f2fs: support fault injection to f2fs_trylock_op()
[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 gc_merge                 When background_gc is on, this option can be enabled to
114                          let background GC thread to handle foreground GC requests,
115                          it can eliminate the sluggish issue caused by slow foreground
116                          GC operation when GC is triggered from a process with limited
117                          I/O and CPU resources.
118 nogc_merge               Disable GC merge feature.
119 disable_roll_forward     Disable the roll-forward recovery routine
120 norecovery               Disable the roll-forward recovery routine, mounted read-
121                          only (i.e., -o ro,disable_roll_forward)
122 discard/nodiscard        Enable/disable real-time discard in f2fs, if discard is
123                          enabled, f2fs will issue discard/TRIM commands when a
124                          segment is cleaned.
125 no_heap                  Disable heap-style segment allocation which finds free
126                          segments for data from the beginning of main area, while
127                          for node from the end of main area.
128 nouser_xattr             Disable Extended User Attributes. Note: xattr is enabled
129                          by default if CONFIG_F2FS_FS_XATTR is selected.
130 noacl                    Disable POSIX Access Control List. Note: acl is enabled
131                          by default if CONFIG_F2FS_FS_POSIX_ACL is selected.
132 active_logs=%u           Support configuring the number of active logs. In the
133                          current design, f2fs supports only 2, 4, and 6 logs.
134                          Default number is 6.
135 disable_ext_identify     Disable the extension list configured by mkfs, so f2fs
136                          is not aware of cold files such as media files.
137 inline_xattr             Enable the inline xattrs feature.
138 noinline_xattr           Disable the inline xattrs feature.
139 inline_xattr_size=%u     Support configuring inline xattr size, it depends on
140                          flexible inline xattr feature.
141 inline_data              Enable the inline data feature: Newly created small (<~3.4k)
142                          files can be written into inode block.
143 inline_dentry            Enable the inline dir feature: data in newly created
144                          directory entries can be written into inode block. The
145                          space of inode block which is used to store inline
146                          dentries is limited to ~3.4k.
147 noinline_dentry          Disable the inline dentry feature.
148 flush_merge              Merge concurrent cache_flush commands as much as possible
149                          to eliminate redundant command issues. If the underlying
150                          device handles the cache_flush command relatively slowly,
151                          recommend to enable this option.
152 nobarrier                This option can be used if underlying storage guarantees
153                          its cached data should be written to the novolatile area.
154                          If this option is set, no cache_flush commands are issued
155                          but f2fs still guarantees the write ordering of all the
156                          data writes.
157 fastboot                 This option is used when a system wants to reduce mount
158                          time as much as possible, even though normal performance
159                          can be sacrificed.
160 extent_cache             Enable an extent cache based on rb-tree, it can cache
161                          as many as extent which map between contiguous logical
162                          address and physical address per inode, resulting in
163                          increasing the cache hit ratio. Set by default.
164 noextent_cache           Disable an extent cache based on rb-tree explicitly, see
165                          the above extent_cache mount option.
166 noinline_data            Disable the inline data feature, inline data feature is
167                          enabled by default.
168 data_flush               Enable data flushing before checkpoint in order to
169                          persist data of regular and symlink.
170 reserve_root=%d          Support configuring reserved space which is used for
171                          allocation from a privileged user with specified uid or
172                          gid, unit: 4KB, the default limit is 0.2% of user blocks.
173 resuid=%d                The user ID which may use the reserved blocks.
174 resgid=%d                The group ID which may use the reserved blocks.
175 fault_injection=%d       Enable fault injection in all supported types with
176                          specified injection rate.
177 fault_type=%d            Support configuring fault injection type, should be
178                          enabled with fault_injection option, fault type value
179                          is shown below, it supports single or combined type.
180
181                          ===================      ===========
182                          Type_Name                Type_Value
183                          ===================      ===========
184                          FAULT_KMALLOC            0x000000001
185                          FAULT_KVMALLOC           0x000000002
186                          FAULT_PAGE_ALLOC         0x000000004
187                          FAULT_PAGE_GET           0x000000008
188                          FAULT_ALLOC_BIO          0x000000010 (obsolete)
189                          FAULT_ALLOC_NID          0x000000020
190                          FAULT_ORPHAN             0x000000040
191                          FAULT_BLOCK              0x000000080
192                          FAULT_DIR_DEPTH          0x000000100
193                          FAULT_EVICT_INODE        0x000000200
194                          FAULT_TRUNCATE           0x000000400
195                          FAULT_READ_IO            0x000000800
196                          FAULT_CHECKPOINT         0x000001000
197                          FAULT_DISCARD            0x000002000
198                          FAULT_WRITE_IO           0x000004000
199                          FAULT_SLAB_ALLOC         0x000008000
200                          FAULT_DQUOT_INIT         0x000010000
201                          FAULT_LOCK_OP            0x000020000
202                          ===================      ===========
203 mode=%s                  Control block allocation mode which supports "adaptive"
204                          and "lfs". In "lfs" mode, there should be no random
205                          writes towards main area.
206                          "fragment:segment" and "fragment:block" are newly added here.
207                          These are developer options for experiments to simulate filesystem
208                          fragmentation/after-GC situation itself. The developers use these
209                          modes to understand filesystem fragmentation/after-GC condition well,
210                          and eventually get some insights to handle them better.
211                          In "fragment:segment", f2fs allocates a new segment in ramdom
212                          position. With this, we can simulate the after-GC condition.
213                          In "fragment:block", we can scatter block allocation with
214                          "max_fragment_chunk" and "max_fragment_hole" sysfs nodes.
215                          We added some randomness to both chunk and hole size to make
216                          it close to realistic IO pattern. So, in this mode, f2fs will allocate
217                          1..<max_fragment_chunk> blocks in a chunk and make a hole in the
218                          length of 1..<max_fragment_hole> by turns. With this, the newly
219                          allocated blocks will be scattered throughout the whole partition.
220                          Note that "fragment:block" implicitly enables "fragment:segment"
221                          option for more randomness.
222                          Please, use these options for your experiments and we strongly
223                          recommend to re-format the filesystem after using these options.
224 io_bits=%u               Set the bit size of write IO requests. It should be set
225                          with "mode=lfs".
226 usrquota                 Enable plain user disk quota accounting.
227 grpquota                 Enable plain group disk quota accounting.
228 prjquota                 Enable plain project quota accounting.
229 usrjquota=<file>         Appoint specified file and type during mount, so that quota
230 grpjquota=<file>         information can be properly updated during recovery flow,
231 prjjquota=<file>         <quota file>: must be in root directory;
232 jqfmt=<quota type>       <quota type>: [vfsold,vfsv0,vfsv1].
233 offusrjquota             Turn off user journalled quota.
234 offgrpjquota             Turn off group journalled quota.
235 offprjjquota             Turn off project journalled quota.
236 quota                    Enable plain user disk quota accounting.
237 noquota                  Disable all plain disk quota option.
238 whint_mode=%s            Control which write hints are passed down to block
239                          layer. This supports "off", "user-based", and
240                          "fs-based".  In "off" mode (default), f2fs does not pass
241                          down hints. In "user-based" mode, f2fs tries to pass
242                          down hints given by users. And in "fs-based" mode, f2fs
243                          passes down hints with its policy.
244 alloc_mode=%s            Adjust block allocation policy, which supports "reuse"
245                          and "default".
246 fsync_mode=%s            Control the policy of fsync. Currently supports "posix",
247                          "strict", and "nobarrier". In "posix" mode, which is
248                          default, fsync will follow POSIX semantics and does a
249                          light operation to improve the filesystem performance.
250                          In "strict" mode, fsync will be heavy and behaves in line
251                          with xfs, ext4 and btrfs, where xfstest generic/342 will
252                          pass, but the performance will regress. "nobarrier" is
253                          based on "posix", but doesn't issue flush command for
254                          non-atomic files likewise "nobarrier" mount option.
255 test_dummy_encryption
256 test_dummy_encryption=%s
257                          Enable dummy encryption, which provides a fake fscrypt
258                          context. The fake fscrypt context is used by xfstests.
259                          The argument may be either "v1" or "v2", in order to
260                          select the corresponding fscrypt policy version.
261 checkpoint=%s[:%u[%]]    Set to "disable" to turn off checkpointing. Set to "enable"
262                          to reenable checkpointing. Is enabled by default. While
263                          disabled, any unmounting or unexpected shutdowns will cause
264                          the filesystem contents to appear as they did when the
265                          filesystem was mounted with that option.
266                          While mounting with checkpoint=disabled, the filesystem must
267                          run garbage collection to ensure that all available space can
268                          be used. If this takes too much time, the mount may return
269                          EAGAIN. You may optionally add a value to indicate how much
270                          of the disk you would be willing to temporarily give up to
271                          avoid additional garbage collection. This can be given as a
272                          number of blocks, or as a percent. For instance, mounting
273                          with checkpoint=disable:100% would always succeed, but it may
274                          hide up to all remaining free space. The actual space that
275                          would be unusable can be viewed at /sys/fs/f2fs/<disk>/unusable
276                          This space is reclaimed once checkpoint=enable.
277 checkpoint_merge         When checkpoint is enabled, this can be used to create a kernel
278                          daemon and make it to merge concurrent checkpoint requests as
279                          much as possible to eliminate redundant checkpoint issues. Plus,
280                          we can eliminate the sluggish issue caused by slow checkpoint
281                          operation when the checkpoint is done in a process context in
282                          a cgroup having low i/o budget and cpu shares. To make this
283                          do better, we set the default i/o priority of the kernel daemon
284                          to "3", to give one higher priority than other kernel threads.
285                          This is the same way to give a I/O priority to the jbd2
286                          journaling thread of ext4 filesystem.
287 nocheckpoint_merge       Disable checkpoint merge feature.
288 compress_algorithm=%s    Control compress algorithm, currently f2fs supports "lzo",
289                          "lz4", "zstd" and "lzo-rle" algorithm.
290 compress_algorithm=%s:%d Control compress algorithm and its compress level, now, only
291                          "lz4" and "zstd" support compress level config.
292                          algorithm      level range
293                          lz4            3 - 16
294                          zstd           1 - 22
295 compress_log_size=%u     Support configuring compress cluster size, the size will
296                          be 4KB * (1 << %u), 16KB is minimum size, also it's
297                          default size.
298 compress_extension=%s    Support adding specified extension, so that f2fs can enable
299                          compression on those corresponding files, e.g. if all files
300                          with '.ext' has high compression rate, we can set the '.ext'
301                          on compression extension list and enable compression on
302                          these file by default rather than to enable it via ioctl.
303                          For other files, we can still enable compression via ioctl.
304                          Note that, there is one reserved special extension '*', it
305                          can be set to enable compression for all files.
306 nocompress_extension=%s  Support adding specified extension, so that f2fs can disable
307                          compression on those corresponding files, just contrary to compression extension.
308                          If you know exactly which files cannot be compressed, you can use this.
309                          The same extension name can't appear in both compress and nocompress
310                          extension at the same time.
311                          If the compress extension specifies all files, the types specified by the
312                          nocompress extension will be treated as special cases and will not be compressed.
313                          Don't allow use '*' to specifie all file in nocompress extension.
314                          After add nocompress_extension, the priority should be:
315                          dir_flag < comp_extention,nocompress_extension < comp_file_flag,no_comp_file_flag.
316                          See more in compression sections.
317
318 compress_chksum          Support verifying chksum of raw data in compressed cluster.
319 compress_mode=%s         Control file compression mode. This supports "fs" and "user"
320                          modes. In "fs" mode (default), f2fs does automatic compression
321                          on the compression enabled files. In "user" mode, f2fs disables
322                          the automaic compression and gives the user discretion of
323                          choosing the target file and the timing. The user can do manual
324                          compression/decompression on the compression enabled files using
325                          ioctls.
326 compress_cache           Support to use address space of a filesystem managed inode to
327                          cache compressed block, in order to improve cache hit ratio of
328                          random read.
329 inlinecrypt              When possible, encrypt/decrypt the contents of encrypted
330                          files using the blk-crypto framework rather than
331                          filesystem-layer encryption. This allows the use of
332                          inline encryption hardware. The on-disk format is
333                          unaffected. For more details, see
334                          Documentation/block/inline-encryption.rst.
335 atgc                     Enable age-threshold garbage collection, it provides high
336                          effectiveness and efficiency on background GC.
337 discard_unit=%s          Control discard unit, the argument can be "block", "segment"
338                          and "section", issued discard command's offset/size will be
339                          aligned to the unit, by default, "discard_unit=block" is set,
340                          so that small discard functionality is enabled.
341                          For blkzoned device, "discard_unit=section" will be set by
342                          default, it is helpful for large sized SMR or ZNS devices to
343                          reduce memory cost by getting rid of fs metadata supports small
344                          discard.
345 ======================== ============================================================
346
347 Debugfs Entries
348 ===============
349
350 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
351 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
352
353 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
354
355  - major file system information managed by f2fs currently
356  - average SIT information about whole segments
357  - current memory footprint consumed by f2fs.
358
359 Sysfs Entries
360 =============
361
362 Information about mounted f2fs file systems can be found in
363 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
364 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
365 The files in each per-device directory are shown in table below.
366
367 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
368 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
369
370 Usage
371 =====
372
373 1. Download userland tools and compile them.
374
375 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
376    Otherwise, insert the f2fs.ko module::
377
378         # insmod f2fs.ko
379
380 3. Create a directory to use when mounting::
381
382         # mkdir /mnt/f2fs
383
384 4. Format the block device, and then mount as f2fs::
385
386         # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
387         # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
388
389 mkfs.f2fs
390 ---------
391 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
392 which builds a basic on-disk layout.
393
394 The quick options consist of:
395
396 ===============    ===========================================================
397 ``-l [label]``     Give a volume label, up to 512 unicode name.
398 ``-a [0 or 1]``    Split start location of each area for heap-based allocation.
399
400                    1 is set by default, which performs this.
401 ``-o [int]``       Set overprovision ratio in percent over volume size.
402
403                    5 is set by default.
404 ``-s [int]``       Set the number of segments per section.
405
406                    1 is set by default.
407 ``-z [int]``       Set the number of sections per zone.
408
409                    1 is set by default.
410 ``-e [str]``       Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
411 ``-t [0 or 1]``    Disable discard command or not.
412
413                    1 is set by default, which conducts discard.
414 ===============    ===========================================================
415
416 Note: please refer to the manpage of mkfs.f2fs(8) to get full option list.
417
418 fsck.f2fs
419 ---------
420 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
421 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
422 are cross-referenced correctly or not.
423 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
424
425 The quick options consist of::
426
427   -d debug level [default:0]
428
429 Note: please refer to the manpage of fsck.f2fs(8) to get full option list.
430
431 dump.f2fs
432 ---------
433 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
434 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
435
436 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
437 It shows on-disk inode information recognized by a given inode number, and is
438 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
439 ./dump_sit respectively.
440
441 The options consist of::
442
443   -d debug level [default:0]
444   -i inode no (hex)
445   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
446   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
447
448 Examples::
449
450     # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
451     # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
452     # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
453
454 Note: please refer to the manpage of dump.f2fs(8) to get full option list.
455
456 sload.f2fs
457 ----------
458 The sload.f2fs gives a way to insert files and directories in the exisiting disk
459 image. This tool is useful when building f2fs images given compiled files.
460
461 Note: please refer to the manpage of sload.f2fs(8) to get full option list.
462
463 resize.f2fs
464 -----------
465 The resize.f2fs lets a user resize the f2fs-formatted disk image, while preserving
466 all the files and directories stored in the image.
467
468 Note: please refer to the manpage of resize.f2fs(8) to get full option list.
469
470 defrag.f2fs
471 -----------
472 The defrag.f2fs can be used to defragment scattered written data as well as
473 filesystem metadata across the disk. This can improve the write speed by giving
474 more free consecutive space.
475
476 Note: please refer to the manpage of defrag.f2fs(8) to get full option list.
477
478 f2fs_io
479 -------
480 The f2fs_io is a simple tool to issue various filesystem APIs as well as
481 f2fs-specific ones, which is very useful for QA tests.
482
483 Note: please refer to the manpage of f2fs_io(8) to get full option list.
484
485 Design
486 ======
487
488 On-disk Layout
489 --------------
490
491 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
492 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
493 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
494 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
495
496 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
497 consist of multiple segments as described below::
498
499                                             align with the zone size <-|
500                  |-> align with the segment size
501      _________________________________________________________________________
502     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
503     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
504     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
505     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
506                                                                        .      .
507                                                              .                .
508                                                  .                            .
509                                     ._________________________________________.
510                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
511                                     .           .
512                                     ._________._________
513                                     |_section_|__...__|_
514                                     .            .
515                                     .________.
516                                     |__zone__|
517
518 - Superblock (SB)
519    It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
520    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
521    default parameters of f2fs.
522
523 - Checkpoint (CP)
524    It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
525    inode lists, and summary entries of current active segments.
526
527 - Segment Information Table (SIT)
528    It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
529    validity of all the blocks.
530
531 - Node Address Table (NAT)
532    It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
533    Main area.
534
535 - Segment Summary Area (SSA)
536    It contains summary entries which contains the owner information of all the
537    data and node blocks stored in Main area.
538
539 - Main Area
540    It contains file and directory data including their indices.
541
542 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
543 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
544 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
545 in SSA area.
546
547 Reference the following survey for additional technical details.
548 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
549
550 File System Metadata Structure
551 ------------------------------
552
553 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
554 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
555 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
556 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
557 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
558
559 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
560 valid, as shown as below::
561
562   +--------+----------+---------+
563   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
564   +--------+----------+---------+
565   .         .          .          .
566   .            .              .              .
567   .               .                 .                 .
568   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
569   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
570   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
571      |             ^                          ^
572      |             |                          |
573      `----------------------------------------'
574
575 Index Structure
576 ---------------
577
578 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
579 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
580 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
581 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
582 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
583 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
584 one inode block (i.e., a file) covers::
585
586   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
587
588    Inode block (4KB)
589      |- data (923)
590      |- direct node (2)
591      |          `- data (1018)
592      |- indirect node (2)
593      |            `- direct node (1018)
594      |                       `- data (1018)
595      `- double indirect node (1)
596                          `- indirect node (1018)
597                                       `- direct node (1018)
598                                                  `- data (1018)
599
600 Note that all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
601 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
602 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
603 leaf data writes.
604
605 Directory Structure
606 -------------------
607
608 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
609
610 - hash          hash value of the file name
611 - ino           inode number
612 - len           the length of file name
613 - type          file type such as directory, symlink, etc
614
615 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
616 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
617 4KB with the following composition.
618
619 ::
620
621   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
622                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
623
624                          [Bucket]
625              +--------------------------------+
626              |dentry block 1 | dentry block 2 |
627              +--------------------------------+
628              .               .
629        .                             .
630   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
631   +--------+----------+----------+------------+
632   | bitmap | reserved | dentries | file names |
633   +--------+----------+----------+------------+
634   [Dentry Block: 4KB] .   .
635                  .               .
636             .                          .
637             +------+------+-----+------+
638             | hash | ino  | len | type |
639             +------+------+-----+------+
640             [Dentry Structure: 11 bytes]
641
642 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
643 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
644 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
645
646 ::
647
648     ----------------------
649     A : bucket
650     B : block
651     N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
652     ----------------------
653
654     level #0   | A(2B)
655             |
656     level #1   | A(2B) - A(2B)
657             |
658     level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
659         .     |   .       .       .       .
660     level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
661         .     |   .       .       .       .
662     level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
663
664 The number of blocks and buckets are determined by::
665
666                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
667   # of blocks in level #n = |
668                             `- 4, Otherwise
669
670                              ,- 2^(n + dir_level),
671                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
672   # of buckets in level #n = |
673                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
674                                       Otherwise
675
676 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
677 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
678 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
679 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
680 each levels incrementally from 1 to N. In each level F2FS needs to scan only
681 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
682 complexity::
683
684   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
685
686 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
687 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
688 1 to N in the same way as the lookup operation.
689
690 The following figure shows an example of two cases holding children::
691
692        --------------> Dir <--------------
693        |                                 |
694     child                             child
695
696     child - child                     [hole] - child
697
698     child - child - child             [hole] - [hole] - child
699
700    Case 1:                           Case 2:
701    Number of children = 6,           Number of children = 3,
702    File size = 7                     File size = 7
703
704 Default Block Allocation
705 ------------------------
706
707 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
708 and Hot/Warm/Cold data.
709
710 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
711 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
712 - Cold node     contains indirect node blocks
713 - Hot data      contains dentry blocks
714 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
715 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
716
717 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
718 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
719 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
720 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
721 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
722 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
723 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
724 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
725 system status.
726
727 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
728 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
729 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
730 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
731 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
732 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
733
734 Cleaning process
735 ----------------
736
737 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
738 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
739 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
740 system is idle.
741
742 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
743 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
744 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
745 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
746 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
747 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
748 algorithm.
749
750 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
751 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
752 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.
753
754 Write-hint Policy
755 -----------------
756
757 1) whint_mode=off. F2FS only passes down WRITE_LIFE_NOT_SET.
758
759 2) whint_mode=user-based. F2FS tries to pass down hints given by
760 users.
761
762 ===================== ======================== ===================
763 User                  F2FS                     Block
764 ===================== ======================== ===================
765 N/A                   META                     WRITE_LIFE_NOT_SET
766 N/A                   HOT_NODE                 "
767 N/A                   WARM_NODE                "
768 N/A                   COLD_NODE                "
769 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
770 extension list        "                        "
771
772 -- buffered io
773 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
774 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
775 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
776 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
777 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
778 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
779
780 -- direct io
781 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
782 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
783 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
784 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
785 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
786 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
787 ===================== ======================== ===================
788
789 3) whint_mode=fs-based. F2FS passes down hints with its policy.
790
791 ===================== ======================== ===================
792 User                  F2FS                     Block
793 ===================== ======================== ===================
794 N/A                   META                     WRITE_LIFE_MEDIUM;
795 N/A                   HOT_NODE                 WRITE_LIFE_NOT_SET
796 N/A                   WARM_NODE                "
797 N/A                   COLD_NODE                WRITE_LIFE_NONE
798 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
799 extension list        "                        "
800
801 -- buffered io
802 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
803 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
804 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_LONG
805 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
806 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
807 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
808
809 -- direct io
810 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
811 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
812 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
813 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
814 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
815 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
816 ===================== ======================== ===================
817
818 Fallocate(2) Policy
819 -------------------
820
821 The default policy follows the below POSIX rule.
822
823 Allocating disk space
824     The default operation (i.e., mode is zero) of fallocate() allocates
825     the disk space within the range specified by offset and len.  The
826     file size (as reported by stat(2)) will be changed if offset+len is
827     greater than the file size.  Any subregion within the range specified
828     by offset and len that did not contain data before the call will be
829     initialized to zero.  This default behavior closely resembles the
830     behavior of the posix_fallocate(3) library function, and is intended
831     as a method of optimally implementing that function.
832
833 However, once F2FS receives ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE) in prior to
834 fallocate(fd, DEFAULT_MODE), it allocates on-disk block addressess having
835 zero or random data, which is useful to the below scenario where:
836
837  1. create(fd)
838  2. ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE)
839  3. fallocate(fd, 0, 0, size)
840  4. address = fibmap(fd, offset)
841  5. open(blkdev)
842  6. write(blkdev, address)
843
844 Compression implementation
845 --------------------------
846
847 - New term named cluster is defined as basic unit of compression, file can
848   be divided into multiple clusters logically. One cluster includes 4 << n
849   (n >= 0) logical pages, compression size is also cluster size, each of
850   cluster can be compressed or not.
851
852 - In cluster metadata layout, one special block address is used to indicate
853   a cluster is a compressed one or normal one; for compressed cluster, following
854   metadata maps cluster to [1, 4 << n - 1] physical blocks, in where f2fs
855   stores data including compress header and compressed data.
856
857 - In order to eliminate write amplification during overwrite, F2FS only
858   support compression on write-once file, data can be compressed only when
859   all logical blocks in cluster contain valid data and compress ratio of
860   cluster data is lower than specified threshold.
861
862 - To enable compression on regular inode, there are four ways:
863
864   * chattr +c file
865   * chattr +c dir; touch dir/file
866   * mount w/ -o compress_extension=ext; touch file.ext
867   * mount w/ -o compress_extension=*; touch any_file
868
869 - To disable compression on regular inode, there are two ways:
870
871   * chattr -c file
872   * mount w/ -o nocompress_extension=ext; touch file.ext
873
874 - Priority in between FS_COMPR_FL, FS_NOCOMP_FS, extensions:
875
876   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr +c dir; touch
877     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so and baz.txt
878     should be compresse, bar.zip should be non-compressed. chattr +c dir/bar.zip
879     can enable compress on bar.zip.
880   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr -c dir; touch
881     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so should be
882     compresse, bar.zip and baz.txt should be non-compressed.
883     chattr+c dir/bar.zip; chattr+c dir/baz.txt; can enable compress on bar.zip
884     and baz.txt.
885
886 - At this point, compression feature doesn't expose compressed space to user
887   directly in order to guarantee potential data updates later to the space.
888   Instead, the main goal is to reduce data writes to flash disk as much as
889   possible, resulting in extending disk life time as well as relaxing IO
890   congestion. Alternatively, we've added ioctl(F2FS_IOC_RELEASE_COMPRESS_BLOCKS)
891   interface to reclaim compressed space and show it to user after putting the
892   immutable bit. Immutable bit, after release, it doesn't allow writing/mmaping
893   on the file, until reserving compressed space via
894   ioctl(F2FS_IOC_RESERVE_COMPRESS_BLOCKS) or truncating filesize to zero.
895
896 Compress metadata layout::
897
898                                 [Dnode Structure]
899                 +-----------------------------------------------+
900                 | cluster 1 | cluster 2 | ......... | cluster N |
901                 +-----------------------------------------------+
902                 .           .                       .           .
903         .                       .                .                      .
904     .         Compressed Cluster       .        .        Normal Cluster            .
905     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
906     |compr flag| block 1 | block 2 | block 3 |  | block 1 | block 2 | block 3 | block 4 |
907     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
908             .                             .
909             .                                           .
910         .                                                           .
911         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
912         | data length | data chksum | reserved |      compressed data       |
913         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
914
915 Compression mode
916 --------------------------
917
918 f2fs supports "fs" and "user" compression modes with "compression_mode" mount option.
919 With this option, f2fs provides a choice to select the way how to compress the
920 compression enabled files (refer to "Compression implementation" section for how to
921 enable compression on a regular inode).
922
923 1) compress_mode=fs
924 This is the default option. f2fs does automatic compression in the writeback of the
925 compression enabled files.
926
927 2) compress_mode=user
928 This disables the automatic compression and gives the user discretion of choosing the
929 target file and the timing. The user can do manual compression/decompression on the
930 compression enabled files using F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE and F2FS_IOC_COMPRESS_FILE
931 ioctls like the below.
932
933 To decompress a file,
934
935 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
936 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE);
937
938 To compress a file,
939
940 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
941 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_COMPRESS_FILE);
942
943 NVMe Zoned Namespace devices
944 ----------------------------
945
946 - ZNS defines a per-zone capacity which can be equal or less than the
947   zone-size. Zone-capacity is the number of usable blocks in the zone.
948   F2FS checks if zone-capacity is less than zone-size, if it is, then any
949   segment which starts after the zone-capacity is marked as not-free in
950   the free segment bitmap at initial mount time. These segments are marked
951   as permanently used so they are not allocated for writes and
952   consequently are not needed to be garbage collected. In case the
953   zone-capacity is not aligned to default segment size(2MB), then a segment
954   can start before the zone-capacity and span across zone-capacity boundary.
955   Such spanning segments are also considered as usable segments. All blocks
956   past the zone-capacity are considered unusable in these segments.