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F2FS

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F2FS
开发者 三星电子摩托罗拉移动华为
全称 Flash-Friendly File System
发布 2012-12-20[1] (Linux内核 3.8[2])
结构
目录内容 多级哈希表
文件分配 位图(可用空间)、表
限制
最大文件尺寸 3.94TB
最大文件数量 取决于卷大小
最长文件名 255字节
最大卷容量 16TB
功能
日期记录 修改 (mtime), 属性修改 (ctime), 访问 (atime)
日期分辨率 1 ns
属性 POSIX、扩展属性
文件系统权限 POSIX、ACL
透明压缩
透明加密
操作系统支持 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)在三星集团研發,适合Linux内核使用[3]

此檔案系統起初是為了NAND闪存的存储设备設計(诸如固态硬盘eMMCSD卡),这些设备广泛存在于自移动设备服务器领域。

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[编辑]

设计[编辑]

磁盘上布局[编辑]

F2FS将整个卷分成多个段(segment),每个段固定为2 MB。一个节(section)由连续的段组成,一个区(zone)由一组节组成。默认情况下,节与区被设置为相同的大小,但用户可以用mkfs轻松修改大小。

F2FS将整个卷划分为六个区域,除了超级块(superblock)以外的所有区都由多个段组成,如下所述。

超级块(Superblock,SB)
超级块位于分区起始处,共有两个副本以避免文件系统损坏。它包含基本的分区信息和一些默认的F2FS参数。
检查点(Checkpoint,CP)
检查点包含文件系统信息,有效NAT/SIT集的位图,孤立inode列表,以及当前活动段的摘要条目。
段信息表(SIT)
段信息表包含主区域块的有效块数量和有效位图。
节点地址表(NAT)
节点信息表主区域节点块的地址表。
段摘要区(SSA)
段摘要区包含的条目包含主区域数据和节点块的所有者信息。
主区域(Main Area)
主区域包含文件和目录数据及其索引(indices)。

为了避免文件系统与闪存之间的对齐错误,F2FS将CP的起始块地址与段大小对齐。它还通过在SSA区域中预留一些段来将“主区”起始块地址与区的大小对齐。

元数据结构[编辑]

F2FS使用检查点方案来维护文件系统的完整性。在挂载时,F2FS首先尝试扫描CP区域来查找最后的有效检查点数据。为了缩短扫描时间,F2FS只使用CP的两个副本。其中一个总是指示最后的有效数据,这被称为影子副本机制。除了CP之外,NAT和SIT也使用影子副本机制。为了保证文件系统的一致性,每个CP指向的NAT和SIT副本都是有效的。

索引结构[编辑]

关键的数据结构是“节点”。与传统的文件结构类似,F2FS有三种类型的节点:inode,直接节点,间接节点。F2FS将4 KB分配给一个inode块,其中包含923个数据块索引(data block indices),两个直接节点指针,两个间接节点指针,以及一个double间接节点指针,如下所述。一个直接节点块包含1018个数据块索引,而间接节点块包含1018个节点块索引。因此,一个inode块(即一个文件)涵盖:

4 KB × (923 + 2×1018 + 2×10182 + 10183) = 3.94 TB

注意,所有节点块都经NAT映射,因此每个节点的位置都经NAT转换。为了缓解漫游树问题,F2FS能够切断叶数据写入引起的节点更新传播。

目录结构[编辑]

一个目录条目(dentry)占用11个字节,由以下属性组成。

目录条目结构
hash 文件名的散列值
ino Inode号码
len 文件名长度
type 文件类型,如目录、符号链接等。

一个目录条目块由214个目录条目槽[查证请求]及文件名组成。有一个位图用于记录每个目录条目是否有效。一个目录条目块占用4 KB,结构如下:

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为目录结构实现了多级散列表,每一级有一个包含专用散列桶数的散列表,如下所示。“A(2B)”表示桶包含2个数据块。

A表示桶(bucket)
B表示块(block)
N表示目录散列最大深度(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)

当F2FS在一个目录中找一个文件名时,首先计算出该文件名的散列值,然后F2FS扫描级别#0的散列表一查找由文件名及其inode编号组成的目录条目。如果未找到,F2FS继续查找级别#1的散列表。F2FS通过此方法逐级扫描由1至N的每层散列表。在每一层中,F2FS只需扫描由以下等式确定的一个桶(bucket),因此展现出 O(log(# of files)) 的复杂度。

 级别#n中要扫描的桶(bucket)数 = (散列值) % (级别#n中的桶数)

在创建文件时,F2FS找到一个能涵盖文件名的空的连续槽。F2FS以同样的方式由1至N查找各级散列表中的空槽。

默认的块分配[编辑]

在运行时,F2FS在“主要区域:”内管理六个活动日志:热/暖/冷节点和热/暖/冷数据。

块分配策略
热节点 包含直接的目录节点块。
暖节点 包含除热节点块以外的直接节点块。
冷节点 包含间接节点块。
热数据 包含目录条目块。
暖数据 包含除冷热数据块以外的数据块。
冷数据 包含多媒体数据或迁移的数据块。

基于日志的文件系统(LFS)有两种空闲空间管理方案:穿插记录(threaded log)与复制并压缩(copy-and-compaction)。后者也称为清理(cleaning),很适合有良好顺序写入性能的设备,因为空闲空间总用于写入新数据。但它会在发生高利用率时遭遇“清理”的开销。穿插记录则受到随机写入性能的影响,但没有“清理”过程。F2FS采用混合方案,默认采用“复制并压缩”,但根据文件系统的状态将策略动态变更为“穿插记录”方案。

为使F2FS与基于闪存的存储保持一致,F2FS以一个节(section)为单位分配一个段(segment)。F2FS预期节的大小与FTL中的垃圾收集单元大小相同。为考虑FTL中的映射粒度,F2FS将活动日志的每个节分配给尽可能多的不同区域。 FTL可以根据其映射粒度将活动日志数据写入一个分配单元。

清理流程[编辑]

F2FS在需要时和后台闲置时进行清理。按需清理在没有足够的空闲分段(segments)服务VFS调用时触发。后台清理器由一个内核线程执行,在系统空闲时触发清理作业。

F2FS支持两种受者选择策略:贪婪、成本效益算法。在贪婪算法中,F2FS选择有最小有效块数的受者段。在成本效益算法中,F2FS根据段的年龄和有效块数量选择受者段,以解决贪婪算法中存在的日志块抖动问题。F2FS使用贪婪算法进行按需清理,后台清理器则使用成本效益算法。

为识别受者段中的数据是否有效,F2FS管理了一个位图,其中用一个位元表示一个块的有效性,覆盖主区域所有块的位元流组成了该位图。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Michael Larabel. F2FS File-System Merged Into Linux 3.8 Kernel. Phoronix. 2012-12-22 [2016-05-25]. 
  2. ^ Pull new F2FS filesystem from Jaegeuk Kim merged by Linus Torvalds
  3. ^ f2fs: introduce flash-friendly file system by Kim Jaegeuk
  4. ^ Jaegeuk Kim. f2fs: introduce FITRIM in f2fs_ioctl. 2014-09-22. [需要更好来源]
  5. ^ Chao Yu. f2fs: support file defragment. 2015-10-26. 
  6. ^ Jaegeuk Kim. f2fs: add flags for inline xattrs. 2013-08-26. 
  7. ^ Huajun Li. f2fs: Enable f2fs support inline data. 2013-11-10. 
  8. ^ Chao Yu. f2fs: support inline dir. 2014-09-24. 
  9. ^ Jaegeuk Kim. f2fs-tools: release 1.4.0. 2014-09-20. 
  10. ^ Jaegeuk Kim. f2fs: support atomic_write feature for database. 2014-09-25. 
  11. ^ Jaegeuk Kim. f2fs updates for v4.2. 2015-06-24. 
  12. ^ Jaegeuk Kim. resize.f2fs: support to expand partition size. 2016-04-25. 
  13. ^ Chao Yu. f2fs: support data flush in background. 2015-12-17. 
  14. ^ Chao Yu. f2fs: enable rb-tree extent cache. 2015-01-25. 

外部链接[编辑]