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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

設計

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。

目錄條目結構
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。

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

  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，存於網際網路檔案館） merged by Linus Torvalds
  3. ^ f2fs: introduce flash-friendly file system （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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

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