Merge tag '9p-for-5.8' of git://github.com/martinetd/linux
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / f2fs.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ==========================================
4 WHAT IS Flash-Friendly File System (F2FS)?
5 ==========================================
6
7 NAND flash memory-based storage devices, such as SSD, eMMC, and SD cards, have
8 been equipped on a variety systems ranging from mobile to server systems. Since
9 they are known to have different characteristics from the conventional rotating
10 disks, a file system, an upper layer to the storage device, should adapt to the
11 changes from the sketch in the design level.
12
13 F2FS is a file system exploiting NAND flash memory-based storage devices, which
14 is based on Log-structured File System (LFS). The design has been focused on
15 addressing the fundamental issues in LFS, which are snowball effect of wandering
16 tree and high cleaning overhead.
17
18 Since a NAND flash memory-based storage device shows different characteristic
19 according to its internal geometry or flash memory management scheme, namely FTL,
20 F2FS and its tools support various parameters not only for configuring on-disk
21 layout, but also for selecting allocation and cleaning algorithms.
22
23 The following git tree provides the file system formatting tool (mkfs.f2fs),
24 a consistency checking tool (fsck.f2fs), and a debugging tool (dump.f2fs).
25
26 - git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jaegeuk/f2fs-tools.git
27
28 For reporting bugs and sending patches, please use the following mailing list:
29
30 - linux-f2fs-devel@lists.sourceforge.net
31
32 Background and Design issues
33 ============================
34
35 Log-structured File System (LFS)
36 --------------------------------
37 "A log-structured file system writes all modifications to disk sequentially in
38 a log-like structure, thereby speeding up  both file writing and crash recovery.
39 The log is the only structure on disk; it contains indexing information so that
40 files can be read back from the log efficiently. In order to maintain large free
41 areas on disk for fast writing, we divide  the log into segments and use a
42 segment cleaner to compress the live information from heavily fragmented
43 segments." from Rosenblum, M. and Ousterhout, J. K., 1992, "The design and
44 implementation of a log-structured file system", ACM Trans. Computer Systems
45 10, 1, 26–52.
46
47 Wandering Tree Problem
48 ----------------------
49 In LFS, when a file data is updated and written to the end of log, its direct
50 pointer block is updated due to the changed location. Then the indirect pointer
51 block is also updated due to the direct pointer block update. In this manner,
52 the upper index structures such as inode, inode map, and checkpoint block are
53 also updated recursively. This problem is called as wandering tree problem [1],
54 and in order to enhance the performance, it should eliminate or relax the update
55 propagation as much as possible.
56
57 [1] Bityutskiy, A. 2005. JFFS3 design issues. http://www.linux-mtd.infradead.org/
58
59 Cleaning Overhead
60 -----------------
61 Since LFS is based on out-of-place writes, it produces so many obsolete blocks
62 scattered across the whole storage. In order to serve new empty log space, it
63 needs to reclaim these obsolete blocks seamlessly to users. This job is called
64 as a cleaning process.
65
66 The process consists of three operations as follows.
67
68 1. A victim segment is selected through referencing segment usage table.
69 2. It loads parent index structures of all the data in the victim identified by
70    segment summary blocks.
71 3. It checks the cross-reference between the data and its parent index structure.
72 4. It moves valid data selectively.
73
74 This cleaning job may cause unexpected long delays, so the most important goal
75 is to hide the latencies to users. And also definitely, it should reduce the
76 amount of valid data to be moved, and move them quickly as well.
77
78 Key Features
79 ============
80
81 Flash Awareness
82 ---------------
83 - Enlarge the random write area for better performance, but provide the high
84   spatial locality
85 - Align FS data structures to the operational units in FTL as best efforts
86
87 Wandering Tree Problem
88 ----------------------
89 - Use a term, “node”, that represents inodes as well as various pointer blocks
90 - Introduce Node Address Table (NAT) containing the locations of all the “node”
91   blocks; this will cut off the update propagation.
92
93 Cleaning Overhead
94 -----------------
95 - Support a background cleaning process
96 - Support greedy and cost-benefit algorithms for victim selection policies
97 - Support multi-head logs for static/dynamic hot and cold data separation
98 - Introduce adaptive logging for efficient block allocation
99
100 Mount Options
101 =============
102
103
104 ====================== ============================================================
105 background_gc=%s       Turn on/off cleaning operations, namely garbage
106                        collection, triggered in background when I/O subsystem is
107                        idle. If background_gc=on, it will turn on the garbage
108                        collection and if background_gc=off, garbage collection
109                        will be turned off. If background_gc=sync, it will turn
110                        on synchronous garbage collection running in background.
111                        Default value for this option is on. So garbage
112                        collection is on by default.
113 disable_roll_forward   Disable the roll-forward recovery routine
114 norecovery             Disable the roll-forward recovery routine, mounted read-
115                        only (i.e., -o ro,disable_roll_forward)
116 discard/nodiscard      Enable/disable real-time discard in f2fs, if discard is
117                        enabled, f2fs will issue discard/TRIM commands when a
118                        segment is cleaned.
119 no_heap                Disable heap-style segment allocation which finds free
120                        segments for data from the beginning of main area, while
121                        for node from the end of main area.
122 nouser_xattr           Disable Extended User Attributes. Note: xattr is enabled
123                        by default if CONFIG_F2FS_FS_XATTR is selected.
124 noacl                  Disable POSIX Access Control List. Note: acl is enabled
125                        by default if CONFIG_F2FS_FS_POSIX_ACL is selected.
126 active_logs=%u         Support configuring the number of active logs. In the
127                        current design, f2fs supports only 2, 4, and 6 logs.
128                        Default number is 6.
129 disable_ext_identify   Disable the extension list configured by mkfs, so f2fs
130                        does not aware of cold files such as media files.
131 inline_xattr           Enable the inline xattrs feature.
132 noinline_xattr         Disable the inline xattrs feature.
133 inline_xattr_size=%u   Support configuring inline xattr size, it depends on
134                        flexible inline xattr feature.
135 inline_data            Enable the inline data feature: New created small(<~3.4k)
136                        files can be written into inode block.
137 inline_dentry          Enable the inline dir feature: data in new created
138                        directory entries can be written into inode block. The
139                        space of inode block which is used to store inline
140                        dentries is limited to ~3.4k.
141 noinline_dentry        Disable the inline dentry feature.
142 flush_merge            Merge concurrent cache_flush commands as much as possible
143                        to eliminate redundant command issues. If the underlying
144                        device handles the cache_flush command relatively slowly,
145                        recommend to enable this option.
146 nobarrier              This option can be used if underlying storage guarantees
147                        its cached data should be written to the novolatile area.
148                        If this option is set, no cache_flush commands are issued
149                        but f2fs still guarantees the write ordering of all the
150                        data writes.
151 fastboot               This option is used when a system wants to reduce mount
152                        time as much as possible, even though normal performance
153                        can be sacrificed.
154 extent_cache           Enable an extent cache based on rb-tree, it can cache
155                        as many as extent which map between contiguous logical
156                        address and physical address per inode, resulting in
157                        increasing the cache hit ratio. Set by default.
158 noextent_cache         Disable an extent cache based on rb-tree explicitly, see
159                        the above extent_cache mount option.
160 noinline_data          Disable the inline data feature, inline data feature is
161                        enabled by default.
162 data_flush             Enable data flushing before checkpoint in order to
163                        persist data of regular and symlink.
164 reserve_root=%d        Support configuring reserved space which is used for
165                        allocation from a privileged user with specified uid or
166                        gid, unit: 4KB, the default limit is 0.2% of user blocks.
167 resuid=%d              The user ID which may use the reserved blocks.
168 resgid=%d              The group ID which may use the reserved blocks.
169 fault_injection=%d     Enable fault injection in all supported types with
170                        specified injection rate.
171 fault_type=%d          Support configuring fault injection type, should be
172                        enabled with fault_injection option, fault type value
173                        is shown below, it supports single or combined type.
174
175                        ===================      ===========
176                        Type_Name                Type_Value
177                        ===================      ===========
178                        FAULT_KMALLOC            0x000000001
179                        FAULT_KVMALLOC           0x000000002
180                        FAULT_PAGE_ALLOC         0x000000004
181                        FAULT_PAGE_GET           0x000000008
182                        FAULT_ALLOC_BIO          0x000000010
183                        FAULT_ALLOC_NID          0x000000020
184                        FAULT_ORPHAN             0x000000040
185                        FAULT_BLOCK              0x000000080
186                        FAULT_DIR_DEPTH          0x000000100
187                        FAULT_EVICT_INODE        0x000000200
188                        FAULT_TRUNCATE           0x000000400
189                        FAULT_READ_IO            0x000000800
190                        FAULT_CHECKPOINT         0x000001000
191                        FAULT_DISCARD            0x000002000
192                        FAULT_WRITE_IO           0x000004000
193                        ===================      ===========
194 mode=%s                Control block allocation mode which supports "adaptive"
195                        and "lfs". In "lfs" mode, there should be no random
196                        writes towards main area.
197 io_bits=%u             Set the bit size of write IO requests. It should be set
198                        with "mode=lfs".
199 usrquota               Enable plain user disk quota accounting.
200 grpquota               Enable plain group disk quota accounting.
201 prjquota               Enable plain project quota accounting.
202 usrjquota=<file>       Appoint specified file and type during mount, so that quota
203 grpjquota=<file>       information can be properly updated during recovery flow,
204 prjjquota=<file>       <quota file>: must be in root directory;
205 jqfmt=<quota type>     <quota type>: [vfsold,vfsv0,vfsv1].
206 offusrjquota           Turn off user journelled quota.
207 offgrpjquota           Turn off group journelled quota.
208 offprjjquota           Turn off project journelled quota.
209 quota                  Enable plain user disk quota accounting.
210 noquota                Disable all plain disk quota option.
211 whint_mode=%s          Control which write hints are passed down to block
212                        layer. This supports "off", "user-based", and
213                        "fs-based".  In "off" mode (default), f2fs does not pass
214                        down hints. In "user-based" mode, f2fs tries to pass
215                        down hints given by users. And in "fs-based" mode, f2fs
216                        passes down hints with its policy.
217 alloc_mode=%s          Adjust block allocation policy, which supports "reuse"
218                        and "default".
219 fsync_mode=%s          Control the policy of fsync. Currently supports "posix",
220                        "strict", and "nobarrier". In "posix" mode, which is
221                        default, fsync will follow POSIX semantics and does a
222                        light operation to improve the filesystem performance.
223                        In "strict" mode, fsync will be heavy and behaves in line
224                        with xfs, ext4 and btrfs, where xfstest generic/342 will
225                        pass, but the performance will regress. "nobarrier" is
226                        based on "posix", but doesn't issue flush command for
227                        non-atomic files likewise "nobarrier" mount option.
228 test_dummy_encryption
229 test_dummy_encryption=%s
230                        Enable dummy encryption, which provides a fake fscrypt
231                        context. The fake fscrypt context is used by xfstests.
232                        The argument may be either "v1" or "v2", in order to
233                        select the corresponding fscrypt policy version.
234 checkpoint=%s[:%u[%]]  Set to "disable" to turn off checkpointing. Set to "enable"
235                        to reenable checkpointing. Is enabled by default. While
236                        disabled, any unmounting or unexpected shutdowns will cause
237                        the filesystem contents to appear as they did when the
238                        filesystem was mounted with that option.
239                        While mounting with checkpoint=disabled, the filesystem must
240                        run garbage collection to ensure that all available space can
241                        be used. If this takes too much time, the mount may return
242                        EAGAIN. You may optionally add a value to indicate how much
243                        of the disk you would be willing to temporarily give up to
244                        avoid additional garbage collection. This can be given as a
245                        number of blocks, or as a percent. For instance, mounting
246                        with checkpoint=disable:100% would always succeed, but it may
247                        hide up to all remaining free space. The actual space that
248                        would be unusable can be viewed at /sys/fs/f2fs/<disk>/unusable
249                        This space is reclaimed once checkpoint=enable.
250 compress_algorithm=%s  Control compress algorithm, currently f2fs supports "lzo",
251                        "lz4", "zstd" and "lzo-rle" algorithm.
252 compress_log_size=%u   Support configuring compress cluster size, the size will
253                        be 4KB * (1 << %u), 16KB is minimum size, also it's
254                        default size.
255 compress_extension=%s  Support adding specified extension, so that f2fs can enable
256                        compression on those corresponding files, e.g. if all files
257                        with '.ext' has high compression rate, we can set the '.ext'
258                        on compression extension list and enable compression on
259                        these file by default rather than to enable it via ioctl.
260                        For other files, we can still enable compression via ioctl.
261 ====================== ============================================================
262
263 Debugfs Entries
264 ===============
265
266 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
267 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
268
269 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
270
271  - major file system information managed by f2fs currently
272  - average SIT information about whole segments
273  - current memory footprint consumed by f2fs.
274
275 Sysfs Entries
276 =============
277
278 Information about mounted f2fs file systems can be found in
279 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
280 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
281 The files in each per-device directory are shown in table below.
282
283 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
284 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
285
286 Usage
287 =====
288
289 1. Download userland tools and compile them.
290
291 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
292    Otherwise, insert the f2fs.ko module::
293
294         # insmod f2fs.ko
295
296 3. Create a directory trying to mount::
297
298         # mkdir /mnt/f2fs
299
300 4. Format the block device, and then mount as f2fs::
301
302         # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
303         # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
304
305 mkfs.f2fs
306 ---------
307 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
308 which builds a basic on-disk layout.
309
310 The options consist of:
311
312 ===============    ===========================================================
313 ``-l [label]``     Give a volume label, up to 512 unicode name.
314 ``-a [0 or 1]``    Split start location of each area for heap-based allocation.
315
316                    1 is set by default, which performs this.
317 ``-o [int]``       Set overprovision ratio in percent over volume size.
318
319                    5 is set by default.
320 ``-s [int]``       Set the number of segments per section.
321
322                    1 is set by default.
323 ``-z [int]``       Set the number of sections per zone.
324
325                    1 is set by default.
326 ``-e [str]``       Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
327 ``-t [0 or 1]``    Disable discard command or not.
328
329                    1 is set by default, which conducts discard.
330 ===============    ===========================================================
331
332 fsck.f2fs
333 ---------
334 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
335 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
336 are cross-referenced correctly or not.
337 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
338
339 The options consist of::
340
341   -d debug level [default:0]
342
343 dump.f2fs
344 ---------
345 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
346 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
347
348 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
349 It shows on-disk inode information recognized by a given inode number, and is
350 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
351 ./dump_sit respectively.
352
353 The options consist of::
354
355   -d debug level [default:0]
356   -i inode no (hex)
357   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
358   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
359
360 Examples::
361
362     # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
363     # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
364     # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
365
366 Design
367 ======
368
369 On-disk Layout
370 --------------
371
372 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
373 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
374 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
375 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
376
377 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
378 consists of multiple segments as described below::
379
380                                             align with the zone size <-|
381                  |-> align with the segment size
382      _________________________________________________________________________
383     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
384     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
385     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
386     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
387                                                                        .      .
388                                                              .                .
389                                                  .                            .
390                                     ._________________________________________.
391                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
392                                     .           .
393                                     ._________._________
394                                     |_section_|__...__|_
395                                     .            .
396                                     .________.
397                                     |__zone__|
398
399 - Superblock (SB)
400    It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
401    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
402    default parameters of f2fs.
403
404 - Checkpoint (CP)
405    It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
406    inode lists, and summary entries of current active segments.
407
408 - Segment Information Table (SIT)
409    It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
410    validity of all the blocks.
411
412 - Node Address Table (NAT)
413    It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
414    Main area.
415
416 - Segment Summary Area (SSA)
417    It contains summary entries which contains the owner information of all the
418    data and node blocks stored in Main area.
419
420 - Main Area
421    It contains file and directory data including their indices.
422
423 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
424 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
425 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
426 in SSA area.
427
428 Reference the following survey for additional technical details.
429 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
430
431 File System Metadata Structure
432 ------------------------------
433
434 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
435 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
436 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
437 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
438 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
439
440 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
441 valid, as shown as below::
442
443   +--------+----------+---------+
444   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
445   +--------+----------+---------+
446   .         .          .          .
447   .            .              .              .
448   .               .                 .                 .
449   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
450   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
451   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
452      |             ^                          ^
453      |             |                          |
454      `----------------------------------------'
455
456 Index Structure
457 ---------------
458
459 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
460 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
461 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
462 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
463 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
464 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
465 one inode block (i.e., a file) covers::
466
467   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
468
469    Inode block (4KB)
470      |- data (923)
471      |- direct node (2)
472      |          `- data (1018)
473      |- indirect node (2)
474      |            `- direct node (1018)
475      |                       `- data (1018)
476      `- double indirect node (1)
477                          `- indirect node (1018)
478                                       `- direct node (1018)
479                                                  `- data (1018)
480
481 Note that, all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
482 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
483 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
484 leaf data writes.
485
486 Directory Structure
487 -------------------
488
489 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
490
491 - hash          hash value of the file name
492 - ino           inode number
493 - len           the length of file name
494 - type          file type such as directory, symlink, etc
495
496 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
497 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
498 4KB with the following composition.
499
500 ::
501
502   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
503                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
504
505                          [Bucket]
506              +--------------------------------+
507              |dentry block 1 | dentry block 2 |
508              +--------------------------------+
509              .               .
510        .                             .
511   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
512   +--------+----------+----------+------------+
513   | bitmap | reserved | dentries | file names |
514   +--------+----------+----------+------------+
515   [Dentry Block: 4KB] .   .
516                  .               .
517             .                          .
518             +------+------+-----+------+
519             | hash | ino  | len | type |
520             +------+------+-----+------+
521             [Dentry Structure: 11 bytes]
522
523 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
524 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
525 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
526
527 ::
528
529     ----------------------
530     A : bucket
531     B : block
532     N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
533     ----------------------
534
535     level #0   | A(2B)
536             |
537     level #1   | A(2B) - A(2B)
538             |
539     level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
540         .     |   .       .       .       .
541     level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
542         .     |   .       .       .       .
543     level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
544
545 The number of blocks and buckets are determined by::
546
547                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
548   # of blocks in level #n = |
549                             `- 4, Otherwise
550
551                              ,- 2^(n + dir_level),
552                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
553   # of buckets in level #n = |
554                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
555                                       Otherwise
556
557 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
558 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
559 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
560 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
561 each levels incrementally from 1 to N. In each levels F2FS needs to scan only
562 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
563 complexity::
564
565   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
566
567 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
568 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
569 1 to N in the same way as the lookup operation.
570
571 The following figure shows an example of two cases holding children::
572
573        --------------> Dir <--------------
574        |                                 |
575     child                             child
576
577     child - child                     [hole] - child
578
579     child - child - child             [hole] - [hole] - child
580
581    Case 1:                           Case 2:
582    Number of children = 6,           Number of children = 3,
583    File size = 7                     File size = 7
584
585 Default Block Allocation
586 ------------------------
587
588 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
589 and Hot/Warm/Cold data.
590
591 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
592 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
593 - Cold node     contains indirect node blocks
594 - Hot data      contains dentry blocks
595 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
596 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
597
598 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
599 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
600 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
601 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
602 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
603 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
604 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
605 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
606 system status.
607
608 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
609 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
610 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
611 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
612 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
613 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
614
615 Cleaning process
616 ----------------
617
618 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
619 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
620 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
621 system is idle.
622
623 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
624 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
625 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
626 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
627 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
628 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
629 algorithm.
630
631 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
632 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
633 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.
634
635 Write-hint Policy
636 -----------------
637
638 1) whint_mode=off. F2FS only passes down WRITE_LIFE_NOT_SET.
639
640 2) whint_mode=user-based. F2FS tries to pass down hints given by
641 users.
642
643 ===================== ======================== ===================
644 User                  F2FS                     Block
645 ===================== ======================== ===================
646                       META                     WRITE_LIFE_NOT_SET
647                       HOT_NODE                 "
648                       WARM_NODE                "
649                       COLD_NODE                "
650 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
651 extension list        "                        "
652
653 -- buffered io
654 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
655 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
656 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
657 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
658 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
659 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
660
661 -- direct io
662 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
663 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
664 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
665 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
666 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
667 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
668 ===================== ======================== ===================
669
670 3) whint_mode=fs-based. F2FS passes down hints with its policy.
671
672 ===================== ======================== ===================
673 User                  F2FS                     Block
674 ===================== ======================== ===================
675                       META                     WRITE_LIFE_MEDIUM;
676                       HOT_NODE                 WRITE_LIFE_NOT_SET
677                       WARM_NODE                "
678                       COLD_NODE                WRITE_LIFE_NONE
679 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
680 extension list        "                        "
681
682 -- buffered io
683 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
684 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
685 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_LONG
686 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
687 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
688 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
689
690 -- direct io
691 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
692 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
693 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
694 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
695 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
696 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
697 ===================== ======================== ===================
698
699 Fallocate(2) Policy
700 -------------------
701
702 The default policy follows the below posix rule.
703
704 Allocating disk space
705     The default operation (i.e., mode is zero) of fallocate() allocates
706     the disk space within the range specified by offset and len.  The
707     file size (as reported by stat(2)) will be changed if offset+len is
708     greater than the file size.  Any subregion within the range specified
709     by offset and len that did not contain data before the call will be
710     initialized to zero.  This default behavior closely resembles the
711     behavior of the posix_fallocate(3) library function, and is intended
712     as a method of optimally implementing that function.
713
714 However, once F2FS receives ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE) in prior to
715 fallocate(fd, DEFAULT_MODE), it allocates on-disk blocks addressess having
716 zero or random data, which is useful to the below scenario where:
717
718  1. create(fd)
719  2. ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE)
720  3. fallocate(fd, 0, 0, size)
721  4. address = fibmap(fd, offset)
722  5. open(blkdev)
723  6. write(blkdev, address)
724
725 Compression implementation
726 --------------------------
727
728 - New term named cluster is defined as basic unit of compression, file can
729   be divided into multiple clusters logically. One cluster includes 4 << n
730   (n >= 0) logical pages, compression size is also cluster size, each of
731   cluster can be compressed or not.
732
733 - In cluster metadata layout, one special block address is used to indicate
734   cluster is compressed one or normal one, for compressed cluster, following
735   metadata maps cluster to [1, 4 << n - 1] physical blocks, in where f2fs
736   stores data including compress header and compressed data.
737
738 - In order to eliminate write amplification during overwrite, F2FS only
739   support compression on write-once file, data can be compressed only when
740   all logical blocks in file are valid and cluster compress ratio is lower
741   than specified threshold.
742
743 - To enable compression on regular inode, there are three ways:
744
745   * chattr +c file
746   * chattr +c dir; touch dir/file
747   * mount w/ -o compress_extension=ext; touch file.ext
748
749 Compress metadata layout::
750
751                                 [Dnode Structure]
752                 +-----------------------------------------------+
753                 | cluster 1 | cluster 2 | ......... | cluster N |
754                 +-----------------------------------------------+
755                 .           .                       .           .
756         .                       .                .                      .
757     .         Compressed Cluster       .        .        Normal Cluster            .
758     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
759     |compr flag| block 1 | block 2 | block 3 |  | block 1 | block 2 | block 3 | block 4 |
760     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
761             .                             .
762             .                                           .
763         .                                                           .
764         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
765         | data length | data chksum | reserved |      compressed data       |
766         +-------------+-------------+----------+----------------------------+