適用於隨身儲存裝置的檔案系統釋疑與效能實測
嗯……想不出什麼引言來，不如我們就直接開始吧！在前幾期的雜誌裡有提到，Vista SP1的某些新功能不怎麼吸引人，尤其exFAT好像特別冷門，根本沒什麼人會興奮，但隨著大容量平價隨身碟的逐漸普及，勢必有需要了解這個新一代的檔案系統，究竟只是SP1的伴遊新噱頭，還是能為隨身儲存裝置帶來更廣泛的應用？
exFAT與先前檔案系統的區隔
exFAT（Extended File Allocation Table）是適用於隨身碟或隨身型攜帶裝置（如PDA）的新格式，最早出現在2006年的WinCE 6.0，為了增進與桌上型作業系統的相容性還有便於隨身裝置的同步需求，到了Vista SP1正式被納入桌機作業系統所支援的檔案系統，但跟一般玩家息息相關的，還是在於隨身碟上的應用。以往在隨身碟上，FAT32/FAT是比較常見的格式。然而FAT32在目前大體積的檔案應用下逐漸產生問題，它的單檔容量最多只有4GB，在某些用途上還要分割檔案才放得進隨身碟裡，而且XP的抽取式媒體讀寫快取是限定NTFS格式才支援，在拷貝大量且零碎的小檔案時，往往要耗上漫長的等待時間。那為什麼不用NTFS來當隨身碟的主流格式呢？
一、NTFS相容性不如FAT32
FAT32/FAT已經被大多數的作業系統所廣泛支援，不論是OS X、Linux或是隨身PMP裝置，雖然部份非Winodws系統加上外掛也能做NTFS的讀寫，但是畢竟沒有原生支援來得方便。
二、存取效能的差異
NTFS是採用「日誌式」的檔案系統，因為要記錄磁碟的詳細讀寫動作，對隨身碟這種快閃記憶體會造成較大負擔，比如同樣存取一個檔案或目錄，在NTFS磁區上的讀寫次數就會比FAT32來得多，「相較」之下理論上使用NTFS格式存放檔案的隨身碟比較容易損壞，而且在400MB以下的分割區也比較浪費空間。
三、XP預設的格式化選項不是NTFS
一般來說除非手動修改原則，不然XP預設不能把隨身碟格式化成NTFS系統，使用者找不到此選項，自然很順理成章的使用FAT32來格式化。在XP下對抽取式媒體有兩種存取方式：「快速移除最佳化（預設值）」與「效能最佳化」，前者適用於FAT32，後者即是因應NTFS寫入快取的設定，我們常常聽說不要直接拔除隨身碟，其中一個原因就是考量到後者需要把快取中的資料確實寫入隨身碟，因此使用快速移除最佳化時，就不能直接格式化成NTFS。
exFAT有什麼用？
如果不是很在意隨身碟的存取效能，那麼現在市面上4G、8G的MLC隨身碟可以說一點都不貴，這種容量對FAT32支援的單一分割最大容量（32GB）並不成問題，不過超過4GB的單檔就有點麻煩。雖然說很少有單一檔案超過4GB的機會，但不代表完全沒有：如BD影片的Remux檔、BD/HD影片的原始檔、無失真音樂愛好者的未壓縮音訊檔、DVD光碟的ISO檔、從DV上擷取下來的AVI檔等等，想要完整備份就得選擇NTFS或exFAT做為儲存格式。大部份讀者可能會問：那用NTFS就好了，為什麼要選擇一個相容性更差的檔案系統呢？exFAT原本設計的目的是在FAT32與NTFS之間取得一個折衷，有FAT32的輕便、不需要耗損太多的效能及記憶體來處理檔案運作，又有類似NTFS的CAL存取控制機制（很可惜在SP1下找不到exFAT對於CAL的支援），以及類似HPFS系統可快速整理可用叢集空間的Free Space Bitmap，來將檔案破碎的情況盡量減少。然而要真正比較出使用FAT32、NTFS及exFAT時的檔案破碎情況很難做到客觀的評比，剩下所能測試的就是存取效能了，尤其是exFAT最大的叢集大小達到了驚人的32MB，連NTFS都只有64KB，如果隨身碟真的拿來存放BD Remux動輒上GB的大檔案，那麼將exFAT的叢集設大時，將會有多少效能增進呢？
| exFAT與FAT32、NTFS的比較 |
|---|
| FAT32 | NTFS | exFAT |
| 適用作業系統 | Win95OSR2之後皆可 | Windows 2000之後的NTFS5為較成熟版本 | Vista SP1、Windows CE 6.0 |
| 最小叢集 | 512bytes | 512bytes | 512bytes |
| 最大叢集 | 64KB | 64KB | 32,768KB |
| 最大單檔大小 | 4GB-2bytes | 受最大分割容量影響 | 16EB（理論值） |
| 最大分割容量 | 32GB、2TB | 2TB | 16EB（理論值） |
| 檔案數限制 | 4194304 | 無 | 單一目錄至少大於1000個 |
| 支援CAL | 無 | 有 | SP1並無採用 |
| 最少叢集數 | 65,527（註a） | 至少大於127（註b） | 至少大於13（註c） |
| 最大叢集數 | 4,177,918 | 無 | 無 |
註a：FAT32系統的叢集數不可少於65,527個，也就是說磁碟容量小於32MB左右（最小叢集（512bytes） x 65527）的話，就不能用FAT32檔案系統。筆者手邊有一顆31.2MB的隨身碟就無法格式化成FAT32。而FAT（16）系統所能支援的叢集數最多為65,525，單一叢集容量最大為64KB，所以最大分割區容量大約是4GB（65,525x64）。
註b：在Windows下無法做出小於8MB的NTFS分割區，以8MB的容量用64K叢集來格式化得到的叢集數是127個，但此數字不具意義，因為這種分割容量不太可能會出現，而且採用NTFS格式太浪費空間。（NTFS適用400MB以上空間）
註c：以2048KB（不含）以上的叢集大小無法格式化31.2MB的隨身碟。
圖說：SP1原生不支援用GUI將Fixed Media格式化成exFAT格式，需自行到命令列下指令來處理。
大叢集有用嗎？
叢集（cluster）在檔案系統上是指比檔案還小的邏輯分割單位，比如說一個檔案的大小是64KB，叢集大小設為4KB的話就是用了16個叢集。叢集的大小與實體磁碟區的大小成正比，比如說FAT32在4~8GB及8~16GB的預設叢集大小分別為4KB與8KB，基本上叢集愈小愈能節省磁碟空間，例如一個檔案為12KB，因為叢集是以自然整數的方式存在，如果這時的叢集大小是8K的話就必須動用到兩個叢集（16KB）的空間來存放檔案，當中的4KB就算浪費掉了。不過叢集設太小理論上也會造成存取效能遲緩，一個64KB的檔案只需要存取4個16KB的叢集，換成1K的叢集就變成了64個。從FAT16、FAT32、到NTFS，在一定的磁碟空間範圍內預設的叢集愈來愈小，但使用者能自訂的最小底限都是512Bytes，如果用安裝光碟來格式化硬碟，一定也是使用512bytes的預設值，因為512bytes是剛好對齊FAT結構的界限；換成Windows桌面的格式化，則會由系統自行挑選適當的預設值來決定。
上述的檔案系統最大叢集都是到64KB，對存取單一大檔案時算不算是理想的設置呢？而且小叢集在進行磁碟重組時會花上比較久的時間。然而就這次的測試結果來看，叢集的大小對於檔案的存取並沒有多大影響，而且真的把叢集開到32MB是瘋狂的行為，放一個1KB的檔案，32MB的空間就被吃掉了，尤其是1GB的隨身碟格式化完成，光配置表就用掉了96MB的容量。那麼究竟多大的分割會需要用到32MB的叢集呢？SP1需在命令列模式才能把實體硬碟格式化成exFAT，筆者將320GB的硬碟以exFAT格式化，所得的預設叢集是128KB，真正需要用到32MB叢集的「大」硬碟要問世應該還早。何況微軟目前就沒有把它用在一般固定式媒體（Fixed Media）的打算，叢集大小對於抽取式媒體來說暫無意義。
| exFAT與FAT32、NTFS的存取效能差異(單位：MB/s) |
|---|
| 讀取NTFS_4K | 寫入NTFS_4K | 讀取FAT32_4K | 寫入FAT32_4K | 讀取exFAT_32K | 寫入exFAT_32K |
exFAT _32K | 116.6719 | 40.8 | 114.3248 | 39.26 | 114.9264 | 39.112 |
exFAT _32M | 119.8438 | 41.99414 | 118.92 | 41.836 | 118.63 | 42.82 |
exFAT _512K | 117.5313 | 41.88477 | 117.13 | 41.274 | 116.23 | 41.63 |
exFAT _4K | 126.4531 | 41.91602 | 124.52 | 40.998 | 125.42 | 41.1 |
exFAT _16K | 117.8906 | 41.9 | 116.923 | 41.219 | 117.792 | 42.25 |
FAT32 _4K | 141.9453 | 40.8 | 129.65 | 39.23 | 131.427 | 39.5 |
NTFS _4K | 129.6016 | 42.19 | 129.3 | 42.361 | 129.3012 | 42.92 |
NTFS _64K | 127.4531 | 40.26 | 126.37 | 40.293 | 127.9804 | 40.96 |
FAT _16K | 120.0391 | 41.9 | 120.02 | 41.57 | 119.863 | 41.77 |
tfat運作
左右分別為TFAT與一般FAT檔案系統的運作模式示意，FAT通常會有一個或多個Tables來做備份。TFAT會等原始資料確實在FAT1上完成存取動作後，再把FAT1複製到FAT0，如果動作進行中發生中斷，FAT1－>FAT0的動作就不會發生。而FAT則是在原始資料存到任何一層的FAT Table時，同時更新其它Table的資料，當然如果發生中斷，兩邊的資料都是不完整的。需要注意的是，TFAT不能百分百防止資料遺失，也無法復原遺失的資料，只是確保目的地的原始資料與配置表完整無缺，不受影響。
exFAT的附加功能
exFAT的另一個特點是支援TFAT（Transaction-Safe Fat），TFAT是為了彌補原本FAT系統缺陷而生。就拿一般FAT格式的隨身碟來說，如果在拷貝或搬移、建立檔案或目錄時，突然將隨身碟拔除或是電力流失等等任何因素都會造成資料的中斷，也就是無法確保資料是否完整的寫入到了磁碟中。可以做一個實驗：將一個體積較大的檔案拷貝到隨身碟中，在複製到一半時將隨身碟拔除，放到另外一台電腦上看，能看見檔案的大小、資訊與原始檔一模一樣，並沒有減少，實際上此檔案的內容卻是不完整的，但在Explorer裡看起來就像已經複製成功了一樣。重點是：雖然沒有人會真的無聊到去拔除正在存取中的隨身碟，但不管是NTFS或FAT，都沒有一個確保檔案存取完整性的機制，可以看做是在檔案真正存取完畢前就先將資訊寫入檔案配置表或MFT。
TFAT的優點
TFAT的運作方式剛好相反，它將FAT原始的分層概念（Second Copy）：FAT0與FAT1做了有效運用。當檔案系統有變動時先在FAT1上進行存取操作，迨執行完畢後再把FAT1的資料複製到FAT0，如果在FAT1進行存取時被中斷了，那麼原本的FAT0並不會有變動，拿上面舉的例子來看就是如果檔案沒有複製完成，隨身碟中就看不到該檔案的資訊，雖然實體資料確實有被寫入磁碟區，但該區塊仍然是被標示為「空」的，對之後的檔案存取並不產生影響，也沒有消耗磁碟空間。這對隨身碟的壽命及檔案系統的健全性有一定幫助，如果上述情況發生在FAT的話，不但容易流失資料，而且整個配置表會破碎不完整，有時會出現明明刪除了檔案，磁碟空間卻沒有挪出來；或是檔案名稱還在，卻無實體內容的情況，這時就得靠chkdsk或重新格式化來解決問題。
說了那麼多，其實有點枉然，因為Windows桌面作業系統並不支援TFAT，一切還是以WinCE為主，而XP或Vista會把TFAT當作FAT來使用，而且沒有辦法刪除TFAT建立的目錄，總之現在TFAT與桌機系統無關，硬是要結合在一起不會有好結果就是了。TFAT是依存在exFAT之下的檔案系統，並沒有獨立出來。
總結：現在真的需要exFAT嗎？
延續上一段的結論，Vista SP1支援的exFAT不但沒有存取控制的機制，也沒有把TFAT的應用帶到一般桌面作業系統上，毋須逃避的Vista就是要裝在桌機或筆電，沒有人會去裝在PDA或手機上面，玩家最常接觸的媒介就是記憶卡、硬碟外接盒或隨身碟，如果exFAT帶來的是不怎麼明顯的效能節省與速度提昇，現階段又缺乏相容性，尤其是無法支援自己的ReadyBoost，要成為一個理想的跨平台檔案系統？理由似乎還不夠充份。
| Windows Registry Editor Version 5.00 |
|---|
| [HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\exfat] |
| "Description"="exFAT File System Driver" |
| "DisplayName"="exFAT File System Driver" |
| "ErrorControl"=dword:00000001 |
| "Group"="Boot File System" |
| "Start"=dword:00000002 |
| "Type"=dword:00000002 |
[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Eventlog \System\exfat] |
| "EventMessageFile"=hex(2):25,00,53,00,79,00,73,00,74,00,65,00,6d,00,52,00,6f,\ |
| 00,6f,00,74,00,25,00,5c,00,53,00,79,00,73,00,74,00,65,00,6d,00,33,00,32,00,\ |
| 5c,00,49,00,6f,00,4c,00,6f,00,67,00,4d,00,73,00,67,00,2e,00,64,00,6c,00,6c,\ |
| 00,00,00 |
| "TypesSupported"=dword:00000007 |
讓XP也能讀exFAT
雖然exFAT對大檔案沒有明顯效能增益，但因為相容性而放棄使用還蠻可惜的，至少它可以支援4GB以上的檔案。有個已經不是秘密的公開撇步可以讓XP認識exFAT，讀取exFAT格式的磁碟，不過只限於讀取，仍然無法直接在XP下格式化或轉換（Convert.exe）磁碟成exFAT格式。作法很簡單，將exfat.sys及uexfat.dll兩個檔案從Vista SP1的系統目錄下抽出，分別放在XP目錄的system32及system32\driver資料夾下，再把以下登錄檔內容匯入即可。
圖說：XP硬灌了兩個系統檔之後，可以辨別exFAT格式並做存取，但無法格式化。
何謂「日誌式」檔案系統？
日誌式（Journaling File System）主要是用來記錄檔案的詳細變動，不管是複製、搬移、刪除等動作，如果在這些動作進行時遭遇不正常的中斷，在中斷狀況解除後仍能依照記錄來進行復原或繼續的操作，也不必重新掃描一次來修復亂掉的檔案系統結構，這是大部份日誌式檔案系統的重點。如果電腦中的FAT32磁碟遭受不正當的關機程序，重開機時會對FAT磁區做一次掃描檢查，如果磁碟區容量愈大回復的動作就會愈久。NTFS卻不會，因為日誌式檔案系統已經有做紀錄，只要按圖索驥去重整MFT就好，不需要重新整個掃描一次，不過NTFS並沒有回復資料狀態（RollBack）的功能。
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