F2FS
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| 開發者 | 三星電子、摩托羅拉移動和華為 |
|---|---|
| 全稱 | Flash-Friendly File System |
| 發布 | 2012-12-20[1] (Linux內核 3.8[2]) |
| 結構 | |
| 目錄內容 | 多級哈希表 |
| 文件分配 | 位圖（可用空間）、表 |
| 限制 | |
| 最大文件尺寸 | 3.94TB |
| 最大文件數量 | 取決於卷大小 |
| 最長文件名 | 255字節 |
| 最大卷容量 | 16TB |
| 功能 | |
| 日期記錄 | 修改 (mtime), 屬性修改 (ctime), 訪問 (atime) |
| 日期分辨率 | 1 ns |
| 屬性 | POSIX、擴展屬性 |
| 文件系統權限 | POSIX、ACL |
| 透明壓縮 | 否 |
| 透明加密 | 是 |
| 操作系統支持 | Linux |
F2FS（英語：Flash-Friendly File System）是一種快閃記憶體檔案系統，主要由金載極（韓語：김재극）在三星集團研發，適合Linux內核使用[3]。
此檔案系統起初是為了NAND閃存的存儲設備設計（諸如固態硬盤、eMMC和SD卡），這些設備廣泛存在於自移動設備至服務器領域。
三星應用了日誌結構檔案系統的概念，使它更適合用於儲存設備。
特性
- 多頭日誌（Multi-head logging）
- 對目錄項的多層哈希表
- 靜態/動態冷熱數據分離
- 自適應記錄方案
- 可配置操作單元
- 雙檢查點
- 回滾和前滾恢復
- Heap-style塊分配
- TRIM/FITRIM支持[4]
- 聯機的文件系統/文件碎片整理[5]
- 內聯xattrs[6]/數據[7]/目錄[8]
- 脫機文件系統檢查（檢查和修復不一致）[9])
- 線性一致性[10]
- 文件系統級加密[11]
- 脫機調整大小[12]
- 內部定期數據刷新[13]
- 範圍緩存[14]
設計
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磁盤上布局
F2FS將整個卷分成多個段（segment），每個段固定為2 MB。一個節（section）由連續的段組成，一個區（zone）由一組節組成。默認情況下，節與區被設置為相同的大小，但用戶可以用mkfs輕鬆修改大小。
F2FS將整個卷劃分為六個區域，除了超級塊（superblock）以外的所有區都由多個段組成，如下所述。
- 超級塊（Superblock，SB）
- 超級塊位於分區起始處，共有兩個副本以避免文件系統損壞。它包含基本的分區信息和一些默認的F2FS參數。
- 檢查點（Checkpoint，CP）
- 檢查點包含文件系統信息，有效NAT/SIT集的位圖，孤立inode列表，以及當前活動段的摘要條目。
- 段信息表（SIT）
- 段信息表包含主區域塊的有效塊數量和有效位圖。
- 節點地址表（NAT）
- 節點信息表主區域節點塊的地址表。
- 段摘要區（SSA）
- 段摘要區包含的條目包含主區域數據和節點塊的所有者信息。
- 主區域（Main Area）
- 主區域包含文件和目錄數據及其索引（indices）。
為了避免文件系統與閃存之間的對齊錯誤，F2FS將CP的起始塊地址與段大小對齊。它還通過在SSA區域中預留一些段來將「主區」起始塊地址與區的大小對齊。
元數據結構
F2FS使用檢查點方案來維護文件系統的完整性。在掛載時，F2FS首先嘗試掃描CP區域來查找最後的有效檢查點數據。為了縮短掃描時間，F2FS只使用CP的兩個副本。其中一個總是指示最後的有效數據，這被稱為影子副本機制。除了CP之外，NAT和SIT也使用影子副本機制。為了保證文件系統的一致性，每個CP指向的NAT和SIT副本都是有效的。
索引結構
關鍵的數據結構是「節點」。與傳統的文件結構類似，F2FS有三種類型的節點：inode，直接節點，間接節點。F2FS將4 KB分配給一個inode塊，其中包含923個數據塊索引（data block indices），兩個直接節點指針，兩個間接節點指針，以及一個double間接節點指針，如下所述。一個直接節點塊包含1018個數據塊索引，而間接節點塊包含1018個節點塊索引。因此，一個inode塊（即一個文件）涵蓋：
4 KB × (923 + 2×1018 + 2×10182 + 10183) = 3.94 TB
注意，所有節點塊都經NAT映射，因此每個節點的位置都經NAT轉換。為了緩解漫遊樹問題，F2FS能夠切斷葉數據寫入引起的節點更新傳播。
目錄結構
一個目錄條目（dentry）占用11個字節，由以下屬性組成。
| hash | 文件名的散列值 |
|---|---|
| ino | Inode號碼 |
| len | 文件名長度 |
| type | 文件類型，如目錄、符號鏈接等。 |
一個目錄條目塊由214個目錄條目槽[查證請求]及文件名組成。有一個位圖用於記錄每個目錄條目是否有效。一個目錄條目塊占用4 KB，結構如下：
目录条目块 (4 K) = 位图 (27 字节) + 保留 (3 字节) +
目录项 (11 * 214 字节) + 文件名 (8 * 214 字节)
F2FS為目錄結構實現了多級散列表，每一級有一個包含專用散列桶數的散列表，如下所示。「A(2B)」表示桶包含2個數據塊。
- 項
- A表示桶（bucket）
- B表示塊（block）
- N表示目錄散列最大深度（MAX_DIR_HASH_DEPTH）
level #0 A(2B)
level #1 A(2B) - A(2B)
level #2 A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
...
level #N/2 A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
...
level #N A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
當F2FS在一個目錄中找一個文件名時，首先計算出該文件名的散列值，然後F2FS掃描級別#0的散列表一查找由文件名及其inode編號組成的目錄條目。如果未找到，F2FS繼續查找級別#1的散列表。F2FS通過此方法逐級掃描由1至N的每層散列表。在每一層中，F2FS只需掃描由以下等式確定的一個桶（bucket），因此展現出 O(log(# of files)) 的複雜度。
级别#n中要扫描的桶（bucket）数 = (散列值) % (级别#n中的桶数)
在創建文件時，F2FS找到一個能涵蓋文件名的空的連續槽。F2FS以同樣的方式由1至N查找各級散列表中的空槽。
默認的塊分配
在運行時，F2FS在「主要區域：」內管理六個活動日誌：熱/暖/冷節點和熱/暖/冷數據。
| 熱節點 | 包含直接的目錄節點塊。 |
|---|---|
| 暖節點 | 包含除熱節點塊以外的直接節點塊。 |
| 冷節點 | 包含間接節點塊。 |
| 熱數據 | 包含目錄條目塊。 |
| 暖數據 | 包含除冷熱數據塊以外的數據塊。 |
| 冷數據 | 包含多媒體數據或遷移的數據塊。 |
基於日誌的文件系統（LFS）有兩種空閒空間管理方案：穿插記錄（threaded log）與複製並壓縮（copy-and-compaction）。後者也稱為清理（cleaning），很適合有良好順序寫入性能的設備，因為空閒空間總用於寫入新數據。但它會在發生高利用率時遭遇「清理」的開銷。穿插記錄則受到隨機寫入性能的影響，但沒有「清理」過程。F2FS採用混合方案，默認採用「複製並壓縮」，但根據文件系統的狀態將策略動態變更為「穿插記錄」方案。
為使F2FS與基於閃存的存儲保持一致，F2FS以一個節（section）為單位分配一個段（segment）。F2FS預期節的大小與FTL中的垃圾收集單元大小相同。為考慮FTL中的映射粒度，F2FS將活動日誌的每個節分配給儘可能多的不同區域。 FTL可以根據其映射粒度將活動日誌數據寫入一個分配單元。
清理流程
F2FS在需要時和後台閒置時進行清理。按需清理在沒有足夠的空閒分段（segments）服務VFS調用時觸發。後台清理器由一個內核線程執行，在系統空閒時觸發清理作業。
F2FS支持兩種受者選擇策略：貪婪、成本效益算法。在貪婪算法中，F2FS選擇有最小有效塊數的受者段。在成本效益算法中，F2FS根據段的年齡和有效塊數量選擇受者段，以解決貪婪算法中存在的日誌塊抖動問題。F2FS使用貪婪算法進行按需清理，後台清理器則使用成本效益算法。
為識別受者段中的數據是否有效，F2FS管理了一個位圖，其中用一個位元表示一個塊的有效性，覆蓋主區域所有塊的位元流組成了該位圖。
相關條目
參考資料
- ^ Michael Larabel. F2FS File-System Merged Into Linux 3.8 Kernel. Phoronix. 2012-12-22 [2016-05-25]. （原始內容存檔於2016-06-30）.
- ^ Pull new F2FS filesystem from Jaegeuk Kim （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） merged by Linus Torvalds
- ^ f2fs: introduce flash-friendly file system （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） by Kim Jaegeuk
- ^ Jaegeuk Kim. f2fs: introduce FITRIM in f2fs_ioctl. 2014-09-22 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2016-03-15）.[需要較佳來源]
- ^ Chao Yu. f2fs: support file defragment. 2015-10-26 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）.
- ^ Jaegeuk Kim. f2fs: add flags for inline xattrs. 2013-08-26 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）.
- ^ Huajun Li. f2fs: Enable f2fs support inline data. 2013-11-10 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）.
- ^ Chao Yu. f2fs: support inline dir. 2014-09-24 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-25）.
- ^ Jaegeuk Kim. f2fs-tools: release 1.4.0. 2014-09-20 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）.
- ^ Jaegeuk Kim. f2fs: support atomic_write feature for database. 2014-09-25 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2020-06-02）.
- ^ Jaegeuk Kim. f2fs updates for v4.2. 2015-06-24 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2016-01-17）.
- ^ Jaegeuk Kim. resize.f2fs: support to expand partition size. 2016-04-25 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）.
- ^ Chao Yu. f2fs: support data flush in background. 2015-12-17 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-25）.
- ^ Chao Yu. f2fs: enable rb-tree extent cache. 2015-01-25 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-25）.
外部連結
- F2FS文檔於kernel.org（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
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