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這篇來深入詳細介紹下 F2FS 文件系統。正如在 ext4 的介紹中提到的，F2FS 是 Android 生態中為了應對現代存儲設備挑戰而出現的“新貴”。

一、F2FS 是什麼？為什麼需要它？

  • 全稱：Flash-Friendly File System，中文意為“閃存友好文件系統”。
  • 開發者：由三星公司主導，由韓國成均館大學博士畢業生、三星工程師金載河（Jaegeuk Kim）於2012年創建。
  • 核心動機：傳統的文件系統（如 ext4, NTFS, FAT32）都是為機械硬盤 設計的。HDD 的特性是順序讀寫遠快於隨機讀寫，並且沒有“擦除壽命”的限制。
  • 新時代的問題：移動設備（手機、平板）和固態硬盤普遍使用 NAND Flash 閃存芯片。這種存儲介質有全新的特性：
    1. 異地更新：數據不能直接在原位置覆蓋寫入，必須先擦除再寫入。
    2. 擦除單位大：最小的擦除單位是“塊”，遠大於讀寫單位“頁”。
    3. 有限壽命：每個存儲塊都有有限的擦寫次數。
    4. 讀寫不對稱：讀速度很快，寫速度和擦除速度較慢。

直接在閃存上使用為 HDD 設計的文件系統（如 ext4），會導致嚴重的寫放大 問題，不僅性能下降，還會縮短存儲設備壽命。F2FS 就是為了從根本上解決這些問題而生的。

二、F2FS 的核心設計哲學與關鍵技術

F2FS 的設計完全圍繞 NAND Flash 的物理特性展開。

1. 基於日誌結構文件系統的設計

這是 F2FS 最根本的架構選擇。與 ext4 的“就地更新”傾向不同，F2FS 採用 “異地更新” 策略：

  • 寫入數據時，總是將新的或修改後的數據寫入到存儲介質上新的、空閒的物理位置，而不是覆蓋舊數據。
  • 舊數據的位置會被標記為無效，成為“垃圾”。
  • 這種方式完美契合了 NAND Flash“不能覆蓋寫，必須先擦除”的物理特性。

2. 冷熱數據分離

這是 F2FS 的靈魂所在，也是其性能卓越的關鍵。

  • 概念：根據數據的更新頻率，將其分類：
    • 熱數據：頻繁更改的數據（如應用緩存、瀏覽器臨時文件）。
    • 温數據：偶爾更改的數據（如應用數據）。
    • 冷數據：很少更改的數據（如系統文件、照片、音樂）。
  • 實現：F2FS 將存儲空間劃分為六個不同的日誌區域，對應六種數據類型：
    1. Hot：節點信息。
    2. Warm：用户數據。
    3. Cold：大規模順序數據。
    4. Hot Node：目錄入口。
    5. Warm Node：文件數據塊。
    6. Cold Node：間接節點塊。
  • 好處：將更新頻率相似的數據放在一起，可以極大地優化垃圾回收 的效率。回收一個全是“冷數據”的塊幾乎沒有價值，而回收一個“熱數據”塊則可以釋放大量空間。

3. 自適應日誌記錄

F2FS 會根據當前的 I/O 模式（是隨機寫入還是順序寫入）動態調整其日誌記錄策略，以最大化利用閃存的帶寬。

4. 多頭部日誌

F2FS 使用多個日誌，允許併發寫入操作，充分利用存儲設備的並行處理能力，這在支持多通道的 UFS 和 NVMe 存儲上尤其有效。

5. 高效的垃圾回收機制

由於採用異地更新，無效數據會不斷積累，必須進行垃圾回收以釋放空間。

  • F2FS 的 GC：後台線程會主動尋找包含大量無效數據的塊，將其中的有效數據搬移到新的位置，然後擦除整個舊塊，使其變為可用空間。
  • 優勢：得益於冷熱數據分離，GC 過程可以更精準地選擇“髒塊”（無效數據多的塊），減少需要搬移的有效數據量，從而降低寫放大，提升效率和速度。

6. 修剪指令支持

F2FS 積極使用 TRIM / Discard 指令。當文件被刪除時，操作系統會立即通知 SSD/閃存控制器這些塊已不再使用，使得控制器可以在後台提前進行垃圾回收，避免在後續寫入時因等待 GC 而產生性能卡頓。

三、F2FS 在 Android 中的應用

F2FS 的出現，主要是為了解決 Android 設備上最繁重的 I/O 任務。

  • 主要使用分區：/data 分區 和 /cache 分區。

    • /data：這是用户數據的核心，包含所有已安裝的應用、它們的私有數據以及用户文件。這個分區面臨着最頻繁、最隨機的寫入操作（應用安裝、卸載、更新、應用內操作）。這正是 F2FS 發揮其優勢的主戰場。
    • /cache：存放臨時文件和 OTA 更新包，也是寫入密集區。

  • 與 ext4 的共存：

    • /system 和 /vendor 分區通常仍使用 ext4。因為這些分區是隻讀的，不存在寫入性能問題，ext4 的成熟和穩定是更優選擇。

  • 發展現狀：從 Android 10 開始，谷歌在 AOSP 中加強了對 F2FS 的支持。如今，絕大多數主流品牌的 Android 手機都已將 /data 分區默認格式化為 F2FS。

四、F2FS 的優缺點

優點：

  1. 卓越的隨機寫入性能：這是其最大亮點。在應用安裝、更新、文件解壓等場景下，速度明顯快於 ext4，帶來更流暢的用户體驗。
  2. 更低的寫放大：通過冷熱數據分離和高效的 GC，減少了不必要的寫入操作，延長了閃存壽命。
  3. 為閃存量身定製：從底層設計就考慮了 NAND Flash 的所有特性，能更好地與現代存儲硬件（UFS, NVMe）協同工作。
  4. 抗碎片化：日誌結構的設計天然減少了文件碎片問題。

缺點：

  1. 相對年輕：相比有數十年曆史的 ext4，F2FS 仍算“年輕”，在某些極端 corner case 下的穩定性理論上不如 ext4 那樣久經考驗。
  2. 空間回收性能：當存儲空間接近寫滿時（例如 >90%），垃圾回收的壓力會急劇增大，可能導致性能下降，有時甚至會出現明顯的卡頓（雖然近年來已有巨大改善）。
  3. CPU 開銷可能稍高：其複雜的日誌結構和垃圾回收算法可能會帶來比 ext4 稍高的 CPU 開銷，但在現代強大的 SoC 上，這點開銷通常可以忽略不計。
  4. 成熟度：雖然已非常穩定，但在非 Android/Linux 生態中的支持度不如 ext4 廣泛。

五、F2FS 與 ext4 的直觀對比

特性 F2FS ext4
設計目標 NAND Flash 閃存 機械硬盤
更新策略 異地更新 就地更新
核心機制 冷熱數據分離 Extents
隨機寫入性能 極佳 良好
順序讀寫性能 優秀 優秀
垃圾回收/碎片整理 高效，內置 需要外部工具，效率較低
成熟度/穩定性 高，但相對較新 極高，久經考驗
最佳適用場景 用户數據分區，頻繁讀寫 系統分區，只讀或大文件順序讀寫

總結

F2FS 是存儲技術從機械時代邁向閃存時代的必然產物。它不是一個簡單的增量改進，而是一次針對底層硬件特性的架構革命。

在 Android 設備上，F2FS 主要負責“動”的部分（頻繁讀寫的 /data），而 ext4 則堅守“靜”的部分（只讀的 /system）。這種分工協作使得 Android 系統能夠在享受 F2FS 帶來的流暢用户體驗的同時，依然建立在 ext4 的磐石般穩定之上。

隨着閃存技術的持續演進和 F2FS 的不斷優化，它已經成為並將繼續作為移動設備和高性能 SSD 領域不可或缺的核心文件系統。

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