橫向對比EXT4，帶你感受真實的Linux文件系統F2FS
一、概述
F2FS是Flash Friendly File System的簡稱。該文件系統是由韓國三星電子公司于2012年研發，只提供給運行Linux內核的系統使用，這種文件系統對于NAND閃存類存儲介質是非常友好的。并且F2FS是專門為基于 NAND 的存儲設備設計的新型開源 flash 文件系統。特別針對NAND 閃存存儲介質做了友好設計。F2FS 于2012年12月進入Linux 3.8 內核。目前，F2FS僅支持Linux操作系統。
根據內部幾何結構和閃存管理機制(FTL)，閃存存儲設備有很多不同的屬性，所以F2FS的設計者增加了多種參數，不僅用于配置磁盤布局，還可以選擇分配和清理算法，優化性能(并行IO提高性能)
F2FS早期開發者為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組有做相關的適配。后來這個開發者被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倒沒什么版權糾紛，Linux體系下的東西自然遵守開源協定。
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，我今天會從實戰橫向對比EXT4文件系統的視角，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
F2FS文件系統的數據結構說明：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個數據塊索引指針，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個數據塊指針，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。可以索引到一個文件的最大大小是：
4 KB * (929 + 2*1018 + 2*1018*1018 + 1018*1018*1018) := 3.94 TB
F2FS文件系統的標準磁盤布局：
F2FS文件系統的數據結構(node結構)：
三、F2FS和EXT4文件系統比較
碎片整理
EXT4文件系統：按照EXT文件系統的作者所說的，在分區的空余空間在2%以上的情況下EXT分區是不會產生碎片的。F2FS文件系統：為管理磁盤上的大的連續的空間以便快速寫入數據，使用Segment Cleaner從重度碎片化的Segment中轉移出有效信息，然后將該Segment清理干凈用于后續寫入數據。
占用空間
通過DiskInfo可以明確的顯示,當Data分區的文件系統格式分別為EXT4和F2FS時所占空間的大小對比:
從Android系統的角度來看，相同的安卓ROM包，在F2FS文件系統下占用閃存的容量會多一些。
F2FS文件系統在每一個文件索引節點塊中包含了如下f2fs_inode和node_footer。其中f2fs_inode結構中的數據索引區又存在923個數據塊指針，每個指針對應一個大小為4KB的數據塊，但是在通常情況下系統文件索引并不需要用到所有數據塊，在最極端情況下文件大小為4KB時，只需要用到一個數據塊，剩下的數據塊則處于閑置狀態，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，在相同的安卓系統中，F2FS文件系統下，閃存容量的占用會相對高一些。
數據恢復
數據恢復機制和數據寫入磁盤的方式密切相關。對于Linux系統，其頁緩存機制采用推遲寫入的方式寫入數據，在內存中被標記為臟的頁并不會立即寫回磁盤，以確保系統的性能。因此，存在于內存頁中的數據在系統發生意外情況時就會丟失。
對于一種情況，即sync操作時發生在數據寫入磁盤后而在元數據寫入磁盤前的系統意外，其數據已經寫入磁盤但由于沒有索引而無法找回，而F2FS提供了相應的恢復機制找回這些文件數據。
集成情況
現在不管是手機或者其他Android設備集成F2FS比較普遍，但是早期為了兼容性和性能，會把data分區使用F2FS，而系統和緩存都還是EXT4，這樣F2FS只會影響到第三方應用一段時間內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和較小的緩存分區仍采用EXT4。
讀寫速度
左邊EXT4文件系統， 右邊F2FS文件系統
連續讀寫：
二者的連續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，F2FS比EXT4文件系統有了飛躍的提升，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重啟中，要大量寫入小文件的情況下，F2FS文件系統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eBPF技術探索SIG組 Maintainer & Linux Kernel Security Researcher
