F2FS

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）在三星集团研發，适合Linux内核使用。 此檔案系統起初是為了NAND闪存的存储设备設計（诸如固态硬盘、eMMC和SD卡），这些设备广泛存在于自移动设备至服务器领域。 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。 多头日志（Multi-head logging） 对目录项的多层哈希表 静态/动态冷热数据分离 自适应记录方案 可配置操作单元 双检查点 回滚和前滚恢复 Heap-style块分配 TRIM/FITRIM支持 联机的文件系统/文件碎片整理 内联xattrs/数据/目录 脱机文件系统检查（英语：Fsck）（检查和修复不一致）) 线性一致性 文件系统级加密（英语：Filesystem-level encryption） 脱机调整大小 内部定期数据刷新 范围缓存 F2FS将整个卷分成多个段（segment），每个段固定为2 MB。一个节（section）由连续的段组成，一个区（zone）由一组节组成。默认情况下，节与区被设置为相同的大小，但用户可以用mkfs轻松修改大小。 F2FS将整个卷划分为六个区域，除了超级块（superblock）以外的所有区都由多个段组成，如下所述。 超级块（Superblock，SB） 超级块位于分区起始处，共有两个副本以避免文件系统损坏。它包含基本的分区信息和一些默认的F2FS参数。 检查点（Checkpoint，CP） 检查点包含文件系统信息，有效NAT/SIT集的位图，孤立inode列表，以及当前活动段的摘要条目。 段信息表（SIT） 段信息表包含主区域块的有效块数量和有效位图。 节点地址表（NAT） 节点信息表主区域节点块的地址表。 段摘要区（SSA） 段摘要区包含的条目包含主区域数据和节点块的所有者信息。 主区域（Main Area） 主区域包含文件和目录数据及其索引（indices）。 为了避免文件系统与闪存之间的对齐错误，F2FS将CP的起始块地址与段大小对齐。它还通过在SSA区域中预留一些段来将“主区”起始块地址与区的大小对齐。 F2FS使用检查点方案来维护文件系统的完整性。在挂载时，F2FS首先尝试扫描CP区域来查找最后的有效检查点数据。为了缩短扫描时间，F2FS只使用CP的两个副本。其中一个总是指示最后的有效数据，这被称为影子副本机制。除了CP之外，NAT和SIT也使用影子副本机制。为了保证文件系统的一致性，每个CP指向的NAT和SIT副本都是有效的。 关键的数据结构是“节点”。与传统的文件结构类似，F2FS有三种类型的节点：inode，直接节点，间接节点。F2FS将4 KB分配给一个inode块，其中包含923个数据块索引（data block indices），两个直接节点指针，两个间接节点指针，以及一个double间接节点指针，如下所述。一个直接节点块包含1018个数据块索引，而间接节点块包含1018个节点块索引。因此，一个inode块（即一个文件）涵盖： 4 KB × (923 + 2×1018 + 2×10182 + 10183) = 3.94 TB 注意，所有节点块都经NAT映射，因此每个节点的位置都经NAT转换。为了缓解漫游树问题，F2FS能够切断叶数据写入引起的节点更新传播。 一个目录条目（dentry）占用11个字节，由以下属性组成。 一个目录条目块由214个目录条目槽[查证请求]及文件名组成。有一个位图用于记录每个目录条目是否有效。一个目录条目块占用4 KB，结构如下： 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为目录结构实现了多级散列表，每一级有一个包含专用散列桶数的散列表，如下所示。“A(2B)”表示桶包含2个数据块。 项 A表示桶（bucket） B表示块（block） N表示目录散列最大深度（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) 当F2FS在一个目录中找一个文件名时，首先计算出该文件名的散列值，然后F2FS扫描级别#0的散列表一查找由文件名及其inode编号组成的目录条目。如果未找到，F2FS继续查找级别#1的散列表。F2FS通过此方法逐级扫描由1至N的每层散列表。在每一层中，F2FS只需扫描由以下等式确定的一个桶（bucket），因此展现出 O(log(# of files)) 的复杂度。 级别#n中要扫描的桶（bucket）数 = (散列值) % (级别#n中的桶数) 在创建文件时，F2FS找到一个能涵盖文件名的空的连续槽。F2FS以同样的方式由1至N查找各级散列表中的空槽。 在运行时，F2FS在“主要区域：”内管理六个活动日志：热/暖/冷节点和热/暖/冷数据。 基于日志的文件系统（LFS）有两种空闲空间管理方案：穿插记录（threaded log）与复制并压缩（copy-and-compaction）。后者也称为清理（cleaning），很适合有良好顺序写入性能的设备，因为空闲空间总用于写入新数据。但它会在发生高利用率时遭遇“清理”的开销。穿插记录则受到随机写入性能的影响，但没有“清理”过程。F2FS采用混合方案，默认采用“复制并压缩”，但根据文件系统的状态将策略动态变更为“穿插记录”方案。 为使F2FS与基于闪存的存储保持一致，F2FS以一个节（section）为单位分配一个段（segment）。F2FS预期节的大小与FTL中的垃圾收集单元大小相同。为考虑FTL中的映射粒度，F2FS将活动日志的每个节分配给尽可能多的不同区域。 FTL可以根据其映射粒度将活动日志数据写入一个分配单元。 F2FS在需要时和后台闲置时进行清理。按需清理在没有足够的空闲分段（segments）服务VFS调用时触发。后台清理器由一个内核线程执行，在系统空闲时触发清理作业。 F2FS支持两种受者选择策略：贪婪、成本效益算法。在贪婪算法中，F2FS选择有最小有效块数的受者段。在成本效益算法中，F2FS根据段的年龄和有效块数量选择受者段，以解决贪婪算法中存在的日志块抖动问题。F2FS使用贪婪算法进行按需清理，后台清理器则使用成本效益算法。 为识别受者段中的数据是否有效，F2FS管理了一个位图，其中用一个位元表示一个块的有效性，覆盖主区域所有块的位元流组成了该位图。 文件系统的对比 文件系统列表 Michael Larabel. F2FS File-System Merged Into Linux 3.8 Kernel. Phoronix. 2012-12-22 [2016-05-25]. （原始内容存档于2016-06-30）.  Pull new F2FS filesystem from Jaegeuk Kim （页面存档备份，存于互联网档案馆） merged by Linus Torvalds f2fs: introduce flash-friendly file system （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Kim Jaegeuk Jaegeuk Kim. f2fs: introduce FITRIM in f2fs_ioctl. 2014-09-22 [2018-06-02]. （原始内容存档于2016-03-15）. [需要較佳来源] Chao Yu. f2fs: support file defragment. 2015-10-26 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-26）.  Jaegeuk Kim. f2fs: add flags for inline xattrs. 2013-08-26 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-26）.  Huajun Li. f2fs: Enable f2fs support inline data. 2013-11-10 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-26）.  Chao Yu. f2fs: support inline dir. 2014-09-24 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-25）.  Jaegeuk Kim. f2fs-tools: release 1.4.0. 2014-09-20 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-26）.  Jaegeuk Kim. f2fs: support atomic_write feature for database. 2014-09-25 [2018-06-02]. （原始内容存档于2020-06-02）.  Jaegeuk Kim. f2fs updates for v4.2. 2015-06-24 [2018-06-02]. （原始内容存档于2016-01-17）.  Jaegeuk Kim. resize.f2fs: support to expand partition size. 2016-04-25 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-26）.  Chao Yu. f2fs: support data flush in background. 2015-12-17 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-25）.  Chao Yu. f2fs: enable rb-tree extent cache. 2015-01-25 [2018-06-02]. （原始内容存档于2018-01-25）.  F2FS文档于kernel.org（页面存档备份，存于互联网档案馆）（英文）