一、概述  

F2FS是Flash Friendly File System的簡稱。該文件系統(tǒng)是由韓國三星電子公司于2012年研發(fā)，只提供給運行Linux內(nèi)核的系統(tǒng)使用，這種文件系統(tǒng)對于NAND閃存類存儲介質(zhì)是非常友好的。并且F2FS是專門為基于 NAND 的存儲設(shè)備設(shè)計的新型開源 flash 文件系統(tǒng)。特別針對NAND 閃存存儲介質(zhì)做了友好設(shè)計。F2FS 于2012年12月進入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)和閃存管理機制(FTL)，閃存存儲設(shè)備有很多不同的屬性，所以F2FS的設(shè)計者增加了多種參數(shù)，不僅用于配置磁盤布局，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早期開發(fā)者為Jaegeuk Kim，當時是三星員工，但是三星自家的機器沒有直接使用F2FS，而是CM開源ROM組有做相關(guān)的適配。后來這個開發(fā)者被MOTO挖走，于是我們見到了用F2FS的MOTO X系列。后來又去了華為，故而有了全線F2FS的EMUI5.0，號稱流暢度提升20%華為的P9和Mate9都使用F2FS，流暢度明顯提升。當然F2FS倒沒什么版權(quán)糾紛，Linux體系下的東西自然遵守開源協(xié)定。

對于F2FS，官方文檔和其他博主大都從原理和代碼的角度來分析，我今天會從實戰(zhàn)橫向?qū)Ρ菶XT4文件系統(tǒng)的視角，帶你感受真實的F2FS！

代碼范圍

• device/ $platform/device.mk
• vendor/proprietary/hardware/fstab/$platform/fstab.bin
• kernel-4.4/arch/arm64/configs/ $platform_n_defconfig
• external/f2fs-tools/*
• system/extras/f2fs_utils/*

二、F2FS架構(gòu)

F2FS文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明：F2FS使用三種node：inode，直接node，間接node。F2FS分配4KB的空間給一個inode，其中包括929個數(shù)據(jù)塊索引指針，兩個一級索引塊(直接node)指針，兩個二級索引塊(間接node)指針，以及一個三級索引塊(二級間接node)指針。

一個一級索引塊包含1018個數(shù)據(jù)塊指針，一個二級索引塊包含1018個一級索引塊指針，一個三級索引塊包含1018個二級索引塊指針?？梢运饕揭粋€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)的標準磁盤布局：

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)是不會產(chǎn)生碎片的。F2FS文件系統(tǒng)：為管理磁盤上的大的連續(xù)的空間以便快速寫入數(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)寫入數(shù)據(jù)。

占用空間

通過DiskInfo可以明確的顯示,當Data分區(qū)的文件系統(tǒng)格式分別為EXT4和F2FS時所占空間的大小對比:

從Android系統(tǒng)的角度來看，相同的安卓ROM包，在F2FS文件系統(tǒng)下占用閃存的容量會多一些。

F2FS文件系統(tǒng)在每一個文件索引節(jié)點塊中包含了如下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個數(shù)據(jù)塊指針，每個指針對應(yīng)一個大小為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，只需要用到一個數(shù)據(jù)塊，剩下的數(shù)據(jù)塊則處于閑置狀態(tài)，這就造成了存儲容量在一定程度上的空間浪費，也就是同樣一部手機，在相同的安卓系統(tǒng)中，F(xiàn)2FS文件系統(tǒng)下，閃存容量的占用會相對高一些。

數(shù)據(jù)恢復(fù)

數(shù)據(jù)恢復(fù)機制和數(shù)據(jù)寫入磁盤的方式密切相關(guān)。對于Linux系統(tǒng)，其頁緩存機制采用推遲寫入的方式寫入數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中被標記為臟的頁并不會立即寫回磁盤，以確保系統(tǒng)的性能。因此，存在于內(nèi)存頁中的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)發(fā)生意外情況時就會丟失。

對于一種情況，即sync操作時發(fā)生在數(shù)據(jù)寫入磁盤后而在元數(shù)據(jù)寫入磁盤前的系統(tǒng)意外，其數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入磁盤但由于沒有索引而無法找回，而F2FS提供了相應(yīng)的恢復(fù)機制找回這些文件數(shù)據(jù)。

集成情況

現(xiàn)在不管是手機或者其他Android設(shè)備集成F2FS比較普遍，但是早期為了兼容性和性能，會把data分區(qū)使用F2FS，而系統(tǒng)和緩存都還是EXT4，這樣F2FS只會影響到第三方應(yīng)用一段時間內(nèi)首次讀寫文件時的速度，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。

讀寫速度

左邊EXT4文件系統(tǒng)， 右邊F2FS文件系統(tǒng)

連續(xù)讀寫：

二者的連續(xù)讀寫性能沒有太大的變化。

隨機讀寫：

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

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

四、性能測試

使用工具AdroBench.apk和安兔兔測試。

不同場景測試。

作者簡介：許慶偉：龍蜥社區(qū)eBPF技術(shù)探索SIG組 Maintainer & Linux Kernel Security Researcher