f2fs系列之六:checkpoint

本文详细介绍了f2fs文件系统的checkpoint机制,包括相关数据结构、主要工作内容以及触发检查点的时机。检查点主要用于维护data、node和metadata的一致性,确保SIT/NAT信息准确写回。触发条件包括空闲segment不足、恢复操作和trim操作等。

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f2fs 的checkpoint 维护data、node和meta data(SIT,NAT)的数据一致性,把一起写到SSA区域的数据分别写回到SIT/NAT区域。

checkpoint 相关数据结构

super block区域里记录了checkpoint (CP)的起始block address,以及checkpoint 区域segment 的数量:

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 */
                .............

check point 包含的信息如下:

#define F2FS_CP_PACKS           2       /* # of checkpoint packs */

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
### F2FS 文件系统的元数据结构说明 F2FS(Flash Friendly File System)是一种专为闪存设备设计的日志结构型文件系统,其元数据结构经过精心设计以优化性能和可靠性。以下是关于 F2FS 文件系统元数据结构的详细说明: #### 1. 超级块 (Superblock) 超级块是 F2FS 文件系统的核心元数据之一,存储了整个文件系统的配置信息和状态信息。超级块位于磁盘的固定位置,包含以下关键字段: - 文件系统的基本信息,例如版本号、块大小等。 - 各种段的数量及分布信息,例如节点段、数据段、保留段等。 - 元数据检查点信息的位置。 超级块的设计确保了文件系统在崩溃恢复时能够快速定位必要的元数据[^1]。 #### 2. 段 (Segment) F2FS 将存储空间划分为多个段,每个段由固定数量的块组成。段是 F2FS 中分配和回收的基本单位。段分为以下几类: - **节点段 (Node Segment)**:用于存储元数据节点,例如 inode 和间接节点。 - **数据段 (Data Segment)**:用于存储用户数据。 - **保留段 (SIT/NAT/Curseg)**:用于存储系统内部的元数据表。 #### 3. 节点 (Node) 节点是 F2FS 中用于描述文件和目录结构的元数据单元。主要包括以下类型: - **Inode Node**:描述文件的属性,例如文件大小、权限、时间戳等。 - **Direct Node**:直接指向数据块的指针。 - **Indirect Node**:通过一级或多级间接指针指向数据块。 节点的设计使得文件可以高效地映射到物理块地址[^2]。 #### 4. 地址转换表 (NAT: Node Address Table) NAT 表记录了所有节点块的逻辑地址到物理地址的映射关系。它类似于传统文件系统中的位图,但更加高效,因为它是针对闪存设备优化的。NAT 表的设计减少了随机写入操作,从而延长了闪存的寿命。 #### 5. 段信息表 (SIT: Segment Information Table) SIT 表记录了每个段的使用情况和空闲块数量。它帮助垃圾回收机制(GC)选择合适的段进行回收,同时避免了传统的“wandering tree”问题,显著提高了性能[^2]。 #### 6. 检查点 (Checkpoint) 检查点数据结构保存了文件系统的一致性状态,包括最新的 NAT 和 SIT 表副本。在系统崩溃或断电后,检查点可以加速文件系统的恢复过程。检查点的设计平衡了性能和可靠性[^1]。 #### 7. 日志结构 (Log Structure) F2FS 是一种日志结构型文件系统,所有的写入操作都以追加的方式进行。这种设计减少了闪存的磨损,并且支持高效的垃圾回收和崩溃恢复。 ```python # 示例代码:挂载 F2FS 文件系统时填充超级块 def f2fs_fill_super(sb, data, silent): # 初始化超级块信息 sb.s_magic = F2FS_SUPER_MAGIC sb.s_op = &f2fs_sops sb.s_xattr_handler = f2fs_xattr_handlers # 加载 NAT 和 SIT 表 load_nats(sb) load_sits(sb) # 初始化检查点 restore_checkpoint(sb) ```
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