浅谈华为EROFS文件系统的两个主要技术_erofs-华为超级文件系统浅析

EROFS(Extendable Read-Only File System)是华为最近发布的一个新的Linux文件系统，它是一个基于ROM的只读文件系统。目前已经并入内核主线4.19分支。该文件系统因为其所宣传的“可提升随机读写速度数倍”引起了业内外广泛关注。下面将从两个方向对该文件系统取得如此成效的原因进行解读。

通过fixed output压缩缓解读放大问题

一般存储器以4K为最小的读写单元，要找到一个读写单元就要寻址。如果有一组数据大小在5K左右，压缩后占用3.5K的空间。当这3K的数据全部在一个单元内时，一次读写就能完成我们的操作，但是如果这3K的数据前1.5K在第一个存储单元内，后2K在另一个存储单元内，就需要进行至少两次读写，会导致性能的下降。

在以往Linux内核使用的压缩只读文件系统squashfs中，每4K数据进行一次压缩。数据不同，压缩率也不一样，有的数据可以压缩到很小，有的数据几乎没办法压缩。这样就会压缩出很多大小不一的数据块。尽管这些数据块全部小于4K，然而可以说，这些数据块几乎完全不能和4K单元对齐，因此读写时会造成很多的额外消耗。

例如一个128k的文件， squashfs会采用固定大小（比如32K）为输入，即会将每32k数据压缩成不确定的大小，如可能是12K；那么读取文件中的任意4k数据，都需要至少读取完整的12k压缩数据，然后解压再读取其中的4k，这多读取的8K就是所谓的“读放大问题”。

EROFS也是一种压缩文件系统，采用了一种叫做fixed-sized output文件压缩算法。该算法在EROFS中应用的示意图如下：

一个文件4K不对齐的结尾的部分会作为内联文件数据和inode head连接在一起，故压缩后的物理块大小为固定值（4K）。相比于以固定大小为输入，变长输出的fixed-size input能够有效的缓解读放大问题，降低I/O读取量。对于上面的情况，EROFS采用的是固定大小为压缩输出，即可能会将这128k数据的0-7k压缩成4k，7-25k也压缩成4k，25-32k也压缩成4k，以此类推。那么读取文件中的任意4k数据，只要读取最少4k，最多8k（任意4k数据压缩后最多分布到两个block中）的压缩数据。相比squashfs，读放大问题明显减少了。

只读特性

EROFS被应用于Android的只读系统分区。以往Android只读系统分区使用ext4文件系统的只读挂载参数和挂载dm-verity虚拟块设备（用于文件系统校验）来配合实现只读。这并非是一种结构上的限制，通过去除Ext4只读挂载选项并且不挂载dm-verity设备，就可以对系统分区进行写操作。

而EROFS在结构上即为天然只读，由于时间有限，其具体实现我还没有了解的很清楚，但根据网络上的一些讲解，EROFS存储单元间通过一种类似链表的结构进行连接，前面的存储单元保存着其后一个存储单元的位置，不通过全局bitmap管理所有可写区域。因此外来者无法知道哪个区域是有效可写入的，即使强行写入，其内容也不会被其它存储单元承认。

保障只读为整个系统的设计带来了很多好处，由于数据空间大小已经事先确定，文件系统可以消除直接inode/间接inode这样的设计，也省略掉了inode bitmap和block bitmap（记录空的block）这种区域来节省空间。直接把每个文件压缩后的数据顺序储存，然后保留压缩后每个簇对应的原始数据范围作为元数据即可。这样一来对文件的顺序访问变成了顺序读取，性能得到了很大提升。EROFS磁盘层数据结构示意图如下：

实现细节上，EROFS的inode table是变长的，里面包含了inode结构体和少量的内联文件数据。xattr和压缩特性都是可选的，未选择的情况下inode table空间将进一步缩小。