引言

隨著科技的發展和網絡技術的進步，計算機存儲空間愈加緊張，存儲空間對文件系統的功能需求越來越大，大規模的數據增長為文件存儲、非結構化數據存儲提出了新的挑戰。

對于許多物聯網設備而言，擁有一個小型且具有彈性的文件系統至關重要，littlefs文件系統應運而生。littlefs文件系統在2017年由Christopher Haster開發，遵循Apache 2.0協議，被應用在ARM的IoT設備Mbed操作系統。littlefs文件系統能夠讓嵌入式系統在ROM和RAM資源有限的情況下，還具備文件系統基本的掉電恢復、磨損均衡的功能。

littlefs是一種極簡的嵌入式文件系統，適配于norflash，它所采用的文件系統結構與運行機制，使得文件系統的存儲結構更加緊湊，運行中對RAM的消耗更小。它的設計策略采用了與傳統“使用空間換時間”完全相反的“使用時間換空間”的策略，雖然它極大地壓縮了文件系統存儲空間，但是運行時也增加了RAM的消耗，不可避免地帶來了隨機讀寫時IO性能的降低。

目前，OpenAtom OpenHarmony（以下簡稱“OpenHarmony”） liteos_m內核采用了littlefs作為默認的文件系統。本文著重介紹了littlefs文件系統的存儲結構，并根據對讀寫過程的分析，解析引起littlefs文件系統隨機讀寫IO性能瓶頸的根本原因，然后提出一些提升littlefs隨機讀寫IO性能優化策略。

littlefs文件系統結構

文件系統存儲結構信息基本以SuperBlock為開端，然后尋找到文件系統根節點，再根據根節點，逐步拓展成一個文件系統樹形結構體。littlefs也與此類似，以SuperBlock和根目錄為起點，構建了一個樹形存儲結構。不同的是littlefs的根（"/"）直接附加在SuperBlock之后，與其共享元數據對（metadata pair）。littlefs中目錄或者文件都是以該根節點為起點，構建了與其他文件系統類似的樹形結構。

littlefs文件系統樹形存儲結構如下：

圖1 littlefs文件系統樹形存儲結構示意圖

如圖1所示，存儲littlefs文件系統元數據的結構為元數據對，即兩個相互輪轉、互為表里的Block。存儲SuperBlock的元數據對固定存儲在block 0和block 1，并且文件系統根目錄附加在SuperBlock的尾部，與SuperBlock共享元數據對。元數據的存儲是以tag的格式存儲在元數據對內，按照元數據的類型，將Tag分為標準文件、目錄、用戶數據、元數據對尾部指針等類型。littlefs借助于這些不同類型tag信息，將littlefs文件系統組織成結構緊湊的樹形存儲結構體。例如tail類型的tag可以將比較大的目錄結構使用多個元數據對存儲，并且使用tail類型的tag將這些元數據對連接成一個單向的鏈表。而目錄類型的tag則直接指向該目錄的元數據對，例如"tag: dir_data"類型的tag指向目錄"/data"的元數據對，而該元數據對中又可以包含子目錄或者文件（Inline類型或者outline類型）。 ?

littlefs目錄存儲結構

littlefs目錄的引用為其父目錄元數據對（metadata pair）內的一個dir類型的Tag，而其內容則占用一個或者多個元數據對。一個目錄的元數據對內既可以包含子目錄引用的Tag，也可以包含屬于該目錄下文件的Inline類型的Tag或者指向該文件的CTZ跳表的CTZ類型Tag指針。最終littlefs通過一層層目錄或者文件的索引，組成了文件系統的樹形存儲結構。 ?

littlefs文件存儲方式

littlefs文件系統為極簡的文件系統，使用最小的存儲開銷，同時實現對小文件（Bytes級別）和大文件（MB級別）的支持，對小于一個Block八分之一長度的文件，采用Inline類型的方式存儲，而大于或者等于Block八分之一長度的文件則采用Outline的方式存儲（CTZ Skip-list）。

1.2.1 inline文件存儲方式

Inline文件存儲方式，如圖2所示，即將文件內容與文件名稱一同存儲在其父目錄的元數據對（metadata pair）內，一個Tag表示其名稱，一個Tag表示其內容。

圖2 littlefs Inline文件存儲結構

?1.2.2 outline文件存儲方式

Outline文件存儲方式，如圖3所示，文件其父目錄的元數據對（metadata pair）內，一個Tag表示文件名稱，另一個Tag為CTZ類型，其指向存儲文件內容的鏈表頭。

圖3 littlefs Outline文件存儲結構

CTZ跳表（CTZ skip-list）鏈表的特別之處是：

（1）CTZ跳表的頭部指向鏈表的結尾；

（2）CTZ跳表內Block內包含一個以上的跳轉指針。

若是使用常規鏈表，存儲文件前一個數據塊包含指向后一個數據塊指針，那么在文件追加或者修改內容的時候，則需要存儲文件起始塊到目標塊的所有內容拷貝到新塊內，并且更新對后一個數據塊的指針。而若是采用反向鏈表的方式，則在文件追加或者修改內容的時候，則只需要將存儲文件目標塊到鏈表結尾的塊的所有內容拷貝到新塊內，然后更新對后一個數據塊內對前一個數據塊指向的指針，這樣對于文件追加模式可以減少修改量。另外，為了加快索引，采用了跳表的方式，Block內包含一個以上的跳轉指針，規則為：若一個數據塊在CTZ skip-list鏈表內的索引值N能被 2^X整除的數，那么他就存在指向N – 2^X的指針，指針的數目為ctz(N)+1。如表1，對于block 2,包含了2個指針，分別指向block 0和block 1，其它塊也是采用相同的規則。

表1 littlefs 塊的skip-list鏈表計算樣表

littlefs文件讀寫流程

以上章節針對littlefs文件系統結構進行了分析，接下來開始探討littlefs內部的運行機制，以讀寫流程為例，分析littlefs隨機讀寫的IO性能瓶頸。

需要提前了解的是，littlefs的文件只擁有一個緩存，寫時作為寫緩存使用，讀時作為讀緩存使用。

littlefs文件讀過程

以下圖4是littlefs讀文件的流程圖，在讀流程的開始先檢測先前是否有對文件的寫操作，即檢測文件緩存是否作為寫緩存。若是，則強制將緩存中的數據刷新到存儲器，根據文件類型和訪問位置，或者直接從文件所在的元數據對讀取，或者從存儲文件內容的CTZ跳表內的塊內讀取，再將數據拷貝到用戶緩存沖，并從存儲器預讀取數據將文件緩沖區填滿。具體過程如下： ?

圖4 littlefs文件系統讀過程流程圖 ?

littlefs文件寫過程

以下圖5是littlefs寫文件的流程圖，在寫流程的開始先檢測先前是否有對文件的讀操作，即檢測文件緩存是否作為讀緩存。若是，則清除緩存中的數據。若是APPEND類型的寫操作，則直接減寫位置定位到文件末尾。若寫位置超過文件長度，說明文件結尾與寫位置間存在空洞，則使用0填充文件中的空洞。對應Inline類型文件，若推測到寫后，文件長度超過了閾值，則將文件轉成Outline類型。對于Outline類型的文件，若是修改文件的內容，則需要申請新塊，并將目標塊內訪問位置之前的所有內容都拷貝到新塊，將buffer中的用戶數據寫到緩沖區或者刷新到存儲器。

注意：寫后并沒有立刻更新Inline文件的commit，或者更新Outline文件的CTZ跳表，這些操作被延遲在文件關閉或者緩沖區再次作為讀緩存的時候強制文件刷新時更新。

圖5 littlefs文件系統寫過程流程圖

littlefs文件隨機讀寫IO性能瓶頸分析

littlefs文件只有一個緩沖區，為讀寫復用。根據littlefs運行機制，若是對文件先讀后寫，那么僅需要直接將緩沖區的數據清空，然后申請一個新塊將目標塊內訪問位置直接的數據拷貝到新塊中，然后寫數據到新塊。若是先寫后讀，那么需要將數據刷新到存儲器，同時更新文件的CTZ跳表。在這個過程中，不僅涉及到刷新數據到存儲器，而且涉及到分配新塊替換目標塊之后的所有塊從而更新CTZ跳表，出現多次費時的擦除塊動作。在隨機讀寫的過程中，頻繁發生讀寫切換，也就頻繁地發生申請新塊、擦除新塊（非常費時）、數據搬移等等動作，嚴重地影響了IO性能。 ?

littlefs讀寫IO性能優化策略

由“2.3 littlefs文件隨機讀寫IO性能瓶頸分析”章節描述可知，影響littlefs文件隨機讀寫IO性能的主要原因是文件只有一個的緩存且被讀寫復用，造成在讀寫切換的過程中頻繁地發生文件刷新，申請新塊，然后執行費時的塊擦除，再將CTZ跳表上塊內的block內容搬移到新塊，進而更新CTZ跳表，這嚴重影響了隨機讀寫IO的性能。

所以，在RAM空間允許的情況下，可以考慮“使用空間換時間”的策略，適當地增加文件緩存的數量，使一個文件擁有多個緩沖區，而這些緩沖區對應著一個Block的大小，在一定的條件下一次刷新一個Block，從而避免過多的數據搬移。另外，littlefs的策略是“使用時間換空間”，但是每個文件都擁有一個緩沖區明顯浪費空間。因為在一段時間內，只會有一定數量的文件被執行讀或者寫，所以可以考慮建立一個擁有一定數量的緩存池，使緩存在文件間共享。

圖6 littlefs優化策略

優化的策略如圖6所示，littlefs文件緩存池為一個雙向鏈表fc_pool，緩存池隨著被打開文件的個數的增長而延長，直到用戶設置的最大限制；緩存池隨著文件的關閉而逐漸縮減。

每個緩存掛載在fc_pool緩存池雙向鏈表上，當緩存被寫或者被讀時，則將緩存移到鏈表開頭，那么緩存池鏈表末尾的緩存則為待老化的緩存，可以優先被選擇回收。

在申請緩存時，優先從緩沖池鏈表末尾選擇空閑緩存；若無空閑緩存，則考慮搶占讀緩存；若緩存池既沒有空閑緩存也沒有讀緩存，在緩存池長度沒有達到優化限制的情況下，則創建新緩存，然后將新緩沖添加到鏈表頭；若緩存池既沒有空閑緩存也沒有讀緩存，并且緩存池長度已經達到用戶限制，那么就需要從鏈表末尾搶占一個寫緩存，并強制占有該緩存的文件執行刷新，進而完成搶占。

在文件被關閉或者刷新時，主動釋放緩存到緩存池，掛載在雙向鏈表的末尾。

使用上述策略對文件緩存進行優化，可以在一定程度上減少因更新文件內容而執行的存儲器塊擦除動作，從而增加隨機讀寫的IO性能，也間接地延長了NorFlash的壽命。

總結

通過本文的講解，相信大家對于littlefs文件系統有了較為全面的了解。總的來說，littlefs是一種極簡的文件系統，實現了文件系統基本的數據緩存、掉電恢復、磨損均衡等功能，在資源相對富裕的環境中，開發者們可以對其運行機制甚至存儲結構進行“使用空間換時間”的優化策略，提升讀寫的IO性能。

學會有效地利用文件系統往往能起到事半功倍的作用，希望開發者能夠將所學知識有效應用到未來的開發工作中，從而提高開發工作的效率。

審核編輯：湯梓紅

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