ファイルシステムとは
ファイルシステムは、コンピュータの二次記憶装置（ハードディスク、SSD、USBメモリなど）にデータを効率的かつ永続的に保存し、ユーザーやアプリケーションがそれらのデータを論理的にアクセス・管理できるようにするための、OS（オペレーティングシステム）の仕組みとデータ構造のことであり、ファイル名、ディレクトリ構造、ファイルサイズ、アクセス権限などのメタデータを管理し、データの物理的な配置場所を抽象化することで、利用者に使いやすい階層的な環境を提供するための、OSの基幹機能の一つです。
ファイルシステムの概要と主要な機能
ファイルシステム（File System）は、データを単なるバイト列の集合として扱うのではなく、意味のあるファイルやディレクトリ（フォルダ）という単位で組織化し、管理する役割を担います。
1. 物理的な管理と論理的な抽象化
ファイルシステムの最も重要な役割は、物理的な記憶装置と、ユーザーやアプリケーションが認識する論理的なデータ構造との間の橋渡しをすることです。
- 物理的な管理: ファイルを構成するデータブロックが、記憶装置のどのセクタやクラスタに配置されているかを管理します。
- 論理的な抽象化: ユーザーは、データの物理的な位置を意識することなく、「/home/user/document.txt」のようなパス名を用いてファイルにアクセスできます。
2. ファイルシステムの主要な構成要素
ファイルシステムは、主に以下の要素によって成り立っています。
- ファイル（File）: データの実体を格納する名前付きの単位です。
- ディレクトリ（Directory/Folder）: ファイルや他のディレクトリを階層的に整理するための入れ物です。
- メタデータ（Metadata）: ファイルそのものの内容ではなく、ファイルに関する付随情報（ファイル名、サイズ、作成日時、更新日時、所有者、アクセス権限など）を指します。
- ブロック（Block / Cluster）: ファイルシステムがデータを読み書きする際の最小単位。物理的なセクタよりも大きな論理単位として定義されます。
ファイルシステムの構造とデータ管理
ファイルシステムは、効率的なデータアクセス、迅速なファイル検索、および障害発生時の復旧を可能にするために、特定の内部構造を持ちます。
1. 階層構造（ツリー構造）
ファイルシステムは、通常、単一のルートディレクトリを頂点とするツリー状の階層構造を採用しています。
この構造により、ユーザーは論理的に整理された状態で大量のファイルを管理でき、OSはパス名に基づいてファイルを迅速に探索できます。
2. 空き領域管理
新しいファイルを作成したり、既存のファイルを拡張したりする際に、ディスク上の利用可能な空き領域を把握し、割り当てる必要があります。
- ビットマップ方式: ディスク上の各ブロックの状態（使用中か空きか）を1ビットで表現したマップを管理します。
- 連結リスト方式: 空きブロックを連結したリストを管理します。
3. ファイルの物理的な配置（断片化）
ファイルを構成するデータブロックは、必ずしもディスク上に連続して配置されるわけではありません。
- 連続配置（Contiguous Allocation）: 理想的ですが、柔軟性に欠けます。
- 非連続配置: ファイルを構成するブロックがディスク上のバラバラの位置に配置されます。このとき、ファイルシステムはこれらのブロックの位置情報を管理する必要があります（例：FATやiノード）。
- 断片化（Fragmentation）: ディスクの利用が進むと、ファイルが細かく分断されて配置され、データの読み書き効率が低下する現象。デフラグメンテーション（最適化）によって解消されます。
主なファイルシステムの種類
OSや用途によって、様々な特性を持つファイルシステムが存在します。
| ファイルシステム | 主な採用OS | 特徴 |
| NTFS | Windows | 高い堅牢性、セキュリティ機能、大容量サポート。 |
| FAT32 | 以前のWindows、USBメモリなど | 互換性が高いが、ファイルサイズやパーティション容量に制限がある。 |
| exFAT | フラッシュメモリ（SDカードなど） | FAT32の制限を解消し、互換性を維持。 |
| ext4 | Linux | 高速性、信頼性、ジャーナリング機能を持つ。 |
| APFS | macOS, iOS | SSDに最適化された高性能なファイルシステム。 |
ジャーナリング機能は、ファイルシステムの操作履歴（ジャーナル）を記録することで、システムクラッシュが発生してもデータの不整合（破損）を迅速に修復し、システムの回復性を高める重要な技術です。
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