RTOS文件系統對比：LittleFS Vs. SPIFFS

在RTOS上免費的文件系統本身就不多，廣泛使用且掉電安全的就更少了。本文選取當前RTOS上比較受歡迎的兩個(gè)文件系統 SPIFFS 和 LittleFS 做全方位的對比，以便項目上評估在RTOS上使用什么FS。

對嵌入式設備來(lái)說(shuō)，掉電時(shí)有發(fā)生。如果文件系統無(wú)法保證掉電安全，那么非常有可能在某一次掉電時(shí)，設備就變磚了。

不管是 SPIFFS 還是 LittleFS 的小型文件系統，都號稱(chēng)做到掉電安全。而常見(jiàn)的FAT32由于無(wú)法做到掉電安全，或者某些特供版要付費使用，更多時(shí)候是在需要Windows兼容性時(shí)才會(huì )考慮。

LittleFS 官網(wǎng)鏈接
SPIFFS 官網(wǎng)鏈接

不管是 SPIFFS 還是 LittleFS 都開(kāi)源在 GitHub 中。前者是 MIT開(kāi)源協(xié)議，后者是 BSD開(kāi)源協(xié)議。

在文章《了解常見(jiàn)的開(kāi)源協(xié)議(BSD, GPL, LGPL,MIT)》 上這么評論 BSD開(kāi)源協(xié)議

CopyBSD代碼鼓勵代碼共享，但需要尊重代碼作者的著(zhù)作權。BSD由于允許使用者修改和重新發(fā)布代碼，也允許使用或在BSD代碼上開(kāi)發(fā)商業(yè)軟件發(fā)布和銷(xiāo)售，因此是對商業(yè)集成很友好的協(xié)議。

對MIT開(kāi)源協(xié)議有如下總結：

CopyMIT是和BSD一樣寬范的許可協(xié)議，作者只想保留版權，而無(wú)任何其他了限制。也就是說(shuō)，你必須在你的發(fā)行版里包含原許可協(xié)議的聲明，無(wú)論你是以二進(jìn)制發(fā)布的還是以源代碼發(fā)布的。

雖然從使用者的權限來(lái)說(shuō)，MIT開(kāi)源協(xié)議要比BSD開(kāi)源協(xié)議更少限制，但對企業(yè)商用來(lái)說(shuō)，兩者都可放心使用。

以GibHub上第一個(gè)提交作為項目開(kāi)始時(shí)間，那么SPIFFS項目作者是Peter Andersson，始于2013年7月4日。而LittleFS的作者是Christopher Haster，始于2017年2月20日。值得一提的是，LittleFS是ARM工程師折騰出來(lái)的文件系統，最先應該是運用在A(yíng)RMmbed上的。

從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，LittleFS項目要晚于SPIFFS項目。我們再看看社區當前維護情況。

SPIFFS項目在2018年沒(méi)有任何提交，在2019年只有2個(gè)提交。分析提交補丁的內容，我們發(fā)現對FS的運行流程有實(shí)質(zhì)修改的最后一個(gè)提交是在2017年10月15日。換句話(huà)說(shuō)，SPIFFS項目要不是已經(jīng)足夠穩定到?jīng)]有任何bug，要不漸漸被遺棄。

相比與SPIFFS項目的落日余暉，LittleFS更像冉冉升起的太陽(yáng)。從2017年到文本撰稿時(shí)的2020年3月初，社區一直非?；钴S，以2019年為例，共計合并了124個(gè)提交，釋放了10個(gè)版本。目前最新的版本是2.1.4，而據我與作者的溝通，其正在為2.2版本做Bug修復。

到目前為止，在GitHub的統計上，SPIFFS項目共計934個(gè)星，而LittleFS項目達到1.7K個(gè)星。

因此，SPIFFS在社區上已經(jīng)不怎么維護，而LittleFS依然活躍。持續迭代的軟件會(huì )更強大和更穩定。

對比靜態(tài)系統資源，我們主要比較編譯后的bin文件的text/data/bss段的大小。

Copytext段：存放代碼執行語(yǔ)句data段：存放已初始化的全局變量和局部靜態(tài)變量bss段：未初始化的全局變量和局部靜態(tài)變量

這3個(gè)段的數據都是在編譯時(shí)就已經(jīng)確定下來(lái)的。如果某一個(gè)軟件代碼量非常龐大，其對應的text段也會(huì )龐大，也就意味著(zhù)在運行時(shí)，需要用更多的內存存放代碼語(yǔ)句。

我設計了下面的Shell命令統計靜態(tài)信息：

Copyfind -name "*.o" -exec size {} \; | awk '
	BEGIN{
		datasum = 0;
		textsum = 0;
		bsssum = 0;
	};
	/data/{
		getline;
		textsum += $1;
		datasum += $2;
		bsssum += $3;
	};
	END{
		printf "text %d\ndata %d\nbss %d\n", textsum, datasum, bsssum
	}
'

統計結果如下：

可以發(fā)現，SPIFFS的代碼量比LittleFS多53%，也就意味著(zhù)SPIFFS需要更多的內存存放代碼。

并不是所有的對比都可以直接從代碼上看出來(lái)，我們需要上機實(shí)測。實(shí)測是為了獲取最真實(shí)的對比數據。

不講環(huán)境和配置，直接對比SPIFFS和LittleFS，簡(jiǎn)直是在耍流氓。因此，我們先看看實(shí)測的環(huán)境。

測試時(shí)使用 0.3.7 版本的SPIFFS，其配置如下：

Copyphys_size = 5013504Bphys_addr = 0phys_erase_block = 32Klog_block_szie = 64Klog_page_size = 256B

測試時(shí)使用 2.1.3 版本的LittleFS，其配置如下：

Copyread_size = 256Bprog_size = 256Bblock_szie = 32K or 4Kcache_size = 256Blookahead_size = 16

在旺宏16M的SPI Nor上測試，SPI Nor運行在4線(xiàn)讀寫(xiě)命令和100MHz的SPI時(shí)鐘頻率上。用于做測試的分區有4896KB。

確保RTOS上并無(wú)任何無(wú)關(guān)進(jìn)程在搶CPU、IO資源。

換句話(huà)說(shuō)，測試在使用相同的硬件環(huán)境，無(wú)其他進(jìn)程干擾的情況下進(jìn)行。

文件系統需要額外空間存放一些元數據，因此用戶(hù)可用的空間實(shí)際大小并不直接等于分區大小。在 4896KB 的分區上分別掛載SPIFFS和Littlefs兩個(gè)文件系統，他們的可用空間是多少呢？

空的文件系統體現不出來(lái)，我們試著(zhù)往不同文件系統中存放一些資源文件，再觀(guān)察使用情況。

這些資源文件在ubuntu的ext4 (塊大小為4K）中統計有2794KB的大小。以此為標準，我們看看SPIFFS和LittleFS的空間使用情況

由于LittleFS的塊大小決定了文件存儲的最小單位，因此分別統計塊大小為4K和32K的空間使用情況。當塊越大，則越有可能會(huì )出現空間浪費的情況。例如32K的塊大小，即使文件內容只有1KB，LittleFS也會(huì )為其分配32K的空間，造成了31K的空間浪費。

從空間利用率來(lái)看，SPIFFS略?xún)?yōu)于LittleFS。

文件系統的掉電安全指在任意一時(shí)刻掉電，文件系統依然能保證其一致性，文件系統允許丟失掉電時(shí)沒(méi)寫(xiě)完整的數據，但不能奔潰。

我們通過(guò)讀寫(xiě)掉電的方式驗證掉電安全，即在讀寫(xiě)壓測時(shí)隨機時(shí)間掉電，再次上電后需要保證文件系統正常運行且已寫(xiě)入的文件數據不丟失。

SPIFFS掉電后需要調用SPIFFS_check()進(jìn)行修復，否則無(wú)法保證文件系統一致性。這就類(lèi)似于ext4與e2fsck的關(guān)系。

在實(shí)測中，4896KB的空間，SPIFFS的修復竟然要5_{10s，相對于一次RTOS啟動(dòng)總耗時(shí)2}3s而言，簡(jiǎn)直無(wú)法忍受。在項目中已經(jīng)放棄對其的掉電壓測。

與SPIFFS相反，LittleFS在設計時(shí)就保證了掉電安全的問(wèn)題，因此不需要每次掉電后執行修復工作。

而2.1.3版本的LittleFS在10W次的掉電測試中，在數萬(wàn)次掉電后小概率出現文件系統奔潰導致不能正確掛載的情況。分析良久，確認是LittleFS本身邏輯的問(wèn)題。已反饋社區，預計在2.2版本解決。

總的來(lái)說(shuō)，SPIFFS的掉電安全修復耗時(shí)不符合項目需求，而LittleFS目前還做不到絕對的掉電安全。比較幸運的是，LittleFS的掉電安全問(wèn)題復現概率比較低，且LittleFS社區比較活躍，在發(fā)現問(wèn)題后能及時(shí)提出解決方案。

當空間使用率不同，測試的性能有可能不一樣，在SPIFFS中尤其明顯。

在讀寫(xiě)性能表現上，SPIFFS最差，且剩余空間越少，SPIFFS寫(xiě)性能越差。LittleFS的性能相對比較高和穩定，塊大小會(huì )直接影響到寫(xiě)性能。

動(dòng)態(tài)內存指通過(guò)malloc申請分配的堆內存大小。不管是SPIFFS還是LittleFS都是為小系統設計的，其內存使用情況都經(jīng)過(guò)精心設計，內存占用非常小。

LittleFS會(huì )為每個(gè)打開(kāi)的文件單獨申請一個(gè)cache_size的內存，在測試時(shí)，cache_size 為256B。為了對比的公平性，我們假設SPIFFS和LittleFS打開(kāi)相同數量的文件情況下統計內存。

兩者使用動(dòng)態(tài)內存的情況相近，在最大打開(kāi)數量的情況下，SPIFFS使用動(dòng)態(tài)內存略少。

由于SPIFFS的內存使用并不會(huì )隨著(zhù)打開(kāi)文件增加而增加，也就意味著(zhù)，在打開(kāi)少量文件的情況下，LittleFS會(huì )比SPIFFS更少的動(dòng)態(tài)內存使用量。

在讀寫(xiě)壓測時(shí)，統計進(jìn)程使用的CPU資源百分比

可以發(fā)現，在相同情況下，LittleFS的CPU占用率會(huì )比SPIFFS少。

本文從多個(gè)方面對比評估 LittleFS 和 SPIFFS，發(fā)現資源、性能、掉電安全和社區支持情況來(lái)說(shuō)，后來(lái)者 LittleFS 已經(jīng)青出于藍。