f2fs——新型flash友好文件系统gc部分源码分析

1、F2FS数据布局

 


F2FS 将整个卷切分成大量的 Segments，每个 Segment 的大小是固定的2 MB。连续的若干个Segments 构成 Section，连续的若干个 Sections 构成 Zone。
F2FS 将整个卷切分成6个区域，除了超级块(Superblock，SB)外，其余每个区域都包含多个 Segments。
F2FS数据布局参考博客：http://blog.chinaunix.net/uid-28989651-id-3890455.html
 
2、gc源码分析

背景：

磨损平衡（Wear Leveling）和垃圾回收（Garage Collection）都是基于闪存的基本特征而产生：
1、不支持本地更新（outplace-update，即不能在原数据位置进行覆盖写入或者直接更改，更改数据需要将更改后的数据搬迁至新的可用的page，原有位置的page被标示为无效页，必须要先擦除无效页才能在原位置重新写入数据）；
2、以page为单位写入，以Block为单位擦除，擦除Block需要先将有效数据进行搬迁，那么，当有大量的Block可以被选择擦除时，搬迁哪些Block并重新利用就关系到对不同Block的擦除次数；
3、每个Block有擦除次数限制，经常被擦除的Block会很快成为”坏块（bad block）”因此，只有均衡每个Block的擦除次数，才能让闪存具有更长的使用寿命。
FTL通常将page分为三种类型：有效页（valid page）、无效页（Invalid page）、可用页（Free page）,若物理页有逻辑地址相对应则表明该页的数据是有效的，称为有效页，反之，称为无效页，当GC运行后，无效页被Erase，成为可用页，此时，才可以重新被写入数据。
 

算法分析：
Greedy算法
固件需要维护一张Block属性表，记录每个Block当前的Valid Page数量。假设每次GC处理8个Block，查表挑出Valid Page最少的8个Block进行GC，这样做的好处是复制Valid Page的开销最小。
 

Cost-Benefit算法



u代表valid page在该Block中的比例，age代表该Block距离最近一次修改的时间。
1-u是对这个Block进行GC以后能够获得Free Page的数量
2u是对这个Block进行GC的开销，读取Valid Page（1个u）然后写入到新的Block（再1个u）
（1-u）/2u可以理解为投入产出比
固件需要维护的Block属性表里，需要记录每个Block最后一次被写入的时间，GC时选择更久没有被修改的Block（冷数据）
该策略就是选择投入产出比更高，未修改时间更长的Block进行GC，两者相乘数字更大的优先被GC。
GREEDY和CB算法参考：http://www.sohu.com/a/149524820_505795
 
CAT算法
CAT的全称是Cost Age Times，在Benefit-Cost算法的基础上，增加了对数据寿命和擦除次数的考虑。



μ代表一个Block里Valid Page的比例；
μ/(1-μ)理解为为了释放出（1-μ）的free page必须付出迁移μ的valid page，也就是整体的Cost；
1/age代表Hot degree跟Age成反比
NumberOfCleaning代表Hot degree跟Block的PE Cycle成正比
对每个Block进行计算，选择那些结果最高的Block进行GC过程。
CAT算法参考：http://www.sohu.com/a/149784682_505795
 
代码分析：

alloc_mode:
LFS:顺序写，空间不足时清理
SSR:写在脏数据上，不用清理
gc_mode:GC_CB or GC_GREEDY
gc_type:BG_GC or FG_GC
DIRTY_I(宏定义):返回dirty_seglist_info结构
gc.c函数结构示意：


 
 

gc_thread_func:

等待时间初始化最小

循环体(条件：线程不应该结束)：

尝试冻结->等待时间中断超时

。。。停止则跳出循环

（* [GC triggering condition]

  * 0. GC is not conducted currently.

  * 1. There are enough dirty segments.

  * 2. IO subsystem is idle by checking the # of writeback pages.

  * 3. IO subsystem is idle by checking the # of requests in bdev's request list.

  * Note: We have to avoid triggering GCs too much frequently.

  * Because it is possible that some segments can be

  * invalidated soon after by user update or deletion.

  * So, I'd like to wait some time to collect dirty segments.)

尝试上锁

若不空闲，延长等待时间，解锁

有足够的非法块则减少等待时间->增加等待时间

。。。。计数

没有目标被选中则设等待时间为相应值

平衡f2fs元数据

 

select_gc_type(gc模式选择)：

前台GREEDY，后台CB

空闲

状态为1则CB->状态为2则GREEDY

 

get_victim_by_default(被垃圾回收或者SSR段选择调用)

gc_node_segment

该功能将总结的节点地址与NAT中的节点地址进行比较。

在有效性的情况下，复制具有冷状态的节点，否则（无效节点）忽略该节点。

 

start_bidx_of_node:

计算指示给定节点偏移量的起始块索引。要小心，调用者应该给这个节点偏移仅指示直接节点块。如果任何节点偏移，指出其他类型的节点块，如间接或双间接节点块，则它必须是调用者的错误。

 

check_dnode:

检查dnode的有效性。

 

check_bg_victim:

如果gc_type是FG_GC，我们可以选择后台GC选择的受害者段。这些分段保证它们具有小的有效块。

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