徹底研究exFAT

 

電腦王雜誌    97/6/4          【PChomeAdvance電腦王46期】

【文／洪宛靖】

適用於隨身儲存裝置的檔案系統釋疑與效能實測

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？

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？



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的比較
	FAT32	NTFS	exFAT
適用作業系統	Win95 OSR2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。

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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。

exFAT、NTFS、FAT32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
測試環境皆為Vista SP1

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。

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。

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。

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。indows 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

何謂「日誌式」檔案系統？

日誌式（Journaling File System）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。