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F2FS

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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]

快速預覽 開發者, 全稱 ...

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eMMCSD卡),這些裝置廣泛存在於自行動裝置伺服器領域。

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。

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特性

  • 多頭紀錄檔(Multi-head logging)
  • 對目錄項的多層雜湊表
  • 靜態/動態冷熱資料分離
  • 自適應記錄方案
  • 可組態操作單元
  • 雙檢查點
  • 轉返和前滾恢復
  • Heap-style塊分配
  • TRIM/FITRIM支援[4]
  • 連線的檔案系統/檔案碎片整理[5]
  • 行內xattrs[6]/資料[7]/目錄[8]
  • 離線檔案系統檢查英語Fsck(檢查和修復不一致)[9])
  • 線性一致性[10]
  • 檔案系統級加密英語Filesystem-level encryption[11]
  • 離線調整大小[12]
  • 內部定期資料重新整理[13]
  • 範圍快取[14]

設計

磁碟上布局

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。預設情況下,節與區被設定為相同的大小,但使用者可以用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)
超級塊位於分割區起始處,共有兩個副本以避免檔案系統損壞。它包含基本的分割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。
節點位址表(NAT)
節點資訊表主區域節點塊的位址表。
段摘要區(SSA)
段摘要區包含的條目包含主區域資料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資料及其索引(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的起始塊位址與段大小對齊。它還通過在SSA區域中預留一些段來將「主區」起始塊位址與區的大小對齊。

元資料結構

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資料。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資料,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

關鍵的資料結構是「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個資料塊索引(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個資料塊索引,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能夠切斷葉資料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個位元組,由以下屬性組成。

更多資訊 hash, ino ...

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個資料塊。

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。

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預設的塊分配

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/冷資料。

更多資訊 熱節點, 暖節點 ...

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資料。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資料寫入一個單位配置。

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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呼叫時觸發。後台清理器由一個核心執行緒執行,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。

為辨識受者段中的資料是否有效,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

參考資料

外部連結

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