Learning Objectives
- 說明檔案、目錄、路徑與中繼資料，以及檔案系統把磁碟區塊組織成檔案的角色
- 比較連續配置、鏈結配置與索引配置（i-node）在讀取、加大檔案與空間利用上的取捨
- 解釋外部碎片、內部碎片與磁碟重組
- 說明刪除檔案時實際發生的事，判斷檔案在什麼情況下還救得回來
- 認識常見的檔案系統（FAT32、exFAT、NTFS、ext4、APFS）與它們的使用場合
這一課要回答的問題
你可能遇過這些情況：
- 隨身碟還有 20 GB 空間，複製一個 5 GB 的影片卻出現「檔案太大」
- 不小心刪掉報告，朋友說「先不要再存任何東西，還救得回來」
- 一個只有幾個字的文字檔，內容寫「大小 12 位元組」，卻「佔用磁碟空間 4 KB」
- 舊電腦跑很慢，有人建議你做「磁碟重組」
這些都和檔案系統（file system）有關。硬碟、SSD、隨身碟對作業系統來說，只是一大排編了號、大小固定的區塊（block）。 檔案系統負責把這些區塊組織成你看得到的檔案與資料夾，並且記住每個檔案放在哪些區塊。
這一課要回答：檔案系統怎麼記錄一個檔案放在哪裡？刪除檔案時，資料真的不見了嗎？
檔案、目錄與中繼資料
檔案（file）是一筆有名字的資料：一份報告、一張照片、一個程式。 目錄（directory，也就是資料夾）用來分類檔案，目錄裡還可以有目錄，整個結構像一棵倒過來的樹，最上層叫根目錄。
路徑（path）是從某個目錄走到檔案的路線：
| 寫法 | 例子 | 說明 |
|---|---|---|
| 絕對路徑 | /home/mei/文件/報告.docx（Linux、macOS）、C:\Users\Mei\Documents\報告.docx（Windows） |
從根目錄（或磁碟機代號）開始寫，在哪裡用都指向同一個檔案 |
| 相對路徑 | 文件/報告.docx、../照片/貓.png |
從「目前所在的目錄」開始算；.. 表示上一層 |
除了內容，檔案系統還替每個檔案記錄中繼資料（metadata）：大小、建立與修改時間、擁有者、權限，以及最重要的：資料放在哪些區塊。
區塊是配置空間的最小單位。假設一個區塊是 4 KB（常見的大小，示意），一個 12 位元組的文字檔也要佔用一整個區塊， 剩下沒用到的空間別的檔案不能用，這叫內部碎片（internal fragmentation）。這就是「大小」和「佔用磁碟空間」不一樣的原因。
三種配置方式：檔案放在哪些區塊
檔案可能需要很多個區塊。檔案系統要決定用哪些區塊，還要記住它們。教科書常見三種做法：
| 配置方式 | 怎麼記錄 | 讀第 k 塊 | 加大檔案 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| 連續配置（contiguous） | 目錄只記「起點＋長度」 | 直接算出位置：起點＋(k−1) | 後面被占用時要整個搬家 | 刪除後留下零碎的空洞，大檔案放不進去（外部碎片） |
| 鏈結配置（linked） | 目錄記第一塊；每一塊裡記著下一塊在哪 | 要從第一塊一路走過去 | 任何空區塊都能接上去 | 讀後面的區塊很慢；一個指標壞掉，後面全斷 |
| 索引配置（indexed） | 用一份清單列出全部區塊（Unix 類系統的 i-node 就是這種概念） | 查清單一次就知道位置 | 在清單後面加一項 | 每個檔案都要多一份清單的空間 |
真實的檔案系統常混合使用：例如 FAT 系列用一張「檔案配置表」記錄每個區塊的下一塊（鏈結的變形）； ext4 等檔案系統用 i-node 記錄區塊，並盡量把同一個檔案放在連續的區塊（一段一段記錄），兼顧讀取速度。
外部碎片與磁碟重組
剛剛看到的現象：檔案不斷建立、刪除、加大，可用空間被切成很多小段。
- 外部碎片：空間總量夠，但沒有一段夠大的連續空間。連續配置最怕這個。
- 檔案被切成好幾段：鏈結與索引配置雖然放得下，但同一個檔案的區塊散在各處。 傳統硬碟（HDD）讀取時要移動磁頭、等碟片轉到位置，讀分散的區塊比讀連續的區塊慢很多（第 13 課）。
磁碟重組（defragmentation）就是把每個檔案搬成連續的、把可用空間集中在一起。代價是要搬動大量資料、花時間。
固態硬碟（SSD）沒有磁頭要移動，讀分散的區塊不會像傳統硬碟那樣慢，一般不需要做重組； 作業系統對 SSD 做的「最佳化」主要是通知它哪些區塊已經不用了（TRIM），方便它在背景清理。
想一想：區塊與配置方式
區塊大小是 4 KB。一個 10 KB 的檔案實際佔用多少磁碟空間？
影片播放器常常要「跳到第 45 分鐘」，也就是直接讀檔案中間的某一塊。哪一種配置方式最不適合？
連續配置下，一個檔案後面的區塊已經被別的檔案占用，現在要把它加大，會發生什麼事？
刪除檔案時發生了什麼
在 Unix 類系統（Linux、macOS）裡，檔案的中繼資料放在 i-node，每個 i-node 有一個編號；
目錄其實也是一個檔案，內容是一張「名稱 → i-node 編號」的對照表。打開 /照片/貓.png 的過程是：
讀根目錄 → 找到「照片」的 i-node → 讀照片目錄 → 找到「貓.png」的 i-node → 從 i-node 得知資料在哪些區塊。
那麼刪除檔案時呢？為了速度，檔案系統通常不會把資料一格一格清掉，只做這幾件事：
- 從目錄裡拿掉這個名稱
- 把 i-node 標成「未使用」
- 在可用空間點陣圖（bitmap）裡，把它的區塊標成「可用」（0）
資料本身還留在區塊裡，直到有新檔案剛好用到那些區塊、把它覆寫掉。所以：
| 情況 | 能不能救回 |
|---|---|
| 剛刪除、還沒寫入新資料 | 救援工具常常能找回來 |
| 刪除後又存了很多新檔案 | 部分或全部區塊被覆寫，救回來的檔案可能是壞的 |
| 用「徹底抹除」工具先把區塊寫成 0 再刪除 | 救不回來 |
| SSD 已經對那些區塊執行 TRIM | 通常救不回來 |
誤刪檔案時的第一件事：停止在那顆磁碟上寫入任何東西。反過來說，要把舊電腦或隨身碟送人之前， 只按「刪除」並不安全，應該用作業系統的重設或清除功能。
平常按刪除，多半先進到資源回收筒（Windows）或垃圾桶（macOS），其實只是把檔案搬到一個特別的資料夾，還沒有真的刪除；清空之後才是上面說的情況。
常見的檔案系統
格式化（format）一顆磁碟，就是在上面建立一個新的、空的檔案系統。不同作業系統與裝置用的檔案系統不同：
| 檔案系統 | 常見用途 | 特點 |
|---|---|---|
| FAT32 | 隨身碟、記憶卡、相機 | 幾乎所有裝置都能讀寫；單一檔案最大約 4 GB（記錄檔案大小的欄位只有 32 位元） |
| exFAT | 大容量隨身碟、記憶卡 | 一樣容易跨平台使用，沒有 4 GB 的單檔限制 |
| NTFS | Windows 的系統磁碟 | 支援權限、日誌、壓縮與加密等功能 |
| ext4 | 許多 Linux 發行版的預設 | 使用 i-node、支援日誌 |
| APFS | Apple 的電腦與行動裝置 | 為 SSD 設計，支援快照與加密 |
開頭那個「隨身碟有空間卻放不下 5 GB 影片」的情況，原因就是隨身碟格式化成 FAT32；改成 exFAT 就能放（格式化會清除隨身碟上的資料，先備份）。
日誌（journaling）是什麼？寫入檔案要改好幾個地方（資料區塊、i-node、點陣圖、目錄），如果寫到一半停電，檔案系統可能前後不一致。 有日誌的檔案系統會先把「我要做哪些修改」記下來，再真正去改；重開機時照著日誌補完或取消，就不必花很長時間檢查整顆磁碟。
想一想：刪除、救回與檔案系統
清空資源回收筒之後，檔案的資料區塊通常變成什麼狀態？
你誤刪了隨身碟裡的作業，下面哪一個做法最可能讓它救不回來？
一支 64 GB 的隨身碟還有 30 GB 可用，複製一個 6 GB 的影片時出現「檔案太大」。最可能的原因是？
重點整理
- 檔案系統把磁碟上編了號的區塊組織成檔案與目錄，並記錄每個檔案的中繼資料：大小、時間、權限，以及資料在哪些區塊。
- 區塊是配置的最小單位；最後一塊用不滿的空間是內部碎片，所以「佔用磁碟空間」常比「大小」大。
- 連續配置讀取最快、但怕外部碎片與加大；鏈結配置不怕碎片、但讀中間的區塊要一路走過去；索引配置（i-node）用一份清單記錄全部區塊，兼顧兩者。
- 磁碟重組把檔案搬成連續的，對傳統硬碟有幫助；SSD 一般不需要。
- 目錄是「名稱 → i-node」的對照表。刪除檔案只是拿掉名稱、把 i-node 與區塊標成可用；資料被覆寫之前常常救得回來，徹底抹除或 SSD 的 TRIM 之後通常救不回來。
- 常見檔案系統：FAT32（相容性最好，單檔約 4 GB 上限）、exFAT、NTFS、ext4、APFS；有日誌的檔案系統在停電後比較容易恢復一致。
想親手用指令操作檔案與目錄，可以接著上 Linux 軌。
下一課：電腦裡的檔案大多是別人寫好的軟體。安裝程式做了什麼？為什麼要一直更新？授權條款又在說什麼？