如何能讓手機如行云流水般流暢，來看看他們怎么做的？

拒絕“卡卡卡”

——手機超級文件系統的革新之路

喜渝

如果在手機上打開一張圖片，要默念三秒才能顯現，很多消費者估計都炸毛了。不幸的是，幾乎每一部安卓手機用了一段時間，都難逃“越來越卡”的命運。高清的照片、視頻占用的空間越來越大，手機剩余的存儲空間也就越來越少。

這其中的原因當然很多，但文件系統的“先天不足”是最重要的因素之一。安卓默認的文件系統EXT4，最初設計是基于磁盤式的存儲結構，隨著手機用戶的頻繁使用，手機存儲空間的碎片越來越多，應用程序讀寫數據就越來越慢。這就好比是剛搬新家，東西少，要找一個東西花不了幾分鐘，可住得越久，買的東西越多，又不收拾，要在滿滿當當的房間里找到你要的東西，就需要花更多時間。

如何能讓手機如行云流水般流暢，如何在安卓文件系統領域做到最快、最強？這次，我們想做點不一樣的事。

簽字畫押的“軍令狀”

我們首先想到的是F2FS文件系統。相比EXT4，F2FS文件系統“聰明”多了，不僅會主動幫你收拾房間，而且扔垃圾也不那么簡單粗暴了，先分清楚是“干垃圾”、“濕垃圾”之類，過段時間再集中處理。如果能用F2FS替代原有文件系統，是否就能極大提升手機運行效率，解決“越用越慢”的問題呢？

但此時，我們手里只有一個F2FS文件系統的開源原型，是國外的一名工程師在技術社區用業余時間開發出來的。由于不確定性大，哪個安卓廠商也不敢隨便用。而最早使用F2FS的M廠商，只因一次嘗試，就讓上千臺手機變成“磚頭”被退貨，錯誤數據多達好幾個T。

面對著同樣的風險，我們要不要走一回鋼絲？

我們召集了相關領域的專家一起討論使用F2FS模型的可行性。經過查閱社區的文檔和技術達人的實驗數據，大家一致認為，首先需要解決三類的風險：一是性能，怎樣使碎片整理動作本身不被用戶察覺，不影響手機原有的使用體驗；二是可靠性，不能出現文件丟失或損壞，更不能出現手機發生頻繁重啟甚至開不了機的情況；最后是壽命，就是讓文件系統不要“用腦過度”而影響壽命。

針對這三個風險，我們準備了初步的解決方案方向，等待上會評審。

當我在評審會上匯報完，讓整個技術管理團隊舉手表決時，偌大的會議室里鴉雀無聲，沒有人舉手。真的沒有人敢舉手啊！說白了，是越懂越害怕。

“大家都說說想法吧，我們先討論，再表決！”CBG軟件部總裁王博的一番話打破了沉默。

“我們對現有的風險是不是已經有了全面的認識，是不是最懂的專家已經參與進來了？雖然聽到這個方案，我也熱血沸騰，但細節是不是要澄清一下？”

“F2FS的JKim和社區maintainer老俞都全程參與了設計和開發，已經是業內最強陣容了。”

“這個開源模型，連S廠商都沒敢用，確實風險大。不過如果我們做成了，對軟件領域，乃至整個行業來說，都是不可估量的貢獻啊！”

……

幾個小時過去了，大家在革命性的創新和技術風險的權衡中反復討論。最后一致認為，CBG軟件部需要這樣的突破：“產品到了這個階段，如果我們不做成一些別人不敢做的事情，消費者憑什么一直選擇我們？用戶體驗最佳也不應該僅僅是一道標語！”

為了保證最終的方案能得到充分驗證，且風險可控，TMT管理團隊最后達成共識：首次在手機項目中采用商用實驗項目的方式，即小規模商用以控制風險，并進行跟蹤管理。這批手機一旦送到維修中心，會第一時間送回分析。

會后王博讓我把相關的專家組織起來，再做一次風險評估，并在紙件上簽字，讓我們每個人都明白在這樣一個系統中自己的責任。

“簽字畫押”之后，我們就開干了！

各個部門也派出了精兵強將，投入到這一場大仗中。OS部自不必說，CBG的軟工、硬工、2012內核實驗室、海思的硬件工程部、海思存儲芯片團隊都積極投入資源全力配合。

接下來，就看我們的了！

三大難題，難于上青天

要用F2FS替換現有文件系統，就好比器官移植手術。每一根神經和血管的接駁都馬虎不得，只有都搞對了，才能重新恢復心跳、血壓和呼吸。獲得新“器官”的手機，也將具備更強勁的運動和思維能力。

項目組分工協作，按照一開始評估的風險，開始了對“三大難題”的攻克。

第一個難題是性能。碎片整理本身會帶來消耗，這種消耗甚至對前臺的用戶體驗產生影響。如何讓F2FS聰明而省力地工作，是我們首先要考慮的。項目組先是做修補的工作，針對F2FS的一些不合理的設計進行優化。

這些修補工作盡管必不可少，卻無法在性能上有大的突破。后來我們發現，當手機剩余空間越來越小的時候，寫入存儲的性能會下降，尤其是存儲空間碎片多的情況下會急劇下降，有可能下降到原來的1/10，甚至5%。用戶會察覺到，往手機里存一張照片、一段視頻要用的時間明顯增加了，忍不住吐槽“好卡”。

為了解決這個問題，我們和海思一起做了多通道并發設計，通過芯片和軟件相結合的技術，在保障了系統可靠性的前提下，將寫入存儲的性能提升了6倍。這個突破到現在，我們也是業界No.1。同時，我們跟芯片驗證的同事一起，將相關性能指標放到了華為采購標準里，以保證我們對性能的追求。

第二個難題是可靠性。一般情況下，手機如果出現系統可靠性問題，最壞的可能也就是無故重啟。但如果文件系統破損，手機開機時可能無法獲取到相應的系統配置項，會導致反復重啟，甚至開不了機，這可是重大的質量事故了！

最典型的一類導致文件破損的原因是DDR跳變。這就好比是一個突變基因，一旦碰撞到原始數據，就會“感染”導致這個文件破損，而如果恰好遇到系統性文件，就會開不了機了……真的就像定時炸彈一樣，難以預測。這種不確定性，使我們沒有辦法窮舉所有的可靠性問題。

怎么辦？我們干脆反其道而行之——研究所有的故障模型，基于故障模型打免疫針，在故障還沒有發生之前主動預防，阻斷異常。

第三個難題有關壽命。文件系統頻繁地整理，必然損耗閃存壽命。我們不貪心，不要求手機“長生不老”，只希望至少做到大家普遍能接受的三五年不壞。

影響壽命的原因有很多，核心原因之一是“過勞”——寫放大。簡單說就是，要在手機上“寫”1兆字節的數據，為了避免掉電等異常造成的文件破損，操作系統就必須“寫”進去5兆甚至是10兆的數據。我們想了很多給它減負的辦法，比如通過文件系統和數據庫的聯合優化，讓數據庫和文件系統在寫之前先通個氣，這樣它倆就不必再做重復的工作了，也就自然延長了壽命。

同時，為了準確地預估出手機的存儲芯片壽命，我們還做了一個壽命預測模型。最早做出來的模型受限于采集數據渠道的影響，不夠準確。有領導曾挑戰過我們：“這個XX系數怎么算出來的？怎么能說這個產品發貨后一年半就要出現問題呢？而且又沒給出解決方案！” 但是隨著更多的大數據介入后，壽命預測模型也具備了參考價值。在這個基礎上，我們還有額外的一招拯救措施，比如，如果在大數據上看到這批機器的壽命確實老化得比較快，就可以推動升級，避免繼續惡化。

經過這些努力，即便是在最差情況下，F2FS都可以保證存儲的壽命在可接受范圍內。

很快，我們在EMUI5.0正式首發文件系統。Mate8用戶升級EMUI5.0后，在運行速度方面，用戶的滿意度有了明顯改善。

和“疑難雜癥”斗智斗勇

盡管文件系統上線前，我們已經進行了大量的測試和分析，但真正上線后，卻還是經歷了一次次的“驚心動魄”。

P9上市一個月后，有商用實驗用戶反饋說自己手機里的照片都沒了，所有人都懷疑是不是F2FS文件系統出了問題。一時間，整個文件系統的好手都被重新召集到上海來攻關。大家反復查代碼并比照故障現場日志，鏖戰了3個晝夜，卻感覺不像是文件系統能夠導致的問題。

正當我們不斷嘗試卻一籌莫展的時候，問題在我們手里復現了！大家趕緊撲上來，重復之前的操作，找到了復現的規律。通過查看底層日志確定，原來是有應用主動發出了刪除的命令，錯誤地清理了用戶的照片。順藤摸瓜，我們最終抓到了這個“流氓”應用。

大家總算松了一口氣，雖說確實不是文件系統的問題，但這也給我們提了個醒：為了避免類似的事故再次發生，我們從底層入手，提供了強大的安全保護機制，限制了“流氓”應用對用戶的數據的破壞。這下把這個問題徹底解決了。

這樣的“疑難雜癥”還有很多。

Mate20上市前，我們投放了少量的機器做Beta,剛用沒幾天，“用戶”老卞就打來電話，反饋微信出現嚴重卡頓。我們通過日志發現，微信陷入這個文件系統的時候，等待時間特別長，正常應該是微秒級，現在卻惡化了1萬倍！

要定位問題就要獲取更多的故障機。在PDU測試同事小李的幫助下，我們將復制的Beta版本單獨推給用戶，一旦問題復現，就請用戶及時反饋。

第二天凌晨1點多，有個Beta用戶說問題復現了，并且同意我們即時上門取故障機。阿杜連夜驅車幾十公里趕往用戶所在地，拿到了這臺“寶貴”的故障機。但是折騰一晚上，還是沒找到原因，到了上午9點多，又出來一臺，大家就打了一個熱補丁，由此拿到了一個關鍵變量的數據，同時反復查了幾十份日志……終于分析出了原因，并成功復現。

原來，在谷歌更新版本之后，部分應用出現了兼容性問題，如果手機解密之前，應用去訪問了未解密的文件，這個問題就可能發生。針對這個情況，我們在底層增加了加密訪問失敗后的處理機制，有效避免了異常操作帶來的卡頓。

其實，還有很多這種極難定位的問題，都是多個部門第一時間緊密配合完成的。

還能更快嗎？DRB會議的“光速打臉”

對于安卓手機來說，F2FS只是解決了用戶數據區的問題，可是手機里有較大的空間留給了系統分區，這個“大房間”不打掃，整體性能還是沒法達到最佳，系統分區里的剩余空間用戶也沒辦法使用。

我們不能阻止系統文件的增大，但如果要它更靈活一點、小一點，最好的辦法還是壓縮。

這個想法在業界不算獨創，S廠商早在2012年就做了一個壓縮文件系統，但由于性能損失太大甚至沒有進入開源社區。G廠商在2016年推出的AB升級機制，由于需要占用雙倍的分區來保存系統文件，所以也在力推壓縮文件系統Squashfs。

Squashfs是不是我們的機會呢？

經過研究發現，這個系統確實存在比較大的原生性能問題，這大概也是沒能廣泛推廣的原因。但我們在用戶場景上進行了初步測試，認為其代價相比收益還是可以接受的。于是，我上了DRB（設計評審委員會），信心滿滿地告訴大家：“Squashfs可以用！可以帶來正向的收益！”但下了會沒多久，我就發現，在系統應用場景，特別是像Camera這樣的重性能應用場景，手機每進行100次拍照后，會有5/6次出現慢1~2秒延遲，這是用戶所不能接受的。

于是，我第二次上了DRB，灰溜溜地告訴大家：“Squashfs用不了。”說這話時，我心里想，這就是傳說中的“光速打臉”啊！丟人丟大了！

但我們還是不想放棄。下來找了港城大的薛春和史亮教授，幫助我們研究壓縮文件系統的先進理論，去論證壓縮到底怎么壓，解壓縮怎么解，怎樣避免對性能的影響等。

只讀文件壓縮文件系統，主要是低端機受益，低端機的空間更小，兩個G的節約對用戶來說感知就非常明顯了。但同時低端機對性能的要求也最苛刻，稍有減弱，就沒法用了。可是，這個問題G廠商在大空間的高端機上都沒解決，我們如何突破？

有一天晚上，組里的兄弟們聊天時，小翔突然說：“我們把內存和磁盤結構改造一下，這個問題是不是就可以搞定了？”這句話讓我們恍然大悟！

這就好比，我們要給一個房間的物品打包，如果按以前的思路，就是把所有東西裝進一個巨大的箱子里。要找任何一樣物品，都需要在箱子里“大海撈針”。但如果轉化一下思路，提供N個1L容量的箱子，把東西分別裝進這些箱子，那找起來就簡單得多了。

沿著這個思路，我們設計了新的壓縮方式，提交到LZ4開源社區里，maintainer看到很支持，很快就合到主線里面去了。真沒想到，困擾我們這么長時間的難題，就這么解決了。華為P30發布時，系統文件分區就采用了我們最新的文件系統。

彼此信任的默契

回顧文件系統的開發歷程，感謝每一個兄弟部門的協作。如果沒有大家的精誠合作、風險共擔，我們不可能打造出自己的超級文件系統。

前文提到的多通道并發設計的方案，其實是一個有風險的方案。我記得海思的阿彪曾跟我說：“喜渝，我很害怕，這東西到底敢不敢合進去。”我們就一起去看，到底有可能在哪些場景出現問題。的確文件系統本身無法面面俱到解決這個問題，但從操作系統層面，所有場景都可以系統地來彌補。還有少部分方案需要我們當前做底層的驅動架構調整，海思的兄弟們也從未退縮，一起想辦法解決。如果不是互信的團隊，如果大家都只站在自己的業務田里做利弊權衡，這種有很大風險的技術突破很難做成。

和中軟的合作更是如此。記得定位P9“丟文件”問題的時候，大家都一起住在公司熬夜定位，實在熬不住就在旁邊睡會兒。當時，睡在我旁邊椅子上的兄弟就是中軟文件系統的PL斌田和他組里的云蕾。大家經歷兩天兩夜，沒有找到根因，犯困又睡不著，云蕾就開始拿著手機躺著復現問題，突然聽他大叫一聲，把我們幾個嚇了一跳！原來他居然“躺著”把問題復現了！大家一股腦從躺椅上爬起來，圍著他一頓狂問，終于找到了復現規律。從此這位兄弟被我們稱作“金手指”，是他洗清了文件系統的“嫌疑”。

這些故事還有很多很多。我們一起克服了種種困難，解決了一個又一個難題， 我想，這些彼此信任的日子會在時光中閃耀。

展望未來，我們將致力于最佳的消費者體驗，做出更多牛逼的作品！

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