一、基本介绍
1、F2FS History
F2FS（Flash Friendly File System）是专门为Nand Flash设计的一个日志型文件系统，于2012年12月合入Linux3.8内核，Google也在2018年（Android P）将其吸收到安卓原生版本中，使所有使用安卓的厂商受益
2、F2FS特点
F2FS可以极大程度上避免碎片产生，相对于传统日志型文件系统，F2FS在wandering tree和gc方面，有一定的优化，可以复用离散的数据页写入数据，显著减少GC带来的卡顿
wandering tree：在文件更新时，指向文件的DIrect Pointer由于数据异地更新，也会随之更新 ，同时指向这个DIrect Pointer的Indirect Pointer也会更新，然后保存这个Indirect Pointer的inode、inode blockmap等结构也需要更新，这样会导致频繁的metadata更新
3、为什么需要F2FS
Nand Flash在更新某个位置的值时，必须先擦除，才能写入新的内容，如果在频繁写入的场景，都需要消耗大量的时间进行擦除，导致整体性能下降。F2FS基于LFS型文件系统，解决了先擦后写的问题，当需要更新某个块时，会重新申请一个未使用的快，将数据写到新的块上，并更新相应的管理数据，这样就避免等待block擦除的开销，并且可以将随机写转化为顺序写，提升性能
不仅仅是提升性能，对写放大也有所降低，这是因为如果按照先擦后写，就会导致某个块频繁被删除，导致写穿寿命到期，成为坏块，而F2FS使用append-only logging策略，按顺序写入数据，天然的在文件系统层做了磨损均衡，延长了设备使用寿命
此外，F2FS支持冷热Node/Data分流，将不经常变动的数据写入冷分区，将经常需要变动的数据写入到热分区，这样在器件回收数据块时，可以根据数据块的冷热进行选择，提高回收效率
二、F2FS 数据结构
1、F2FS Layout
F2FS磁盘布局如下图所示，它考虑了闪存感知和低清理成本
闪存感知：指文件系统匹配闪存物理特性
（a）superblock metadata放在一起，且是头部，提高局部性和并行性
（b）main area起始地址对对齐zoned大小，考虑了FTL工作特性
（c）以section为单位进行文件系统GC
低清理成本：使用Multi-Stream logging实现冷热数据分流
（a）F2FS将整个磁盘划分为若干segment，每个大小为2MB（b）目前zone，section，segment都是1:1:1的关系，zone的大小与物理设备有关
（c）除superblock外，其他area都有多个segment
（d）1个segment包含512个block，1个block大小为4KB
(1) SuperBlock
该区域占一个segment（2MB），包含两个f2fs_super_block数据结构，每个占用4KB。
struct f2fs_super_block {
__le32 magic; /* Magic Number */
__le16 major_ver; /* Major Version */
__le16 minor_ver; /* Minor Version */
__le32 log_sectorsize; /* log2 sector size in bytes */
__le32 log_sectors_per_block; /* log2 # of sectors per block */
__le32 log_blocksize; /* log2 block size in bytes */
__le32 log_blocks_per_seg; /* log2 # of blocks per segment */
__le32 segs_per_sec; /* # of segments per section */
__le32 secs_per_zone; /* # of sections per zone */
__le32 checksum_offset; /* checksum offset inside super block */
__le64 block_count; /* total # of user blocks */
__le32 section_count; /* total # of sections */
__le32 segment_count; /* total # of segments */
__le32 segment_count_ckpt; /* # of segments for checkpoint */
__le32 segment_count_sit; /* # of segments for SIT */
__le32 segment_count_nat; /* # of segments for NAT */
__le32 segment_count_ssa; /* # of segments for SSA */
__le32 segment_count_main; /* # of segments for main area */
__le32 segment0_blkaddr; /* start block address of segment 0 */
__le32 cp_blkaddr; /* start block address of checkpoint */
__le32 sit_blkaddr; /* start block address of SIT */
__le32 nat_blkaddr; /* start block address of NAT */
__le32 ssa_blkaddr; /* start block address of SSA */
__le32 main_blkaddr; /* start block address of main area */
__le32 root_ino; /* root inode number */
__le32 node_ino; /* node inode number */
__le32 meta_ino; /* meta inode number */
__u8 uuid[16]; /* 128-bit uuid for volume */
__le16 volume_name[MAX_VOLUME_NAME]; /* volume name */
__le32 extension_count; /* # of extensions below */
__u8 extension_list[F2FS_MAX_EXTENSION][F2FS_EXTENSION_LEN];/* extension array */
__le32 cp_payload;
__u8 version[VERSION_LEN]; /* the kernel version */
__u8 init_version[VERSION_LEN]; /* the initial kernel version */
__le32 feature; /* defined features */
__u8 encryption_level; /* versioning level for encryption */
__u8 encrypt_pw_salt[16]; /* Salt used for string2key algorithm */
struct f2fs_device devs[MAX_DEVICES]; /* device list */
__le32 qf_ino[F2FS_MAX_QUOTAS]; /* quota inode numbers */
__u8 hot_ext_count; /* # of hot file extension */
__le16 s_encoding; /* Filename charset encoding */
__le16 s_encoding_flags; /* Filename charset encoding flags */
__u8 s_stop_reason[MAX_STOP_REASON]; /* stop checkpoint reason */
__u8 s_errors[MAX_F2FS_ERRORS]; /* reason of image corrupts */
__u8 reserved[258]; /* valid reserved region */
__le32 crc; /* checksum of superblock */
} __packed;
SuperBlock的内容在格式化时候就被确定，通常不会被修改，为了更好的适配VFS层，放在磁盘第一个扇区。它的主要作用是记录整个文件系统的分区信息，包括总的block的数量、已使用的block数量、各区的起始地址、F2FS的默认参数、支持的特性等。在F2FS挂载时，内存会创建一个f2fs_sb_info结构从superblock中读取相关数据。
为了避免文件系统崩溃，它具有2个备份，如果#0损坏，则使用#1恢复，
(2) CheckPoint
该区域占2个segment（4MB），记录了上次卸载F2FS时刻，系统的block、node的分配状态，用于下次挂载F2FS时，恢复整个系统的block，node分配状态，主要作用就是为了保持数据一致性
struct f2fs_checkpoint {
__le64 checkpoint_ver; /* checkpoint block version number */
__le64 user_block_count; /* # of user blocks */
__le64 valid_block_count; /* # of valid blocks in main area */
__le32 rsvd_segment_count; /* # of reserved segments for gc */
__le32 overprov_segment_count; /* # of overprovision segments */
__le32 free_segment_count; /* # of free segments in main area */
/* information of current node segments */
__le32 cur_node_segno[MAX_ACTIVE_NODE_LOGS];
__le16 cur_node_blkoff[MAX_ACTIVE_NODE_LOGS];
/* information of current data segments */
__le32 cur_data_segno[MAX_ACTIVE_DATA_LOGS];
__le16 cur_data_blkoff[MAX_ACTIVE_DATA_LOGS];
__le32 ckpt_flags; /* Flags : umount and journal_present */
__le32 cp_pack_total_block_count; /* total # of one cp pack */
__le32 cp_pack_start_sum; /* start block number of data summary */
__le32 valid_node_count; /* Total number of valid nodes */
__le32 valid_inode_count; /* Total number of valid inodes */
__le32 next_free_nid; /* Next free node number */
__le32 sit_ver_bitmap_bytesize; /* Default value 64 */
__le32 nat_ver_bitmap_bytesize; /* Default value 256 */
__le32 checksum_offset; /* checksum offset inside cp block */
__le64 elapsed_time; /* mounted time */
/* allocation type of current segment */
unsigned char alloc_type[MAX_ACTIVE_LOGS];
/* SIT and NAT version bitmap */
unsigned char sit_nat_version_bitmap[];
} __packed;
在运行中，F2FS会定期将当前分配状态写入CheckPoint区域，采用"乒乓操作"，如上次写入的是cp#0，下次就会写入cp#1，在此数据结构中有一个checkpoint_ver用来记录版本，如果两个cp都能用，则会选择最新的那个
CheckPoint一般只在F2FS启动时候被读取，用于数据恢复，在运行过程中大部分都是被写，用于记录恢复信息。当F2FS需要通过fsync或umount等命令对系统同步时，F2FS会触发一次CheckPoint机制，主要完成以下工作
Dart
a.页缓存的脏node和dentry block会刷写回到磁盘;
b.挂起系统其他的写行为，如create，unlink，mkdir；
c.将系统的meta data，如NAT、SIT、SSA的数据写回磁盘;
d.更新checkpoint的状态，包括checkpoint的版本，NAT和SIT的bitmaps以及journals，SSA，Orphan inode(3) SIT
SIT（Segment Information Table）区域记录了Main area中各个segment的详细信息，例如该segment中Valid 以及修改时间等，配合GC流程的选择策略，它的大小由Main Area所占用的segment数量确定的
struct f2fs_sm_info {
struct sit_info *sit_info; /* whole segment information */
struct free_segmap_info *free_info; /* free segment information */
struct dirty_seglist_info *dirty_info; /* dirty segment information */
struct curseg_info *curseg_array; /* active segment information */
struct f2fs_rwsem curseg_lock; /* for preventing curseg change */
block_t seg0_blkaddr; /* block address of 0'th segment */
block_t main_blkaddr; /* start block address of main area */
block_t ssa_blkaddr; /* start block address of SSA area */
unsigned int segment_count; /* total # of segments */
unsigned int main_segments; /* # of segments in main area */
unsigned int reserved_segments; /* # of reserved segments */
unsigned int additional_reserved_segments;/* reserved segs for IO align feature */
unsigned int ovp_segments; /* # of overprovision segments */
/* a threshold to reclaim prefree segments */
unsigned int rec_prefree_segments;
struct list_head sit_entry_set; /* sit entry set list */
unsigned int ipu_policy; /* in-place-update policy */
unsigned int min_ipu_util; /* in-place-update threshold */
unsigned int min_fsync_blocks; /* threshold for fsync */
unsigned int min_seq_blocks; /* threshold for sequential blocks */
unsigned int min_hot_blocks; /* threshold for hot block allocation */
unsigned int min_ssr_sections; /* threshold to trigger SSR allocation */
/* for flush command control */
struct flush_cmd_control *fcc_info;
/* for discard command control */
struct discard_cmd_control *dcc_info;
};
(4) NAT
NAT（Segment Information Table）区域记录了node id 与真实地址的关系，其本质是一个中间层，通过该区域，可以避免索引地址，而是索引id号（每个node都有一个nid），NAT的主要作用就是将nid翻译成Main Area中的地址信息，之前的wandering tree问题也是利用了这个区域解决的
在传统的 LFS中，由于使用直接地址索引，当某个数据块被修改后，导致该数据块的管理块递归修改。例如，在A1 -> B1 -> C1 ->D1的索引树中
a.当D1被修改后，会写入新地址D2
b.而C1索引的是D1的地址，此时该地址是invalid的，所以需要更新C1中存储的值,写入C2
c.以此类推，直到A1被写入A2快中，这就是滚雪球效应，修改一个数据引起连锁反应
A1、B1、C1---管理快
D1---数据块
引起此问题的根因是采用直接地址作为索引，F2FS解决该问题的思路是引入一个中间层，即NAT表，负责做地址翻译，避免直接索引地址
a.A1中存储B1的id号，B1存储C1的id号
b.C1直接索引D1的地址
c.当D1被修改后，只需要修改C1和NAT表中C1的地址索引即可（NAT表是inplace更新，先擦后写）
d.由于C1的id号保持不变，所以A1和B1都不需要修改
struct f2fs_nm_info {
block_t nat_blkaddr; /* base disk address of NAT */
nid_t max_nid; /* maximum possible node ids */
nid_t available_nids; /* # of available node ids */
nid_t next_scan_nid; /* the next nid to be scanned */
nid_t max_rf_node_blocks; /* max # of nodes for recovery */
unsigned int ram_thresh; /* control the memory footprint */
unsigned int ra_nid_pages; /* # of nid pages to be readaheaded */
unsigned int dirty_nats_ratio; /* control dirty nats ratio threshold */
/* NAT cache management */
struct radix_tree_root nat_root;/* root of the nat entry cache */
struct radix_tree_root nat_set_root;/* root of the nat set cache */
struct f2fs_rwsem nat_tree_lock; /* protect nat entry tree */
struct list_head nat_entries; /* cached nat entry list (clean) */
spinlock_t nat_list_lock; /* protect clean nat entry list */
unsigned int nat_cnt[MAX_NAT_STATE]; /* the # of cached nat entries */
unsigned int nat_blocks; /* # of nat blocks */
/* free node ids management */
struct radix_tree_root free_nid_root;/* root of the free_nid cache */
struct list_head free_nid_list; /* list for free nids excluding preallocated nids */
unsigned int nid_cnt[MAX_NID_STATE]; /* the number of free node id */
spinlock_t nid_list_lock; /* protect nid lists ops */
struct mutex build_lock; /* lock for build free nids */
unsigned char **free_nid_bitmap;
unsigned char *nat_block_bitmap;
unsigned short *free_nid_count; /* free nid count of NAT block */
/* for checkpoint */
char *nat_bitmap; /* NAT bitmap pointer */
unsigned int nat_bits_blocks; /* # of nat bits blocks */
unsigned char *nat_bits; /* NAT bits blocks */
unsigned char *full_nat_bits; /* full NAT pages */
unsigned char *empty_nat_bits; /* empty NAT pages */
#ifdef CONFIG_F2FS_CHECK_FS
char *nat_bitmap_mir; /* NAT bitmap mirror */
#endif
int bitmap_size; /* bitmap size */
};
(5) SSA
SSA（Segment Summary Area）区域主要保存了journal（SIT/NAT临时的修改信息）以及summary（记录逻辑地址和物理地址关系的结构），这个区域主要用于反向索引， 记录了block所属的node信息
/* 4KB-sized summary block structure */
struct f2fs_summary_block {
struct f2fs_summary entries[ENTRIES_IN_SUM];
struct f2fs_journal journal;
struct summary_footer footer;
} __packed;
(6) Main Area
在Main Area中的一个Segment，要么存储的是Node数据，要么存储的是data数据，不能既存node又存data
【参考博客】
[1] [论文阅读] F2FS: A New Filesystem for Flash Storage | Caturra's Blog