Merge tag 'qcom-drivers-for-5.20-2' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel...
[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 alloc_mode=%s            Adjust block allocation policy, which supports "reuse"
239                          and "default".
240 fsync_mode=%s            Control the policy of fsync. Currently supports "posix",
241                          "strict", and "nobarrier". In "posix" mode, which is
242                          default, fsync will follow POSIX semantics and does a
243                          light operation to improve the filesystem performance.
244                          In "strict" mode, fsync will be heavy and behaves in line
245                          with xfs, ext4 and btrfs, where xfstest generic/342 will
246                          pass, but the performance will regress. "nobarrier" is
247                          based on "posix", but doesn't issue flush command for
248                          non-atomic files likewise "nobarrier" mount option.
249 test_dummy_encryption
250 test_dummy_encryption=%s
251                          Enable dummy encryption, which provides a fake fscrypt
252                          context. The fake fscrypt context is used by xfstests.
253                          The argument may be either "v1" or "v2", in order to
254                          select the corresponding fscrypt policy version.
255 checkpoint=%s[:%u[%]]    Set to "disable" to turn off checkpointing. Set to "enable"
256                          to reenable checkpointing. Is enabled by default. While
257                          disabled, any unmounting or unexpected shutdowns will cause
258                          the filesystem contents to appear as they did when the
259                          filesystem was mounted with that option.
260                          While mounting with checkpoint=disabled, the filesystem must
261                          run garbage collection to ensure that all available space can
262                          be used. If this takes too much time, the mount may return
263                          EAGAIN. You may optionally add a value to indicate how much
264                          of the disk you would be willing to temporarily give up to
265                          avoid additional garbage collection. This can be given as a
266                          number of blocks, or as a percent. For instance, mounting
267                          with checkpoint=disable:100% would always succeed, but it may
268                          hide up to all remaining free space. The actual space that
269                          would be unusable can be viewed at /sys/fs/f2fs/<disk>/unusable
270                          This space is reclaimed once checkpoint=enable.
271 checkpoint_merge         When checkpoint is enabled, this can be used to create a kernel
272                          daemon and make it to merge concurrent checkpoint requests as
273                          much as possible to eliminate redundant checkpoint issues. Plus,
274                          we can eliminate the sluggish issue caused by slow checkpoint
275                          operation when the checkpoint is done in a process context in
276                          a cgroup having low i/o budget and cpu shares. To make this
277                          do better, we set the default i/o priority of the kernel daemon
278                          to "3", to give one higher priority than other kernel threads.
279                          This is the same way to give a I/O priority to the jbd2
280                          journaling thread of ext4 filesystem.
281 nocheckpoint_merge       Disable checkpoint merge feature.
282 compress_algorithm=%s    Control compress algorithm, currently f2fs supports "lzo",
283                          "lz4", "zstd" and "lzo-rle" algorithm.
284 compress_algorithm=%s:%d Control compress algorithm and its compress level, now, only
285                          "lz4" and "zstd" support compress level config.
286                          algorithm      level range
287                          lz4            3 - 16
288                          zstd           1 - 22
289 compress_log_size=%u     Support configuring compress cluster size, the size will
290                          be 4KB * (1 << %u), 16KB is minimum size, also it's
291                          default size.
292 compress_extension=%s    Support adding specified extension, so that f2fs can enable
293                          compression on those corresponding files, e.g. if all files
294                          with '.ext' has high compression rate, we can set the '.ext'
295                          on compression extension list and enable compression on
296                          these file by default rather than to enable it via ioctl.
297                          For other files, we can still enable compression via ioctl.
298                          Note that, there is one reserved special extension '*', it
299                          can be set to enable compression for all files.
300 nocompress_extension=%s  Support adding specified extension, so that f2fs can disable
301                          compression on those corresponding files, just contrary to compression extension.
302                          If you know exactly which files cannot be compressed, you can use this.
303                          The same extension name can't appear in both compress and nocompress
304                          extension at the same time.
305                          If the compress extension specifies all files, the types specified by the
306                          nocompress extension will be treated as special cases and will not be compressed.
307                          Don't allow use '*' to specifie all file in nocompress extension.
308                          After add nocompress_extension, the priority should be:
309                          dir_flag < comp_extention,nocompress_extension < comp_file_flag,no_comp_file_flag.
310                          See more in compression sections.
311
312 compress_chksum          Support verifying chksum of raw data in compressed cluster.
313 compress_mode=%s         Control file compression mode. This supports "fs" and "user"
314                          modes. In "fs" mode (default), f2fs does automatic compression
315                          on the compression enabled files. In "user" mode, f2fs disables
316                          the automaic compression and gives the user discretion of
317                          choosing the target file and the timing. The user can do manual
318                          compression/decompression on the compression enabled files using
319                          ioctls.
320 compress_cache           Support to use address space of a filesystem managed inode to
321                          cache compressed block, in order to improve cache hit ratio of
322                          random read.
323 inlinecrypt              When possible, encrypt/decrypt the contents of encrypted
324                          files using the blk-crypto framework rather than
325                          filesystem-layer encryption. This allows the use of
326                          inline encryption hardware. The on-disk format is
327                          unaffected. For more details, see
328                          Documentation/block/inline-encryption.rst.
329 atgc                     Enable age-threshold garbage collection, it provides high
330                          effectiveness and efficiency on background GC.
331 discard_unit=%s          Control discard unit, the argument can be "block", "segment"
332                          and "section", issued discard command's offset/size will be
333                          aligned to the unit, by default, "discard_unit=block" is set,
334                          so that small discard functionality is enabled.
335                          For blkzoned device, "discard_unit=section" will be set by
336                          default, it is helpful for large sized SMR or ZNS devices to
337                          reduce memory cost by getting rid of fs metadata supports small
338                          discard.
339 ======================== ============================================================
340
341 Debugfs Entries
342 ===============
343
344 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
345 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
346
347 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
348
349  - major file system information managed by f2fs currently
350  - average SIT information about whole segments
351  - current memory footprint consumed by f2fs.
352
353 Sysfs Entries
354 =============
355
356 Information about mounted f2fs file systems can be found in
357 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
358 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
359 The files in each per-device directory are shown in table below.
360
361 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
362 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
363
364 Usage
365 =====
366
367 1. Download userland tools and compile them.
368
369 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
370    Otherwise, insert the f2fs.ko module::
371
372         # insmod f2fs.ko
373
374 3. Create a directory to use when mounting::
375
376         # mkdir /mnt/f2fs
377
378 4. Format the block device, and then mount as f2fs::
379
380         # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
381         # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
382
383 mkfs.f2fs
384 ---------
385 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
386 which builds a basic on-disk layout.
387
388 The quick options consist of:
389
390 ===============    ===========================================================
391 ``-l [label]``     Give a volume label, up to 512 unicode name.
392 ``-a [0 or 1]``    Split start location of each area for heap-based allocation.
393
394                    1 is set by default, which performs this.
395 ``-o [int]``       Set overprovision ratio in percent over volume size.
396
397                    5 is set by default.
398 ``-s [int]``       Set the number of segments per section.
399
400                    1 is set by default.
401 ``-z [int]``       Set the number of sections per zone.
402
403                    1 is set by default.
404 ``-e [str]``       Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
405 ``-t [0 or 1]``    Disable discard command or not.
406
407                    1 is set by default, which conducts discard.
408 ===============    ===========================================================
409
410 Note: please refer to the manpage of mkfs.f2fs(8) to get full option list.
411
412 fsck.f2fs
413 ---------
414 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
415 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
416 are cross-referenced correctly or not.
417 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
418
419 The quick options consist of::
420
421   -d debug level [default:0]
422
423 Note: please refer to the manpage of fsck.f2fs(8) to get full option list.
424
425 dump.f2fs
426 ---------
427 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
428 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
429
430 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
431 It shows on-disk inode information recognized by a given inode number, and is
432 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
433 ./dump_sit respectively.
434
435 The options consist of::
436
437   -d debug level [default:0]
438   -i inode no (hex)
439   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
440   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
441
442 Examples::
443
444     # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
445     # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
446     # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
447
448 Note: please refer to the manpage of dump.f2fs(8) to get full option list.
449
450 sload.f2fs
451 ----------
452 The sload.f2fs gives a way to insert files and directories in the exisiting disk
453 image. This tool is useful when building f2fs images given compiled files.
454
455 Note: please refer to the manpage of sload.f2fs(8) to get full option list.
456
457 resize.f2fs
458 -----------
459 The resize.f2fs lets a user resize the f2fs-formatted disk image, while preserving
460 all the files and directories stored in the image.
461
462 Note: please refer to the manpage of resize.f2fs(8) to get full option list.
463
464 defrag.f2fs
465 -----------
466 The defrag.f2fs can be used to defragment scattered written data as well as
467 filesystem metadata across the disk. This can improve the write speed by giving
468 more free consecutive space.
469
470 Note: please refer to the manpage of defrag.f2fs(8) to get full option list.
471
472 f2fs_io
473 -------
474 The f2fs_io is a simple tool to issue various filesystem APIs as well as
475 f2fs-specific ones, which is very useful for QA tests.
476
477 Note: please refer to the manpage of f2fs_io(8) to get full option list.
478
479 Design
480 ======
481
482 On-disk Layout
483 --------------
484
485 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
486 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
487 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
488 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
489
490 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
491 consist of multiple segments as described below::
492
493                                             align with the zone size <-|
494                  |-> align with the segment size
495      _________________________________________________________________________
496     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
497     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
498     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
499     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
500                                                                        .      .
501                                                              .                .
502                                                  .                            .
503                                     ._________________________________________.
504                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
505                                     .           .
506                                     ._________._________
507                                     |_section_|__...__|_
508                                     .            .
509                                     .________.
510                                     |__zone__|
511
512 - Superblock (SB)
513    It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
514    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
515    default parameters of f2fs.
516
517 - Checkpoint (CP)
518    It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
519    inode lists, and summary entries of current active segments.
520
521 - Segment Information Table (SIT)
522    It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
523    validity of all the blocks.
524
525 - Node Address Table (NAT)
526    It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
527    Main area.
528
529 - Segment Summary Area (SSA)
530    It contains summary entries which contains the owner information of all the
531    data and node blocks stored in Main area.
532
533 - Main Area
534    It contains file and directory data including their indices.
535
536 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
537 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
538 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
539 in SSA area.
540
541 Reference the following survey for additional technical details.
542 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
543
544 File System Metadata Structure
545 ------------------------------
546
547 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
548 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
549 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
550 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
551 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
552
553 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
554 valid, as shown as below::
555
556   +--------+----------+---------+
557   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
558   +--------+----------+---------+
559   .         .          .          .
560   .            .              .              .
561   .               .                 .                 .
562   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
563   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
564   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
565      |             ^                          ^
566      |             |                          |
567      `----------------------------------------'
568
569 Index Structure
570 ---------------
571
572 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
573 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
574 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
575 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
576 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
577 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
578 one inode block (i.e., a file) covers::
579
580   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
581
582    Inode block (4KB)
583      |- data (923)
584      |- direct node (2)
585      |          `- data (1018)
586      |- indirect node (2)
587      |            `- direct node (1018)
588      |                       `- data (1018)
589      `- double indirect node (1)
590                          `- indirect node (1018)
591                                       `- direct node (1018)
592                                                  `- data (1018)
593
594 Note that all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
595 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
596 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
597 leaf data writes.
598
599 Directory Structure
600 -------------------
601
602 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
603
604 - hash          hash value of the file name
605 - ino           inode number
606 - len           the length of file name
607 - type          file type such as directory, symlink, etc
608
609 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
610 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
611 4KB with the following composition.
612
613 ::
614
615   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
616                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
617
618                          [Bucket]
619              +--------------------------------+
620              |dentry block 1 | dentry block 2 |
621              +--------------------------------+
622              .               .
623        .                             .
624   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
625   +--------+----------+----------+------------+
626   | bitmap | reserved | dentries | file names |
627   +--------+----------+----------+------------+
628   [Dentry Block: 4KB] .   .
629                  .               .
630             .                          .
631             +------+------+-----+------+
632             | hash | ino  | len | type |
633             +------+------+-----+------+
634             [Dentry Structure: 11 bytes]
635
636 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
637 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
638 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
639
640 ::
641
642     ----------------------
643     A : bucket
644     B : block
645     N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
646     ----------------------
647
648     level #0   | A(2B)
649             |
650     level #1   | A(2B) - A(2B)
651             |
652     level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
653         .     |   .       .       .       .
654     level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
655         .     |   .       .       .       .
656     level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
657
658 The number of blocks and buckets are determined by::
659
660                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
661   # of blocks in level #n = |
662                             `- 4, Otherwise
663
664                              ,- 2^(n + dir_level),
665                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
666   # of buckets in level #n = |
667                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
668                                       Otherwise
669
670 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
671 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
672 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
673 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
674 each levels incrementally from 1 to N. In each level F2FS needs to scan only
675 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
676 complexity::
677
678   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
679
680 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
681 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
682 1 to N in the same way as the lookup operation.
683
684 The following figure shows an example of two cases holding children::
685
686        --------------> Dir <--------------
687        |                                 |
688     child                             child
689
690     child - child                     [hole] - child
691
692     child - child - child             [hole] - [hole] - child
693
694    Case 1:                           Case 2:
695    Number of children = 6,           Number of children = 3,
696    File size = 7                     File size = 7
697
698 Default Block Allocation
699 ------------------------
700
701 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
702 and Hot/Warm/Cold data.
703
704 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
705 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
706 - Cold node     contains indirect node blocks
707 - Hot data      contains dentry blocks
708 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
709 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
710
711 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
712 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
713 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
714 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
715 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
716 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
717 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
718 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
719 system status.
720
721 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
722 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
723 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
724 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
725 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
726 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
727
728 Cleaning process
729 ----------------
730
731 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
732 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
733 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
734 system is idle.
735
736 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
737 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
738 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
739 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
740 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
741 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
742 algorithm.
743
744 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
745 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
746 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.
747
748 Fallocate(2) Policy
749 -------------------
750
751 The default policy follows the below POSIX rule.
752
753 Allocating disk space
754     The default operation (i.e., mode is zero) of fallocate() allocates
755     the disk space within the range specified by offset and len.  The
756     file size (as reported by stat(2)) will be changed if offset+len is
757     greater than the file size.  Any subregion within the range specified
758     by offset and len that did not contain data before the call will be
759     initialized to zero.  This default behavior closely resembles the
760     behavior of the posix_fallocate(3) library function, and is intended
761     as a method of optimally implementing that function.
762
763 However, once F2FS receives ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE) in prior to
764 fallocate(fd, DEFAULT_MODE), it allocates on-disk block addressess having
765 zero or random data, which is useful to the below scenario where:
766
767  1. create(fd)
768  2. ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE)
769  3. fallocate(fd, 0, 0, size)
770  4. address = fibmap(fd, offset)
771  5. open(blkdev)
772  6. write(blkdev, address)
773
774 Compression implementation
775 --------------------------
776
777 - New term named cluster is defined as basic unit of compression, file can
778   be divided into multiple clusters logically. One cluster includes 4 << n
779   (n >= 0) logical pages, compression size is also cluster size, each of
780   cluster can be compressed or not.
781
782 - In cluster metadata layout, one special block address is used to indicate
783   a cluster is a compressed one or normal one; for compressed cluster, following
784   metadata maps cluster to [1, 4 << n - 1] physical blocks, in where f2fs
785   stores data including compress header and compressed data.
786
787 - In order to eliminate write amplification during overwrite, F2FS only
788   support compression on write-once file, data can be compressed only when
789   all logical blocks in cluster contain valid data and compress ratio of
790   cluster data is lower than specified threshold.
791
792 - To enable compression on regular inode, there are four ways:
793
794   * chattr +c file
795   * chattr +c dir; touch dir/file
796   * mount w/ -o compress_extension=ext; touch file.ext
797   * mount w/ -o compress_extension=*; touch any_file
798
799 - To disable compression on regular inode, there are two ways:
800
801   * chattr -c file
802   * mount w/ -o nocompress_extension=ext; touch file.ext
803
804 - Priority in between FS_COMPR_FL, FS_NOCOMP_FS, extensions:
805
806   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr +c dir; touch
807     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so and baz.txt
808     should be compresse, bar.zip should be non-compressed. chattr +c dir/bar.zip
809     can enable compress on bar.zip.
810   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr -c dir; touch
811     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so should be
812     compresse, bar.zip and baz.txt should be non-compressed.
813     chattr+c dir/bar.zip; chattr+c dir/baz.txt; can enable compress on bar.zip
814     and baz.txt.
815
816 - At this point, compression feature doesn't expose compressed space to user
817   directly in order to guarantee potential data updates later to the space.
818   Instead, the main goal is to reduce data writes to flash disk as much as
819   possible, resulting in extending disk life time as well as relaxing IO
820   congestion. Alternatively, we've added ioctl(F2FS_IOC_RELEASE_COMPRESS_BLOCKS)
821   interface to reclaim compressed space and show it to user after putting the
822   immutable bit. Immutable bit, after release, it doesn't allow writing/mmaping
823   on the file, until reserving compressed space via
824   ioctl(F2FS_IOC_RESERVE_COMPRESS_BLOCKS) or truncating filesize to zero.
825
826 Compress metadata layout::
827
828                                 [Dnode Structure]
829                 +-----------------------------------------------+
830                 | cluster 1 | cluster 2 | ......... | cluster N |
831                 +-----------------------------------------------+
832                 .           .                       .           .
833         .                       .                .                      .
834     .         Compressed Cluster       .        .        Normal Cluster            .
835     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
836     |compr flag| block 1 | block 2 | block 3 |  | block 1 | block 2 | block 3 | block 4 |
837     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
838             .                             .
839             .                                           .
840         .                                                           .
841         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
842         | data length | data chksum | reserved |      compressed data       |
843         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
844
845 Compression mode
846 --------------------------
847
848 f2fs supports "fs" and "user" compression modes with "compression_mode" mount option.
849 With this option, f2fs provides a choice to select the way how to compress the
850 compression enabled files (refer to "Compression implementation" section for how to
851 enable compression on a regular inode).
852
853 1) compress_mode=fs
854 This is the default option. f2fs does automatic compression in the writeback of the
855 compression enabled files.
856
857 2) compress_mode=user
858 This disables the automatic compression and gives the user discretion of choosing the
859 target file and the timing. The user can do manual compression/decompression on the
860 compression enabled files using F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE and F2FS_IOC_COMPRESS_FILE
861 ioctls like the below.
862
863 To decompress a file,
864
865 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
866 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE);
867
868 To compress a file,
869
870 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
871 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_COMPRESS_FILE);
872
873 NVMe Zoned Namespace devices
874 ----------------------------
875
876 - ZNS defines a per-zone capacity which can be equal or less than the
877   zone-size. Zone-capacity is the number of usable blocks in the zone.
878   F2FS checks if zone-capacity is less than zone-size, if it is, then any
879   segment which starts after the zone-capacity is marked as not-free in
880   the free segment bitmap at initial mount time. These segments are marked
881   as permanently used so they are not allocated for writes and
882   consequently are not needed to be garbage collected. In case the
883   zone-capacity is not aligned to default segment size(2MB), then a segment
884   can start before the zone-capacity and span across zone-capacity boundary.
885   Such spanning segments are also considered as usable segments. All blocks
886   past the zone-capacity are considered unusable in these segments.