F2FS文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一、概述

F2FS是Flash Friendly File System的簡(jiǎn)稱(chēng)。該文件系統(tǒng)是由韓國(guó)三星電子公司于2012年研發(fā)，只提供給運(yùn)行Linux內(nèi)核的系統(tǒng)使用，這種文件系統(tǒng)對(duì)于NAND閃存類(lèi)存儲(chǔ)介質(zhì)是非常友好的。并且F2FS是專(zhuān)門(mén)為基于 NAND 的存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)的新型開(kāi)源 flash 文件系統(tǒng)。特別針對(duì)NAND 閃存存儲(chǔ)介質(zhì)做了友好設(shè)計(jì)。F2FS 于2012年12月進(jìn)入Linux 3.8 內(nèi)核。目前，F(xiàn)2FS僅支持Linux操作系統(tǒng)。

根據(jù)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和閃存管理機(jī)制(FTL)，閃存存儲(chǔ)設(shè)備有很多不同的屬性，所以F2FS的設(shè)計(jì)者增加了多種參數(shù)，不僅用于配置磁盤(pán)布局，還可以選擇分配和清理算法，優(yōu)化性能(并行IO提高性能)

F2FS早期開(kāi)發(fā)者為Jaegeuk Kim，當(dāng)時(shí)是三星員工，但是三星自家的機(jī)器沒(méi)有直接使用F2FS，而是CM開(kāi)源ROM組有做相關(guān)的適配。后來(lái)這個(gè)開(kāi)發(fā)者被MOTO挖走，于是我們見(jiàn)到了用F2FS的MOTO X系列。后來(lái)又去了華為，故而有了全線F2FS的EMUI5.0，號(hào)稱(chēng)流暢度提升20%華為的P9和Mate9都使用F2FS，流暢度明顯提升。當(dāng)然F2FS倒沒(méi)什么版權(quán)糾紛，Linux體系下的東西自然遵守開(kāi)源協(xié)定。

對(duì)于F2FS，官方文檔和其他博主大都從原理和代碼的角度來(lái)分析，我今天會(huì)從實(shí)戰(zhàn)橫向?qū)Ρ菶XT4文件系統(tǒng)的視角，帶你感受真實(shí)的F2FS！

二、F2FS架構(gòu)

F2FS文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說(shuō)明：
F2FS使用三種node：inode，直接node，間接node。F2FS分配4KB的空間給一個(gè)inode，其中包括929個(gè)數(shù)據(jù)塊索引指針，兩個(gè)一級(jí)索引塊(直接node)指針，兩個(gè)二級(jí)索引塊(間接node)指針，以及一個(gè)三級(jí)索引塊(二級(jí)間接node)指針。

一個(gè)一級(jí)索引塊包含1018個(gè)數(shù)據(jù)塊指針，一個(gè)二級(jí)索引塊包含1018個(gè)一級(jí)索引塊指針，一個(gè)三級(jí)索引塊包含1018個(gè)二級(jí)索引塊指針?？梢运饕揭粋€(gè)文件的最大大小是：

4 KB * (929 + 2*1018 + 2*1018*1018 + 1018*1018*1018) := 3.94 TB

F2FS文件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)磁盤(pán)布局：

F2FS文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(node結(jié)構(gòu))：

三、F2FS和EXT4文件系統(tǒng)比較

碎片整理
EXT4文件系統(tǒng)：按照EXT文件系統(tǒng)的作者所說(shuō)的，在分區(qū)的空余空間在2%以上的情況下EXT分區(qū)是不會(huì)產(chǎn)生碎片的。
F2FS文件系統(tǒng)：為管理磁盤(pán)上的大的連續(xù)的空間以便快速寫(xiě)入數(shù)據(jù)，使用Segment Cleaner從重度碎片化的Segment中轉(zhuǎn)移出有效信息，然后將該Segment清理干凈用于后續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

占用空間
通過(guò)DiskInfo可以明確的顯示,當(dāng)Data分區(qū)的文件系統(tǒng)格式分別為EXT4和F2FS時(shí)所占空間的大小對(duì)比:從Android系統(tǒng)的角度來(lái)看，相同的安卓ROM包，在F2FS文件系統(tǒng)下占用閃存的容量會(huì)多一些。

F2FS文件系統(tǒng)在每一個(gè)文件索引節(jié)點(diǎn)塊中包含了如下f2fs_inode和node_footer。其中f2fs_inode結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)索引區(qū)又存在923個(gè)數(shù)據(jù)塊指針，每個(gè)指針對(duì)應(yīng)一個(gè)大小為4KB的數(shù)據(jù)塊，但是在通常情況下系統(tǒng)文件索引并不需要用到所有數(shù)據(jù)塊，在最極端情況下文件大小為4KB時(shí)，只需要用到一個(gè)數(shù)據(jù)塊，剩下的數(shù)據(jù)塊則處于閑置狀態(tài)，這就造成了存儲(chǔ)容量在一定程度上的空間浪費(fèi)，也就是同樣一部手機(jī)，在相同的安卓系統(tǒng)中，F(xiàn)2FS文件系統(tǒng)下，閃存容量的占用會(huì)相對(duì)高一些。

數(shù)據(jù)恢復(fù)
數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制和數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)的方式密切相關(guān)。對(duì)于Linux系統(tǒng)，其頁(yè)緩存機(jī)制采用推遲寫(xiě)入的方式寫(xiě)入數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中被標(biāo)記為臟的頁(yè)并不會(huì)立即寫(xiě)回磁盤(pán)，以確保系統(tǒng)的性能。因此，存在于內(nèi)存頁(yè)中的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)發(fā)生意外情況時(shí)就會(huì)丟失。

對(duì)于一種情況，即sync操作時(shí)發(fā)生在數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)后而在元數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)前的系統(tǒng)意外，其數(shù)據(jù)已經(jīng)寫(xiě)入磁盤(pán)但由于沒(méi)有索引而無(wú)法找回，而F2FS提供了相應(yīng)的恢復(fù)機(jī)制找回這些文件數(shù)據(jù)。

集成情況
現(xiàn)在不管是手機(jī)或者其他Android設(shè)備集成F2FS比較普遍，但是早期為了兼容性和性能，會(huì)把data分區(qū)使用F2FS，而系統(tǒng)和緩存都還是EXT4，這樣F2FS只會(huì)影響到第三方應(yīng)用一段時(shí)間內(nèi)首次讀寫(xiě)文件時(shí)的速度，這只是使用流暢度的一部分而已。此外比較重要的系統(tǒng)和較小的緩存分區(qū)仍采用EXT4。

讀寫(xiě)速度
左邊EXT4文件系統(tǒng)， 右邊F2FS文件系統(tǒng)

連續(xù)讀寫(xiě)：
二者的連續(xù)讀寫(xiě)性能沒(méi)有太大的變化。

隨機(jī)讀寫(xiě)：
F2FS比EXT4的隨機(jī)讀取性能提升了25%左右；但是隨機(jī)寫(xiě)入速度，F(xiàn)2FS比EXT4文件系統(tǒng)有了飛躍的提升，隨機(jī)寫(xiě)入性能提升了三倍還多。

由于隨機(jī)寫(xiě)入的性能大大提升了，在類(lèi)似軟件安裝和系統(tǒng)重啟中，要大量寫(xiě)入小文件的情況下，F(xiàn)2FS文件系統(tǒng)下有非常喜人的變化。

四、性能測(cè)試

使用工具AdroBench.apk和安兔兔測(cè)試

不同場(chǎng)景測(cè)試