Merge tag 'irqchip-fixes-5.10-2' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[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                          is 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: Newly created small (<~3.4k)
136                          files can be written into inode block.
137 inline_dentry            Enable the inline dir feature: data in newly 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 journalled quota.
207 offgrpjquota             Turn off group journalled quota.
208 offprjjquota             Turn off project journalled 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                          Note that, there is one reserved special extension '*', it
262                          can be set to enable compression for all files.
263 inlinecrypt              When possible, encrypt/decrypt the contents of encrypted
264                          files using the blk-crypto framework rather than
265                          filesystem-layer encryption. This allows the use of
266                          inline encryption hardware. The on-disk format is
267                          unaffected. For more details, see
268                          Documentation/block/inline-encryption.rst.
269 atgc                     Enable age-threshold garbage collection, it provides high
270                          effectiveness and efficiency on background GC.
271 ======================== ============================================================
272
273 Debugfs Entries
274 ===============
275
276 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
277 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
278
279 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
280
281  - major file system information managed by f2fs currently
282  - average SIT information about whole segments
283  - current memory footprint consumed by f2fs.
284
285 Sysfs Entries
286 =============
287
288 Information about mounted f2fs file systems can be found in
289 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
290 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
291 The files in each per-device directory are shown in table below.
292
293 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
294 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
295
296 Usage
297 =====
298
299 1. Download userland tools and compile them.
300
301 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
302    Otherwise, insert the f2fs.ko module::
303
304         # insmod f2fs.ko
305
306 3. Create a directory to use when mounting::
307
308         # mkdir /mnt/f2fs
309
310 4. Format the block device, and then mount as f2fs::
311
312         # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
313         # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
314
315 mkfs.f2fs
316 ---------
317 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
318 which builds a basic on-disk layout.
319
320 The quick options consist of:
321
322 ===============    ===========================================================
323 ``-l [label]``     Give a volume label, up to 512 unicode name.
324 ``-a [0 or 1]``    Split start location of each area for heap-based allocation.
325
326                    1 is set by default, which performs this.
327 ``-o [int]``       Set overprovision ratio in percent over volume size.
328
329                    5 is set by default.
330 ``-s [int]``       Set the number of segments per section.
331
332                    1 is set by default.
333 ``-z [int]``       Set the number of sections per zone.
334
335                    1 is set by default.
336 ``-e [str]``       Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
337 ``-t [0 or 1]``    Disable discard command or not.
338
339                    1 is set by default, which conducts discard.
340 ===============    ===========================================================
341
342 Note: please refer to the manpage of mkfs.f2fs(8) to get full option list.
343
344 fsck.f2fs
345 ---------
346 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
347 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
348 are cross-referenced correctly or not.
349 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
350
351 The quick options consist of::
352
353   -d debug level [default:0]
354
355 Note: please refer to the manpage of fsck.f2fs(8) to get full option list.
356
357 dump.f2fs
358 ---------
359 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
360 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
361
362 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
363 It shows on-disk inode information recognized by a given inode number, and is
364 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
365 ./dump_sit respectively.
366
367 The options consist of::
368
369   -d debug level [default:0]
370   -i inode no (hex)
371   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
372   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
373
374 Examples::
375
376     # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
377     # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
378     # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
379
380 Note: please refer to the manpage of dump.f2fs(8) to get full option list.
381
382 sload.f2fs
383 ----------
384 The sload.f2fs gives a way to insert files and directories in the exisiting disk
385 image. This tool is useful when building f2fs images given compiled files.
386
387 Note: please refer to the manpage of sload.f2fs(8) to get full option list.
388
389 resize.f2fs
390 -----------
391 The resize.f2fs lets a user resize the f2fs-formatted disk image, while preserving
392 all the files and directories stored in the image.
393
394 Note: please refer to the manpage of resize.f2fs(8) to get full option list.
395
396 defrag.f2fs
397 -----------
398 The defrag.f2fs can be used to defragment scattered written data as well as
399 filesystem metadata across the disk. This can improve the write speed by giving
400 more free consecutive space.
401
402 Note: please refer to the manpage of defrag.f2fs(8) to get full option list.
403
404 f2fs_io
405 -------
406 The f2fs_io is a simple tool to issue various filesystem APIs as well as
407 f2fs-specific ones, which is very useful for QA tests.
408
409 Note: please refer to the manpage of f2fs_io(8) to get full option list.
410
411 Design
412 ======
413
414 On-disk Layout
415 --------------
416
417 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
418 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
419 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
420 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
421
422 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
423 consist of multiple segments as described below::
424
425                                             align with the zone size <-|
426                  |-> align with the segment size
427      _________________________________________________________________________
428     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
429     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
430     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
431     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
432                                                                        .      .
433                                                              .                .
434                                                  .                            .
435                                     ._________________________________________.
436                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
437                                     .           .
438                                     ._________._________
439                                     |_section_|__...__|_
440                                     .            .
441                                     .________.
442                                     |__zone__|
443
444 - Superblock (SB)
445    It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
446    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
447    default parameters of f2fs.
448
449 - Checkpoint (CP)
450    It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
451    inode lists, and summary entries of current active segments.
452
453 - Segment Information Table (SIT)
454    It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
455    validity of all the blocks.
456
457 - Node Address Table (NAT)
458    It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
459    Main area.
460
461 - Segment Summary Area (SSA)
462    It contains summary entries which contains the owner information of all the
463    data and node blocks stored in Main area.
464
465 - Main Area
466    It contains file and directory data including their indices.
467
468 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
469 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
470 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
471 in SSA area.
472
473 Reference the following survey for additional technical details.
474 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
475
476 File System Metadata Structure
477 ------------------------------
478
479 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
480 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
481 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
482 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
483 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
484
485 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
486 valid, as shown as below::
487
488   +--------+----------+---------+
489   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
490   +--------+----------+---------+
491   .         .          .          .
492   .            .              .              .
493   .               .                 .                 .
494   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
495   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
496   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
497      |             ^                          ^
498      |             |                          |
499      `----------------------------------------'
500
501 Index Structure
502 ---------------
503
504 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
505 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
506 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
507 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
508 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
509 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
510 one inode block (i.e., a file) covers::
511
512   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
513
514    Inode block (4KB)
515      |- data (923)
516      |- direct node (2)
517      |          `- data (1018)
518      |- indirect node (2)
519      |            `- direct node (1018)
520      |                       `- data (1018)
521      `- double indirect node (1)
522                          `- indirect node (1018)
523                                       `- direct node (1018)
524                                                  `- data (1018)
525
526 Note that all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
527 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
528 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
529 leaf data writes.
530
531 Directory Structure
532 -------------------
533
534 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
535
536 - hash          hash value of the file name
537 - ino           inode number
538 - len           the length of file name
539 - type          file type such as directory, symlink, etc
540
541 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
542 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
543 4KB with the following composition.
544
545 ::
546
547   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
548                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
549
550                          [Bucket]
551              +--------------------------------+
552              |dentry block 1 | dentry block 2 |
553              +--------------------------------+
554              .               .
555        .                             .
556   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
557   +--------+----------+----------+------------+
558   | bitmap | reserved | dentries | file names |
559   +--------+----------+----------+------------+
560   [Dentry Block: 4KB] .   .
561                  .               .
562             .                          .
563             +------+------+-----+------+
564             | hash | ino  | len | type |
565             +------+------+-----+------+
566             [Dentry Structure: 11 bytes]
567
568 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
569 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
570 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
571
572 ::
573
574     ----------------------
575     A : bucket
576     B : block
577     N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
578     ----------------------
579
580     level #0   | A(2B)
581             |
582     level #1   | A(2B) - A(2B)
583             |
584     level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
585         .     |   .       .       .       .
586     level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
587         .     |   .       .       .       .
588     level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
589
590 The number of blocks and buckets are determined by::
591
592                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
593   # of blocks in level #n = |
594                             `- 4, Otherwise
595
596                              ,- 2^(n + dir_level),
597                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
598   # of buckets in level #n = |
599                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
600                                       Otherwise
601
602 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
603 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
604 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
605 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
606 each levels incrementally from 1 to N. In each level F2FS needs to scan only
607 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
608 complexity::
609
610   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
611
612 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
613 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
614 1 to N in the same way as the lookup operation.
615
616 The following figure shows an example of two cases holding children::
617
618        --------------> Dir <--------------
619        |                                 |
620     child                             child
621
622     child - child                     [hole] - child
623
624     child - child - child             [hole] - [hole] - child
625
626    Case 1:                           Case 2:
627    Number of children = 6,           Number of children = 3,
628    File size = 7                     File size = 7
629
630 Default Block Allocation
631 ------------------------
632
633 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
634 and Hot/Warm/Cold data.
635
636 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
637 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
638 - Cold node     contains indirect node blocks
639 - Hot data      contains dentry blocks
640 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
641 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
642
643 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
644 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
645 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
646 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
647 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
648 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
649 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
650 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
651 system status.
652
653 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
654 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
655 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
656 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
657 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
658 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
659
660 Cleaning process
661 ----------------
662
663 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
664 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
665 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
666 system is idle.
667
668 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
669 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
670 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
671 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
672 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
673 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
674 algorithm.
675
676 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
677 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
678 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.
679
680 Write-hint Policy
681 -----------------
682
683 1) whint_mode=off. F2FS only passes down WRITE_LIFE_NOT_SET.
684
685 2) whint_mode=user-based. F2FS tries to pass down hints given by
686 users.
687
688 ===================== ======================== ===================
689 User                  F2FS                     Block
690 ===================== ======================== ===================
691                       META                     WRITE_LIFE_NOT_SET
692                       HOT_NODE                 "
693                       WARM_NODE                "
694                       COLD_NODE                "
695 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
696 extension list        "                        "
697
698 -- buffered io
699 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
700 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
701 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
702 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
703 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
704 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
705
706 -- direct io
707 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
708 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
709 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
710 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
711 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
712 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
713 ===================== ======================== ===================
714
715 3) whint_mode=fs-based. F2FS passes down hints with its policy.
716
717 ===================== ======================== ===================
718 User                  F2FS                     Block
719 ===================== ======================== ===================
720                       META                     WRITE_LIFE_MEDIUM;
721                       HOT_NODE                 WRITE_LIFE_NOT_SET
722                       WARM_NODE                "
723                       COLD_NODE                WRITE_LIFE_NONE
724 ioctl(COLD)           COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
725 extension list        "                        "
726
727 -- buffered io
728 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
729 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
730 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_LONG
731 WRITE_LIFE_NONE       "                        "
732 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        "
733 WRITE_LIFE_LONG       "                        "
734
735 -- direct io
736 WRITE_LIFE_EXTREME    COLD_DATA                WRITE_LIFE_EXTREME
737 WRITE_LIFE_SHORT      HOT_DATA                 WRITE_LIFE_SHORT
738 WRITE_LIFE_NOT_SET    WARM_DATA                WRITE_LIFE_NOT_SET
739 WRITE_LIFE_NONE       "                        WRITE_LIFE_NONE
740 WRITE_LIFE_MEDIUM     "                        WRITE_LIFE_MEDIUM
741 WRITE_LIFE_LONG       "                        WRITE_LIFE_LONG
742 ===================== ======================== ===================
743
744 Fallocate(2) Policy
745 -------------------
746
747 The default policy follows the below POSIX rule.
748
749 Allocating disk space
750     The default operation (i.e., mode is zero) of fallocate() allocates
751     the disk space within the range specified by offset and len.  The
752     file size (as reported by stat(2)) will be changed if offset+len is
753     greater than the file size.  Any subregion within the range specified
754     by offset and len that did not contain data before the call will be
755     initialized to zero.  This default behavior closely resembles the
756     behavior of the posix_fallocate(3) library function, and is intended
757     as a method of optimally implementing that function.
758
759 However, once F2FS receives ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE) in prior to
760 fallocate(fd, DEFAULT_MODE), it allocates on-disk block addressess having
761 zero or random data, which is useful to the below scenario where:
762
763  1. create(fd)
764  2. ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE)
765  3. fallocate(fd, 0, 0, size)
766  4. address = fibmap(fd, offset)
767  5. open(blkdev)
768  6. write(blkdev, address)
769
770 Compression implementation
771 --------------------------
772
773 - New term named cluster is defined as basic unit of compression, file can
774   be divided into multiple clusters logically. One cluster includes 4 << n
775   (n >= 0) logical pages, compression size is also cluster size, each of
776   cluster can be compressed or not.
777
778 - In cluster metadata layout, one special block address is used to indicate
779   a cluster is a compressed one or normal one; for compressed cluster, following
780   metadata maps cluster to [1, 4 << n - 1] physical blocks, in where f2fs
781   stores data including compress header and compressed data.
782
783 - In order to eliminate write amplification during overwrite, F2FS only
784   support compression on write-once file, data can be compressed only when
785   all logical blocks in cluster contain valid data and compress ratio of
786   cluster data is lower than specified threshold.
787
788 - To enable compression on regular inode, there are three ways:
789
790   * chattr +c file
791   * chattr +c dir; touch dir/file
792   * mount w/ -o compress_extension=ext; touch file.ext
793
794 Compress metadata layout::
795
796                                 [Dnode Structure]
797                 +-----------------------------------------------+
798                 | cluster 1 | cluster 2 | ......... | cluster N |
799                 +-----------------------------------------------+
800                 .           .                       .           .
801         .                       .                .                      .
802     .         Compressed Cluster       .        .        Normal Cluster            .
803     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
804     |compr flag| block 1 | block 2 | block 3 |  | block 1 | block 2 | block 3 | block 4 |
805     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
806             .                             .
807             .                                           .
808         .                                                           .
809         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
810         | data length | data chksum | reserved |      compressed data       |
811         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
812
813 NVMe Zoned Namespace devices
814 ----------------------------
815
816 - ZNS defines a per-zone capacity which can be equal or less than the
817   zone-size. Zone-capacity is the number of usable blocks in the zone.
818   F2FS checks if zone-capacity is less than zone-size, if it is, then any
819   segment which starts after the zone-capacity is marked as not-free in
820   the free segment bitmap at initial mount time. These segments are marked
821   as permanently used so they are not allocated for writes and
822   consequently are not needed to be garbage collected. In case the
823   zone-capacity is not aligned to default segment size(2MB), then a segment
824   can start before the zone-capacity and span across zone-capacity boundary.
825   Such spanning segments are also considered as usable segments. All blocks
826   past the zone-capacity are considered unusable in these segments.