F2FS源碼分析系列文章

主目錄

一、文件系統布局以及元數據結構

總體結構

Superblock區域

Checkpoint區域

Segment Infomation Table區域(SIT)

Node Address Table區域(NAT)

Segment Summary Area區域(SSA)

二、文件數據的存儲以及讀寫

三、文件與目錄的創建以及刪除(未完成)

四、垃圾回收機制

五、數據恢復機制

六、重要數據結構或者函數的分析

F2FS總體介紹

F2FS全稱為Flash Friendly File System，是專門為flash設備設計的一個日志結構型文件系統(Log-structured File System, LFS)。相對于傳統的日志結構型文件系統，F2FS在wandering tree和gc的高時間開銷等問題，有一定的改進和優化。

• wandering tree問題: 傳統的LFS，在文件數據被更新或者寫入到日志的末端的時候，指向文件數據保存地址的直接指針指針會被更新(flash設備的異地更新特性)，同時指向這個直接指針的間接指針也會更新，然后保存間接指針的inode、inode blockmap等結構也需要更新，這樣就導致了頻繁metadata的更新。這種問題稱為wandering tree問題。

• 高gc開銷問題: 由于LFS對于修改的數據是執行異地更新的特性，因此數據更新到一個新地址后，舊地址的回收和再利用的過程稱為垃圾回收過程(GC)，這個過程會導致不可預期的高延遲，對于用戶感知有很大影響。

F2FS系統特性

F2FS的基本數據單位

block: F2FS的數據存儲的基本單位是block，大小為4KB，整個flash設備被格式化為多個block組成的結構。很多數據結構也被設計為4KB的大小，這是因為很多flash設備單次IO的讀寫都是基于4KB的倍數進行。

segment: segment是管理block的結構，一個segment的大小是512個block，也就是2MB。

section: 默認情況下一個segment等于一個section，section是GC的基本操作單位，每次GC都會從section中選出特定的segment進行回收。F2FS將section分為了6類，分別是hot-node，warm-node，cold-node，hot-data，warm-data，cold-data，hot->cold表示了數據的從高到低的修改頻率，通過不同類型的section，進行gc的時候可針對使用hot的section進行gc，以降低gc的時間開銷。

zone: 默認情況一個zone等于一個section，與物理設備有關，大部分情況下用不上。

LFS異地更新特性

F2FS是一個Log-structured File System(LFS)，因此會使用異地更新策略。我們可以i用一個簡單的例子去說明什么是異地更新。假設有一個文件，它的文件數據保存在物理地址100的位置中，此時用戶對文件內容進行更新:

非LFS: 使用就地更新策略，將更新后的數據寫入到物理地址100中。

LFS: 使用異地更新策略，首先會分配一個新的物理地址101，然后將數據寫入新物理地址101中，接著將文件指針指向新的物理地址101，最后將舊的物理地址100進行回收再利用。

這種設計的好處是:

可以將隨機寫轉換為順序寫以獲得更好的性能提升;

flash的顆粒program壽命是有限的，通過LFS的異地更新特性，可以自帶磨損均衡。

但是LFS也有一些缺點，一個最明顯的缺點是F2FS要對舊的物理地址進行回收，這個過程稱為垃圾回收過程(GC)，不適當的GC時機會影響到系統的性能表現；另外一個缺點是LFS極端情況的安全性不像JFS(journal file system)那么好，因為LFS依賴Checkpoint保證一致性，但是Checkpoint不是每次寫入數據都會進行(帶來很大的開銷)，而是隔一段時間才會進行一次Checkpoint，因此可能在Checkpoint之前系統宕機，會帶來部分數據的丟失。

Multi-head Logging特性

Log區域指的是文件系統中用于分配free block(空閑的且沒有寫入數據的block)的區域，例如F2FS的一個文件需要寫入新數據，它就要去Log區域請求free block，然后再將數據寫入這個free block中。傳統的LFS往往會維護一個大的日志區域，一切數據的分配都從這個大的日志區域中進行處理，而F2FS則根據數據的訪問冷熱特性差異，維護了6個Log區域，分別是:

• HOT NODE區域：給目錄的direct node使用，因為打開目錄、讀取目錄是最頻繁的操作。
• WARM NODE區域：給普通文件的direct node使用
• COLD NODE區域：給indirect node使用，一般而言只有較大的文件才會使用到這個log區域。
• HOT DATA區域：給目錄的數據使用，目錄數據記錄了當前目錄有多少個子文件、子文件夾。
• WARM DATA區域：給普通文件的數據使用，常規的fwrite/write函數寫入的數據都是在這里分配。
• COLD DATA區域：給不頻繁修改的數據使用，如多媒體文件(多為只讀文件)，或者用戶指定的只讀文件，如GC產生寫的數據(gc會挑熱度最低的數據)。

注: direct node、indirect node的概念和作用會在第二章的第一節進行介紹。

F2FS的閃存設備物理區域布局

通過mkfs.f2fs工具，可以將整個flash設備格式化成特定的格式。整個存儲設備區域被F2FS格式化為6個區域，分別是Superblock，Checkpoint，Segment Info Table，Node Address Table，Segment Summary Area，以及Main Area。前5個區域總稱為元數據區域(Metadata Area)，保存的是跟F2FS直接相關的元信息，而最后一個區域是保存文件數據的主要區域，主要保存了node數據、文件data數據、目錄數據。它們的作用分別是:

Superblock: 記錄整個文件系統的分區信息，包括一共有多少個block，使用了多少block這些最基本同時也是最重要的信息。F2FS在掛載的時候，會創建一個內存數據結構struct f2fs_sb_info，然后從設備的Superblock區域讀取相關數據。

Checkpoint: 記錄了上次卸載F2FS的時刻，系統的block、node等分配狀態(如當前free block分配了到哪個位置)，用于給下次掛載F2FS的時候，復原整個系統的block、node的分配狀態。在F2FS的運行過程中，F2FS會定時將當前的block、node分配狀態寫入Checkpoint區域，用于由于F2FS被關閉/崩潰時恢復數據。Checkpoint在內存中對應的數據結構是struct f2fs_checkpoint。

Segment Information Table(SIT): 保存了每一個segment的信息，例如這個segment已經分配了多少個block、哪一個block正在使用，哪一個block是無效的需要回收。通過這些信息去管理已經被使用了的block和未使用的block，使系統可以合理分配block。每一個segment都對應了一個segment number(segno)，系統可以通過segno快速地查詢到該segment的分配信息。SIT在內存中對應的數據結構是struct f2fs_sm_info。

Node Address Table(NAT): 建立了一張表保存了每一個node的物理地址信息。F2FS的每一個node都有一個node id(nid)，系統可以通過nid在NAT找到對應node的物理地址，從而在閃存設備讀取出來。NAT在內存中對應的數據結構是struct f2fs_nm_info。

Segment Summary Area(SSA): 這個區域主要保存了jounal(SIT/NAT臨時的修改信息)以及summary(記錄了邏輯地址和物理地址關系的結構，主要用與GC)。SSA區域在內存中沒有專門的數據結構。

Main Area: Main Area被4KB大小的block所填充，這些block可以分配給文件的data或者文件的node，是F2FS的主要數據保存區域。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的F2FS源码分析-1.1 [F2FS 元数据布局部分] F2FS文件系统的总体结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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