探寻操作系统文件名字符限制的规则和历史

引言

从最早的电脑系统到现代的操作系统，文件命名的规则一直在不断发展，这些规则体现了不同操作系统设计哲学的差异。作为开发者，了解这些差异和背后的历史渊源非常有价值，本文将详细探讨Windows、macOS和Linux三大主流操作系统在文件名字符限制方面的差异和背后的历史原因。

Windows的文件名限制

MS-DOS与字符限制的起源

Windows的文件名限制可以追溯到MS-DOS时代。MS-DOS作为Windows前身的操作系统，其文件命名规则继承了CP/M系统的8.3命名约定，即最多8个字符的文件名，加上最多3个字符的扩展名。随着Windows的发展，虽然放宽了长度限制，但对某些特殊字符的限制依然保留。

Windows文件名字符限制

在 Windows 10 版本 1607 之前的 Windows 版本中，路径的最大长度为 MAX_PATH，定义为 260 个字符。在更高版本的 Windows 中，可以通过更改注册表项或使用组策略工具来解除这个长度的限制。

在Windows操作系统中，文件名不能包含以下特殊字符：<（小于号）、>（大于号）、:（冒号）、"（双引号）、/（正斜杠）、\（反斜杠）、|（竖线或管道符）、?（问号）和*（星号）。这些字符在Windows命令提示符中具有特定的控制功能，例如：

< 和 > 用于输入和输出重定向。
: 用于指定驱动器字母。
" 用于定义包含空格的字符串。
/ 和 \ 用于指示路径。Windows使用 \ 作为路径分隔符，这是为了与早期的MS-DOS兼容。
| 用于管道操作，它将一个命令的输出传递给另一个命令。
? 和 * 用作文件名中的通配符。

Windows文件系统（如FAT32、NTFS）对这些字符的限制是为了防止命令行解析混淆和潜在的安全问题。

例如，<和>用于重定向操作，/和\作为路径分隔符，而*和?则作为通配符使用。为了防止命令行解析混乱，Windows操作系统禁止在文件名中使用这些字符。此外，保留关键字如CON、PRN等，均与早期硬件设备的控制有关，因此也被禁止使用。

关于Windows文件系统的详细限制，请参阅MSDN:命名文件、路径和命名空间

文件系统的演进和影响

从FAT文件系统到NTFS，Windows对文件名的处理方式也在不断演进。NTFS文件系统增加了对长文件名的支持，并提供了一些额外的功能，如文件压缩、加密和权限控制。虽然NTFS在技术上支持文件名大小写的敏感性，但为了保持与既有软件的兼容性，Windows默认仍然是大小写不敏感的。

macOS的文件名规则

在macOS中，由于其基于UNIX的文件系统（通常是HFS+或APFS），文件命名的限制比Windows要少。
macOS主要限制的特殊字符是：

:（冒号）：在macOS中，冒号曾经被用作路径分隔符，但在Mac OS X中已经被/（正斜杠）取代。为了兼容性，冒号禁止用于文件名使用。
/（正斜杠）：和在其他UNIX系统中一样，正斜杠在macOS中用作路径分隔符，在命令行环境中不能用于文件名，但是在Finder中可以使用正斜杠作为文件名。

从Macintosh文件系统到APFS

历史上，Mac OS使用冒号（:）作为路径分隔符，而不是UNIX系统中常见的正斜杠（/）。这是因为Macintosh文件系统（MFS）和后来的层次文件系统（HFS）都使用冒号作为分隔符。
后来到了Mac OS X（现在称为macOS），苹果采纳了UNIX风格的文件系统结构，其中使用正斜杠作为路径分隔符。因为Mac OS X 基于NeXTSTEP操作系统，后者是一个基于UNIX的操作系统，因此在Mac OS X中继承了许多UNIX的特性，其中就包括文件路径分隔符。

为了向后兼容以前的Mac OS应用程序和用户习惯，苹果设计了一个转换层，允许旧的使用冒号作为分隔符的Mac OS软件在新的Mac OS X环境中运行。
在底层，macOS的文件系统（无论是HFS+还是APFS）都理解正斜杠作为路径分隔符，并在文件系统API和命令行界面中使用它。但是，为了保持与传统Mac OS应用程序的兼容性，正斜杠在图形用户界面层面被转换为冒号。

这种设计让macOS平滑地过渡到基于UNIX的系统，同时保持对传统Mac OS软件的支持。

冒号与正斜杠的特殊处理

用户在Finder中可以使用正斜杠命名文件，但在底层文件系统及命令行中，这些文件名的正斜杠会被解释为冒号。因此如果文件名存在 /（正斜杠），那么在命令行中会自动转换为:（冒号）：
在这里插入图片描述

大小写敏感性与隐藏文件

macOS的文件系统通常是对大小写不敏感的，但用户可以选择创建大小写敏感的文件系统，这在某些开发环境中非常有用。此外，与Linux一样，以点（.）开头的文件在macOS中也被视为隐藏文件，这是UNIX系统的一个传统特性。

Linux的文件名自由度

UNIX传统的继承者

Linux作为UNIX的直接后裔，其文件命名规则继承了UNIX的设计哲学，即提供尽可能多的灵活性给用户和程序员。在Linux系统中，除了路径分隔符（/）外，几乎没有其他限制。

大小写敏感性的影响

与Windows和macOS不同的是Linux默认是区分大小写的系统。也就是Document.txt和document.txt会被视为两个不同的文件。大小写敏感性为文件命名提供了更大的空间，但同时也要求用户在命名文件时更加注意，避免混淆。

符号链接和硬链接

Linux系统中的符号链接和硬链接为文件命名和文件管理带来了额外的灵活性。符号链接允许为同一文件创建多个引用点，而硬链接则使得多个文件名可以直接指向同一文件内容。这些链接机制在文件命名时提供了更多的策略和选择。

文件名字符长度限制

Windows、macOS 和 Linux 在最大路径长度上有不同的限制。但是最大文件名长度一般都是255个字符。

Windows

正如前面提到，在Windows中，路径长度的限制历史上一直是260个字符，定义为MAX_PATH限制。这包括了文件名、目录名以及文件名前的驱动器字母（比如C:\）和尾随的空字符。例如，C:\some_directory\another_directory\a_file.txt的长度包含了所有字符和斜线。
从Windows 10版本1607（也称为“周年更新”）开始，用户可通过组策略编辑器启用一个新的策略，该策略允许超过260个字符的长路径。启用此功能后，最大路径长度可以增加到大约32767个字符，但这可能会导致不支持长路径的应用程序出现问题。

在Windows中，NTFS文件系统的文件名长度限制通常为255个字符。

macOS

macOS使用的是UNIX风格的文件系统，包括HFS+和其后继者APFS。在这些文件系统中，最大文件名长度通常为255个字符，而整个路径长度的限制则远远大于此值，理论上可达到几千个字符。

APFS是苹果公司在2017年推出的新文件系统，它被设计成支持非常长的文件名和路径名，但实际应用中，软件可能会对路径长度有自己的限制。

Linux

Linux和其他类UNIX系统的文件名和路径长度限制主要由文件系统决定，以及内核和用户空间工具的限制。对于常见的Linux文件系统如ext4，文件名长度限制是255个字符。而路径长度限制则是4096个字符，这是POSIX定义的PATH_MAX常数。

跨平台文件命名的挑战

文件命名冲突与解决方案

在跨平台环境中，不同操作系统的文件名限制差异会导致文件命名冲突。例如，一个在Linux下合法的文件名可能在Windows中是非法的。例如笔者曾经遇到一些压缩包中的文件在macOS下可以正常解压而在Windows下解压失败，这就是用了特殊字符作为文件名的弊端。在文件命名时最好使用最小公约数命名规则，避免使用任何系统中的特殊字符。