作为一名多年的文件系统爱好者，自2017年冬在家汇聚一些想法和思路来POC只读压缩文件系统（即后来开源并upstream到Linux主线的EROFS文件系统）直到今天已经有4年的时间。我相信很多人不解为什么要长时间专注一个这么“简单”的只读文件系统，本文希望从我的自述解答如下问题：
1、之前的只读压缩文件系统存在什么问题？
2、为什么不改进之前的只读文件系统？为什么不开发通用文件系统的压缩特性（例如ext4、f2fs、xfs等）？为什么不开发块设备方案？
3、EROFS究竟有什么优势？
4、EROFS的未来。
如果大家觉得下述这些观点还有些道理，对EROFS或者Nydus镜像服务有些兴趣或者有新的落地场景，欢迎尝试并及时反馈我们，同时非常欢迎贡献中立、开放的EROFS和Nydus解决方案。
1、不破不立
故事的源头要从2016年说起。那时我刚入职华为消费者BG，在了解方案过程中，就听到谷歌在Android N上向下游厂商推双分区方案来实现AB升级，双分区虽然能实现无感升级，但意味着双倍的空间占用，因此谷歌引入了社区成熟的squashfs文件系统通过压缩来解决空间占用的问题。
那时的华为终端作为Android阵营的激进派，一方面与谷歌深度合作第一时间商用最新的Android版本，另一方面构建自己的黑科技、“讲故事”。如果说“天生快，一生快”的代表作F2FS文件系统是2016年存储领域的一个大故事，那squashfs就是最新的Android版本一大新特性。F2FS可以算成功了，而squashfs呢？
结果是显然的，可能大家会好奇为什么成熟的squashfs会失败。终其原因是因为Android场景对系统资源的要求极为苛刻——
（1）应用保活，即使进了后台也要尽可能活着不能杀死；
（2）系统和前台应用不能卡顿；
（3）前后台切换要流畅、无感。
在有限的内存和CPU资源下要满足（2）、（3）还不能牺牲（1）对于一个没有深度思考的简单透明压缩方案是极端苛刻的。只读分区的重要性在于大量重要的运行时库都放在系统分区，开源的squashfs在应用轮番启动和前后台切换的测试中，在切到相机前台时，会概率卡住几秒，同时伴随着低内存下的内存回收甚至hungtask。频繁的内存和cache抖动导致整个系统无法进入稳态，不可用。
我记得很清楚的是，在各种调参无果后，整个EMUI7项目组在8月底“风风火火”的把squashfs和AB升级回退掉了。
这是squashfs在华为手机上的结局，而Android的生态结局来的稍微晚了一些：
【p.s. 越来越多的场景正在像当初的Android一样苛刻，例如高密和轻量级容器的需求，我们可以继续妥协么？】
二、只读压缩的再思考
转眼间到了2017年，忙完手头项目后，我在思考下一步要做什么时，脑海里又复盘了一遍一年前的压缩方案。那压缩方案在手机上究竟可不可行？我认为是可行的，确切来说是只读压缩的商用是可以值得走钢丝冒险的：
首先，从是否可以压缩的角度，只读分区里的数据（具体来说是so和odex之类的可执行数据）是确定性有收益的，且只读分区的压缩数据是preload压缩的；读写分区里的只读数据类似，但用户数据收益未知，例如视频、图片、录音都是压缩过的，从商业上收益无法证明；
其次，从投入产出比上，squashfs刚落地失败，投入搞读写压缩搞不好是真的献给情怀了；只读压缩看起来想安稳落地都需要精打细算，要不就会步入squashfs的老路；
最后，从方案可行性上，LZ4在手机内纯解压大概单核~2GB/s，对于ufs 2.x的打满性能大概是600MB/s左右的顺序读，如果把内存资源搞定，CPU资源上妥协一点值得一试，原因有二：
1）系统分区都是一些非I/O带宽敏感的数据；
2）系统分区总有效数据量有限，也就意味着总I/O量有限。
因此怎样最大化压缩率（减少总I/O量，给解压带来更多的margin），怎样尽可能的不依赖额外的内存资源，怎样做到压缩数据cache更友好，成了我那个阶段考虑的重点。
当然，现在这几点都有了确定性的答案：
原地I/O时分复用page cache避免额外分配，原地解压做到解压零拷贝；
固定输出的压缩技术最大化压缩率，同时压缩cache以页为单位更友好，每个压缩块可独立解压（不存在无效数据），可独立选择原地还是cache I/O。
正好2017年底，中低端机ROM空间告急，市场那边已经提出了正式的需求，给压缩方案来了一波顺水推舟。最后结局还是比较美好，我们在荣耀10青春版也就是EMUI 9.0.1低端机上实验性落地，最后大佬在P30发布会和EMUI9.1上正式宣传了这个特性。
这里插一句块设备压缩，固定输出的压缩技术对块设备方案不友好，因为I/O单位所限，基本做不到，而文件系统是字节级的访问固定输出才有更大的意义。当然块设备多了一层overhead更高且没必要，这里不再细提。
三、EROFS文件系统
下面到了关键，当时大佬也在建议我一开始就把方案放到f2fs或者ext4中实现，我盘算了很久没有这么做，原因如下：
1）基于之前失败的事实，我认为f2fs和ext4读写文件系统的inode和索引格式也过重，而我专注的还是那些只读的数据，应该怎么轻量、高效怎么来，避免落地瓶颈；
2）只读场景是一个看起来简单但事实很广泛的场景。通用文件系统场景ext4已经可以满足绝大多数通用需求，而只读场景没有一个经得起极致考验的文件系统，而只读是一个很大的限制性前提条件可以做深度优化定制，而做到通用文件系统中会让这一可能性消失。
因此路子就被限制在改进squashfs和造新轮子上，这样有几点考虑：
1）除去很多细节上的设计问题，究其到底，squashfs是一个字节级寻址的“文件系统”，其blocksize概念只是个基本的压缩单位并不是I/O单位。而字节级寻址和不对齐的元数据做不到只读场景下极致性能（设想给squashfs只实现数据的Direct I/O、mmap和dax场景都需要做额外运行时检查，如果不合适还要fallback到buffer I/O，或者是bounced buffer memcpy），尤其是不对齐的元数据设计也做不到无额外I/O放大。话句话说，高性能的磁盘文件系统需要从基因上就有真正“块”的概念来做到直接访问，即使是未来的pmem，块寻址也不会淘汰，只要做到类似的空间节省。
2）那时个人观察，squashfs的维护者不怎么负责任，新特性接受程度低，推一些简单的优化、小特性（例如ACL）或者bugfix都不见积极回音，那推一波深度优化不知道argue或者silence到猴年马月，而且大改squashfs磁盘格式已无向后兼容的优势，改造意义已经不大。相关的帖子见：
https://lore.kernel.org/r/[email protected]/
https://lore.kernel.org/r/[email protected]/
https://lore.kernel.org/r/[email protected]/
https://lore.kernel.org/r/[email protected]/
等等等等。（当然最近squashfs作者不知何故活跃了很多……）
3）只读场景是一个可以持续深耕的场景，在嵌入式（手机、路由器）、容器镜像、app容器化（snap、appimage等）甚至IoT设备中都可以找到大量的场景，光列roadmap清单都可以列好久。只要格式经得起推敲、性能优异和在不牺牲性能的前提下把镜像大小做到极致，就可以在只读这个大场景下做到通用性。
最后，结果就是在2017年底，慢慢勾勒出了的现代只读文件系统最核心的几个idea：
1）基于4KiB页单位的磁盘块，非压缩场景可直接mmap、direct I/O和dax，避免一切额外运行时检查和无效fallback；
2）引入tail-packing inline来达到small blocksize或者不对齐元数据接近的空间节省效果，同时根据数据局部性原理来提升I/O性能；
3）32或者64字节的inode来最小化存储元数据，同时满足对齐要求（16字节的inode格式已经没有直接价值【太小，且需要2次索引cache不友好】。）
4）元数据不压缩，因为元数据一般都是随机访问，且为关键路径时延要求敏感，压缩元数据性价比不高；
5）可随机访问的目录结构解决squashfs低效的近线性查找；
6）固定输出压缩、原地I/O和原地解压，主打跟squashfs的差异性，极致解压性能。
2018年春，我们整个项目组在上海集体封闭讨论一周，敲定了EROFS文件系统ondisk磁盘格式，其主要部分一直延续到今天。
四、镜像格式的未来
Android场景已经有越来越多的厂商选择EROFS，例如已经公开的OPPO和酷派，没有公开的小米，还有当前正在紧锣密鼓落地的谷歌原厂：
容器镜像领域，EROFS已经与Nydus镜像服务通过RAFS v6格式深入集成，后面会在按需加载中持续发力，做到数据面无必要不过用户态来达到极致性能。
在基础设施上，erofs-utils已经实现了mkfs、fuse、dump和fsck功能（很多人问只读文件系统要fsck干什么？答：更多用于兼容性检测，其次才是一致性检查），目前也发展出了liberofs，API稳定后可以无缝集成到各大场景中。
erofs及erofs-utils已经登陆到Archlinux、Debian、Fedora、OpenSUSE、Ubuntu等主流发行版中……
不管怎样，默默坚持了4年的我，情怀也罢，自我价值也罢，很希望一直陪着Linux的发展长青下去。也希望各界更多大佬加入我们，继续完善场景，一起maintain，一起普惠整个Linux生态，当然技术无国界，咱（俺）更要自强…
本文转自公众号：猴子的自我修养，EROFS的作者hsiangkao
标签：场景,只读,压缩,文件系统,squashfs,EROFS,缘起 From： https://www.cnblogs.com/mlqq24/p/18250828