F2FS源码分析-6.2 [其他重要数据结构以及函数] f2fs

本文主要是介绍F2FS源码分析-6.2 [其他重要数据结构以及函数] f2fs_journal的作用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

F2FS源码分析系列文章

三、文件与目录的创建以及删除(未完成)

六、重要数据结构或者函数的分析

f2fs_summary的作用
f2fs_journal的作用
f2fs_map_block的作用
get_dnode_of_data的作用
get_node_page的作用(未完成)

F2FS Journal机制

Journal机制的介绍

当F2FS进行文件读写的时候，根据 f2fs_node 的设计以及闪存设备异地更新的特性，每修改一个数据块，都需要改动 f2fs_node 的地址映射，以及NAT，SIT等信息。但是如果仅仅因为一个小改动，例如修改一个块，就需要改动这么多数据，然后再写入磁盘，这样既会导致性能下降，也会导致闪存寿命的下降。

因此F2FS设计了journal机制，用于将这些对SIT和NAT区域的数据的修改暂存在Checkpoint区域的 f2fs_journal 中，这种设计可以减少NAT和SIT的更新产生的大量的I/O。

产生大量I/O的原因是，sit和nat的值会随机更新，由于flash的机制，即使更新SIT/NAT其中的一个entry，都要将这个entry所在的整个NAT/SIT的block进行重写。如用户更新了多个node(segment)，每一个node/segment的更改都要更新了其中一个entry，即f2fs_nat_entry(f2fs_sit_entry)。假设这些需要更新的entry都不在通过一个f2fs_nat_block(f2fs_sit_block)，那么系统就要将所有的block更新，从而产生大量的4KB的I/O，即使只改动其中一个entry。

F2FS则是通过journal机制，将这些随机更新的f2fs_nat_entry(f2fs_sit_entry)都会尝试集中写到checkpoint区域的f2fs_journal当中，即把随机更新的NAT/SIT的block需要更新的entry都集中写到同一个block，从而减少I/O的写入。如果f2fs_journal的空间还没用尽，系统就会将更新的NAT/SIT entry写入journal中，如果这些journal用尽了，才回写到NAT/SIT区域当中。

Journal涉及到的数据结构

struct f2fs_journal {union {__le16 n_nats; /* 这个journal里面包含多少个nat_journal对象 */__le16 n_sits; /* 这个journal里面包含多少个sit_journal对象 */};/* spare area is used by NAT or SIT journals or extra info */union {struct nat_journal nat_j;struct sit_journal sit_j;struct f2fs_extra_info info;};
} __packed;

f2fs_journal 可以保存NAT的journal也可以保存SIT的journal，以下分别分析:

NAT Journal
每一个nat_journal都对应了一个node，记录了这个node是属于哪一个inode，以及这个node的在flash设备的物理地址。

struct nat_journal {struct nat_journal_entry entries[NAT_JOURNAL_ENTRIES];__u8 reserved[NAT_JOURNAL_RESERVED];
} __packed;struct nat_journal_entry {__le32 nid; /* 当前node的nid信息 */struct f2fs_nat_entry ne;
} __packed;struct f2fs_nat_entry {__u8 version;		/* latest version of cached nat entry */__le32 ino;		/* 属于哪一个inode */__le32 block_addr;	/* flash设备的物理地址 */
} __packed;

SIT Journal
每一个sit_journal都对应了一个segment，记录了该segment的有效block的数目 vblocks 以及它的分配状态bitmap valid_map。

struct sit_journal {struct sit_journal_entry entries[SIT_JOURNAL_ENTRIES];__u8 reserved[SIT_JOURNAL_RESERVED];
} __packed;struct sit_journal_entry {__le32 segno; /* 当前的segment number */struct f2fs_sit_entry se;
} __packed;struct f2fs_sit_entry {__le16 vblocks;				/* 有效block的数目 */__u8 valid_map[SIT_VBLOCK_MAP_SIZE]; /* SIT_VBLOCK_MAP_SIZE=64，64*8=512可以表示每一个块的valid状态 */__le64 mtime;				/* 用于GC的victim segment selection */
} __packed;

Journal机制的实现

前面提及Journal机制主要用于将频繁的NAT和SIT的更新集中写到checkpoint区域的f2fs_journal中，从而提高性能，延长闪存颗粒的寿命。去分析Journal机制如何实现时，首先我们需要分析，系统什么时候会读写NAT、SIT区域的数据:

NAT: 更新一个node的物理地址，获取一个node的物理地址
SIT: 分配segment中的block，回收segment中的block

对于node的物理地址的更新，以及segment中的block分配状态的更新，可以参考Checkpoint机制这一节的f2fs_flush_nat_entries函数以及f2fs_flush_sit_entries函数。

因此这里关注如何获取一个node的物理地址，以及一个segment的block分配状态。

通过Journal获取一个node的物理地址

F2FS一般是通过f2fs_get_node_info函数，根据传入的nid值，找到对应的物理地址。首先从内存中找一下nid有没有cache，如果没有则使用journal寻址，如果还是没有采取NAT找，最后找到之后将这个entry的信息，加入到cache中。

void f2fs_get_node_info(struct f2fs_sb_info *sbi, nid_t nid,struct node_info *ni)
{struct f2fs_nm_info *nm_i = NM_I(sbi);struct curseg_info *curseg = CURSEG_I(sbi, CURSEG_HOT_DATA);struct f2fs_journal *journal = curseg->journal;nid_t start_nid = START_NID(nid); // 计算这个nid所在的f2fs_nat_block的第一个nidstruct f2fs_nat_block *nat_blk;struct page *page = NULL;struct f2fs_nat_entry ne;struct nat_entry *e;pgoff_t index;int i;ni->nid = nid;/* 根据nid从cache寻找物理地址信息 */down_read(&nm_i->nat_tree_lock);e = __lookup_nat_cache(nm_i, nid);if (e) { // 如果有就返回ni->ino = nat_get_ino(e);ni->blk_addr = nat_get_blkaddr(e);ni->version = nat_get_version(e);up_read(&nm_i->nat_tree_lock);return;}memset(&ne, 0, sizeof(struct f2fs_nat_entry));/* 再去journal找 */down_read(&curseg->journal_rwsem);/* * 根据nid从journal找nat_entry的信息，如果 i>=0 ，* 则表示journal有这个信息，否则表示journal不存在这个nid的信息 * */i = f2fs_lookup_journal_in_cursum(journal, NAT_JOURNAL, nid, 0);if (i >= 0) {ne = nat_in_journal(journal, i); // 将journal中的nat_entry返回出来node_info_from_raw_nat(ni, &ne); // 读到node_info中}up_read(&curseg->journal_rwsem);if (i >= 0) {up_read(&nm_i->nat_tree_lock);goto cache; // 在journal找到了，直接就返回}/** 如果journal都没有，就要从NAT读取* * 先根据这个nid计算一下所属的f2fs_nat_block的偏移，即物理地址* */index = current_nat_addr(sbi, nid);up_read(&nm_i->nat_tree_lock);/* 根据f2fs_nat_block偏移，将从磁盘读取出来 */page = f2fs_get_meta_page(sbi, index); /* 将数据转换为f2fs_nat_block的形式 */nat_blk = (struct f2fs_nat_block *)page_address(page);/* start_nid是这个nat_block的第一个nid，* 减去它就可以找出当前nid在nat_block内的偏移，然后都取出来 * */ne = nat_blk->entries[nid - start_nid];/* 根据读取出来的entry转为为ne的值，返回给调用函数 */node_info_from_raw_nat(ni, &ne);f2fs_put_page(page, 1);
cache:/* 如果cache不存在自然要缓存一下到内存中 */cache_nat_entry(sbi, nid, &ne); // 缓存这个node_entry
}

通过Journal获取一个segment的block分配状态

F2FS一般是通过get_seg_entry函数根据segment number(segno)获取对应的entry。由于segment的entry的数目比node entry少很多，所以F2FS将所有的segment的entry都读入了内存，参考Segment结构这一节。因此系统中读取segmeng entry的状态是简单的数组访问:

/* seg_entry是f2fs_sit_entry的内存结构，同样记录了vblock valid_bitmap等信息 */
static inline struct seg_entry *get_seg_entry(struct f2fs_sb_info *sbi,unsigned int segno)
{struct sit_info *sit_i = SIT_I(sbi); // 获取segment的内存管理结构return &sit_i->sentries[segno]; // 根据segno返回entry
}