文件系统（File System）是计算机系统的基石，为上层智算应用提供文件组织、数据持久化以及数据崩溃恢复能力，其使用范围覆盖每一个数据中心、个人PC以及嵌入式设备等。现代文件系统通过崩溃一致性机制来保证数据的可靠性，然而，现有的崩溃一致性机制，例如：写前日志、日志结构文件系统、软更新等，都存在着多次、少量、随机的I/O访问模式，这些访问模式造成了严重的I/O放大，带来了大量顺序I/O屏障，导致系统性能严重下降，浪费存储硬件带宽。
在中国国家重点研发计划（项目号：2023YFB4502900）等项目的支持下，哈尔滨工业大学（深圳）夏文教授团队首次提出一种新型的元数据单写文件系统架构（Metadata Write-Once File System，WOFS），其核心在于为不同文件操作设计不同的元数据包，从而保证每次文件操作只有单一元数据写入，以最小化对设备的读写与顺序性屏障。基于元数据包单写机制，WOFS设计了一系列技术：（1）通过文件操作基本语义构建单写元数据包，从而最小化元数据包种类；（2）通过基于非日志结构的单写元数据包布局管理与分配回收，避免高昂的垃圾回收开销；（3）通过构建单写元数据包的高速存取转译层，提供与传统文件系统相兼容的元数据对象；（4）最后，通过引入粗粒度位图分配机制，避免恢复时引入过量的介质扫描，大大提升恢复性能。基于该WOFS架构，团队构建了面向新型非易失内存的Wolves文件系统，充分发挥WOFS架构能力。
如下图所示两种真实数据库应用（LevelDB和RocksDB）测试实验结果表明，Wolves文件系统性能远超现有最先进的文件系统，比商用文件系统EXT4/XFS快至多6.73倍，说明其元数据单写机制的高效性。该成果发表于系统领域顶级会议USENIX Conference on File and Storage Technologies（OSDI，CCF-A）。
图1 两种真实数据库应用实验
（审核 夏文）
