一：VFS
我们知道SSD是一场存储革命，设计和制造一个好的SSD固然重要，但如何正确使用以充分发挥SSD性能同样重要。SSD内在的并行性和先擦再写的特性决定了它不同于机械硬盘简单的LBA和存储块一一对应，要充分挖掘SSD的并行性，提升性能，延长寿命，缩短延迟，就必须在上层应用做出改动。很多SSD的使用大户都作出了这种尝试，从国外的Google，Microsoft，Facebook，到国内的Baidu，Alibaba等，本站就曾经介绍过百度的软件定义闪存，把对象存储和SSD内部结构统一起来使用。但对大部分企业来讲，这种结构还是太独特了，我们还是要关注通用的架构，首先来了解离硬盘最近的软件：文件系统。本系列文章将以Linux系统最常见的EXT4文件系统为例，从SSD爱好者的角度来揭开文件系统的庐山真面目。
VFS架构
要说Linux文件系统，不得不说VFS：Virtual File System，如上图，Linux设计了一个文件系统的中间层，上层用户都直接和VFS打交道，文件系统开发者再把VFS转换为自己的格式。这样做的优点主要有：
用户层应用不用关心具体用的是什么文件系统， 使用统一的标准接口进行文件操作；
如果一个系统包含不同分区，不同分区使用不同的文件系统，他们之间可以通过这个VFS交互，比如从U盘、网盘拷数据到硬盘就得通过VFS转换管理信息，如下图；
可以动态支持很多文件系统，添加一个只需要安装驱动就可以了，不需要内核重新编译。
我们来看看这张文件系统层次图中的每一层。
用户层：最上面用户层就是我们日常使用的各种程序，需要的接口主要是文件的创建、删除、打开、关闭、写、读等。
VFS层：我们知道Linux分为用户态和内核态，用户态请求硬件资源需要调用System Call通过内核态去实现。用户的这些文件相关操作都有对应的System Call函数接口，接口调用 VFS对应的函数。
文件系统层：不同的文件系统实现了VFS的这些函数，通过指针注册到VFS里面。所以，用户的操作通过VFS转到各种文件系统。文件系统把文件读写命令转化为对磁盘LBA的操作，起了一个翻译和磁盘管理的作用。
缓存层：文件系统底下有缓存，Page Cache，加速性能。对磁盘LBA的读写数据缓存到这里。
块设备层：块设备接口Block Device是用来访问磁盘LBA的层级，读写命令组合之后插入到命令队列，磁盘的驱动从队列读命令执行。Linux设计了电梯算法等对很多LBA的读写进行优化排序，尽量把连续地址放在一起。
磁盘驱动层：磁盘的驱动程序把对LBA的读写命令转化为各自的协议，比如变成ATA命令，SCSI命令，或者是自己硬件可以识别的自定义命令，发送给磁盘控制器。Host Based SSD甚至在块设备层和磁盘驱动层实现了FTL，变成对Flash芯片的操作。
磁盘物理层：读写物理数据到磁盘介质。
网络文件系统NFS把文件层之后的操作在远端实现。下面是NFS基本原理。
VFS组成
尽管Linux内核是C语言写的，但VFS是一种面向对象的框架，把文件相关的东西分为4个对象：
Superblock:一个文件系统有一个，含有文件系统的属性和接口，
属性：文件系统的一些参数；
接口：mount和umount接口等。
Inode：一个文件有一个，含有文件的属性和文件属性的接口（不是文件读写的接口）。文件夹也当成文件处理，有自己的inode。
属性：文件名，创建时间，修改时间，访问权限，文件保存的LBA等；
接口：创建，删除文件夹等。
Dentry ：一个目录有一个，用来方便目录查找等。访问文件的时候，用户发下来文件路径，VFS通过Hash的方法直接通过路径查到最终Dentry，找到inode，来直接查找一个路径，而不是一级级翻下来。
属性：目录名等；
接口：查找文件路径等。
File ：对文件进行操作的接口，这个是大家最熟悉的了，读写都通过它。
属性：文件锁，当前访问的偏移地址等；
接口：fopen，fclose，fwrite，fread，fsync，异步读写等。
这些对象平时保存在磁盘上，使用时加载到内存并给各种属性和接口赋值，同时inode和dentry都是有缓存的，这样每次查找一个路径，就不用等啊等啊读磁盘了，翻一下缓存就能快速找到。
下面是一个文件结构示例：
Unix风格文件
那么问题来了，挖掘机技术到底哪家强？有人要问，真的靠一个VFS能统一所有的文件系统操作吗？微软那么配合啊，会采用和Linux一样的接口？所以VFS要求文件系统要有Unix风格，主要是三种Style：
文件夹和文件都是一样的处理；
文件的信息和文件数据分开，文件信息放在inode里面，数据放在数据块里面；
Superblock来表示文件系统的信息。
Windows的文件系统FAT，NTFS其实不太一致，有的文件信息不专门用inode来存，有的文件夹和文件区别开来，这些文件系统磁盘里面没有superblock，inode，需要在内存中生成inode和superblock来模拟。
引用
Robert Love, Linux Kernel Development.
https://swbae98.wordpress.com/tag/ext4/
二：饿想她超市血拼记
自从二十多年前一些追寻自由的人建立了Linux市以来，饿想她超市就开始经营超市业务，并且不断扩大，每开一家新店，就会用更先进的技术管理商品，给顾客更好的购物体验，所以现在饿想她已经是Linux市最有人气的大超市了，市民们的各种日用品都去里面采购，每天人声鼎沸，熙熙攘攘。
话说有一个小青年叫蛋蛋，刚从著名的Linux市代码农业职业技术学院毕业，成为了一名光荣的码农。租好了房之后，他听说著名的”饿想她”超市在附近新开了第四家分店，叫做EXT4，蛋蛋决定去买些吃的回来。这里我们要提醒一句了，Linux市已经进入了信息化社会，信息就是能量，居民们吃的食物叫做数据，单位是字节。
货架Block Group
民以食为天，蛋蛋怀着饥饿的心情，来到饿想她超市大门口，看到了亮闪闪的Logo，兴奋的已经饱了半分。饿想她是个工业化的超市，所有的物品都放在一个叫做sector的盒子里，每个sector大小是512字节，但是饿想她真正登记货物的最小盒子叫Block，里面放了8个sector，总大小4k字节。
饿想她超市把整个超市划分成很多货架，叫做Block Group，每个货架上放了32768个Block盒子。每个货架上的东西如下图，后面将一一介绍。Superblock是超市概览，Group Descriptor 是货架介绍，Block bitmap是盒子的分布表，Inode Bitmap是货物标签分布表，Inode Table是标签存放的地方，Data Block是货物存放的地方。
超市概览Superblock
如上图，蛋蛋提着个购物篮快步走到了一个长长的货架前面，看着玲琅满目的商品，不禁一头雾水：天哪，我该怎么找东西啊？还好，旁边有一位美丽的导购姐姐带蛋蛋来到货架最前面，拿起一本小册子给蛋蛋，上面是整个饿想她超市的介绍，叫做Superblock。里面的主要内容就是下面这张表，冒出了一大堆的名词，但谁叫蛋蛋是农业技术学校毕业的呢，一看就明白了。这里面说了，超市有多少个block盒子，多少个货物的标签inode，每个货架有多少的盒子block per group，超市的开张时间mount time，蛋蛋想一定要记住，周年庆了就来捡便宜货，嘿嘿~
引用
https://ext4.wiki.kernel.org/index.php/Ext4_Disk_Layout
三：超市货架的秘密
上回说到，蛋蛋来到饿想她超市第四家分店EXT4，发现每个货架Block Group上都有一份超市概览Super block的副本供顾客查阅。凭着代码农业扎实的基础，蛋蛋终于搞清楚了货架的秘密。
首先我们还是得介绍一下Linux市民和我们当代人类的有一个不同。看过三体的人都知道，三体人没有语言，而是直接看到对方的思想，不能掩藏自己的想法。Linux市民没有嘴巴，他们只能通过数据来交流，这就是他们以数据为食物的原因:说多了，数据用没了，饿了！
货架说明Block Group Descriptor
蛋蛋看完了超市概览，就把它放回第一个大盒子block里。然后，打开第二个大盒子，从这里开始的几个大盒子是货架说明，Block Group Descriptor。
如下图，这里面写了这个货架上标签分布表inode bitmap、标签表inode table在哪里，货物分布表block bitmap在哪里，货架上还有多少空盒子free block count，空标签等等，最后还有一些特殊的字符checksum来帮助检验有些重要数据是不是写错了。
标签和数据分布表bitmap
蛋蛋合起盒子，按照货架说明的指示，打开后面的几个盒子，分别找到了标签分布表inode bitmap和盒子分布表block bitmap。前者表示标签表inode table哪些条目是占用的，后者表示哪些盒子里面有数据。他们的内容都是用一个bit是0或者1表示空或者非空。Bit是Linux市民食物字节的基本元素，8个bit组成了一个字节。
标签表inode table
蛋蛋看完两个分布表，就知道货架上的一个基本情况了，于是关起盒子，按照货架说明的指示，打开了有一个盒子，上面写着：标签表。我们要透漏Linux市的第三个特征了，他们的货物叫做文件，每个文件在超市里面都有一个标签来说明和索引，方便查找和管理，叫做inode。
标签表里面有货架上所有货物的标签，每个标签的主要内容如下表。包括了：
货物的权限，是否是VIP专享，是不是私人定制的，是不是共享的。
是不是某些特殊的货物，他们并不是拿来吃的，而是一些设备，能够使用。比如char设备，block设备，都是一些机器，char设备能够执行用户的命令，block设备可以批量执行用户的一串命令，存数据，查看数据。
货物的大小，用了多少个字节，用了多少个盒子block。
货物的最近查看时间，维修时间，移走时间等。
引用
https://ext4.wiki.kernel.org/index.php/Ext4_Disk_Layout
四：神奇的标签
上回我们说到，蛋蛋从标签表中看到了一个标签inode的内容，inode里面包含的东西除了那些，还有个更重要的就是货物的位置：到底放哪些盒子里面?
要知道Linux市的货物是用字节组成的长串，有的只占了一个盒子，有的占了多个盒子，甚至成千上万个盒子，而标签表只留了60个字节保存查找信息，根本放不下那么多盒子的位置信息，那么到底该怎么办？我们来看看聪明的饿想她超市怎么解决这个查找的难题。
三级映射
俗话说，有钱能使鬼推磨，为了降低成本，给顾客提供更大的便利，饿想她超市的老板命令工程师赶快解决上面这个问题，搞定了工资翻番，否则卷铺盖走人。工程师老蛋刚刚开始Linux的码农生涯，就接了这么个活，站在自己家的大树底下冥思苦想，想了几天几夜，还是没有头绪。一气之下，他一头撞在树皮上，心想自己要跟月亮上的吴刚一样，一辈子要跟这棵树为伴了。唉，树啊！哎，树！哈哈哈哈！大树底下传来了老蛋的四声大笑:我终于明白了，在这个60个字节里面可以用三级映射来存放货物的地址，就跟树的枝干一样，一级级细分。
如下图，开始是头几个数据盒子的位置，对那种小货物足够了。后面是一级映射表的盒子位置，找到这个盒子就能找到所有的1024个数据盒子，因为里面放了1024个盒子的位置。如果还不够，那么就用后面的二级映射，里面是所有一级映射的位置，从一级映射的盒子里面再找到所有的数据盒子位置，这样就是1024*1024个盒子了。尼玛，还不够，嘿嘿，后面还有三级映射，总共包含1024*1024*1024个数据盒子的位置。
扩展树:真正的树
老蛋得到了饿想她超市创始老板的嘉奖，成了公司技术骨干。但是，后来超市创始老板退休，少老板接班，新官上任三把火，决定建设一个更厉害的第四家分店ext4。他年轻有为，找到老蛋说：蛋仔，你这个三级映射太麻烦了，位置都是固定死的，修改什么的太麻烦，而且如果盒子都是连续放置的，还得在映射里面一条条保存他们的位置，一点都不高效，太浪费空间了。回去给我弄个更好的办法，完不成提头来见！
老蛋觉得自己受到了侮辱，成名作被一个小年轻贬的一文不值，忍着内心的悲愤回到家，跟老婆说自己都想跳槽了。老婆听了，瞪了他一眼：没本事整更牛的，躲开算什么男人。老蛋一想，脑子也转过来了，于是又来到熟悉的大树下，想啊想，还是没办法。突然，他想，瞅瞅大树肯定有办法，一抬头，心中顿时豁然开朗:树啊树，又是你帮了我，不禁老泪纵横~
老蛋这次设计了一棵真正的大树来放货物的地址。如下图，树有一个根节点，后面有很多子节点，每个节点都有一个header，header后面的数据有两种类型，第一种是索引，就是树枝的位置，第二种是叶子，放数据盒子的位置。这样一级级就可以查到，而且数据节点表示的是一串连续盒子的开头位置和数量，而不用全都一个个列出来。老蛋再次得到了少庄主的嘉奖，他得意地回家对老婆说：每一个成功的男人背后都有一个不认输的女人！
节点头
树枝内容，指向更细的树枝
叶子内容
引用
https://ext4.wiki.kernel.org/index.php/Ext4_Disk_Layout http://www.datarecoverytools.co.uk/2009/11/16/learn-more-about-ext4/ http://blog.chinaunix.net/uid-26430381-id-4559492.html
五：按图索骥找吃的
蛋蛋自以为搞清楚了货物标签的来龙去脉，突然他发现了一个重要的问题：货物的名字在哪里？是啊，标签inode里面那么多东西，为什么偏偏没有货物的名字呢？那么文件名到底藏在哪里，蛋蛋带着疑问继续翻盒子，终于找到了真相。
话说古代有个人，拿着马经去找马，按照图纸牵了一匹马回来，没想到大家发现他找到的是一只大蟾蜍！这就是上面这张图，按图索骥的故事，讽刺刻板按照图纸做事，但其实应该怪写马经的人，写得不严谨，不精确，让人找到错的东西。Linux市经济发达，货物众多，仅仅取个名很容易混淆，而且也不好管理。饿想她超市的人为了精确的表示每一个货物，给每个货物按个名字的同时，还加了个目录，每个目录里面有文件，也有目录，最上面是个根目录，这样，从根目录出发，一级级找下去，就能找到最终的货物。
路径Dentry
如下图，要找一个文件/var/test.txt，这条路有两条路径，/->var，var -> test.txt，合起来就成了完整的路。每一个目录有一个inode，同时也有dentry。先拿到根目录/的dentry，得到它的inode地址，从inode又知道了data block位置，data block里面是个大数组，依次放着所有这个目录里面一级目录和文件的dentry。把var和每一个dentry的文件名一一比较，就找到了var的dentry，按同样的方法，继续重新开始，最终就找到了test.txt的数据盒子block了。
通过根目录/的dentry得到inode 2，到目录盒子和每个dentry比较，发现var的dentry；
找到var的inode 10747905，到目录盒子和每个dentry比较，发现test.txt的dentry；
找到test.txt的inode，知道了所有的数据盒子位置，可以访问数据了。
Dentry的内容如下，主要是文件名和inode的编号。
Hash Tree快速查找
了解到这里，蛋蛋真是烦透了:买个东西这么麻烦啊！要在每个dentry的盒子里面和所有下一级dentry一个个比较，真是累死人了！还想不想做生意了，搞得哥不爽，去别家买了。扭头便走，走到门口又停下来了：我是不是低估了饿想她超市的智商，他们生意做得这么好，肯定不会一直用这么麻烦的流程。蛋蛋又回去逛了逛:原来前面那一套都是旧的超市用的过时的方法，最近新开的店都用了更先进的方法：Hash Tree。什么，又是一棵树，你们超市工程师以前都是种树的吧？
如下图，根目录的盒子里面是个表，每个路径用hash算法算出一个hash值，每个hash值有一个自己的盒子，里面是所有的dentry，如果多个路径是同样的hash值，那么就在这个hash的盒子里面放所有的dentry。这样，最快查一次就查到一个路径的dentry了，毕竟hash重复的概率还是不大的。
每个hash条目的内容如下，32位Hash值和对应的盒子地址。
引用
https://ext4.wiki.kernel.org/index.php/Ext4_Disk_Layout
http://www.cnblogs.com/vamei/p/3506566.html
http://oldblog.donghao.org/2011/03/ext3adir-indexioo.html
六：诺兰，记忆碎片，掉电恢复
自从蝙蝠侠系列，盗梦空间和星际穿越全球热映之后，导演克里斯托弗•诺兰成了票房的保证。
诺兰早期拍过一部电影——记忆碎片，主人公的妻子被人奸杀，自己脑部受伤，从此患上了一种失忆症：没办法形成新的记忆，因为新的记忆只能持续10分钟。但是他还是要找到真凶，为爱妻报仇。为了让自己记忆，他不断的在身上写笔记，拍立得拍照片，腿上贴便签，记下新的进展和下次的行动。每次醒来后从这些记录搞清楚情况，继续报仇之路。剧透就到这里，要想知道凶手的结局，请观看这部精彩的影片。
SSD掉电恢复
老子说祸兮福之所倚，这个人经历了这么多磨难，终于成为了一个杰出的存储系统数据恢复专家。存储系统掉电之后就类似于人的失忆，必须通过之前记的记录恢复出数据的索引表。要像他一样不断做记录，还要做的有规则，乱记了下次醒来就南辕北辙了。对于SSD来说，要恢复出映射表，才能知道用户地址到内部物理地址的对应关系。具体掉电恢复的技术brokenegg大神已经介绍过，请点击本文末尾的阅读原文查看。
Journal——EXT3/4文件系统掉电恢复利器
本文介绍文件系统EXT4（不是EXO）的掉电恢复利器日志（Journal）。
如果你看了公众号前面文件系统的文章，就知道最核心的数据是lnode，文件系统的映射表，记录了每个文件数据块的地址。
当文件数据已经写入磁盘，但是inode还没写下去，发生了异常掉电，那么就没办法读到这些数据了。日志的作用是为了加速异常掉电的恢复过程。对于要保护的数据，每写一份，就会在日志中留下一条记录，日志数据会定期备份到磁盘上，叫做Checkpoint。
以前的文件系统，掉电恢复要扫描整个磁盘才能把inode和数据块正确对应起来，有了日志之后，就不用这样慢悠悠扫全盘了，只要把上次Checkpoint保存的日志扫一遍就可以了。已经删除的文件，只要数据块还没被覆盖，也能通过journal恢复出来。
引用：
https://view.officeapps.live.com/op/view.aspx?src=http%3A%2F%2Fwww.cs.umd.edu%2Fprojects%2Fshrug%2Fppt%2F5-Oct-2001.ppt
七：最适合SSD的文件系统
饿想她超市和GRE单词
我之前用饿想她超市的例子介绍了EXT4文件系统，SSDFans的不少读者从事技术研发，功力深厚，觉得这样写显得太业余了：还不如直接看技术文档爽快！有个读者回复让我们直接改名叫SSD业余粉丝o(^▽^)o
我先不直接说明原因，来说说GRE单词吧。不少人可能背过俞敏洪的GRE红宝书，为了帮助背单词，俞敏洪把很多单词进行了拆分联想，帮助记忆。比如Vulnerable这个单词，可以读音理解成汉语的温拿（winner），温拿过得比较舒服，温室里的花朵，很脆弱，所以就想到了单词的意思：脆弱的，容易受伤害的。还有一种记忆法是重复，不断重复背诵，再难的也记住了。我们工作中大部分记忆都是后者，为什么大家对自己的专业领域如此精通？就是通过一遍遍工作中的重复劳动牢牢掌握了这些技能，用的时候信手拈来。
对于不了解文件系统的人，工作中也不会大量接触，就没办法通过重复法记住，那只能通过联想法了，这就是我用饿想她超市来类比文件系统的原因:不了解文件系统的人，只要记住文件系统是个超市，文件是货物，放在盒子block里面，inode是货物的标签，记录了货物的盒子位置，就掌握了文件系统的精髓。如果只是看看技术文档，估计过不了一个月就忘得一干二净了。
适合SSD的文件系统最需要什么？
其实最需要的就是文件的inode映射表和SSD内部的FTL映射表统一成一个表，这样就解决了大部分问题。可以参考本站的从此，SSD不用再伪装成HDD（http://www.ssdfans.com/?p=832）一文，这样做有几个优点:
文件查询快，FTL的查询效率是很高的。
SSD通过文件知道数据的相关性，可以最高效的分布一个文件到每个chip上，提高读写速度。
只需要在SSD做垃圾回收，整合磁盘整理。
SSD知道哪些文件被删除了，这些删除的数据不用再占用空间，因此垃圾回收的速度变快了。
复制操作很简单：复制映射表就可以了。为什么机械硬盘不能这么做？机械硬盘如果两个文件对应到同样的一组LBA，其中一个修改就很麻烦，需要把改动的LBA重新映射到新的LBA上，维护一个重定向表。其实很多存储系统的snapshot就是这么做的，弄一个增量表。而对SSD而言，修改就是新的写操作，需要写到新的物理地址，必然要更新映射表，所以天然的实现了重定向。
适合SSD的文件系统在哪里？
这样看来，目前并没有免费开放的SSD专用文件系统，因为大部分SSD为了适应HDD的框架，都是把LBA作为基本单位，文件系统来访问LBA，机械硬盘时代发明的LBA隔断了SSD和文件系统的联系。就像上图，SSD是那个铁路和火车，但是悲哀的是没有火车头，车都是马来拉的，速度自然提不上去了。
SSD没有一个通用的协议来开放内部数据通道给上层软件，如果有这样一个开放的接口，那么诞生可以融合SSD内部FTL的文件系统也是自然的事 。
本文转载自SSDFans：
（完）
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