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横向对比EXT4,带你感受真实的Linux文件系统F2FS

最新更新时间:2022-09-15
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作者简介:
许庆伟:龙蜥社区eBPF技术探索SIG组 Maintainer & Linux Kernel Security Researcher
CSDN博客:内核功守道     
                  


一、概述  


F2FS是Flash Friendly File System的简称。该文件系统是由韩国三星电子公司于2012年研发,只提供给运行Linux内核的系统使用,这种文件系统对于NAND闪存类存储介质是非常友好的。并且F2FS是专门为基于 NAND 的存储设备设计的新型开源 flash 文件系统。特别针对NAND 闪存存储介质做了友好设计。F2FS 于2012年12月进入Linux 3.8 内核。目前,F2FS仅支持Linux操作系统。

根据内部几何结构和闪存管理机制(FTL),闪存存储设备有很多不同的属性,所以F2FS的设计者增加了多种参数,不仅用于配置磁盘布局,还可以选择分配和清理算法,优化性能(并行IO提高性能)

F2FS早期开发者为Jaegeuk Kim,当时是三星员工,但是三星自家的机器没有直接使用F2FS,而是CM开源ROM组有做相关的适配。后来这个开发者被MOTO挖走,于是我们见到了用F2FS的MOTO X系列。后来又去了华为,故而有了全线F2FS的EMUI5.0,号称流畅度提升20%华为的P9和Mate9都使用F2FS,流畅度明显提升。当然F2FS倒没什么版权纠纷,Linux体系下的东西自然遵守开源协定。

对于F2FS,官方文档和其他博主大都从原理和代码的角度来分析,我今天会从实战横向对比EXT4文件系统的视角,带你感受真实的F2FS!

代码范围

  • 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架构


F2FS文件系统的数据结构说明:
F2FS使用三种node:inode,直接node,间接node。F2FS分配4KB的空间给一个inode,其中包括929个数据块索引指针,两个一级索引块(直接node)指针,两个二级索引块(间接node)指针,以及一个三级索引块(二级间接node)指针。

一个一级索引块包含1018个数据块指针,一个二级索引块包含1018个一级索引块指针,一个三级索引块包含1018个二级索引块指针。可以索引到一个文件的最大大小是:

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

F2FS文件系统的标准磁盘布局:

F2FS文件系统的数据结构(node结构):



三、F2FS和EXT4文件系统比较


碎片整理
EXT4文件系统:按照EXT文件系统的作者所说的,在分区的空余空间在2%以上的情况下EXT分区是不会产生碎片的。
F2FS文件系统:为管理磁盘上的大的连续的空间以便快速写入数据,使用Segment Cleaner从重度碎片化的Segment中转移出有效信息,然后将该Segment清理干净用于后续写入数据。

占用空间
通过DiskInfo可以明确的显示,当Data分区的文件系统格式分别为EXT4和F2FS时所占空间的大小对比:
从Android系统的角度来看,相同的安卓ROM包,在F2FS文件系统下占用闪存的容量会多一些。

F2FS文件系统在每一个文件索引节点块中包含了如下f2fs_inode和node_footer。其中f2fs_inode结构中的数据索引区又存在923个数据块指针,每个指针对应一个大小为4KB的数据块,但是在通常情况下系统文件索引并不需要用到所有数据块,在最极端情况下文件大小为4KB时,只需要用到一个数据块,剩下的数据块则处于闲置状态,这就造成了存储容量在一定程度上的空间浪费,也就是同样一部手机,在相同的安卓系统中,F2FS文件系统下,闪存容量的占用会相对高一些。

数据恢复
数据恢复机制和数据写入磁盘的方式密切相关。对于Linux系统,其页缓存机制采用推迟写入的方式写入数据,在内存中被标记为脏的页并不会立即写回磁盘,以确保系统的性能。因此,存在于内存页中的数据在系统发生意外情况时就会丢失。

对于一种情况,即sync操作时发生在数据写入磁盘后而在元数据写入磁盘前的系统意外,其数据已经写入磁盘但由于没有索引而无法找回,而F2FS提供了相应的恢复机制找回这些文件数据。

集成情况
现在不管是手机或者其他Android设备集成F2FS比较普遍,但是早期为了兼容性和性能,会把data分区使用F2FS,而系统和缓存都还是EXT4,这样F2FS只会影响到第三方应用一段时间内首次读写文件时的速度,这只是使用流畅度的一部分而已。此外比较重要的系统和较小的缓存分区仍采用EXT4。

读写速度
左边EXT4文件系统, 右边F2FS文件系统

连续读写:
二者的连续读写性能没有太大的变化。

随机读写:
F2FS比EXT4的随机读取性能提升了25%左右;但是随机写入速度,F2FS比EXT4文件系统有了飞跃的提升,随机写入性能提升了三倍还多。

由于随机写入的性能大大提升了,在类似软件安装和系统重启中,要大量写入小文件的情况下,F2FS文件系统下有非常喜人的变化。



四、性能测试


  • 使用工具AdroBench.apk和安兔兔测试



  • 不同场景测试


               


                                       

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