IT自救術─檔案系統初階概念探討

上期，本欄的內容簡要的說明了硬碟「為何是個精巧脆弱的系統」──因為硬碟的「硬體架構」和「軟體架構」都挺複雜，而複雜架構的東西總是精巧但脆弱的，並且順帶簡介了必要的硬碟「硬體架構」。既然上期講過了「硬的」部份，那這期我們就來點「軟的」。

這期，我們要說明「檔案系統」的簡單概念。

首先，我們先談談你對檔案系統的要求：
● 檔案可以任意增、刪
● 高效能
● 可靠
● 有複雜的管理功能（像是資料夾的分類能力）
● 安全（可以限制非必要的檔案存取）
一開始我們的要求不用那麼高，假設我們先只要能夠任意增刪檔案即可。

超單純的四個檔案結構
為了能讓各位理解檔案系統的邏輯概念，我仍舊先採用一個「簡化的，單純的」檔案系統作為範例。請各位跟著筆者的說明，思考一下檔案系統的運作原理。

假設你有四個檔案，檔案名稱分別就是A、B、C、D，大小分別是8個磁簇、10個磁簇、3個磁簇和9個磁簇。這4個檔案加起來，共佔用硬碟上30個磁簇的空間。



所謂的磁簇，英文名稱為「cluster」，你不妨把它視為是「磁碟裝置上，存放檔案內容的單位空間」。

想像一下，如果你要「讀取C檔案的內容」，該怎麼做？

就這個簡單的狀況而言，磁頭只要跑到C檔案所在的位置，第19個磁簇，依序讀三個磁簇的內容就可以了，想像的流程大致是這樣的。

使用者（透過作業系統）下命令讀取C檔案—>硬碟磁頭移動到第19個磁簇—>依序讀取3個磁簇的內容—>結束。

不過，這裡面有一個嚴重的問題。

作業系統不是「人」，它可不知道C檔案是放在第19個磁簇開始。

你要讀取檔案B，作業系統要從第9個磁簇開始讀取檔案內容。你要讀取檔案D，作業系統要從第22個磁簇開始讀取檔案內容。當我講這些動作的時候，我的眼睛必須不時要看一下那張配置表，看看檔案藏在哪裡。

所以，我可以告訴你，光是一個這樣的檔案系統結構，是不夠的。

檔案系統的真實情況
剛才是「檔案的內容都是連續存放」時的狀況。問題是，如果檔案的內容屬於非連續的狀態怎麼辦？

舉例來說，如果使用者先刪除了B檔案和D檔案，另外又存入了E檔案（大小為5個磁簇）和F檔案（大小為14個磁簇），這時候F檔案就會被迫放在非連續的兩個地方。這在任何檔案系統中都無法避免，因為檔案的增刪可算是磁碟系統的基本能力（光碟系統除外，因為光碟系統的讀寫作業很多時候是WORM，Write Once Read Many）。

為了要解決這種「檔案內容離散」的問題，Microsoft早期在設計DOS的時候，提供了兩個機制，一個稱為「File Directory」，一個稱為「File Allocation Table」。

我把File Directory簡化成只有兩個東西：「檔名」和「檔案內容所在的第一個磁簇」，只有這兩樣。不過，第一個磁簇的編號同時也指向File Allocation Table（簡稱為FAT）的空間，這空間裡面儲存了下個檔案內容存放的磁簇編號。如果裡面的內容如果是一個奇怪的樣式（稱為EoF好了，End of File），就代表檔案內容到此結束。用文字敘述各位可能看不懂，我們以上面的範例，做個簡單的追蹤給大家看（請參考下圖）。



請注意看F檔案的狀況，在File Directory裡面，它的檔案內容第一個磁簇是14，然後FAT表中的第14個欄位，放置的是存放F檔案內容的下一個磁簇編號，和FAT表中的下一個欄位編號（15），15指向16……，一直到第18個欄位，才指向第22磁簇和第22欄位，直到檔案結束。

這種「FAT地圖」的雙重鍊結概念，是Windows檔案系統中最重要的概念。

真實的世界
不過，真實的世界要比這複雜多了。
● 檔案的數量不會只有4個
現代的電腦，裡面的檔案數量莫說是400個，4,000個、40,000或是400,000個都有可能，真實的情況可說是沒人能預料，因此堪用的檔案系統得考量的問題很多。

● File Allocation Table（檔案配置表）會隨著磁碟「磁簇」的數量增加而變大，無論是數目還是尺寸都是
因此，一個磁碟的磁簇數量不能無限增長（這概念不容易想通，但實情就是如此）。所以Microsoft在DOS 1.0時代是使用FAT12（給磁碟片用的檔案系統）；後來推出FAT16，一直沿用到Windows 95；直到Windows 95 SR2才正式推出所謂的FAT32。所以，後來NTFS就使用了一些新的概念，設法解決硬碟容量（和檔案容量）越來越大的問題。

● 檔案系統還有其他實作上必須考量的功能
像是「資料夾」的檔案管理機制，檔案「即時壓縮」的能力。「檔案保全」的能力，「檔名長度」的問題，各種千奇百怪的使用者需求必須考慮。

總而言之，如果你能理解檔案系統這種「多層鏈結」的結構，大概就具備了「各種問題」的基礎處理能力了。我必須強調，檔案系統的實作，複雜度絕對比我所述複雜千萬倍，但我們既然不必撰寫一個什麼Recover Studio之類的工具，也就不用了解到那種程度。但是，當你有機會需要使用那一類的工具，上述的概念你一定要牢記在心。

刪除檔案的Q&A
Q：請問，在Windows作業時，不小心刪除檔案時，可以救回來嗎？
A：可以的，但要注意很多事情。

首先，當你刪除一個檔案時，實際上，你得記住，「作業系統不會去把檔案抹除掉」。

比方說，如果你刪掉前述系統中的E檔案，作業系統所作的，只不過是把E檔案File Directory項目給做個記號，並把FAT空間釋放出來。

為何這樣做？作業系統為何偷懶？不是應該「刪除了就是刪除了」？不是應該「曾經滄海難為水，除卻巫山不是雲」？好，扯遠了。倒不是作業系統愛偷懶，只是這樣才能讓檔案刪除的動作變快，而且這樣也才讓檔案被刪除後「也許還有機會得救」（當然也讓「某些人」有可乘之機就是）。

因此，只要你有辦法在該檔案釋放出來的空間還沒被占用前，先做出「反向」的還原動作，E檔案的內容還是可以被還原。請注意，因此，如果檔案被刪除，你發現了這是意外並打算「救援」，一定得準備一臺電腦或是空的硬碟，準備用來儲存被救回的檔案。

Format Q&A
Q：請問，把硬碟給「重新format」以後，是不是資料就一定會「安全的消失」？
A：不一定，但我會說「不會太安全」。

剛講過的檔案系統概念裡，如果你把硬碟重新分割，重新format，有時候破壞的只是「分割屬性表」或是「檔案配置表」。雖然這些結構姓的東西被破壞了，但是有些軟體還是可以設法搜尋硬碟的蛛絲馬跡，設法重建這些檔案系統的結構。

你問我「這些軟體是如何做到的？」我也不知道，但我肯定這種軟體是存在的。什麼？你問我為甚麼這麼肯定？難道？因為……嗯……啊……，這……。我只是猜的，猜的，絕對絕對絕對不是因為我偷過別人硬碟的檔案，最多最多最多就是我曾經幫忙拯救過別人的硬碟內容而已（有沒有越描越黑的感覺？如果有，那應該就是越描越黑了）。相信我，我和奇樂沒有關係，我和香港演藝圈唯一最接近的關係就只有……我看過香港版的壹周刊，如此而已。

不過，市面上有些工具，是可以真正的把硬碟的每個磁區內容填入0，讓資料真正歸零。這類工具就能夠比較保險的把資料消除，這種動作通常稱為「Wipe」而不是「Delete」，各位可以參考之前本刊的文章，有提過相關的工具。

不過，我也聽過一些「神蹟」，像是CIA有設備，可以把多微弱的磁力線軌跡給讀取出來……別想太多了，「24小時反恐任務」只是影集，千萬別當真。你以為總統承認醜聞會獲得民眾的諒解，最後還能當選喔！想太多了。就算真的有這種技術，也不是我們能用得到的。

本期結語：硬體受損，也許有救，但一定要花大錢Q：請問，如果硬碟的「硬體部份」受損，資料還能搶救嗎？
A：老實說，這也要看情形。

上期提過，硬碟的硬體結構也挺複雜，你壞掉的是電路板、磁頭、磁臂、磁碟片……，都會影響你是否能維修，以及維修後復原的程度，但是老實說，機會是有的。

不過，坊間「專業」的硬碟維修中心，收費不低，但非常專業，會有完整得報價和專業的無塵室，專門處理各種艱澀的維修問題。我個人曾經經手過的「例子」，修理了一臺碟片嚴重受損的硬碟，救回了70％的照片檔案，價格是33,000元。

你說划不划得來？我只是經手，要問那個修的人感覺是不是划得來。另外，我去的那專業硬碟維修公司，生意好得不得了就是了。

如果問我，我會使用兩種工具，同時處理輕微的磁區損壞和檔案系統損壞，但我這種就是「家裡敦級」的個人不專業硬碟維修，會用一些工具…這些工具不貴，自己要有一點概念，但是修不修得好，一切看情況，我個人的失敗率是「fifty-fifty」──一半一半啦！所以，嗯，我只能說，各位，即使是個人，使用RAID系統，並虛擬化你的磁碟系統，恐怕也是有其必要的。

我下期會介紹並示範一下這類軟體的用法，敬請期待。