JFFS2 是一個(gè)開放源碼的項(xiàng)目（www.infradead.org）。 它是在閃存上使用非常廣泛的讀/寫文件系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)中被普遍的應(yīng)用。這篇文章首先分析了在閃存上使用 JFFS2 的必要性，然后詳細(xì)的闡述了 JFFS2 實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部機(jī)制，包括日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，掛載過程和垃圾收集機(jī)制。同時(shí)也指出了 JFFS2 的局限性，并介紹了最新的針對(duì) JFFS2 的不足進(jìn)行改進(jìn)的補(bǔ)丁程序。最后對(duì) JFFS3 的設(shè)計(jì)思想和現(xiàn)在的開發(fā)狀況給予了簡單的介紹。
　　1． 為什么需要 JFFS2
　　這一小節(jié)首先介紹了閃存相對(duì)于磁盤介質(zhì)的特別之處，然后分析了將磁盤文件系統(tǒng)運(yùn)行在閃存上的不足，同時(shí)也給出了我們使用 JFFS2 的理由。
　　1.1 閃存（Flash Memory） 的特性和限制
　　這里所介紹的閃存的特性和限制都是從上層的文件系統(tǒng)的角度來看的，而不會(huì)涉及到具體的物理特性。總的來說，有兩種類型的 flash memory： NOR flash 和 NAND flash. 先介紹一下這兩種閃存所具有的共同特性。
　　A） 閃存的最小尋址單位是字節(jié)（byte），而不是磁盤上的扇區(qū)（sector）。這意味著我們可以從一塊閃存的任意偏移（offset）讀數(shù)據(jù)，但并不表明對(duì)閃存寫操作也是以字節(jié)為單位進(jìn)行的。我們會(huì)在下面的闡述中找到答案。
　　B） 當(dāng)一塊閃存處在干凈的狀態(tài)時(shí)（被擦寫過，但是還沒有寫操作發(fā)生），在這塊flash上的每一位（bit）都是邏輯1。
　　C） 閃存上的每一位（bit）可以被寫操作置成邏輯0。 可是把邏輯 0 置成邏輯 1 卻不能按位（bit）來操作，而只能按擦寫塊（erase block）為單位進(jìn)行擦寫操作。擦寫塊的大小從 4K 到128K 不等。從上層來看，擦寫所完成的功能就是把擦寫塊內(nèi)的每一位都重設(shè)置（reset）成邏輯 1。
　　D） 閃存的使用壽命是有限的。具體來說，閃存的使用壽命是由擦寫塊的最大可擦寫次數(shù)來決定的。超過了最大可擦寫次數(shù)，這個(gè)擦寫塊就成為壞塊（bad block）了。因此為了避免某個(gè)擦寫塊被過度擦寫，以至于它先于其他的擦寫塊達(dá)到最大可擦寫次數(shù)，我們應(yīng)該在盡量小的影響性能的前提下，使擦寫操作均勻的分布在每個(gè)擦寫塊上。這個(gè)過程叫做磨損平衡（wear leveling）。
　　NOR flash 與 NAND flash 的不同之處：
　　A） NOR flash 讀/寫操作的基本單位是字節(jié)；而 NAND flash 又把擦寫塊分成頁（page）， 頁是寫操作的基本單位，一般一個(gè)頁的大小是 512 或 2K 個(gè)字節(jié)。對(duì)于一個(gè)頁的重復(fù)寫操作次數(shù)是有限制的，不同廠商生產(chǎn)的 NAND flash 有不同的限制，有些是一次，有些是四次，六次或十次。
　　B） 按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，一般來說NOR flash擦寫塊的最大可擦寫次數(shù)在十萬次左右，NAND flash擦寫塊的最大可擦寫次數(shù)在百萬次左右。
　　1.2 閃存轉(zhuǎn)換層
　　將磁盤文件系統(tǒng)（ext2， FAT）運(yùn)行在閃存上的很自然的方法就是在文件系統(tǒng)和閃存之間提供一個(gè)閃存轉(zhuǎn)換層（Flash Translation Layer）， 它的功能就是將底層的閃存模擬成一個(gè)具有 512字節(jié)扇區(qū)大小的標(biāo)準(zhǔn)塊設(shè)備（block device）。對(duì)于文件系統(tǒng)來說，就像工作在一個(gè)普通的塊設(shè)備上一樣，沒有任何的差別。
　　圖一
　　
　　一個(gè)閃存轉(zhuǎn)換層的最簡單的實(shí)現(xiàn)就是將模擬的塊設(shè)備一對(duì)一的映射到閃存上。舉例來說，當(dāng)上層的文件系統(tǒng)要寫一個(gè)塊設(shè)備的扇區(qū)時(shí)，閃存轉(zhuǎn)換層要做下面的操作來完成這個(gè)寫請(qǐng)求：
　　1 將這個(gè)扇區(qū)所在擦寫塊地?cái)?shù)據(jù)讀到內(nèi)存中，放在緩存（buffer）中
　　2 將緩存中與這個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容用新的內(nèi)容替換掉
　　3 對(duì)該擦寫塊執(zhí)行擦寫操作
　　4 將緩沖中的數(shù)據(jù)寫回該擦寫塊
　　這種實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)是很明顯的：
　　1 效率低，對(duì)一個(gè)扇區(qū)的更新要重寫整個(gè)擦寫塊上的數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)帶寬很大的浪費(fèi)。
　　2 沒有提供磨損平衡，那些被頻繁更新的數(shù)據(jù)所在擦寫塊將首先變成壞塊。
　　3 非常不安全，很容易引起數(shù)據(jù)的丟失。如果在上面的第三步和第四步之間發(fā)生了突然掉電（power loss），那么整個(gè)擦寫塊中的數(shù)據(jù)就全部丟失了。這在突然掉電經(jīng)常發(fā)生的嵌入式系統(tǒng)中是不能接受的。
　　MTD 中的內(nèi)核模塊 mtdblock 就是基于這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還作了一些優(yōu)化。只有當(dāng)文件系統(tǒng)的寫請(qǐng)求超過了一個(gè)擦寫塊的邊界的時(shí)候，它才會(huì)執(zhí)行對(duì)閃存的擦寫，寫回操作。
　　因此，為了解決上面這種實(shí)現(xiàn)方式的問題，閃存轉(zhuǎn)換層需要做更多的事情。閃存轉(zhuǎn)換層不能只實(shí)現(xiàn)這種一對(duì)一的映射，而需要將模擬塊設(shè)備的扇區(qū)存儲(chǔ)在閃存的不同位置，并且維持扇區(qū)到閃存的映射關(guān)系。更進(jìn)一步，閃存轉(zhuǎn)換層還必須能理解上層文件系統(tǒng)的語義，否則閃存轉(zhuǎn)換層沒辦法做垃圾回收（Garbage Collection）。這樣實(shí)現(xiàn)最大的問題就是效率不高，具體來說，閃存轉(zhuǎn)換層為了能理解上層文件系統(tǒng)的語義，必須對(duì)文件系統(tǒng)的每個(gè)寫請(qǐng)求進(jìn)行解析，這勢必帶來寫操作性能的下降。另外要求文件系統(tǒng)下面的一層去理解文件系統(tǒng)的語義，很顯然這不是最好的解決方式。我們還有很好的解決問題的方法，就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)特別針對(duì)閃存的文件系統(tǒng)。而 JFFS2 就是一個(gè)這樣的文件系統(tǒng)。
　　2. JFFS2
　　有 JFFS2 就要有 JFFS v1，沒錯(cuò)，JFFS v1 最初是由瑞典的 Axis Communications AB 公司開發(fā)的，使用在他們的嵌入式設(shè)備中，并且在 1999 年末基于 GNU GPL 發(fā)布出來。最初的發(fā)布版本基于 Linux 內(nèi)核 2.0，后來 RedHat 將它移植到 Linux 內(nèi)核 2.2，做了大量的測試和 bug fix 的工作使它穩(wěn)定下來，并且對(duì)簽約客戶提供商業(yè)支持。但是在使用的過程中，JFFS v1 設(shè)計(jì)中的局限被不斷的暴露出來。于是在 2001 年初的時(shí)候，RedHat 決定實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的閃存文件系統(tǒng)，這就是現(xiàn)在的 JFFS2。下面將詳細(xì)介紹 JFFS2 設(shè)計(jì)中主要的思想，關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和垃圾收集機(jī)制。這將為我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)閃存上的文件系統(tǒng)提供很好的啟示。首先，JFFS2 是一個(gè)日志結(jié)構(gòu)（log-structured）的文件系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)和原數(shù)據(jù)（meta-data）的節(jié)點(diǎn)在閃存上順序的存儲(chǔ)。JFFS2 之所以選擇日志結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式，是因?yàn)閷?duì)閃存的更新應(yīng)該是 out-of-place 的更新方式，而不是對(duì)磁盤的 in-place 的更新方式。在閃存上 in-place 更新方式的問題我們已經(jīng)在閃存轉(zhuǎn)換層一節(jié)描述過了。