個FAT表項，也就是一個簇的狀態，下表是FAT表項中值的含義：
對於FAT表，第0號簇是固定的0x0FFFFFF8，第1號簇項0xFFFFFFFF是被系統使用
第3號簇是根目錄的開始簇，如果其值是0x0FFFFFFF,表示根目錄只占用一個簇的空間，也就是4KB大小空間，如果其值是0x00000002~0x0FFFFFFE，表示根目錄的下一個簇號，直到出現文件結束簇0x0FFFFFFF，也就是根目錄大於4KB的大小。
下麵是對FAT表現的一個解析。
從上面可以看出：
- 如果文件或是目錄小於4K(一個簇)，那它所占用的空間就是目錄項中起始簇號所分配的空間，該簇號的值為結束簇號的值(0x0FFFFFFF)
- 如果一個文件大於4K(一個簇)，目錄項中的起始簇號所在位置的值，就是下一個位置存儲的簇號值，比如0000.media 文件，它的起始簇號是10，第10簇號(0x0000000B)->第11簇號(0x0000000C)->......第241簇號(0x0x00000F2)->第242簇號(0x0FFFFFFF 結束簇號)
- 上面這個0000.media文件是以連續的方式存儲在磁碟中，當磁碟滿了或是使用久了之後，會存在磁碟碎片，有可能就不是連續的空間了。
(四)實現原理
我們從文件的創建、數據寫入、文件刪除等操作流程看文件系統的基本實現原理
(1)文件創建
- 創建文件或是目錄的時候，會先在當前目錄所在位置的目錄項中添加一個目錄項
- 目錄項會記錄文件的起始簇號，創建、修改時間，文件屬性等信息
(2)文件增刪數據
- 如果起始簇空間寫滿了，系統會查找一個空閑簇，數據將繼續寫入到該空閑簇中，FAT表中該空閑簇會被標記已經被使用，同時，該文件的結束簇號也會往後移動一個簇。
- 更新該目錄項中的修改時間、文件大小等信息
- 刪除或是修改文件裡面的數據，就是一個反向的過程
(3)文件數據讀取
- 通過目錄項，找需要讀取文件所在的開始簇位置
- 如果文件大於一個簇，開始簇位置的值為下一個簇的位置，可以順著這個簇鏈一直查找，直到結束簇出現。
(4)文件刪除
- 文件刪除的時候，根目錄中該目錄項的信息並不會被刪除，而是將該目錄項標記為刪除狀態
- FAT表中該文件所占用的簇號，會被標記為0，表示該簇為未使用的簇。
- 該文件所在簇號所對應扇區的實際文件數據不會被擦除，文件裡面的數據還是存儲在刪除上。
文件刪除，實際上也就是將該文件在FAT表中的簇信息標記為可使用，然後將目錄項標記為已刪除，實際數據不會做刪除處理
如果要恢復被刪除的文件，可以根據目錄項中的信息進行恢復，前提是不要再創建新文件和寫入新數據，因為新的數據容易將原來文件所在扇區的數據覆蓋或是擦除。
(5)基本原理
FAT32文件系統的基本原理，是通過目錄項來管理磁碟的文件目錄結構，然後通過FAT表來管理磁碟文件所使用的簇(扇區)空間。
FAT32 文件系統的FAT表是通過單向鏈式的方法來管理扇區，這種方式在小文件和小容量的儲存設備上使用比較方便，但不適合於大文件和大容量的存儲設備。
目前大於32GB的SDXC卡，SD協會已採用exFAT作為預設的文件系統。
(五)優缺點
(1)優點
FAT32 文件系統現在還在被大量使用，其主要的優勢在於：相容性強和實現簡單
相容性強: 它可以同時支持Windows、Linux、Mac OS 三個操作系統，同時因為它的歷史悠久，很早就已經被廣泛使用，所以很多老舊電腦系統和設備都可以支持。
實現簡單: 它的設計相對簡單、易於實現和維護，特別是在系統資源緊張的嵌入式設備中。
(2)缺點
它的缺點主要有：不適合大文件、磁碟碎片化、安全性較差
不適合大文件：
目錄項中使用4個位元組表示文件大小，其最大表示的值為4GB，所以FAT32對於單個文件的最大大小限製為4GB。
安全性較差:
相比一些現代文件系統（如NTFS、exFAT等），FAT32的安全性較差。它缺乏對文件和文件夾的訪問控制、加密、日誌記錄等高級功能，因此不適合用於存儲敏感數據或需要更高安全性的場景。
(3)磁碟碎片化
磁碟碎片化這裡描述詳細一些，因為它會影響到文件系統的性能。
靜態分配簇：
FAT32使用固定大小的簇（cluster）來管理存儲空間。每個文件都被分配到一個或多個簇來存儲，這些簇在存儲設備上連續地排列。當文件大小超過一個簇的容量時，系統會分配額外的簇給文件。但是，如果在磁碟上沒有足夠的連續空閑簇來容納整個文件，文件就會被分割成多個片段並存儲在不同的地方，導致碎片化。
文件刪除和大小改變：
FAT32文件系統的碎片化還會因為文件的刪除和大小的改變而產生。當文件被刪除時，它占用的簇會被標記為空閑，可以被其他文件使用。如果其他文件需要的空間無法與原文件的簇連續，新文件就會分配到磁碟上的不同位置，造成碎片化。同樣地，當文件的大小發生改變時，如果新的大小需要的簇數超過了原文件所占用的連續簇數，文件也會發生碎片化。
碎片化的影響：
碎片化會影響文件的讀取和寫入性能。當文件被分割成多個片段時，系統需要花費更多的時間來定位和讀取這些片段，從而降低了文件的讀取速度。另外，由於文件存儲不連續，存儲設備上可能會出現許多小的空閑碎片，導致存儲空間的浪費。
結尾
上面內容是以比較概況的方式來介紹FAT32文件系統的實現原理和它的優缺點，至於FAT32文件系統的詳細實現細節，可以通過官方文檔進行瞭解(晦澀難懂)，也可以找張TF卡，通過winhex等工具，自己動手查看它的實現細節。
