ファイルシステムとは？仕組みと代表的な種類をわかりやすく解説

パソコン上のすべてのファイルは、ハードディスクやSSDなどのストレージデバイスに保存されています。これらのファイルを整理された形で管理するためには、専用の仕組みが必要です。それが「ファイルシステム」です。ファイルシステムとは、ドライブ上のデータを分割し、個別のファイルとして保存するための方式のこと。ファイル名や種類、アクセス権限などの属性情報もすべてファイルシステムに記録されます。さらに、各ファイルの保存場所のインデックス（索引）を管理しているため、OSはディスク全体を走査しなくても目的のファイルをすぐに見つけられます。

ファイルシステムにはさまざまな種類があり、OSとファイルシステムの互換性が重要です。両者に互換性がある場合にのみ、OSはファイルシステムの内容を表示したり、ファイルに対する各種操作を実行したりできます。互換性がない場合は、そのファイルシステムを利用できません。対策としては、対応するファイルシステムドライバをインストールする方法があります。

ファイルシステムとは何か？

ファイルシステムとは、ストレージデバイス上のデータが物理的にどこに存在するかを示す、いわばデータベースのようなものです。ファイルはフォルダ（ディレクトリとも呼ばれます）に整理され、各ディレクトリには1つ以上のサブディレクトリが含まれ、一定の基準に基づいてグループ化されたファイルが保存されます。

コンピュータにデータが存在する以上、ファイルシステムは必須です。したがって、すべてのコンピュータには何らかのファイルシステムが搭載されています。

なぜファイルシステムには多くの種類があるのか

ファイルシステムにはさまざまな種類があり、データの整理方法、処理速度、追加機能などの点で異なります。少量のデータの保存に適したものもあれば、大量のデータに対応できるものもあります。セキュリティ性の高いものもあれば、速度重視のものもあります。セキュリティと堅牢性に優れたファイルシステムが必ずしも最速であるとは限らず、すべての優れた機能を1つのファイルシステムで実現するのは困難です。

そのため、「最高のファイルシステム」を探すこと自体にあまり意味がありません。それぞれのファイルシステムには異なる目的があり、異なる特徴を持っています。OSの開発では、開発者はそのOS用のファイルシステムも併せて構築します。Microsoft、Apple、Linuxはそれぞれ独自のファイルシステムを持っています。新しいファイルシステムの方が大容量ストレージへの拡張が容易で、ファイルシステムは進化を続けているため、新しいものほど優れた機能を備えています。

ファイルシステムの設計は決して簡単な作業ではありません。多大な研究と工夫が費やされます。メタデータの保存方法、ファイルの整理・インデックスの方法などが定義されており、その実現方法は複数あります。したがって、どのファイルシステムにも常に改善の余地があり、より効率的なファイル管理の方法が模索され続けています。

ファイルシステムの仕組みを詳しく見る

ここからは、ファイルシステムがどのように動作するのかを詳しく見ていきましょう。ストレージデバイスは「セクタ」と呼ばれる小さな単位に分割されています。すべてのファイルはこのセクタに保存されます。ファイルシステムはファイルのサイズを検出し、ストレージデバイス上の適切な位置に配置します。空いているセクタには「未使用」のラベルが付けられ、ファイルシステムは空きセクタを識別してファイルを割り当てていきます。

長期間にわたって読み書き操作を繰り返すと、ストレージデバイスでは「フラグメンテーション（断片化）」という現象が発生します。これは避けられないものですが、システム効率を維持するためには定期的な対処が必要です。断片化を解消するのが「デフラグメーション」で、無料のデフラグツールも多数提供されています。

ファイルをディレクトリやフォルダに整理することで、命名の問題も解消されます。フォルダがなければ、同じ名前のファイルを2つ持つことはできません。整理された環境では、ファイルの検索や取得も格段に容易になります。

ファイルシステムには、ファイル名、ファイルサイズ、保存場所、セクタサイズ、所属ディレクトリ、フラグメントの詳細など、ファイルに関する重要な情報が保存されています。

代表的なファイルシステム

1. NTFS

NTFS（New Technology File System）は、Microsoftが1993年に導入したファイルシステムです。Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8、Windows 10など、ほとんどのバージョンのWindows OSで標準採用されています。

ドライブがNTFSでフォーマットされているか確認する方法

ドライブにファイルシステムを設定する前に、フォーマットを行う必要があります。これは、ドライブのパーティションを選択し、その上のデータを消去してファイルシステムを構築することを意味します。ハードディスクがNTFSを使用しているかどうかは、次のいずれかの方法で確認できます。

• Windowsの「ディスクの管理」（コントロールパネルから開けます）を表示すると、ドライブの詳細情報とともにファイルシステムの種類が確認できます。
• または、エクスプローラーで対象のドライブを右クリックし、メニューから「プロパティ」を選択します。プロパティ画面にファイルシステムの種類が表示されます。

NTFSの主な機能

NTFSは最大16EB（エクサバイト）の大容量ハードディスクに対応しており、1ファイルあたり最大256TBのデータを保存できます。

「トランザクション型NTFS」という機能もあります。この機能を使って構築されたアプリケーションでは、一連の変更が完全に成功するか、完全に失敗するかのどちらかになります。一部の変更だけが適用され、他の変更が失敗するといった不整合のリスクを軽減できます。開発者が実行するトランザクションはアトミック（不可分）に処理されます。

また、「ボリュームシャドウコピーサービス（VSS）」という機能も備えています。OSやバックアップソフトウェアは、この機能を利用して使用中のファイルであってもバックアップできます。

NTFSはジャーナリングファイルシステムでもあります。システム変更が実行される前に、その内容がログに記録されます。新しい変更が確定される前に失敗した場合でも、ログのおかげで以前の状態へ簡単に復元できます。

EFS（Encrypting File System）は、個々のファイルやフォルダ単位で暗号化を提供する機能です。

さらにNTFSでは、管理者がディスク使用量のクォータ（割り当て制限）を設定できます。これにより、すべてのユーザーが共有ストレージスペースに平等にアクセスでき、特定のユーザーがネットワークドライブの容量を占有しすぎることを防げます。

2. FAT

FAT（File Allocation Table）は、Microsoftが1977年に開発したファイルシステムです。MS-DOSや古いバージョンのWindows OSで使用されてきました。現在、Windows OSの主力ファイルシステムはNTFSですが、FATも引き続きサポートされています。

FATは時代とともに進化を続け、大容量ハードディスクや大きなファイルサイズにも対応できるようになりました。

FATファイルシステムの各バージョン

FAT12

1980年に登場したFAT12は、MS-DOS 4.0まで広く使われていました。フロッピーディスクでは今もFAT12が使われています。FAT12では、ファイル名は8文字、拡張子は3文字までという制限があります。ボリュームラベル、隠しファイル、システムファイル、読み取り専用など、今日私たちが使っている重要なファイル属性の多くは、このバージョンのFATで初めて導入されました。

FAT16

16ビットのFile Allocation TableであるFAT16は、1984年に初めてリリースされ、DOS 6.22までのシステムで使用されました。

FAT32

1996年に登場したFAT32は、FATシリーズの最新バージョンです。2TBのドライブに対応しており、64KBクラスタを使用すれば最大16TBまで拡張可能です。

exFAT

exFAT（Extended File Allocation Table）もMicrosoftが開発し、2006年に登場しました。ただし、これはFATの次期バージョンという位置づけではなく、USBメモリやSDHCカードなどのポータブルデバイス向けに設計されたファイルシステムです。すべてのバージョンのWindows OSでサポートされており、1ディレクトリあたり最大2,796,202個のファイルを保存でき、ファイル名は最大255文字まで使用できます。

その他、よく使われているファイルシステムには以下のようなものがあります。

• HFS+（macOS）
• Btrfs
• Swap
• Ext2／Ext3／Ext4（Linux系）
• UDF
• GFS

ファイルシステムを切り替えることはできる？

ドライブのパーティションは、特定のファイルシステムでフォーマットされています。パーティションを別の種類のファイルシステムに変換することは可能な場合もありますが、推奨されません。重要なデータを別のデバイスに退避させてから、目的のファイルシステムで再フォーマットする方が安全です。

ファイル暗号化、ディスククォータ、オブジェクト権限、ファイル圧縮、インデックス属性などの機能はNTFSにのみ搭載されており、FATではサポートされていません。したがって、このようなファイルシステム間の切り替えには一定のリスクが伴います。たとえば、NTFSで暗号化されたファイルをFAT形式の領域に移動すると、暗号化が解除され、アクセス制限が失われて誰でも閲覧できる状態になってしまいます。同様に、NTFSボリューム上の圧縮ファイルも、FAT形式のボリュームに移動すると自動的に展開されます。

まとめ

• ファイルシステムは、ファイルとその属性を保存し、システム内のファイルを整理するための仕組みです。OSによるファイルの検索や取得を支援します。
• ファイルシステムにはさまざまな種類があり、各OSには独自のファイルシステムがプリインストールされています。
• ファイルシステムの切り替えは技術的には可能ですが、旧システムの機能が新システムでサポートされていない場合、ファイルはその機能を失います。そのため、切り替えは推奨されません。