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Littlefs原理分析--Commit機(jī)制（二）

作者：蔣衛(wèi)峰 李濤
系統(tǒng) OpenHarmony
本文介紹了Littlefs中的Commit機(jī)制，包括Commit、Compact、Split操作的過(guò)程，怎樣寫(xiě)入Tag和數(shù)據(jù)，怎樣計(jì)算CRC，以及相應(yīng)的異常情況處理等。

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前言

回顧littlefs的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中最為核心的是元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)以tag為單元進(jìn)行信息的存儲(chǔ)，以commit的方式進(jìn)行信息的更新。當(dāng)littlefs中進(jìn)行文件、目錄的創(chuàng)建、修改、刪除等一系列操作時(shí)，實(shí)際上都是通過(guò)向元數(shù)據(jù)中進(jìn)行commit操作的方式實(shí)現(xiàn)。本文將對(duì)littlefs中commit機(jī)制進(jìn)行介紹。

一、commit過(guò)程

commit具體的過(guò)程如下圖所示：

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每一次commit時(shí)都會(huì)向元數(shù)據(jù)對(duì)中寫(xiě)入一系列的tag和數(shù)據(jù)，并計(jì)算CRC。因?yàn)樵赾ommit時(shí)總是會(huì)進(jìn)行CRC計(jì)算，并且從元數(shù)據(jù)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)做校驗(yàn)，因此一次commit是一次原子操作。

下面以具體的案例對(duì)commit過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：

1、超級(jí)塊的創(chuàng)建

當(dāng)littlefs進(jìn)行格式化操作時(shí)，會(huì)進(jìn)行超級(jí)塊的創(chuàng)建。超級(jí)塊創(chuàng)建主要是在根目錄對(duì)應(yīng)元數(shù)據(jù)對(duì)的塊中進(jìn)行commit：

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如上圖，超級(jí)塊創(chuàng)建時(shí)調(diào)用lfs_dir_commit函數(shù)寫(xiě)入了CREATE、SUPERBLOCK、INLINESTRUCT和CRC類型的tag。lfs_dir_commit函數(shù)中進(jìn)行了commit的實(shí)際寫(xiě)入操作，其主要分為以下兩個(gè)步驟：

  1. 將tag和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)依次寫(xiě)入元數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)塊中。
  2. 計(jì)算CRC，并接著將其tag和CRC數(shù)據(jù)寫(xiě)入元數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)塊中。

超級(jí)塊創(chuàng)建相關(guān)函數(shù)：

lfs_format(lfs_t *lfs, const struct lfs_config *cfg)
|-> lfs_rawformat(lfs_t *lfs, const struct lfs_config *cfg)
    |   // 1. 分配根目錄，其塊號(hào)為0，1
    |-> lfs_dir_alloc(lfs, &root);
    |
    |   // 2. 通過(guò)commit創(chuàng)建超級(jí)塊
    |-> lfs_superblock_t superblock = {
    |       .version     = LFS_DISK_VERSION,
    |       .block_size  = lfs->cfg->block_size,
    |       .block_count = lfs->cfg->block_count,
    |       .name_max    = lfs->name_max,
    |       .file_max    = lfs->file_max,
    |       .attr_max    = lfs->attr_max,
    |   };
    |   lfs_dir_commit(lfs, &root, LFS_MKATTRS(
    |           {LFS_MKTAG(LFS_TYPE_CREATE, 0, 0), NULL},
    |           {LFS_MKTAG(LFS_TYPE_SUPERBLOCK, 0, 8), "littlefs"},
    |           {LFS_MKTAG(LFS_TYPE_INLINESTRUCT, 0, sizeof(superblock)),
    |               &superblock}));

（1）tag和相應(yīng)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入

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如上圖，在commit過(guò)程中，ptag用于進(jìn)行tag的異或運(yùn)算，其初始化值為0xffffffff。ptag會(huì)依次與將要commit的tag（如上圖中的tagA、tagB、tagC）進(jìn)行異或運(yùn)算，然后將運(yùn)算后的結(jié)果存儲(chǔ)到塊中。同時(shí)每寫(xiě)一個(gè)tag后，將其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)也進(jìn)行寫(xiě)入。

相關(guān)函數(shù)分析：

lfs_dir_commitattr(lfs_t *lfs, struct lfs_commit *commit,
|       lfs_tag_t tag, const void *buffer) 
|   // 1. 將ptag和tag進(jìn)行異或運(yùn)算
|   // 注：這里將tag的有效位置為了0，表示tag有效，并且tag為大端存儲(chǔ)
|-> lfs_tag_t ntag = lfs_tobe32((tag & 0x7fffffff) ^ commit->ptag);
|
|   // 2. 寫(xiě)入異或后的ntag
|-> lfs_dir_commitprog(lfs, commit, &ntag, sizeof(ntag));
|
|   // 3. 寫(xiě)入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)
|-> lfs_dir_commitprog(lfs, commit, buffer, dsize-sizeof(tag));

（2）CRC的寫(xiě)入

commit過(guò)程中，當(dāng)寫(xiě)入tag（異或后的tag）或數(shù)據(jù)時(shí)，均會(huì)進(jìn)行逐字節(jié)CRC的計(jì)算。最后commit完成后，再寫(xiě)入相應(yīng)的CRC tag和對(duì)應(yīng)的CRC值。同時(shí)為了寫(xiě)入對(duì)齊，在CRC tag后會(huì)設(shè)置相應(yīng)的padding。

CRC計(jì)算的范圍為從本次commit起始的tag和數(shù)據(jù)，一直到CRC tag（包括CRC tag）。

寫(xiě)入CRC后塊中布局如下圖：

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相關(guān)函數(shù)分析：

// 該函數(shù)用于寫(xiě)入tag或數(shù)據(jù)，每當(dāng)調(diào)用該函數(shù)時(shí)都會(huì)做CRC的計(jì)算
lfs_dir_commitprog(lfs_t *lfs, struct lfs_commit *commit,
|       const void *buffer, lfs_size_t size)
|   // 1. 將傳入的tag或tag對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊中
|-> lfs_bd_prog(lfs,
|           &lfs->pcache, &lfs->rcache, false,
|           commit->block, commit->off ,
|           (const uint8_t*)buffer, size)
|
|   // 2. 計(jì)算CRC和更新偏移
|-> commit->crc = lfs_crc(commit->crc, buffer, size);
|   commit->off += size;

// 該函數(shù)用于寫(xiě)入CRC tag和padding
lfs_dir_commitcrc(lfs_t *lfs, struct lfs_commit *commit)
|   // 1. 創(chuàng)建CRC tag，并異或后存儲(chǔ)于footer[0]中
|   // 這里tag的size設(shè)置為了noff - off，實(shí)際上是包含了padding的大小
|   // littlefs中沒(méi)有通過(guò)填充數(shù)據(jù)的方式來(lái)設(shè)置padding，而是設(shè)置其tag的size進(jìn)行標(biāo)記
|-> tag = LFS_MKTAG(LFS_TYPE_CRC + reset, 0x3ff, noff - off);
|   uint32_t footer[2];
|   footer[0] = lfs_tobe32(tag ^ commit->ptag);
|
|   // 2. 計(jì)算CRC并將CRC值存入footer[1]中
|   // 這里是最后一次計(jì)算CRC，前面的tag和數(shù)據(jù)已經(jīng)在寫(xiě)入時(shí)計(jì)算，只差CRC tag
|-> commit->crc = lfs_crc(commit->crc, &footer[0], sizeof(footer[0]));
|   footer[1] = lfs_tole32(commit->crc);
|
|   // 3. 寫(xiě)入CRC tag和CRC值到塊中
|-> lfs_bd_prog(lfs,
|        &lfs->pcache, &lfs->rcache, false,
|        commit->block, commit->off, &footer, sizeof(footer));

（3）crc的計(jì)算

littlefs中crc計(jì)算核心函數(shù)如下：

uint32_t lfs_crc(uint32_t crc, const void *buffer, size_t size) {
    static const uint32_t rtable[16] = {
        0x00000000, 0x1db71064, 0x3b6e20c8, 0x26d930ac,
        0x76dc4190, 0x6b6b51f4, 0x4db26158, 0x5005713c,
        0xedb88320, 0xf00f9344, 0xd6d6a3e8, 0xcb61b38c,
        0x9b64c2b0, 0x86d3d2d4, 0xa00ae278, 0xbdbdf21c,
    };
    const uint8_t *data = buffer;
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        crc = (crc >> 4) ^ rtable[(crc ^ (data[i] >> 0)) & 0xf];
        crc = (crc >> 4) ^ rtable[(crc ^ (data[i] >> 4)) & 0xf];
    }
    return crc;
}

本文中不對(duì)crc的原理進(jìn)行具體介紹，有興趣的讀者可參考以下鏈接：

littlefs中crc計(jì)算算法的特點(diǎn)是采用了32位的crc結(jié)果，輸入數(shù)據(jù)以4bit為單位進(jìn)行計(jì)算。其中還用到了lookup table進(jìn)行加速，因?yàn)檩斎氲臄?shù)據(jù)以4bit為單位進(jìn)行計(jì)算，每次有2^4即16種可能的輸入，所以該lookup table的長(zhǎng)度為16。從lookup table中還可看出該crc算法對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式值為0x1db71064。

2、tag的遍歷和寫(xiě)入總結(jié)

與遍歷并寫(xiě)入tag等數(shù)據(jù)相關(guān)的函數(shù)為lfs_dir_traverse，該函數(shù)被lfs_dir_commit調(diào)用。該函數(shù)只用于commit等需要寫(xiě)入tag數(shù)據(jù)的過(guò)程，不用于遍歷獲取數(shù)據(jù)。其流程如下：

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代碼分析如下：

static int lfs_dir_traverse(lfs_t *lfs,
|       const lfs_mdir_t *dir, lfs_off_t off, lfs_tag_t ptag,
|       const struct lfs_mattr *attrs, int attrcount,
|       lfs_tag_t tmask, lfs_tag_t ttag,
|       uint16_t begin, uint16_t end, int16_t diff,
|       int (*cb)(void *data, lfs_tag_t tag, const void *buffer), void *data) {
|-> while (true) {
    |   // 1. 從磁盤(pán)或attrs中獲取下一個(gè)tag和相應(yīng)數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有則結(jié)束
    |   // attrs中保存的是將要commit的tag和相應(yīng)數(shù)據(jù)
    |   lfs_tag_t tag;
    |   const void *buffer;
    |   struct lfs_diskoff disk;
    |   // 1.1 如果在磁盤(pán)偏移范圍內(nèi)，則從磁盤(pán)中獲取下一個(gè)tag和數(shù)據(jù)
    |   // 一般進(jìn)行commit時(shí)會(huì)將偏移設(shè)置到磁盤(pán)末尾，不從磁盤(pán)中獲取之前的tag
    |   // 只有如compact等過(guò)程中才從磁盤(pán)中獲取之前的tag來(lái)寫(xiě)入
    |-> if (off+lfs_tag_dsize(ptag) < dir->off) {
    |       off += lfs_tag_dsize(ptag);
    |       ...
    |
    |       tag = (lfs_frombe32(tag) ^ ptag) | 0x80000000;
    |       disk.block = dir->pair[0];
    |       disk.off = off+sizeof(lfs_tag_t);
    |       buffer = &disk;
    |       ptag = tag;
    |   } else if (attrcount > 0) {
    |   // 1.2 從attrs中獲取下一個(gè)tag和數(shù)據(jù)
    |   // attrs中保存的是將要commit的新的tag和數(shù)據(jù)
    |->     tag = attrs[0].tag;
    |       buffer = attrs[0].buffer;
    |       attrs += 1;
    |       attrcount -= 1;
    |   } else {
    |   // 1.3 否則結(jié)束 
    |->     return 0;
    |   }
    |
    |   // 2. 使用tmask和ttag參數(shù)過(guò)濾掉不想要寫(xiě)入的tag
    |-> lfs_tag_t mask = LFS_MKTAG(0x7ff, 0, 0);
    |   if ((mask & tmask & tag) != (mask & tmask & ttag)) {
    |       continue;
    |   }
    |
    |   // 3. 去除冗余tag等
    |   if (lfs_tag_id(tmask) != 0) {
    |       int filter = lfs_dir_traverse(lfs,
    |               dir, off, ptag, attrs, attrcount,
    |               0, 0, 0, 0, 0,
    |               lfs_dir_traverse_filter, &tag);
    |       if (filter < 0) {
    |           return filter;
    |       }
    |
    |       if (filter) {
    |           continue;
    |       }
    |
    |       if (!(lfs_tag_id(tag) >= begin && lfs_tag_id(tag) < end)) {
    |           continue;
    |       }
    |   }
    |
    |   // 4. 處理一些特殊情況
    |   if (lfs_tag_type3(tag) == ...) {
    |       ...
    |   } else {
    |       // 5. 調(diào)用cb回調(diào)函數(shù)進(jìn)行寫(xiě)入 
        |-> cb(data, tag + LFS_MKTAG(0, diff, 0), buffer);
        |   ...
    |   }
|   }
}

二、compact過(guò)程

當(dāng)commit時(shí)，如果元數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)塊中的空間不夠，則會(huì)嘗試進(jìn)行compact操作。如下圖：

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上圖中左邊元數(shù)據(jù)塊中有兩個(gè)commit，其中tag A’是tag A的更新版本。當(dāng)commit一個(gè)tag B’作為tag B的更新版本后，如右圖中右邊的元數(shù)據(jù)塊，冗余的tag A和tag B被去除，只剩下一個(gè)commit。

如果compact后元數(shù)據(jù)塊中的空間足夠的話，在進(jìn)行完compact操作之后的元數(shù)據(jù)塊中就只會(huì)剩下一個(gè)CRC tag，即只有一個(gè)commit。compact的主要過(guò)程其實(shí)就是篩除冗余的tag和數(shù)據(jù)之后，將剩下的tag和數(shù)據(jù)作為一次commit寫(xiě)入同元數(shù)據(jù)對(duì)中的另一個(gè)塊中。

1、compact去除內(nèi)容

下面對(duì)compact過(guò)程中具體會(huì)去除的tag和相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。

compact過(guò)程中調(diào)用了lfs_dir_traverse進(jìn)行去除冗余tag并寫(xiě)入：

lfs_dir_compact(lfs_t *lfs,
|       lfs_mdir_t *dir, const struct lfs_mattr *attrs, int attrcount,
|       lfs_mdir_t *source, uint16_t begin, uint16_t end)
|-> ...
|
|   // 去重并寫(xiě)入tag
|   // 這里使用了LFS_TYPE_NAME的tag類型進(jìn)行過(guò)濾
|-> lfs_dir_traverse(lfs,
|       source, 0, 0xffffffff, attrs, attrcount,
|       LFS_MKTAG(0x400, 0x3ff, 0),
|       LFS_MKTAG(LFS_TYPE_NAME, 0, 0),
|       begin, end, -begin,
|       lfs_dir_commit_commit, &(struct lfs_dir_commit_commit){
|           lfs, &commit});
|
|-> ...

在lfs_dir_traverse中用下面的邏輯進(jìn)行篩選tag：

static int lfs_dir_traverse(lfs_t *lfs,
|       const lfs_mdir_t *dir, lfs_off_t off, lfs_tag_t ptag,
|       const struct lfs_mattr *attrs, int attrcount,
|       lfs_tag_t tmask, lfs_tag_t ttag,
|       uint16_t begin, uint16_t end, int16_t diff,
|       int (*cb)(void *data, lfs_tag_t tag, const void *buffer), void *data) {
|-> ...
|
|-> lfs_tag_t mask = LFS_MKTAG(0x7ff, 0, 0);
|   if ((mask & tmask & tag) != (mask & tmask & ttag)) {
|       continue;
|   }
|-> ...

其中，mask為L(zhǎng)FS_MKTAG(0x7ff, 0, 0)，tmask為L(zhǎng)FS_MKTAG(0x400, 3ff, 0)，ttag為L(zhǎng)FS_MKTAG(LFS_TYPE_NAME, 0, 0)即LFS_MKTAG(0, 0, 0)，則篩選邏輯可簡(jiǎn)化為：

if ((LFS_MKTAG(400, 0, 0) & tag) != LFS_MKTAG(0, 0, 0)) {
    continue;
}

總結(jié)有以下類型的tag會(huì)被去除：

  • LFS_TYPE_SPLICE：包括CREATE和DELETE
  • LFS_TYPE_TAIL：包括SOFTTAIL和HARDTAIL
  • LFS_TYPE_GLOBALS：即MOVESTATE
  • LFS_TYPE_CRC

2、compact寫(xiě)入過(guò)程

與commit中tag和數(shù)據(jù)的寫(xiě)入過(guò)程類似，compact中的寫(xiě)入過(guò)程包括：

  1. 寫(xiě)入更新后的revision count。
  2. 寫(xiě)入去除冗余后的tag和數(shù)據(jù)。
  3. 如果原來(lái)有SOFTTAIL或HARDTAIL，則將原來(lái)最后一個(gè)TAIL補(bǔ)充寫(xiě)入。因此，compact過(guò)程對(duì)目錄的遍歷方式無(wú)影響，具體目錄的遍歷見(jiàn)后面的文章。
  4. 如果原來(lái)有MOVESTATE且進(jìn)行異或之后不為0，則將異或后的gstate作為MOVESTATE tag補(bǔ)充寫(xiě)入。gstate相關(guān)機(jī)制見(jiàn)后面的文章。
  5. 寫(xiě)入CRC。

相關(guān)函數(shù)分析：

lfs_dir_compact(lfs_t *lfs,
|       lfs_mdir_t *dir, const struct lfs_mattr *attrs, int attrcount,
|       lfs_mdir_t *source, uint16_t begin, uint16_t end)
|   // 1. 檢查剩余空間，如果不夠則進(jìn)行split操作
|-> lfs_dir_split(lfs, dir, attrs, attrcount,
|       source, begin+split, end)
|
|   // 2. revision count + 1，并寫(xiě)入
|-> dir->rev += 1;
|   lfs_bd_erase(lfs, dir->pair[1]);
|   lfs_dir_commitprog(lfs, &commit,
|       &dir->rev, sizeof(dir->rev));
|
|   // 3. 去重并寫(xiě)入tag
|-> lfs_dir_traverse(lfs,
|       source, 0, 0xffffffff, attrs, attrcount,
|       LFS_MKTAG(0x400, 0x3ff, 0),
|       LFS_MKTAG(LFS_TYPE_NAME, 0, 0),
|       begin, end, -begin,
|       lfs_dir_commit_commit, &(struct lfs_dir_commit_commit){
|           lfs, &commit});
|
|   // 4. 補(bǔ)充寫(xiě)入tail
|-> if (!lfs_pair_isnull(dir->tail)) {
|       ... 
|       lfs_dir_commitattr(lfs, &commit,
|               LFS_MKTAG(LFS_TYPE_TAIL + dir->split, 0x3ff, 8),
|               dir->tail);
|       ... 
|   }
|
|   // 5. 補(bǔ)充寫(xiě)入move state
|-> if (!lfs_gstate_iszero(&delta)) {
|       ... 
|       lfs_dir_commitattr(lfs, &commit,
|               LFS_MKTAG(LFS_TYPE_MOVESTATE, 0x3ff,
|                   sizeof(delta)), &delta);
|       ... 
|   } 
|
|   // 6. 計(jì)算CRC
|-> lfs_dir_commitcrc(lfs, &commit);

三、split過(guò)程

當(dāng)commit時(shí)，進(jìn)行compact操作后仍空間不足，則會(huì)進(jìn)行split操作，將元數(shù)據(jù)對(duì)劃分為多個(gè)塊進(jìn)行存儲(chǔ)：

#littlefs原理分析#[二]commit機(jī)制-開(kāi)源基礎(chǔ)軟件社區(qū)

如上圖，左圖中右邊的元數(shù)據(jù)塊為最新的元數(shù)據(jù)塊，其中包含一個(gè)commit的內(nèi)容，即tag A’和tag B’。當(dāng)再次commit tag C和tag D時(shí)，一個(gè)元數(shù)據(jù)塊裝不下，就會(huì)進(jìn)行split操作。split操作在第一個(gè)元數(shù)據(jù)塊commit的末尾加入一個(gè)HARDTAIL類型的tag，指向一個(gè)新的元數(shù)據(jù)塊。新的元數(shù)據(jù)塊中再裝入剩下的tag和數(shù)據(jù)。

split操作中會(huì)遞歸調(diào)用compact和split，使得在一次split的容量無(wú)法滿足commit需求的時(shí)候，進(jìn)行多次split。

相關(guān)函數(shù)分析：

lfs_dir_split(lfs_t *lfs,
|       lfs_mdir_t *dir, const struct lfs_mattr *attrs, int attrcount,
|       lfs_mdir_t *source, uint16_t split, uint16_t end)
|   // 1. 重新分配新的塊，用來(lái)存儲(chǔ)split后的數(shù)據(jù)
|-> lfs_dir_alloc(lfs, &tail);
|
|   // 2. 將split部分?jǐn)?shù)據(jù)再進(jìn)行compact操作
|   // 該調(diào)用會(huì)遞歸調(diào)用compact和split操作直到commit完成或失敗
|-> lfs_dir_compact(lfs, &tail, attrs, attrcount, source, split, end);
|
|   // 3. 更新目錄信息
|-> dir->tail[0] = tail.pair[0];
|   dir->tail[1] = tail.pair[1];
|   dir->split = true;

四、異常情況

前文中提到每次commit之后，都會(huì)寫(xiě)入計(jì)算的CRC tag，用于校驗(yàn)。commit過(guò)程因此也是一次原子操作。當(dāng)commit過(guò)程中發(fā)生掉電等情況導(dǎo)致commit過(guò)程失敗時(shí)，磁盤(pán)中元數(shù)據(jù)末尾雖然有寫(xiě)入的部分tag和數(shù)據(jù)，但沒(méi)有最終的CRC tag，因此當(dāng)進(jìn)行tag的遍歷等操作時(shí)并不會(huì)將這次commit視為有效。compact過(guò)程和split過(guò)程中也類似，只要沒(méi)有最終寫(xiě)入CRC tag，便不會(huì)被視為完成一次commit。如下圖：

#littlefs原理分析#[二]commit機(jī)制-開(kāi)源基礎(chǔ)軟件社區(qū)

另外，當(dāng)split為多個(gè)塊時(shí)，由前文中相關(guān)分析，compact和split會(huì)遞歸調(diào)用，并提前檢查塊大小是否滿足需求和分配相應(yīng)塊，最終寫(xiě)入多個(gè)塊。split過(guò)程時(shí)若沒(méi)有足夠的塊，則會(huì)報(bào)錯(cuò)，且并不寫(xiě)入實(shí)際內(nèi)容。split過(guò)程時(shí)若中途commit失敗，則會(huì)導(dǎo)致上一個(gè)元數(shù)據(jù)塊末尾的HARDTAIL指向的塊中沒(méi)有有效的CRC tag，進(jìn)行遍歷時(shí)會(huì)直接返回錯(cuò)誤，如下圖：

#littlefs原理分析#[二]commit機(jī)制-開(kāi)源基礎(chǔ)軟件社區(qū)

總結(jié)

本文介紹了littlefs中的commit機(jī)制，包括commit、compact、split操作的過(guò)程，怎樣寫(xiě)入tag和數(shù)據(jù)，怎樣計(jì)算CRC，以及相應(yīng)的異常情況處理等。commit是一個(gè)寫(xiě)入元數(shù)據(jù)的過(guò)程，后面的文章將會(huì)介紹怎樣讀取元數(shù)據(jù)，從tag中獲取目標(biāo)信息。

??想了解更多關(guān)于開(kāi)源的內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：??

??51CTO 開(kāi)源基礎(chǔ)軟件社區(qū)??

??https://ost.51cto.com??。

責(zé)任編輯：jianghua 來(lái)源： 51CTO開(kāi)源基礎(chǔ)軟件社區(qū)
littlefscommit機(jī)制
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