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littlefs原理分析—磨损均衡（六）

来源：Ghost系统之家浏览：时间：2023-08-31 09:57:35

littlefs原理分析—磨损均衡（六）

作者：蒋卫峰李涛 2022-11-22 15:21:55系统 OpenHarmony 本文介绍了littlefs中与磨损均衡相关的策略以及块分配算法。

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前言

前面已经对littlefs的原理分析了5篇文章，内容包括了：

littlefs整体的存储结构commit机制fetch操作目录操作文件读写操作

本文是littlefs原理分析系列最后一篇文章，主要介绍littlefs中与磨损均衡相关的策略，同时也会对其中的块分配算法进行介绍。

littlefs有以下防止磨损相关的措施：

写时坏块的检测和写入恢复。均匀地进行块的分配：由块分配算法实现。定期重分配元数据所在块。

1、写时坏块的检测和写入恢复

littlefs中当进行文件、目录元数据等的写入时，最后会调用函数lfs_bd_flush将数据最终写入到磁盘。lfs_bd_flush函数写入完后，会将内存中写入的数据和磁盘上的数据进行比较。如果数据不一致，则可能是坏块。

方法如下：

写入时通过回读磁盘上的数据进行验证，来检测坏块。检测到坏块后，清除坏块，重新分配块，然后重新写入。

lfs_bd_flush函数检查数据是否一致部分的分析如下：

// 当将缓存中的数据回写到磁盘时，检测坏块lfs_bd_flush(lfs_t *lfs,| lfs_cache_t *pcache, lfs_cache_t *rcache, bool validate) | ...|| // 调用lfs_bd_cmp比较磁盘上的数据是否与写入的数据相同| // 如果不同则可能遇到了坏块|-> if (validate) {| lfs_bd_cmp(lfs,| NULL, rcache, diff,| pcache->block, pcache->off, pcache->buffer, diff); | }||->...

如在文件写入数据时，在函数lfs_file_flush中，检测到坏块时会重新分配块再进行写入操作：

lfs_file_flush(lfs_t *lfs, lfs_file_t *file)|-> ...||-> while (true) {| // 调用lfs_bd_flush写入数据，并比较数据是否写入正确| int err = lfs_bd_flush(lfs, &file->cache, &lfs->rcache, true);| if (err) {| // 检测到坏块则跳转到relocate| if (err == LFS_ERR_CORRUPT) {| goto relocate;| }| return err;| }| break;|| relocate:| // 重新分配块并再次进行写入操作| LFS_DEBUG("Bad block at 0x%"PRIx32, file->block);| err = lfs_file_relocate(lfs, file);| if (err) {| return err;| }| }

2、块分配

（1）lookahead buffer

littlefs中使用一个lookahead buffer来管理和分配块。lookahead buffer是一个固定大小的bitmap，记录一片区域内块分配的信息。

lookahead buffer图例如下，其中假设总共有64个块，lookahead buffer的大小为8，lookahead buffer对应块中现分配了文件A、D和目录B、C的块：

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lookahead buffer相关数据结构如下：

struct lfs_free {lfs_block_t off; // lookahead所有block整体的偏移lfs_block_t size;// lookahead中块的总数lfs_block_t i; // 在lookahead_size中的索引，表示当前位于第几个blocklfs_block_t ack; // 所有剩余空闲block个数uint32_t *buffer;// lookahead的bitmap块管理缓存区} free;

（2）查找已分配的块

lookahead buffer只记录了一片区域内块分配的信息，当需要知道其他区域块分配的情况时，就需要进行扫描文件系统来查找已分配的块。如lookahead buffer中已经没有空闲块、需要推移lookahead buffer来查找文件系统中的其他空闲块。

扫描和查找已分配的块的过程如下：

将lookahead buffer位置推移一个lookahead_size，并将lookahead buffer清0。从超级块开始遍历文件系统中所有目录和文件，以遍历所有已分配的块。如果块位于lookahead buffer所管理区域，则将lookahead buffer中相应位置为1。

lookahead buffer只用固定大小的bitmap存储已分配块的信息，是littlefs中的一种权衡，这样虽然更耗费时间，但有效节省了RAM空间资源。

代码分析如下：

lfs_alloc(lfs_t *lfs, lfs_block_t *block)| ...|| // 当lookahead buffer中没有空闲块时，需进行扫描|| // 1. 推移lookahead buffer|-> lfs->free.off = (lfs->free.off + lfs->free.size)|% lfs->cfg->block_count;| lfs->free.size = lfs_min(8*lfs->cfg->lookahead_size, lfs->free.ack);| lfs->free.i = 0;|| // 2. 将lookahead buffer清0|-> memset(lfs->free.buffer, 0, lfs->cfg->lookahead_size);|| // 3. 遍历文件系统进行扫描和查找|-> lfs_fs_rawtraverse(lfs, lfs_alloc_lookahead, lfs, true);||->...

其中，lfs_fs_rawtraverse函数会从超级块开始遍历整个文件系统，对整个文件系统中所有已经分配的块调用回调函数lfs_alloc_lookahead。lfs_alloc_lookahead函数分析如下：

// lfs_fs_rawtraverse函数传入到lfs_alloc_lookahead函数的参数// 分别为lfs结构体指针p，和块号blocklfs_alloc_lookahead(void *p, lfs_block_t block)|-> lfs_t *lfs = (lfs_t*)p;|| // 获取块号相对lookahead buffer的偏移|-> lfs_block_t off = ((block - lfs->free.off)| + lfs->cfg->block_count) % lfs->cfg->block_count;|| // 若该块处于lookahead buffer所管理的范围内，| // 则设置bitmap对应位，表示该块已分配|-> if (off < lfs->free.size) {| lfs->free.buffer[off / 32] |= 1U << (off % 32);| }| return 0;

（3）块分配算法

块分配算法的过程总结：首先尝试从lookahead buffer中找到下一个空闲块，若没有则将lookahead buffer位置推移一个lookahead_size，执行上一小节中的扫描和查找文件系统过程，再尝试从lookahead buffer中找到下一个空闲块，以此循环进行。

以下为几次分配和扫描的示例：

boot... lookahead:fs blocks: fffff9fffffffffeffffffffffff0000scanning... lookahead: fffff9fffs blocks: fffff9fffffffffeffffffffffff0000alloc = 21lookahead: fffffdfffs blocks: fffffdfffffffffeffffffffffff0000alloc = 22lookahead: fffffffffs blocks: fffffffffffffffeffffffffffff0000scanning... lookahead: fffffffefs blocks: fffffffffffffffeffffffffffff0000alloc = 63lookahead: fffffffffs blocks: ffffffffffffffffffffffffffff0000scanning... lookahead: fffffffffs blocks: ffffffffffffffffffffffffffff0000scanning... lookahead: fffffffffs blocks: ffffffffffffffffffffffffffff0000scanning... lookahead: ffff0000fs blocks: ffffffffffffffffffffffffffff0000alloc = 112 lookahead: ffff8000fs blocks: ffffffffffffffffffffffffffff8000

（4）均匀分配方法

介绍了块分配算法后，现在回过来介绍块分配算法中与磨损均衡相关的策略。

littlefs中使用了一个简单的策略来实现均匀地分配：

使用lookahead buffer线性地分配块，这样在一次运行中块分配是循环磁盘均匀进行的。每次挂载文件系统时，将lookahead buffer推移一个随机的偏移量，这样在多次运行过程中，只要这个随机偏移量是均匀的，那么整体的分配也是均匀的。

3、定期重分配元数据所在块

littlefs中会定期进行元数据对应块的重分配，以防止元数据块的磨损。

每次元数据commit过程中因空间不足，而进行compact或split操作时，revision count也会随着更新。当revision count为block_cycles的整数倍时，会进行元数据对应块的重分配。其中，block_cycles为用户配置的值。

总结

本文介绍了littlefs中与磨损均衡相关的策略以及块分配算法，到这里littlefs文件系统原理分析系列文章已经结束。小编也是希望通过对littlefs文件系统的仔细分析，让相关读者更深入了解OpenHarmony LiteOS-A内核的文件系统的原理，而且littlefs文件系统也不仅仅是在OpenHarmony系统上使用，它也是一个广泛使用的小型文件系统，相信掌握它的原理对嵌入式开发者有着“鼎力相助”的作用。

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责任编辑：jianghua 来源：51CTO开源基础软件社区 littlefs磨损均衡