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F2FS

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F2FS
開發者三星電子、摩托羅拉移動和華為
全稱Flash-Friendly File System
發佈2012-12-20[1] (Linux核心 3.8[2])
結構
目錄內容多級雜湊表
檔案分配點陣圖（可用空間）、表
限制
最大檔案尺寸3.94TB
最大檔案數量取決於卷大小
最長檔名255位元組
最大卷容量16TB
功能
日期記錄修改 (mtime), 屬性修改 (ctime), 訪問 (atime)
日期解像度1 ns
屬性POSIX、擴充屬性
檔案系統權限POSIX、ACL
透明壓縮否
透明加密是
作業系統支援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核心使用[3]。

此檔案系統起初是為了NAND快閃記憶體的儲存裝置設計（諸如固態硬碟、eMMC和SD卡），這些裝置廣泛存在於自行動裝置至伺服器領域。

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裝置。

特性

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設計

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磁碟上佈局

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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。預設情況下，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檔案系統損壞。它包含基本的分區資訊和一些預設的F2FS參數。
檢查點（Checkpoint，CP）
檢查點包含檔案系統資訊，有效NAT/SIT集的點陣圖，孤立inode列表，以及當前活動段的摘要條目。
段資訊表（SIT）
段資訊表包含主區域塊的有效塊數量和有效點陣圖。
節點地址表（NAT）
節點資訊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資訊。
主區域（Main Area）
主區域包含檔案和目錄數據及其索引（indices）。

為了避免檔案系統與快閃記憶體之間的對齊錯誤，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

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F2FS使用檢查點方案來維護檔案系統的完整性。在掛載時，F2FS首先嘗試掃描CP區域來尋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。為了保證檔案系統的一致性，每個CP指向的NAT和SIT副本都是有效的。

索引結構

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關鍵的數據結構是「節點」。與傳統的檔案結構類似，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），兩個直接節點指標，兩個間接節點指標，以及一個double間接節點指標，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（即一個檔案）涵蓋： 

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

注意，所有節點塊都經NAT對映，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

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一個目錄條目（dentry）佔用11個位元組，由以下屬性組成。

目錄條目結構
hash 檔名的雜湊值
ino Inode號碼
len 檔名長度
type 檔案類型，如目錄、符號連結等。

一個目錄條目塊由214個目錄條目槽[查證請求]及檔名組成。有一個點陣圖用於記錄每個目錄條目是否有效。一個目錄條目塊佔用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雜湊表，每一級有一個包含專用雜湊桶數的雜湊表，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表示目錄雜湊最大深度（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檔名時，首先計算出該檔名的雜湊值，然後F2FS掃描級別#0的雜湊表一尋找由檔名及其inode編號組成的目錄條目。如果未找到，F2FS繼續尋找級別#1的雜湊表。F2FS通過此方法逐級掃描由1至N的每層雜湊表。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)

在建立檔案時，F2FS找到一個能涵蓋檔名的空的連續槽。F2FS以同樣的方式由1至N尋找各級雜湊表中的空槽。

預設的塊分配

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在執行時，F2FS在「主要區域：」內管理六個活動紀錄檔：熱/暖/冷節點和熱/暖/冷數據。

塊分配策略
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。

基於紀錄檔的檔案系統（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效能的裝置，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效能的影響，但沒有「清理」過程。F2FS採用混合方案，預設採用「複製並壓縮」，但根據檔案系統的狀態將策略動態變更為「穿插記錄」方案。

為使F2FS與基於快閃記憶體的儲存保持一致，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中的對映粒度，F2FS將活動紀錄檔的每個節分配給儘可能多的不同區域。 FTL可以根據其對映粒度將活動紀錄檔數據寫入一個單位配置。

清理流程

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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呼叫時觸發。後台清理器由一個核心線程執行，在系統空閒時觸發清理作業。

F2FS支援兩種受者選擇策略：貪婪、成本效益演算法。在貪婪演算法中，F2FS選擇有最小有效塊數的受者段。在成本效益演算法中，F2FS根據段的年齡和有效塊數量選擇受者段，以解決貪婪演算法中存在的紀錄檔塊抖動問題。F2FS使用貪婪演算法進行按需清理，後台清理器則使用成本效益演算法。

為辨識受者段中的數據是否有效，F2FS管理了一個點陣圖，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點陣圖。

相關條目

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參考資料

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  1. ^ 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）. 
  2. ^ Pull new F2FS filesystem from Jaegeuk Kim （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） merged by Linus Torvalds
  3. ^ f2fs: introduce flash-friendly file system （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） by Kim Jaegeuk
  4. ^ 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]
  5. ^ Chao Yu. f2fs: support file defragment. 2015-10-26 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）. 
  6. ^ Jaegeuk Kim. f2fs: add flags for inline xattrs. 2013-08-26 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）. 
  7. ^ Huajun Li. f2fs: Enable f2fs support inline data. 2013-11-10 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）. 
  8. ^ Chao Yu. f2fs: support inline dir. 2014-09-24 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-25）. 
  9. ^ Jaegeuk Kim. f2fs-tools: release 1.4.0. 2014-09-20 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-26）. 
  10. ^ 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）. 
  11. ^ Jaegeuk Kim. f2fs updates for v4.2. 2015-06-24 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2016-01-17）. 
  12. ^ 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）. 
  13. ^ Chao Yu. f2fs: support data flush in background. 2015-12-17 [2018-06-02]. （原始內容存檔於2018-01-25）. 
  14. ^ 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

[編輯]

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