Merge tag 'fork-v5.9' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/brauner/linux
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / f2fs.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ==========================================
4 WHAT IS Flash-Friendly File System (F2FS)?
5 ==========================================
6
7 NAND flash memory-based storage devices, such as SSD, eMMC, and SD cards, have
8 been equipped on a variety systems ranging from mobile to server systems. Since
9 they are known to have different characteristics from the conventional rotating
10 disks, a file system, an upper layer to the storage device, should adapt to the
11 changes from the sketch in the design level.
12
13 F2FS is a file system exploiting NAND flash memory-based storage devices, which
14 is based on Log-structured File System (LFS). The design has been focused on
15 addressing the fundamental issues in LFS, which are snowball effect of wandering
16 tree and high cleaning overhead.
17
18 Since a NAND flash memory-based storage device shows different characteristic
19 according to its internal geometry or flash memory management scheme, namely FTL,
20 F2FS and its tools support various parameters not only for configuring on-disk
21 layout, but also for selecting allocation and cleaning algorithms.
22
23 The following git tree provides the file system formatting tool (mkfs.f2fs),
24 a consistency checking tool (fsck.f2fs), and a debugging tool (dump.f2fs).
25
26 - git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jaegeuk/f2fs-tools.git
27
28 For reporting bugs and sending patches, please use the following mailing list:
29
30 - linux-f2fs-devel@lists.sourceforge.net
31
32 Background and Design issues
33 ============================
34
35 Log-structured File System (LFS)
36 --------------------------------
37 "A log-structured file system writes all modifications to disk sequentially in
38 a log-like structure, thereby speeding up  both file writing and crash recovery.
39 The log is the only structure on disk; it contains indexing information so that
40 files can be read back from the log efficiently. In order to maintain large free
41 areas on disk for fast writing, we divide  the log into segments and use a
42 segment cleaner to compress the live information from heavily fragmented
43 segments." from Rosenblum, M. and Ousterhout, J. K., 1992, "The design and
44 implementation of a log-structured file system", ACM Trans. Computer Systems
45 10, 1, 26–52.
46
47 Wandering Tree Problem
48 ----------------------
49 In LFS, when a file data is updated and written to the end of log, its direct
50 pointer block is updated due to the changed location. Then the indirect pointer
51 block is also updated due to the direct pointer block update. In this manner,
52 the upper index structures such as inode, inode map, and checkpoint block are
53 also updated recursively. This problem is called as wandering tree problem [1],
54 and in order to enhance the performance, it should eliminate or relax the update
55 propagation as much as possible.
56
57 [1] Bityutskiy, A. 2005. JFFS3 design issues. http://www.linux-mtd.infradead.org/
58
59 Cleaning Overhead
60 -----------------
61 Since LFS is based on out-of-place writes, it produces so many obsolete blocks
62 scattered across the whole storage. In order to serve new empty log space, it
63 needs to reclaim these obsolete blocks seamlessly to users. This job is called
64 as a cleaning process.
65
66 The process consists of three operations as follows.
67
68 1. A victim segment is selected through referencing segment usage table.
69 2. It loads parent index structures of all the data in the victim identified by
70    segment summary blocks.
71 3. It checks the cross-reference between the data and its parent index structure.
72 4. It moves valid data selectively.
73
74 This cleaning job may cause unexpected long delays, so the most important goal
75 is to hide the latencies to users. And also definitely, it should reduce the
76 amount of valid data to be moved, and move them quickly as well.
77
78 Key Features
79 ============
80
81 Flash Awareness
82 ---------------
83 - Enlarge the random write area for better performance, but provide the high
84   spatial locality
85 - Align FS data structures to the operational units in FTL as best efforts
86
87 Wandering Tree Problem
88 ----------------------
89 - Use a term, “node”, that represents inodes as well as various pointer blocks
90 - Introduce Node Address Table (NAT) containing the locations of all the “node”
91   blocks; this will cut off the update propagation.
92
93 Cleaning Overhead
94 -----------------
95 - Support a background cleaning process
96 - Support greedy and cost-benefit algorithms for victim selection policies
97 - Support multi-head logs for static/dynamic hot and cold data separation
98 - Introduce adaptive logging for efficient block allocation
99
100 Mount Options
101 =============
102
103
104 ====================== ============================================================
105 background_gc=%s       Turn on/off cleaning operations, namely garbage
106                        collection, triggered in background when I/O subsystem is
107                        idle. If background_gc=on, it will turn on the garbage
108                        collection and if background_gc=off, garbage collection
109                        will be turned off. If background_gc=sync, it will turn
110                        on synchronous garbage collection running in background.
111                        Default value for this option is on. So garbage
112                        collection is on by default.
113 disable_roll_forward   Disable the roll-forward recovery routine
114 norecovery             Disable the roll-forward recovery routine, mounted read-
115                        only (i.e., -o ro,disable_roll_forward)
116 discard/nodiscard      Enable/disable real-time discard in f2fs, if discard is
117                        enabled, f2fs will issue discard/TRIM commands when a
118                        segment is cleaned.
119 no_heap                Disable heap-style segment allocation which finds free
120                        segments for data from the beginning of main area, while
121                        for node from the end of main area.
122 nouser_xattr           Disable Extended User Attributes. Note: xattr is enabled
123                        by default if CONFIG_F2FS_FS_XATTR is selected.
124 noacl                  Disable POSIX Access Control List. Note: acl is enabled
125                        by default if CONFIG_F2FS_FS_POSIX_ACL is selected.
126 active_logs=%u         Support configuring the number of active logs. In the
127                        current design, f2fs supports only 2, 4, and 6 logs.
128                        Default number is 6.
129 disable_ext_identify   Disable the extension list configured by mkfs, so f2fs
130                        does not aware of cold files such as media files.
131 inline_xattr           Enable the inline xattrs feature.
132 noinline_xattr         Disable the inline xattrs feature.
133 inline_xattr_size=%u   Support configuring inline xattr size, it depends on
134                        flexible inline xattr feature.
135 inline_data            Enable the inline data feature: New created small(<~3.4k)
136                        files can be written into inode block.
137 inline_dentry          Enable the inline dir feature: data in new created
138                        directory entries can be written into inode block. The
139                        space of inode block which is used to store inline
140                        dentries is limited to ~3.4k.
141 noinline_dentry        Disable the inline dentry feature.
142 flush_merge            Merge concurrent cache_flush commands as much as possible
143                        to eliminate redundant command issues. If the underlying
144                        device handles the cache_flush command relatively slowly,
145                        recommend to enable this option.
146 nobarrier              This option can be used if underlying storage guarantees
147                        its cached data should be written to the novolatile area.
148                        If this option is set, no cache_flush commands are issued
149                        but f2fs still guarantees the write ordering of all the
150                        data writes.
151 fastboot               This option is used when a system wants to reduce mount
152                        time as much as possible, even though normal performance
153                        can be sacrificed.
154 extent_cache           Enable an extent cache based on rb-tree, it can cache
155                        as many as extent which map between contiguous logical
156                        address and physical address per inode, resulting in
157                        increasing the cache hit ratio. Set by default.
158 noextent_cache         Disable an extent cache based on rb-tree explicitly, see
159                        the above extent_cache mount option.
160 noinline_data          Disable the inline data feature, inline data feature is
161                        enabled by default.
162 data_flush             Enable data flushing before checkpoint in order to
163                        persist data of regular and symlink.
164 reserve_root=%d        Support configuring reserved space which is used for
165                        allocation from a privileged user with specified uid or
166                        gid, unit: 4KB, the default limit is 0.2% of user blocks.
167 resuid=%d              The user ID which may use the reserved blocks.
168 resgid=%d              The group ID which may use the reserved blocks.
169 fault_injection=%d     Enable fault injection in all supported types with
170                        specified injection rate.
171 fault_type=%d          Support configuring fault injection type, should be
172                        enabled with fault_injection option, fault type value
173                        is shown below, it supports single or combined type.
174
175                        ===================      ===========
176                        Type_Name                Type_Value
177                        ===================      ===========
178                        FAULT_KMALLOC            0x000000001
179                        FAULT_KVMALLOC           0x000000002
180                        FAULT_PAGE_ALLOC         0x000000004
181                        FAULT_PAGE_GET           0x000000008
182                        FAULT_ALLOC_BIO          0x000000010
183                        FAULT_ALLOC_NID          0x000000020
184                        FAULT_ORPHAN             0x000000040
185                        FAULT_BLOCK              0x000000080
186                        FAULT_DIR_DEPTH          0x000000100
187                        FAULT_EVICT_INODE        0x000000200
188                        FAULT_TRUNCATE           0x000000400
189                        FAULT_READ_IO            0x000000800
190                        FAULT_CHECKPOINT         0x000001000
191                        FAULT_DISCARD            0x000002000
192                        FAULT_WRITE_IO           0x000004000
193                        ===================      ===========
194 mode=%s                Control block allocation mode which supports "adaptive"
195                        and "lfs". In "lfs" mode, there should be no random
196                        writes towards main area.
197 io_bits=%u             Set the bit size of write IO requests. It should be set
198                        with "mode=lfs".
199 usrquota               Enable plain user disk quota accounting.
200 grpquota               Enable plain group disk quota accounting.
201 prjquota               Enable plain project quota accounting.
202 usrjquota=<file>       Appoint specified file and type during mount, so that quota
203 grpjquota=<file>       information can be properly updated during recovery flow,
204 prjjquota=<file>       <quota file>: must be in root directory;
205 jqfmt=<quota type>     <quota type>: [vfsold,vfsv0,vfsv1].
206 offusrjquota           Turn off user journelled quota.
207 offgrpjquota           Turn off group journelled quota.
208 offprjjquota           Turn off project journelled quota.
209 quota                  Enable plain user disk quota accounting.
210 noquota                Disable all plain disk quota option.
211 whint_mode=%s          Control which write hints are passed down to block
212                        layer. This supports "off", "user-based", and
213                        "fs-based".  In "off" mode (default), f2fs does not pass
214                        down hints. In "user-based" mode, f2fs tries to pass
215                        down hints given by users. And in "fs-based" mode, f2fs
216                        passes down hints with its policy.
217 alloc_mode=%s          Adjust block allocation policy, which supports "reuse"
218                        and "default".
219 fsync_mode=%s          Control the policy of fsync. Currently supports "posix",
220                        "strict", and "nobarrier". In "posix" mode, which is
221                        default, fsync will follow POSIX semantics and does a
222                        light operation to improve the filesystem performance.
223                        In "strict" mode, fsync will be heavy and behaves in line
224                        with xfs, ext4 and btrfs, where xfstest generic/342 will
225                        pass, but the performance will regress. "nobarrier" is
226                        based on "posix", but doesn't issue flush command for
227                        non-atomic files likewise "nobarrier" mount option.
228 test_dummy_encryption
229 test_dummy_encryption=%s
230                        Enable dummy encryption, which provides a fake fscrypt
231                        context. The fake fscrypt context is used by xfstests.
232                        The argument may be either "v1" or "v2", in order to
233                        select the corresponding fscrypt policy version.
234 checkpoint=%s[:%u[%]]  Set to "disable" to turn off checkpointing. Set to "enable"
235                        to reenable checkpointing. Is enabled by default. While
236                        disabled, any unmounting or unexpected shutdowns will cause
237                        the filesystem contents to appear as they did when the
238                        filesystem was mounted with that option.
239                        While mounting with checkpoint=disabled, the filesystem must
240                        run garbage collection to ensure that all available space can
241                        be used. If this takes too much time, the mount may return
242                        EAGAIN. You may optionally add a value to indicate how much
243                        of the disk you would be willing to temporarily give up to
244                        avoid additional garbage collection. This can be given as a
245                        number of blocks, or as a percent. For instance, mounting
246                        with checkpoint=disable:100% would always succeed, but it may
247                        hide up to all remaining free space. The actual space that
248                        would be unusable can be viewed at /sys/fs/f2fs/<disk>/unusable
249                        This space is reclaimed once checkpoint=enable.
250 compress_algorithm=%s  Control compress algorithm, currently f2fs supports "lzo",
251                        "lz4", "zstd" and "lzo-rle" algorithm.
252 compress_log_size=%u   Support configuring compress cluster size, the size will
253                        be 4KB * (1 << %u), 16KB is minimum size, also it's
254                        default size.
255 compress_extension=%s  Support adding specified extension, so that f2fs can enable
256                        compression on those corresponding files, e.g. if all files
257                        with '.ext' has high compression rate, we can set the '.ext'
258                        on compression extension list and enable compression on
259                        these file by default rather than to enable it via ioctl.
260                        For other files, we can still enable compression via ioctl.
261 inlinecrypt
262                        When possible, encrypt/decrypt the contents of encrypted
263                        files using the blk-crypto framework rather than
264                        filesystem-layer encryption. This allows the use of
265                        inline encryption hardware. The on-disk format is
266                        unaffected. For more details, see
267                        Documentation/block/inline-encryption.rst.
268 ====================== ============================================================
269
270 Debugfs Entries
271 ===============
272
273 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
274 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
275
276 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
277
278  - major file system information managed by f2fs currently
279  - average SIT information about whole segments
280  - current memory footprint consumed by f2fs.
281
282 Sysfs Entries
283 =============
284
285 Information about mounted f2fs file systems can be found in
286 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
287 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
288 The files in each per-device directory are shown in table below.
289
290 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
291 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
292
293 Usage
294 =====
295
296 1. Download userland tools and compile them.
297
298 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
299    Otherwise, insert the f2fs.ko module::
300
301         # insmod f2fs.ko
302
303 3. Create a directory trying to mount::
304
305         # mkdir /mnt/f2fs
306
307 4. Format the block device, and then mount as f2fs::
308
309         # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
310         # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
311
312 mkfs.f2fs
313 ---------
314 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
315 which builds a basic on-disk layout.
316
317 The options consist of:
318
319 ===============    ===========================================================
320 ``-l [label]``     Give a volume label, up to 512 unicode name.
321 ``-a [0 or 1]``    Split start location of each area for heap-based allocation.
322
323                    1 is set by default, which performs this.
324 ``-o [int]``       Set overprovision ratio in percent over volume size.
325
326                    5 is set by default.
327 ``-s [int]``       Set the number of segments per section.
328
329                    1 is set by default.
330 ``-z [int]``       Set the number of sections per zone.
331
332                    1 is set by default.
333 ``-e [str]``       Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
334 ``-t [0 or 1]``    Disable discard command or not.
335
336                    1 is set by default, which conducts discard.
337 ===============    ===========================================================
338
339 fsck.f2fs
340 ---------
341 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
342 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
343 are cross-referenced correctly or not.
344 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
345
346 The options consist of::
347
348   -d debug level [default:0]
349
350 dump.f2fs
351 ---------
352 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
353 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
354
355 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
356 It shows on-disk inode information recognized by a given inode number, and is
357 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
358 ./dump_sit respectively.
359
360 The options consist of::
361
362   -d debug level [default:0]
363   -i inode no (hex)
364   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
365   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
366
367 Examples::
368
369     # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
370     # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
371     # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
372
373 Design
374 ======
375
376 On-disk Layout
377 --------------
378
379 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
380 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
381 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
382 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
383
384 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
385 consists of multiple segments as described below::
386
387                                             align with the zone size <-|
388                  |-> align with the segment size
389      _________________________________________________________________________
390     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
391     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
392     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
393     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
394                                                                        .      .
395                                                              .                .
396                                                  .                            .
397                                     ._________________________________________.
398                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
399                                     .           .
400                                     ._________._________
401                                     |_section_|__...__|_
402                                     .            .
403                                     .________.
404                                     |__zone__|
405
406 - Superblock (SB)
407    It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
408    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
409    default parameters of f2fs.
410
411 - Checkpoint (CP)
412    It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
413    inode lists, and summary entries of current active segments.
414
415 - Segment Information Table (SIT)
416    It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
417    validity of all the blocks.
418
419 - Node Address Table (NAT)
420    It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
421    Main area.
422
423 - Segment Summary Area (SSA)
424    It contains summary entries which contains the owner information of all the
425    data and node blocks stored in Main area.
426
427 - Main Area
428    It contains file and directory data including their indices.
429
430 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
431 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
432 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
433 in SSA area.
434
435 Reference the following survey for additional technical details.
436 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
437
438 File System Metadata Structure
439 ------------------------------
440
441 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
442 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
443 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
444 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
445 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
446
447 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
448 valid, as shown as below::
449
450   +--------+----------+---------+
451   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
452   +--------+----------+---------+
453   .         .          .          .
454   .            .              .              .
455   .               .                 .                 .
456   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
457   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
458   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
459      |             ^                          ^
460      |             |                          |
461      `----------------------------------------'
462
463 Index Structure
464 ---------------
465
466 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
467 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
468 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
469 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
470 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
471 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
472 one inode block (i.e., a file) covers::
473
474   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
475
476    Inode block (4KB)
477      |- data (923)
478      |- direct node (2)
479      |          `- data (1018)
480      |- indirect node (2)
481      |            `- direct node (1018)
482      |                       `- data (1018)
483      `- double indirect node (1)
484                          `- indirect node (1018)
485                                       `- direct node (1018)
486                                                  `- data (1018)
487
488 Note that, all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
489 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
490 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
491 leaf data writes.
492
493 Directory Structure
494 -------------------
495
496 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
497
498 - hash          hash value of the file name
499 - ino           inode number
500 - len           the length of file name
501 - type          file type such as directory, symlink, etc
502
503 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
504 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
505 4KB with the following composition.
506
507 ::
508
509   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
510                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
511
512                          [Bucket]
513              +--------------------------------+
514              |dentry block 1 | dentry block 2 |
515              +--------------------------------+
516              .               .
517        .                             .
518   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
519   +--------+----------+----------+------------+
520   | bitmap | reserved | dentries | file names |
521   +--------+----------+----------+------------+
522   [Dentry Block: 4KB] .   .
523                  .               .
524             .                          .
525             +------+------+-----+------+
526             | hash | ino  | len | type |
527             +------+------+-----+------+
528             [Dentry Structure: 11 bytes]
529
530 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
531 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
532 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
533
534 ::
535
536     ----------------------
537     A : bucket
538     B : block
539     N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
540     ----------------------
541
542     level #0   | A(2B)
543             |
544     level #1   | A(2B) - A(2B)
545             |
546     level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
547         .     |   .       .       .       .
548     level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
549         .     |   .       .       .       .
550     level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
551
552 The number of blocks and buckets are determined by::
553
554                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
555   # of blocks in level #n = |
556                             `- 4, Otherwise
557
558                              ,- 2^(n + dir_level),
559                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
560   # of buckets in level #n = |
561                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
562                                       Otherwise
563
564 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
565 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
566 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
567 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
568 each levels incrementally from 1 to N. In each levels F2FS needs to scan only
569 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
570 complexity::
571
572   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
573
574 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
575 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
576 1 to N in the same way as the lookup operation.
577
578 The following figure shows an example of two cases holding children::
579
580        --------------> Dir <--------------
581        |                                 |
582     child                             child
583
584     child - child                     [hole] - child
585
586     child - child - child             [hole] - [hole] - child
587
588    Case 1:                           Case 2:
589    Number of children = 6,           Number of children = 3,
590    File size = 7                     File size = 7
591
592 Default Block Allocation
593 ------------------------
594
595 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
596 and Hot/Warm/Cold data.
597
598 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
599 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
600 - Cold node     contains indirect node blocks
601 - Hot data      contains dentry blocks
602 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
603 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
604
605 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
606 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
607 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
608 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
609 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
610 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
611 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
612 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
613 system status.
614
615 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
616 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
617 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
618 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
619 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
620 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
621
622 Cleaning process
623 ----------------
624
625 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
626 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
627 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
628 system is idle.
629
630 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
631 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
632 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
633 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
634 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
635 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
636 algorithm.
637
638 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
639 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
640 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.
641
642 Write-hint Policy
643 -----------------
644
645 1) whint_mode=off. F2FS only passes down WRITE_LIFE_NOT_SET.
646
647 2) whint_mode=user-based. F2FS tries to pass down hints given by
648 users.
649
650 ===================== ======================== ===================
651 User                  F2FS                     Block
652 ===================== ======================== ===================
653                       META                     WRITE_LIFE_NOT_SET
654                       HOT_NODE                 "
655                       WARM_NODE                "
656                       COLD_NODE                "
657 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
658 extension list        "                        "
659
660 -- buffered io
661 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
662 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
663 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
664 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
665 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
666 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
667
668 -- direct io
669 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
670 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
671 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
672 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
673 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
674 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
675 ===================== ======================== ===================
676
677 3) whint_mode=fs-based. F2FS passes down hints with its policy.
678
679 ===================== ======================== ===================
680 User                  F2FS                     Block
681 ===================== ======================== ===================
682                       META                     WRITE_LIFE_MEDIUM;
683                       HOT_NODE                 WRITE_LIFE_NOT_SET
684                       WARM_NODE                "
685                       COLD_NODE                WRITE_LIFE_NONE
686 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
687 extension list        "                        "
688
689 -- buffered io
690 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
691 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
692 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_LONG
693 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
694 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
695 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
696
697 -- direct io
698 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
699 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
700 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
701 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
702 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
703 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
704 ===================== ======================== ===================
705
706 Fallocate(2) Policy
707 -------------------
708
709 The default policy follows the below posix rule.
710
711 Allocating disk space
712     The default operation (i.e., mode is zero) of fallocate() allocates
713     the disk space within the range specified by offset and len.  The
714     file size (as reported by stat(2)) will be changed if offset+len is
715     greater than the file size.  Any subregion within the range specified
716     by offset and len that did not contain data before the call will be
717     initialized to zero.  This default behavior closely resembles the
718     behavior of the posix_fallocate(3) library function, and is intended
719     as a method of optimally implementing that function.
720
721 However, once F2FS receives ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE) in prior to
722 fallocate(fd, DEFAULT_MODE), it allocates on-disk blocks addressess having
723 zero or random data, which is useful to the below scenario where:
724
725  1. create(fd)
726  2. ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE)
727  3. fallocate(fd, 0, 0, size)
728  4. address = fibmap(fd, offset)
729  5. open(blkdev)
730  6. write(blkdev, address)
731
732 Compression implementation
733 --------------------------
734
735 - New term named cluster is defined as basic unit of compression, file can
736   be divided into multiple clusters logically. One cluster includes 4 << n
737   (n >= 0) logical pages, compression size is also cluster size, each of
738   cluster can be compressed or not.
739
740 - In cluster metadata layout, one special block address is used to indicate
741   cluster is compressed one or normal one, for compressed cluster, following
742   metadata maps cluster to [1, 4 << n - 1] physical blocks, in where f2fs
743   stores data including compress header and compressed data.
744
745 - In order to eliminate write amplification during overwrite, F2FS only
746   support compression on write-once file, data can be compressed only when
747   all logical blocks in file are valid and cluster compress ratio is lower
748   than specified threshold.
749
750 - To enable compression on regular inode, there are three ways:
751
752   * chattr +c file
753   * chattr +c dir; touch dir/file
754   * mount w/ -o compress_extension=ext; touch file.ext
755
756 Compress metadata layout::
757
758                                 [Dnode Structure]
759                 +-----------------------------------------------+
760                 | cluster 1 | cluster 2 | ......... | cluster N |
761                 +-----------------------------------------------+
762                 .           .                       .           .
763         .                       .                .                      .
764     .         Compressed Cluster       .        .        Normal Cluster            .
765     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
766     |compr flag| block 1 | block 2 | block 3 |  | block 1 | block 2 | block 3 | block 4 |
767     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
768             .                             .
769             .                                           .
770         .                                                           .
771         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
772         | data length | data chksum | reserved |      compressed data       |
773         +-------------+-------------+----------+----------------------------+