yaffs2源代码分析(一)

时间:2022-10-30 11:12:41
 

yaffs2源代码分析(一)(转linuxforum 精华)

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yaffs2源代码情景分析

作者: 斑点
Email: byeyear@hotmail.com

1.前言
略。

2.yaffs文件系统简介
按理说这里应该出现一些诸如“yaffs是一种适合于NAND Flash的文件系统XXXXX”之类的字眼,不过考虑到网络上关于yaffs/yaffs2的介绍已经多如牛毛,所以同上,略。

3.本文内容组织
本文将模仿《linux内核源代码情景分析》一书,以情景分析的方式对yaffs2文件系统的源代码进行分析。首先将分析几组底层函数,如存储空间的分配和释放等;其次分析文件逻辑地址映射;然后是垃圾收集机制;接下来……Sorry,本人还没想好。:-)

4.说明
因为yaffs2貌似还在持续更新中,所以本文所列代码可能和读者手中的代码不完全一致。另外,本文读者应熟悉C语言,熟悉NAND Flash的基本概念(如block和page)。
Ok,步入正题。首先分析存储空间的分配。

5.NAND Flash存储空间分配和释放
我们知道,NAND Flash的基本擦除单位是Block,而基本写入单位是page。yaffs2在分配存储空间的时候是以page为单位的,不过在yaffs2中把基本存储单位称为chunk,和page是一样的大小,在大多数情况下和page是一个意思。在下文中我们使用chunk这个词,以保持和yaffs2的源代码一致。
我们先看存储空间的分配(在yaffs_guts.c中。这个文件也是yaffs2文件系统的核心部分):
static int yaffs_AllocateChunk(yaffs_Device * dev, int useReserve,
yaffs_BlockInfo **blockUsedPtr)
{
int retVal;
yaffs_BlockInfo *bi;

if (dev->allocationBlock < 0) {
/* Get next block to allocate off */
dev->allocationBlock = yaffs_FindBlockForAllocation(dev);
dev->allocationPage = 0;
}
函数有三个参数,dev是yaffs_Device结构的指针,yaffs2用这个结构来记录一个NAND器件的属性(如block和page的大小)和系统运行过程中的一些统计值(如器件中可用chunk的总数),还用这个结构维护着一组NAND操作函数(如读、写、删除)的指针。整个结构体比较大,我们会按情景的不同分别分析。useReserve表示是否使用保留空间。yaffs2文件系统并不会将所有的存储空间全部用于存储文件系统数据,而要空出部分block用于垃圾收集时使用。一般情况下这个参数都是0,只有在垃圾收集时需要分配存储空间的情况下将该参数置1。yaffs_BlockInfo是描述block属性的结构,主要由一些统计变量组成,比如该block内还剩多少空闲page等。我们同样在具体情景中再分析这个结构中的字段含义。
函数首先判断dev->allocationBlock的值是否小于0。yaffs_Device结构内的allocationBlock字段用于记录当前从中分配chunk(page)的那个block的序号。当一个block内的所有page全部分配完毕时,就将这个字段置为-1,下次进入该函数时就会重新挑选空闲的block。这里我们假定需要重新挑选空闲block,因此进入yaffs_FindBlockForAllocation函数:

[yaffs_AllocateChunk() => yaffs_FindBlockForAllocation()]
static int yaffs_FindBlockForAllocation(yaffs_Device * dev)
{
int i;
yaffs_BlockInfo *bi;
if (dev->nErasedBlocks < 1) {
/* Hoosterman we've got a problem.
* Can't get space to gc
*/
T(YAFFS_TRACE_ERROR,
(TSTR("yaffs tragedy: no more eraased blocks" TENDSTR)));
return -1;
}
dev->nErasedBlocks记录着器件内所有可供分配的block的数量。如果该值小于1,那显然是有问题了。不但正常的分配请求无法完成,就连垃圾收集都办不到了。
for (i = dev->internalStartBlock; i <= dev->internalEndBlock; i++) {
dev->allocationBlockFinder++;
if (dev->allocationBlockFinder < dev->internalStartBlock
|| dev->allocationBlockFinder > dev->internalEndBlock) {
dev->allocationBlockFinder = dev->internalStartBlock;
internalStartBlock和internalEndBlock分别是yaffs2使用的block的起始序号和结束序号。也就是说yaffs2文件系统不一定要占据整个Flash,可以只占用其中的一部分。
dev->allocationBlockFinder记录着上次分配的块的序号。如果已经分配到系统尾部,就从头重新开始搜索可用块。
bi = yaffs_GetBlockInfo(dev, dev->allocationBlockFinder);
if (bi->blockState == YAFFS_BLOCK_STATE_EMPTY) {
bi->blockState = YAFFS_BLOCK_STATE_ALLOCATING;
dev->sequenceNumber++;
bi->sequenceNumber = dev->sequenceNumber;
dev->nErasedBlocks--;
T(YAFFS_TRACE_ALLOCATE,
(TSTR("Allocated block %d, seq %d, %d left" TENDSTR),
dev->allocationBlockFinder, dev->sequenceNumber,
dev->nErasedBlocks));
return dev->allocationBlockFinder;
}
yaffs_GetBlockInfo函数获取指向block信息结构的指针,该函数比较简单,就不详细介绍了。yaffs_BlockInfo结构中的blockState成员描述该block的状态,比如空,满,已损坏,当前分配中,等等。因为是要分配空闲块,所以块状态必须是 YAFFS_BLOCK_STATE_EMPTY,如果不是,就继续测试下一个block。找到以后将block状态修改为 YAFFS_BLOCK_STATE_ALLOCATING,表示当前正从该block中分配存储空间。正常情况下,系统中只会有一个block处于该状态。另外还要更新统计量ErasedBlocks和sequenceNumber。这个sequenceNumber记录着各block被分配出去的先后顺序,以后在垃圾收集的时候会以此作为判断该block是否适合回收的依据。
现在让我们返回到函数 yaffs_AllocateChunk中。yaffs_CheckSpaceForAllocation()函数检查Flash上是否有足够的可用空间,通过检查后,就从当前供分配的block上切下一个chunk:
if (dev->allocationBlock >= 0) {
bi = yaffs_GetBlockInfo(dev, dev->allocationBlock);
retVal = (dev->allocationBlock * dev->nChunksPerBlock) +
dev->allocationPage;
bi->pagesInUse++;
yaffs_SetChunkBit(dev, dev->allocationBlock,
dev->allocationPage);
dev->allocationPage++;
dev->nFreeChunks--;
/* If the block is full set the state to full */
if (dev->allocationPage >= dev->nChunksPerBlock) {
bi->blockState = YAFFS_BLOCK_STATE_FULL;
dev->allocationBlock = -1;
}
if(blockUsedPtr)
*blockUsedPtr = bi;
return retVal;
}
dev->allocationPage记录着上次分配的chunk在block中的序号,每分配一次加1。从这里我们可以看出,系统在分配chunk的时候是从block的开头到结尾按序分配的,直到一个block内的所有chunk全部分配完毕为止。retVal是该chunk在整个device内的总序号。PagesInUse记录着该block中已分配使用的page的数量。
系统在设备描述结构yaffs_Device 中维护着一张位图,该位图的每一位都代表着Flash上的一个chunk的状态。yaffs_SetChunkBit()将刚分配得到的chunk在位图中的对应位置1,表明该块已被使用。更新一些统计量后,就可以返回了。
上面就是我们分析的第一个函数,整个过程比较长,因为要顺带介绍一些重要的数据结构。接下来的分析相对就会简短一些,要不您看着累,俺打字更累:-) 

看过chunk分配以后,我们再来chunk的释放。和chunk分配不同的是,chunk的释放在大多数情况下并不释放对应的物理介质,这是因为NAND虽然可以按page写,但只能按block擦除,所以物理介质的释放要留到垃圾收集或一个block上的所有page全部变成空闲的时候才进行。根据应用场合的不同,chunk的释放方式并不唯一,分别由yaffs_DeleteChunk函数和yaffs_SoftDeleteChunk函数完成。我们先看yaffs_DeleteChunk:

void yaffs_DeleteChunk(yaffs_Device * dev, int chunkId, int markNAND, int lyn)

chunkId就是要删除的chunk的序号,markNand参数用于yaffs一代的代码中,yaffs2不使用该参数。
参数lyn在调用该函数时置成当前行号(__LINE__),用于调试。
首先通过yaffs_GetBlockInfo获得chunk所在block的信息描述结构指针,然后就跑到else里面去了。if语句的判断条件中有一条!dev->isYaffs2,所以对于yaffs2而言是不会执行if分支的。在else分支里面只是递增一下统计计数就出来了,我们接着往下看。

if (bi->blockState == YAFFS_BLOCK_STATE_ALLOCATING ||
bi->blockState == YAFFS_BLOCK_STATE_FULL ||
bi->blockState == YAFFS_BLOCK_STATE_NEEDS_SCANNING ||
bi->blockState == YAFFS_BLOCK_STATE_COLLECTING) {
dev->nFreeChunks++;
yaffs_ClearChunkBit(dev, block, page);
bi->pagesInUse--;
if (bi->pagesInUse == 0 &&
!bi->hasShrinkHeader &&
bi->blockState != YAFFS_BLOCK_STATE_ALLOCATING &&
bi->blockState != YAFFS_BLOCK_STATE_NEEDS_SCANNING) {
yaffs_BlockBecameDirty(dev, block);
}
} else {
/* T(("Bad news deleting chunk %d/n",chunkId)); */
}
首先要判断一下该block上是否确实存在着可释放的chunk。block不能为空,不能是坏块。 YAFFS_BLOCK_STATE_NEEDS_SCANNING表明正对该块进行垃圾回收,我们后面会分析; YAFFS_BLOCK_STATE_NEEDS_SCANNING在我手上的源代码中似乎没有用到。
通过判断以后,所做的工作和chunk分配函数类似,只是一个递增统计值,一个递减。递减统计值以后还要判断该block上的page是否已全部释放,如果已全部释放,并且不是当前分配块,就通过yaffs_BlockBecameDirty函数删除该block,只要能通过删除操作(不是坏块),该block就又可以用于分配了。
相比较来说,yaffs_SoftDeleteChunk所做的工作就简单多了。关键的代码只有两行:
static void yaffs_SoftDeleteChunk(yaffs_Device * dev, int chunk)
{
……
theBlock->softDeletions++;
dev->nFreeChunks++;
……
}
这里递增的是yaffs_blockInfo结构中的另一个统计量 softDeletions,而没有修改pagesInUse成员,也没有修改chunk状态位图。那么,这两个函数的应用场合有什么区别呢?
一般来说,yaffs_DeleteChunk用于文件内容的更新。比如我们要修改文件中的部分内容,这时候yaffs2会分配新的chunk,将更改后的内容写入新chunk中,原chunk的内容自然就没有用了,所以要将pageInUse减1,并修改位图;
yaffs_SoftDeleteChunk用于文件的删除。yaffs2在删除文件的时候只是删除该文件在内存中的一些描述结构,而被删除的文件所占用的chunk不会立即释放,也就是不会删除文件内容,在后续的文件系统操作中一般也不会把这些chunk分配出去,直到系统进行垃圾收集的时候才有选择地释放这些chunk。熟悉DOS的朋友可能还记得,DOS在删除的文件的时候也不会立即删除文件内容,只是将文件名的第一个字符修改为0xA5,事后还可以恢复文件内容。yaffs2在这点上是类似的。


1.文件地址映射
上面说到,yaffs文件系统在更新文件数据的时候,会分配一块新的chunk,也就是说,同样的文件偏移地址,在该地址上的数据更新前和更新后,其对应的flash上的存储地址是不一样的。那么,如何根据文件内偏移地址确定flash存储地址呢?最容易想到的办法,就是在内存中维护一张映射表。由于flash基本存储单位是chunk,因此,只要将以chunk描述的文件偏移量作为表索引,将flash chunk序号作为表内容,就可以解决该问题了。但是这个方法有几个问题,首先就是在做seek操作的时候,要从表项0开始按序搜索,对于大文件会消耗很多时间;其次是在建立映射表的时候,无法预计文件大小的变化,于是就可能在后来的操作中频繁释放分配内存以改变表长,造成内存碎片。yaffs的解决方法是将这张大的映射表拆分成若干个等长的小表,并将这些小表组织成树的结构,方便管理。我们先看小表的定义:
union yaffs_Tnode_union {
union yaffs_Tnode_union *internal[YAFFS_NTNODES_INTERNAL];
}
YAFFS_NTNODES_INTERNAL定义为(YAFFS_NTNODES_LEVEL0 / 2),而 YAFFS_NTNODES_LEVEL0定义为16,所以这实际上是一个长度为8的指针数组。不管是叶子节点还是非叶节点,都是这个结构。当节点为非叶节点时,数组中的每个元素都指向下一层子节点;当节点为叶子节点时,该数组拆分为16个16位长的短整数(也有例外,后面会说到),该短整数就是文件内容在flash上的存储位置(即chunk序号)。至于如何通过文件内偏移找到对应的flash存储位置,源代码所附文档(Development/yaffs/Documentation/yaffs-notes2.html)已经有说明,俺就不在此处饶舌了。下面看具体函数。
(to be continued) 
为了行文方便,后文中将yaffs_Tnode这个指针数组称为“一组”Tnode,而将数组中的每个元素称为“一个”Tnode。树中的每个节点,都是“一组”Tnode。
先看映射树的节点的分配。
static yaffs_Tnode *yaffs_GetTnode(yaffs_Device * dev)
{
yaffs_Tnode *tn = yaffs_GetTnodeRaw(dev);

if(tn)
memset(tn, 0, (dev->tnodeWidth * YAFFS_NTNODES_LEVEL0)/8);

return tn;
}
调用yaffs_GetTnodeRaw分配节点,然后将得到的节点初始化为零。
static yaffs_Tnode *yaffs_GetTnodeRaw(yaffs_Device * dev)
{
yaffs_Tnode *tn = NULL;

/* If there are none left make more */
if (!dev->freeTnodes) {
yaffs_CreateTnodes(dev, YAFFS_ALLOCATION_NTNODES);
}
当前所有空闲节点组成一个链表,dev->freeTnodes是这个链表的表头。我们假定已经没有空闲节点可用,需通过yaffs_CreateTnodes创建一批新的节点。

static int yaffs_CreateTnodes(yaffs_Device * dev, int nTnodes)
{
......
tnodeSize = (dev->tnodeWidth * YAFFS_NTNODES_LEVEL0)/8;
newTnodes = YMALLOC(nTnodes * tnodeSize);
mem = (__u8 *)newTnodes;

上面说过,叶节点中一个Tnode的位宽默认为16位,也就是可以表示65536个chunk。对于时下的大容量flash,chunk的大小为2K,因此在默认情况下yaffs2所能寻址的最大flash空间就是128M。为了能将yaffs2用于大容量flash上,代码作者试图通过两种手段解决这个问题。第一种手段就是这里的dev->tnodeWidth,通过增加单个Tnode的位宽,就可以增加其所能表示的最大chunk Id;另一种手段是我们后面将看到的chunk group,通过将若干个chunk合成一组用同一个id来表示,也可以增加系统所能寻址的chunk范围。俺为了简单,分析的时候不考虑这两种情况,因此tnodeWidth取默认值16,也不考虑将多个chunk合成一组的情况,只在遇到跟这两种情况有关的代码时作简单说明。

在32位的系统中,指针的宽度为32位,而chunk id的宽度为16位,因此相同大小的Tnode组,可以用来表示N个非叶Tnode(作为指针使用),也可以用来表示N * 2个叶子Tnode(作为chunk id使用)。代码中分别用YAFFS_NTNODES_INTERNAL和 YAFFS_NTNODES_LEVEL0来表示。前者取值为8,后者取值为16。从这里我们也可以看出若将yaffs2用于64位系统需要作哪些修改。针对上一段叙述的问题,俺以为在内存不紧张的情况下,不如将叶节点Tnode和非叶节点Tnode都设为一个指针的长度。

分配得到所需的内存后,就将这些空闲空间组成Tnode链表:
for(i = 0; i < nTnodes -1; i++) {
curr = (yaffs_Tnode *) &mem[i * tnodeSize];
next = (yaffs_Tnode *) &mem[(i+1) * tnodeSize];
curr->internal[0] = next;
}
每组Tnode的第一个元素作为指针指向下一组Tnode。完成链表构造后,还要递增统计量,并将新得到的Tnodes挂入一个全局管理链表yaffs_TnodeList:
dev->nFreeTnodes += nTnodes;
dev->nTnodesCreated += nTnodes;
tnl = YMALLOC(sizeof(yaffs_TnodeList));
if (!tnl) {
T(YAFFS_TRACE_ERROR,
(TSTR
("yaffs: Could not add tnodes to management list" TENDSTR)));
} else {
tnl->tnodes = newTnodes;
tnl->next = dev->allocatedTnodeList;
dev->allocatedTnodeList = tnl;
}

回到yaffs_GetTnodeRaw,创建了若干组新的Tnode以后,从中切下所需的Tnode,并修改空闲链表表头指针:

if (dev->freeTnodes) {
tn = dev->freeTnodes;
dev->freeTnodes = dev->freeTnodes->internal[0];
dev->nFreeTnodes--;
}

至此,分配工作就完成了。相比较来说,释放Tnodes的工作就简单多了,简单的链表和统计值操作:
static void yaffs_FreeTnode(yaffs_Device * dev, yaffs_Tnode * tn)
{
if (tn) {
tn->internal[0] = dev->freeTnodes;
dev->freeTnodes = tn;
dev->nFreeTnodes++;
}


 看过Tnode的分配和释放,我们再来看看这些Tnode是如何使用的。在后文中,我们把以chunk为单位的文件内偏移称作逻辑chunk id,文件内容在flash上的实际存储位置称作物理chunk id。先看一个比较简单的函数。

void yaffs_PutLevel0Tnode(yaffs_Device *dev, yaffs_Tnode *tn, unsigned pos, unsigned val)
这个函数将某个Tnode设置为指定的值。tn是指向一组Tnode的指针;pos是所要设置的那个Tnode在该组Tnode中的索引;val就是所要设置的值,也就是物理chunk id。函数名中的Level0指映射树的叶节点。函数开头几行如下:

pos &= YAFFS_TNODES_LEVEL0_MASK;
val >>= dev->chunkGroupBits;
bitInMap = pos * dev->tnodeWidth;
wordInMap = bitInMap /32;
bitInWord = bitInMap & (32 -1);
mask = dev->tnodeMask << bitInWord;

上面说过,一组Tnode中的8个指针在叶节点这一层转换成16个16位宽的chunk Id,因此需要4位二进制码对其进行索引,这就是 YAFFS_TNODES_LEVEL0_MASK的值。我们还说过这个16位值就是chunk在flash上的序号,当flash容量比较大,chunk数量多时,16位可能无法给flash上的所有chunk编号,这种情况下可以增加chunk id的位宽,具体位宽的值记录在 dev->tnodeWidth中。yaffs2允许使用非字节对齐的tnodeWidth,因此可能出现某个chunk id跨32位边界存储的情况。所以在下面的代码中,需要分边界前和边界后两部分处理:

map[wordInMap] &= ~mask;
map[wordInMap] |= (mask & (val << bitInWord));

if(dev->tnodeWidth > (32-bitInWord)) {
bitInWord = (32 - bitInWord);
wordInMap++;;
mask = dev->tnodeMask >> (/*dev->tnodeWidth -*/ bitInWord);
map[wordInMap] &= ~mask;
map[wordInMap] |= (mask & (val >> bitInWord));
}
if语句判断当前chunk序号是否跨越当前32位边界。整个代码初看起来比较难理解,其实只要将 dev->tnodeWidth以16或32代入, 就很好懂了。还有一个类似的函数yaffs_GetChunkGroupBase,返回由tn和pos确定的一组chunk的起始序号,就不详细分析了。

现在我们假设有这样一个情景:已知文件偏移地址,要找到flash上对应的存储地址,该怎么做呢?这项工作的主体是由函数yaffs_FindLevel0Tnode完成的。

static yaffs_Tnode *yaffs_FindLevel0Tnode(yaffs_Device * dev,
yaffs_FileStructure * fStruct,
__u32 chunkId)
{

yaffs_Tnode *tn = fStruct->top;
__u32 i;
int requiredTallness;
int level = fStruct->topLevel;
函数参数中,fStruct是指向文件描述结构的指针,该结构保存着文件大小、映射树层高、映射树顶层节点指针等信息。chunkId是逻辑chunk id。
fStruct->top是映射树顶层节点指针,fStruct->topLevel是映射树层高。注意:当只有一层时,层高为0。
/* First check we're tall enough (ie enough topLevel) */
i = chunkId >> YAFFS_TNODES_LEVEL0_BITS;
requiredTallness = 0;
while (i) {
i >>= YAFFS_TNODES_INTERNAL_BITS;
requiredTallness++;
}
if (requiredTallness > fStruct->topLevel) {
/* Not tall enough, so we can't find it, return NULL. */
return NULL;
}
在看这段代码之前,我们先用一个例子来回顾一下映射树的组成。假定我们有一个大小为128K的文件,flash的page大小为2K,那么我们就需要64个page(或者说chunk)来存储该文件。一组Tnode的size是8个指针,或者16个16位整数,所以我们需要64 / 16 = 4组Tnode来存储物理chunk序号。这4组Tnode就是映射树的叶节点,也就是Level0节点。由于这4组Tnode在内存中不一定连续,所以我们需要另外一组Tnode,将其作为指针数组使用,这个指针数组的前4个元素分别指向4组Level0节点,而fStruct->top就指向这组作为指针数组使用的Tnode。随着文件长度的增大,所需的叶节点越多,非叶节点也越多,树也就越长越高。
回过头来看代码,首先是检查函数参数chunkId是否超过文件长度。作为非叶节点使用的Tnode每组有8个指针,需要3位二进制码对其进行索引,因此树每长高一层,逻辑chunkId就多出3位。相反,每3位非零chunkId就代表一层非叶节点。while循环根据这个原则计算参数chunkId所对应的树高。如果树高超过了文件结构中保存的树高,那就说明该逻辑chunkId已经超出文件长度了。通过文件长度检查之后,同样根据上面的原则,就可以找到逻辑chunkId对应的物理chunkId了。具体的操作通过一个while循环完成:

/* Traverse down to level 0 */
while (level > 0 && tn) {
tn = tn->
internal[(chunkId >>
( YAFFS_TNODES_LEVEL0_BITS +
(level - 1) *
YAFFS_TNODES_INTERNAL_BITS)
) &
YAFFS_TNODES_INTERNAL_MASK];
level--;

}

return tn;

将返回值和逻辑chunk id作为参数调用yaffs_GetChunkGroupBase,就可以得到物理chunk id了。

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