Linux 6.9-rc1
[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 sending patches, please use the following mailing list:
29
30 - linux-f2fs-devel@lists.sourceforge.net
31
32 For reporting bugs, please use the following f2fs bug tracker link:
33
34 - https://bugzilla.kernel.org/enter_bug.cgi?product=File%20System&component=f2fs
35
36 Background and Design issues
37 ============================
38
39 Log-structured File System (LFS)
40 --------------------------------
41 "A log-structured file system writes all modifications to disk sequentially in
42 a log-like structure, thereby speeding up  both file writing and crash recovery.
43 The log is the only structure on disk; it contains indexing information so that
44 files can be read back from the log efficiently. In order to maintain large free
45 areas on disk for fast writing, we divide  the log into segments and use a
46 segment cleaner to compress the live information from heavily fragmented
47 segments." from Rosenblum, M. and Ousterhout, J. K., 1992, "The design and
48 implementation of a log-structured file system", ACM Trans. Computer Systems
49 10, 1, 26–52.
50
51 Wandering Tree Problem
52 ----------------------
53 In LFS, when a file data is updated and written to the end of log, its direct
54 pointer block is updated due to the changed location. Then the indirect pointer
55 block is also updated due to the direct pointer block update. In this manner,
56 the upper index structures such as inode, inode map, and checkpoint block are
57 also updated recursively. This problem is called as wandering tree problem [1],
58 and in order to enhance the performance, it should eliminate or relax the update
59 propagation as much as possible.
60
61 [1] Bityutskiy, A. 2005. JFFS3 design issues. http://www.linux-mtd.infradead.org/
62
63 Cleaning Overhead
64 -----------------
65 Since LFS is based on out-of-place writes, it produces so many obsolete blocks
66 scattered across the whole storage. In order to serve new empty log space, it
67 needs to reclaim these obsolete blocks seamlessly to users. This job is called
68 as a cleaning process.
69
70 The process consists of three operations as follows.
71
72 1. A victim segment is selected through referencing segment usage table.
73 2. It loads parent index structures of all the data in the victim identified by
74    segment summary blocks.
75 3. It checks the cross-reference between the data and its parent index structure.
76 4. It moves valid data selectively.
77
78 This cleaning job may cause unexpected long delays, so the most important goal
79 is to hide the latencies to users. And also definitely, it should reduce the
80 amount of valid data to be moved, and move them quickly as well.
81
82 Key Features
83 ============
84
85 Flash Awareness
86 ---------------
87 - Enlarge the random write area for better performance, but provide the high
88   spatial locality
89 - Align FS data structures to the operational units in FTL as best efforts
90
91 Wandering Tree Problem
92 ----------------------
93 - Use a term, “node”, that represents inodes as well as various pointer blocks
94 - Introduce Node Address Table (NAT) containing the locations of all the “node”
95   blocks; this will cut off the update propagation.
96
97 Cleaning Overhead
98 -----------------
99 - Support a background cleaning process
100 - Support greedy and cost-benefit algorithms for victim selection policies
101 - Support multi-head logs for static/dynamic hot and cold data separation
102 - Introduce adaptive logging for efficient block allocation
103
104 Mount Options
105 =============
106
107
108 ======================== ============================================================
109 background_gc=%s         Turn on/off cleaning operations, namely garbage
110                          collection, triggered in background when I/O subsystem is
111                          idle. If background_gc=on, it will turn on the garbage
112                          collection and if background_gc=off, garbage collection
113                          will be turned off. If background_gc=sync, it will turn
114                          on synchronous garbage collection running in background.
115                          Default value for this option is on. So garbage
116                          collection is on by default.
117 gc_merge                 When background_gc is on, this option can be enabled to
118                          let background GC thread to handle foreground GC requests,
119                          it can eliminate the sluggish issue caused by slow foreground
120                          GC operation when GC is triggered from a process with limited
121                          I/O and CPU resources.
122 nogc_merge               Disable GC merge feature.
123 disable_roll_forward     Disable the roll-forward recovery routine
124 norecovery               Disable the roll-forward recovery routine, mounted read-
125                          only (i.e., -o ro,disable_roll_forward)
126 discard/nodiscard        Enable/disable real-time discard in f2fs, if discard is
127                          enabled, f2fs will issue discard/TRIM commands when a
128                          segment is cleaned.
129 heap/no_heap             Deprecated.
130 nouser_xattr             Disable Extended User Attributes. Note: xattr is enabled
131                          by default if CONFIG_F2FS_FS_XATTR is selected.
132 noacl                    Disable POSIX Access Control List. Note: acl is enabled
133                          by default if CONFIG_F2FS_FS_POSIX_ACL is selected.
134 active_logs=%u           Support configuring the number of active logs. In the
135                          current design, f2fs supports only 2, 4, and 6 logs.
136                          Default number is 6.
137 disable_ext_identify     Disable the extension list configured by mkfs, so f2fs
138                          is not aware of cold files such as media files.
139 inline_xattr             Enable the inline xattrs feature.
140 noinline_xattr           Disable the inline xattrs feature.
141 inline_xattr_size=%u     Support configuring inline xattr size, it depends on
142                          flexible inline xattr feature.
143 inline_data              Enable the inline data feature: Newly created small (<~3.4k)
144                          files can be written into inode block.
145 inline_dentry            Enable the inline dir feature: data in newly created
146                          directory entries can be written into inode block. The
147                          space of inode block which is used to store inline
148                          dentries is limited to ~3.4k.
149 noinline_dentry          Disable the inline dentry feature.
150 flush_merge              Merge concurrent cache_flush commands as much as possible
151                          to eliminate redundant command issues. If the underlying
152                          device handles the cache_flush command relatively slowly,
153                          recommend to enable this option.
154 nobarrier                This option can be used if underlying storage guarantees
155                          its cached data should be written to the novolatile area.
156                          If this option is set, no cache_flush commands are issued
157                          but f2fs still guarantees the write ordering of all the
158                          data writes.
159 barrier                  If this option is set, cache_flush commands are allowed to be
160                          issued.
161 fastboot                 This option is used when a system wants to reduce mount
162                          time as much as possible, even though normal performance
163                          can be sacrificed.
164 extent_cache             Enable an extent cache based on rb-tree, it can cache
165                          as many as extent which map between contiguous logical
166                          address and physical address per inode, resulting in
167                          increasing the cache hit ratio. Set by default.
168 noextent_cache           Disable an extent cache based on rb-tree explicitly, see
169                          the above extent_cache mount option.
170 noinline_data            Disable the inline data feature, inline data feature is
171                          enabled by default.
172 data_flush               Enable data flushing before checkpoint in order to
173                          persist data of regular and symlink.
174 reserve_root=%d          Support configuring reserved space which is used for
175                          allocation from a privileged user with specified uid or
176                          gid, unit: 4KB, the default limit is 0.2% of user blocks.
177 resuid=%d                The user ID which may use the reserved blocks.
178 resgid=%d                The group ID which may use the reserved blocks.
179 fault_injection=%d       Enable fault injection in all supported types with
180                          specified injection rate.
181 fault_type=%d            Support configuring fault injection type, should be
182                          enabled with fault_injection option, fault type value
183                          is shown below, it supports single or combined type.
184
185                          ===========================      ===========
186                          Type_Name                        Type_Value
187                          ===========================      ===========
188                          FAULT_KMALLOC                    0x000000001
189                          FAULT_KVMALLOC                   0x000000002
190                          FAULT_PAGE_ALLOC                 0x000000004
191                          FAULT_PAGE_GET                   0x000000008
192                          FAULT_ALLOC_BIO                  0x000000010 (obsolete)
193                          FAULT_ALLOC_NID                  0x000000020
194                          FAULT_ORPHAN                     0x000000040
195                          FAULT_BLOCK                      0x000000080
196                          FAULT_DIR_DEPTH                  0x000000100
197                          FAULT_EVICT_INODE                0x000000200
198                          FAULT_TRUNCATE                   0x000000400
199                          FAULT_READ_IO                    0x000000800
200                          FAULT_CHECKPOINT                 0x000001000
201                          FAULT_DISCARD                    0x000002000
202                          FAULT_WRITE_IO                   0x000004000
203                          FAULT_SLAB_ALLOC                 0x000008000
204                          FAULT_DQUOT_INIT                 0x000010000
205                          FAULT_LOCK_OP                    0x000020000
206                          FAULT_BLKADDR_VALIDITY           0x000040000
207                          FAULT_BLKADDR_CONSISTENCE        0x000080000
208                          FAULT_NO_SEGMENT                 0x000100000
209                          ===========================      ===========
210 mode=%s                  Control block allocation mode which supports "adaptive"
211                          and "lfs". In "lfs" mode, there should be no random
212                          writes towards main area.
213                          "fragment:segment" and "fragment:block" are newly added here.
214                          These are developer options for experiments to simulate filesystem
215                          fragmentation/after-GC situation itself. The developers use these
216                          modes to understand filesystem fragmentation/after-GC condition well,
217                          and eventually get some insights to handle them better.
218                          In "fragment:segment", f2fs allocates a new segment in ramdom
219                          position. With this, we can simulate the after-GC condition.
220                          In "fragment:block", we can scatter block allocation with
221                          "max_fragment_chunk" and "max_fragment_hole" sysfs nodes.
222                          We added some randomness to both chunk and hole size to make
223                          it close to realistic IO pattern. So, in this mode, f2fs will allocate
224                          1..<max_fragment_chunk> blocks in a chunk and make a hole in the
225                          length of 1..<max_fragment_hole> by turns. With this, the newly
226                          allocated blocks will be scattered throughout the whole partition.
227                          Note that "fragment:block" implicitly enables "fragment:segment"
228                          option for more randomness.
229                          Please, use these options for your experiments and we strongly
230                          recommend to re-format the filesystem after using these options.
231 usrquota                 Enable plain user disk quota accounting.
232 grpquota                 Enable plain group disk quota accounting.
233 prjquota                 Enable plain project quota accounting.
234 usrjquota=<file>         Appoint specified file and type during mount, so that quota
235 grpjquota=<file>         information can be properly updated during recovery flow,
236 prjjquota=<file>         <quota file>: must be in root directory;
237 jqfmt=<quota type>       <quota type>: [vfsold,vfsv0,vfsv1].
238 offusrjquota             Turn off user journalled quota.
239 offgrpjquota             Turn off group journalled quota.
240 offprjjquota             Turn off project journalled quota.
241 quota                    Enable plain user disk quota accounting.
242 noquota                  Disable all plain disk quota option.
243 alloc_mode=%s            Adjust block allocation policy, which supports "reuse"
244                          and "default".
245 fsync_mode=%s            Control the policy of fsync. Currently supports "posix",
246                          "strict", and "nobarrier". In "posix" mode, which is
247                          default, fsync will follow POSIX semantics and does a
248                          light operation to improve the filesystem performance.
249                          In "strict" mode, fsync will be heavy and behaves in line
250                          with xfs, ext4 and btrfs, where xfstest generic/342 will
251                          pass, but the performance will regress. "nobarrier" is
252                          based on "posix", but doesn't issue flush command for
253                          non-atomic files likewise "nobarrier" mount option.
254 test_dummy_encryption
255 test_dummy_encryption=%s
256                          Enable dummy encryption, which provides a fake fscrypt
257                          context. The fake fscrypt context is used by xfstests.
258                          The argument may be either "v1" or "v2", in order to
259                          select the corresponding fscrypt policy version.
260 checkpoint=%s[:%u[%]]    Set to "disable" to turn off checkpointing. Set to "enable"
261                          to reenable checkpointing. Is enabled by default. While
262                          disabled, any unmounting or unexpected shutdowns will cause
263                          the filesystem contents to appear as they did when the
264                          filesystem was mounted with that option.
265                          While mounting with checkpoint=disable, the filesystem must
266                          run garbage collection to ensure that all available space can
267                          be used. If this takes too much time, the mount may return
268                          EAGAIN. You may optionally add a value to indicate how much
269                          of the disk you would be willing to temporarily give up to
270                          avoid additional garbage collection. This can be given as a
271                          number of blocks, or as a percent. For instance, mounting
272                          with checkpoint=disable:100% would always succeed, but it may
273                          hide up to all remaining free space. The actual space that
274                          would be unusable can be viewed at /sys/fs/f2fs/<disk>/unusable
275                          This space is reclaimed once checkpoint=enable.
276 checkpoint_merge         When checkpoint is enabled, this can be used to create a kernel
277                          daemon and make it to merge concurrent checkpoint requests as
278                          much as possible to eliminate redundant checkpoint issues. Plus,
279                          we can eliminate the sluggish issue caused by slow checkpoint
280                          operation when the checkpoint is done in a process context in
281                          a cgroup having low i/o budget and cpu shares. To make this
282                          do better, we set the default i/o priority of the kernel daemon
283                          to "3", to give one higher priority than other kernel threads.
284                          This is the same way to give a I/O priority to the jbd2
285                          journaling thread of ext4 filesystem.
286 nocheckpoint_merge       Disable checkpoint merge feature.
287 compress_algorithm=%s    Control compress algorithm, currently f2fs supports "lzo",
288                          "lz4", "zstd" and "lzo-rle" algorithm.
289 compress_algorithm=%s:%d Control compress algorithm and its compress level, now, only
290                          "lz4" and "zstd" support compress level config.
291                          algorithm      level range
292                          lz4            3 - 16
293                          zstd           1 - 22
294 compress_log_size=%u     Support configuring compress cluster size. The size will
295                          be 4KB * (1 << %u). The default and minimum sizes are 16KB.
296 compress_extension=%s    Support adding specified extension, so that f2fs can enable
297                          compression on those corresponding files, e.g. if all files
298                          with '.ext' has high compression rate, we can set the '.ext'
299                          on compression extension list and enable compression on
300                          these file by default rather than to enable it via ioctl.
301                          For other files, we can still enable compression via ioctl.
302                          Note that, there is one reserved special extension '*', it
303                          can be set to enable compression for all files.
304 nocompress_extension=%s  Support adding specified extension, so that f2fs can disable
305                          compression on those corresponding files, just contrary to compression extension.
306                          If you know exactly which files cannot be compressed, you can use this.
307                          The same extension name can't appear in both compress and nocompress
308                          extension at the same time.
309                          If the compress extension specifies all files, the types specified by the
310                          nocompress extension will be treated as special cases and will not be compressed.
311                          Don't allow use '*' to specifie all file in nocompress extension.
312                          After add nocompress_extension, the priority should be:
313                          dir_flag < comp_extention,nocompress_extension < comp_file_flag,no_comp_file_flag.
314                          See more in compression sections.
315
316 compress_chksum          Support verifying chksum of raw data in compressed cluster.
317 compress_mode=%s         Control file compression mode. This supports "fs" and "user"
318                          modes. In "fs" mode (default), f2fs does automatic compression
319                          on the compression enabled files. In "user" mode, f2fs disables
320                          the automaic compression and gives the user discretion of
321                          choosing the target file and the timing. The user can do manual
322                          compression/decompression on the compression enabled files using
323                          ioctls.
324 compress_cache           Support to use address space of a filesystem managed inode to
325                          cache compressed block, in order to improve cache hit ratio of
326                          random read.
327 inlinecrypt              When possible, encrypt/decrypt the contents of encrypted
328                          files using the blk-crypto framework rather than
329                          filesystem-layer encryption. This allows the use of
330                          inline encryption hardware. The on-disk format is
331                          unaffected. For more details, see
332                          Documentation/block/inline-encryption.rst.
333 atgc                     Enable age-threshold garbage collection, it provides high
334                          effectiveness and efficiency on background GC.
335 discard_unit=%s          Control discard unit, the argument can be "block", "segment"
336                          and "section", issued discard command's offset/size will be
337                          aligned to the unit, by default, "discard_unit=block" is set,
338                          so that small discard functionality is enabled.
339                          For blkzoned device, "discard_unit=section" will be set by
340                          default, it is helpful for large sized SMR or ZNS devices to
341                          reduce memory cost by getting rid of fs metadata supports small
342                          discard.
343 memory=%s                Control memory mode. This supports "normal" and "low" modes.
344                          "low" mode is introduced to support low memory devices.
345                          Because of the nature of low memory devices, in this mode, f2fs
346                          will try to save memory sometimes by sacrificing performance.
347                          "normal" mode is the default mode and same as before.
348 age_extent_cache         Enable an age extent cache based on rb-tree. It records
349                          data block update frequency of the extent per inode, in
350                          order to provide better temperature hints for data block
351                          allocation.
352 errors=%s                Specify f2fs behavior on critical errors. This supports modes:
353                          "panic", "continue" and "remount-ro", respectively, trigger
354                          panic immediately, continue without doing anything, and remount
355                          the partition in read-only mode. By default it uses "continue"
356                          mode.
357                          ====================== =============== =============== ========
358                          mode                   continue        remount-ro      panic
359                          ====================== =============== =============== ========
360                          access ops             normal          normal          N/A
361                          syscall errors         -EIO            -EROFS          N/A
362                          mount option           rw              ro              N/A
363                          pending dir write      keep            keep            N/A
364                          pending non-dir write  drop            keep            N/A
365                          pending node write     drop            keep            N/A
366                          pending meta write     keep            keep            N/A
367                          ====================== =============== =============== ========
368 ======================== ============================================================
369
370 Debugfs Entries
371 ===============
372
373 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
374 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
375
376 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
377
378  - major file system information managed by f2fs currently
379  - average SIT information about whole segments
380  - current memory footprint consumed by f2fs.
381
382 Sysfs Entries
383 =============
384
385 Information about mounted f2fs file systems can be found in
386 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
387 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
388 The files in each per-device directory are shown in table below.
389
390 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
391 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
392
393 Usage
394 =====
395
396 1. Download userland tools and compile them.
397
398 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
399    Otherwise, insert the f2fs.ko module::
400
401         # insmod f2fs.ko
402
403 3. Create a directory to use when mounting::
404
405         # mkdir /mnt/f2fs
406
407 4. Format the block device, and then mount as f2fs::
408
409         # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
410         # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
411
412 mkfs.f2fs
413 ---------
414 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
415 which builds a basic on-disk layout.
416
417 The quick options consist of:
418
419 ===============    ===========================================================
420 ``-l [label]``     Give a volume label, up to 512 unicode name.
421 ``-a [0 or 1]``    Split start location of each area for heap-based allocation.
422
423                    1 is set by default, which performs this.
424 ``-o [int]``       Set overprovision ratio in percent over volume size.
425
426                    5 is set by default.
427 ``-s [int]``       Set the number of segments per section.
428
429                    1 is set by default.
430 ``-z [int]``       Set the number of sections per zone.
431
432                    1 is set by default.
433 ``-e [str]``       Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
434 ``-t [0 or 1]``    Disable discard command or not.
435
436                    1 is set by default, which conducts discard.
437 ===============    ===========================================================
438
439 Note: please refer to the manpage of mkfs.f2fs(8) to get full option list.
440
441 fsck.f2fs
442 ---------
443 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
444 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
445 are cross-referenced correctly or not.
446 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
447
448 The quick options consist of::
449
450   -d debug level [default:0]
451
452 Note: please refer to the manpage of fsck.f2fs(8) to get full option list.
453
454 dump.f2fs
455 ---------
456 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
457 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
458
459 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
460 It shows on-disk inode information recognized by a given inode number, and is
461 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
462 ./dump_sit respectively.
463
464 The options consist of::
465
466   -d debug level [default:0]
467   -i inode no (hex)
468   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
469   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
470
471 Examples::
472
473     # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
474     # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
475     # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
476
477 Note: please refer to the manpage of dump.f2fs(8) to get full option list.
478
479 sload.f2fs
480 ----------
481 The sload.f2fs gives a way to insert files and directories in the existing disk
482 image. This tool is useful when building f2fs images given compiled files.
483
484 Note: please refer to the manpage of sload.f2fs(8) to get full option list.
485
486 resize.f2fs
487 -----------
488 The resize.f2fs lets a user resize the f2fs-formatted disk image, while preserving
489 all the files and directories stored in the image.
490
491 Note: please refer to the manpage of resize.f2fs(8) to get full option list.
492
493 defrag.f2fs
494 -----------
495 The defrag.f2fs can be used to defragment scattered written data as well as
496 filesystem metadata across the disk. This can improve the write speed by giving
497 more free consecutive space.
498
499 Note: please refer to the manpage of defrag.f2fs(8) to get full option list.
500
501 f2fs_io
502 -------
503 The f2fs_io is a simple tool to issue various filesystem APIs as well as
504 f2fs-specific ones, which is very useful for QA tests.
505
506 Note: please refer to the manpage of f2fs_io(8) to get full option list.
507
508 Design
509 ======
510
511 On-disk Layout
512 --------------
513
514 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
515 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
516 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
517 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
518
519 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
520 consist of multiple segments as described below::
521
522                                             align with the zone size <-|
523                  |-> align with the segment size
524      _________________________________________________________________________
525     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
526     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
527     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
528     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
529                                                                        .      .
530                                                              .                .
531                                                  .                            .
532                                     ._________________________________________.
533                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
534                                     .           .
535                                     ._________._________
536                                     |_section_|__...__|_
537                                     .            .
538                                     .________.
539                                     |__zone__|
540
541 - Superblock (SB)
542    It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
543    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
544    default parameters of f2fs.
545
546 - Checkpoint (CP)
547    It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
548    inode lists, and summary entries of current active segments.
549
550 - Segment Information Table (SIT)
551    It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
552    validity of all the blocks.
553
554 - Node Address Table (NAT)
555    It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
556    Main area.
557
558 - Segment Summary Area (SSA)
559    It contains summary entries which contains the owner information of all the
560    data and node blocks stored in Main area.
561
562 - Main Area
563    It contains file and directory data including their indices.
564
565 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
566 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
567 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
568 in SSA area.
569
570 Reference the following survey for additional technical details.
571 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
572
573 File System Metadata Structure
574 ------------------------------
575
576 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
577 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
578 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
579 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
580 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
581
582 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
583 valid, as shown as below::
584
585   +--------+----------+---------+
586   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
587   +--------+----------+---------+
588   .         .          .          .
589   .            .              .              .
590   .               .                 .                 .
591   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
592   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
593   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
594      |             ^                          ^
595      |             |                          |
596      `----------------------------------------'
597
598 Index Structure
599 ---------------
600
601 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
602 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
603 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
604 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
605 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
606 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
607 one inode block (i.e., a file) covers::
608
609   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
610
611    Inode block (4KB)
612      |- data (923)
613      |- direct node (2)
614      |          `- data (1018)
615      |- indirect node (2)
616      |            `- direct node (1018)
617      |                       `- data (1018)
618      `- double indirect node (1)
619                          `- indirect node (1018)
620                                       `- direct node (1018)
621                                                  `- data (1018)
622
623 Note that all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
624 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
625 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
626 leaf data writes.
627
628 Directory Structure
629 -------------------
630
631 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
632
633 - hash          hash value of the file name
634 - ino           inode number
635 - len           the length of file name
636 - type          file type such as directory, symlink, etc
637
638 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
639 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
640 4KB with the following composition.
641
642 ::
643
644   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
645                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
646
647                          [Bucket]
648              +--------------------------------+
649              |dentry block 1 | dentry block 2 |
650              +--------------------------------+
651              .               .
652        .                             .
653   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
654   +--------+----------+----------+------------+
655   | bitmap | reserved | dentries | file names |
656   +--------+----------+----------+------------+
657   [Dentry Block: 4KB] .   .
658                  .               .
659             .                          .
660             +------+------+-----+------+
661             | hash | ino  | len | type |
662             +------+------+-----+------+
663             [Dentry Structure: 11 bytes]
664
665 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
666 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
667 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
668
669 ::
670
671     ----------------------
672     A : bucket
673     B : block
674     N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
675     ----------------------
676
677     level #0   | A(2B)
678             |
679     level #1   | A(2B) - A(2B)
680             |
681     level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
682         .     |   .       .       .       .
683     level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
684         .     |   .       .       .       .
685     level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
686
687 The number of blocks and buckets are determined by::
688
689                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
690   # of blocks in level #n = |
691                             `- 4, Otherwise
692
693                              ,- 2^(n + dir_level),
694                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
695   # of buckets in level #n = |
696                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
697                                       Otherwise
698
699 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
700 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
701 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
702 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
703 each levels incrementally from 1 to N. In each level F2FS needs to scan only
704 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
705 complexity::
706
707   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
708
709 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
710 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
711 1 to N in the same way as the lookup operation.
712
713 The following figure shows an example of two cases holding children::
714
715        --------------> Dir <--------------
716        |                                 |
717     child                             child
718
719     child - child                     [hole] - child
720
721     child - child - child             [hole] - [hole] - child
722
723    Case 1:                           Case 2:
724    Number of children = 6,           Number of children = 3,
725    File size = 7                     File size = 7
726
727 Default Block Allocation
728 ------------------------
729
730 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
731 and Hot/Warm/Cold data.
732
733 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
734 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
735 - Cold node     contains indirect node blocks
736 - Hot data      contains dentry blocks
737 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
738 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
739
740 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
741 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
742 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
743 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
744 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
745 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
746 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
747 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
748 system status.
749
750 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
751 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
752 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
753 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
754 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
755 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
756
757 Cleaning process
758 ----------------
759
760 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
761 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
762 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
763 system is idle.
764
765 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
766 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
767 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
768 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
769 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
770 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
771 algorithm.
772
773 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
774 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
775 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.
776
777 Fallocate(2) Policy
778 -------------------
779
780 The default policy follows the below POSIX rule.
781
782 Allocating disk space
783     The default operation (i.e., mode is zero) of fallocate() allocates
784     the disk space within the range specified by offset and len.  The
785     file size (as reported by stat(2)) will be changed if offset+len is
786     greater than the file size.  Any subregion within the range specified
787     by offset and len that did not contain data before the call will be
788     initialized to zero.  This default behavior closely resembles the
789     behavior of the posix_fallocate(3) library function, and is intended
790     as a method of optimally implementing that function.
791
792 However, once F2FS receives ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE) in prior to
793 fallocate(fd, DEFAULT_MODE), it allocates on-disk block addresses having
794 zero or random data, which is useful to the below scenario where:
795
796  1. create(fd)
797  2. ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE)
798  3. fallocate(fd, 0, 0, size)
799  4. address = fibmap(fd, offset)
800  5. open(blkdev)
801  6. write(blkdev, address)
802
803 Compression implementation
804 --------------------------
805
806 - New term named cluster is defined as basic unit of compression, file can
807   be divided into multiple clusters logically. One cluster includes 4 << n
808   (n >= 0) logical pages, compression size is also cluster size, each of
809   cluster can be compressed or not.
810
811 - In cluster metadata layout, one special block address is used to indicate
812   a cluster is a compressed one or normal one; for compressed cluster, following
813   metadata maps cluster to [1, 4 << n - 1] physical blocks, in where f2fs
814   stores data including compress header and compressed data.
815
816 - In order to eliminate write amplification during overwrite, F2FS only
817   support compression on write-once file, data can be compressed only when
818   all logical blocks in cluster contain valid data and compress ratio of
819   cluster data is lower than specified threshold.
820
821 - To enable compression on regular inode, there are four ways:
822
823   * chattr +c file
824   * chattr +c dir; touch dir/file
825   * mount w/ -o compress_extension=ext; touch file.ext
826   * mount w/ -o compress_extension=*; touch any_file
827
828 - To disable compression on regular inode, there are two ways:
829
830   * chattr -c file
831   * mount w/ -o nocompress_extension=ext; touch file.ext
832
833 - Priority in between FS_COMPR_FL, FS_NOCOMP_FS, extensions:
834
835   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr +c dir; touch
836     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so and baz.txt
837     should be compresse, bar.zip should be non-compressed. chattr +c dir/bar.zip
838     can enable compress on bar.zip.
839   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr -c dir; touch
840     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so should be
841     compresse, bar.zip and baz.txt should be non-compressed.
842     chattr+c dir/bar.zip; chattr+c dir/baz.txt; can enable compress on bar.zip
843     and baz.txt.
844
845 - At this point, compression feature doesn't expose compressed space to user
846   directly in order to guarantee potential data updates later to the space.
847   Instead, the main goal is to reduce data writes to flash disk as much as
848   possible, resulting in extending disk life time as well as relaxing IO
849   congestion. Alternatively, we've added ioctl(F2FS_IOC_RELEASE_COMPRESS_BLOCKS)
850   interface to reclaim compressed space and show it to user after setting a
851   special flag to the inode. Once the compressed space is released, the flag
852   will block writing data to the file until either the compressed space is
853   reserved via ioctl(F2FS_IOC_RESERVE_COMPRESS_BLOCKS) or the file size is
854   truncated to zero.
855
856 Compress metadata layout::
857
858                                 [Dnode Structure]
859                 +-----------------------------------------------+
860                 | cluster 1 | cluster 2 | ......... | cluster N |
861                 +-----------------------------------------------+
862                 .           .                       .           .
863           .                      .                .                      .
864     .         Compressed Cluster       .        .        Normal Cluster            .
865     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
866     |compr flag| block 1 | block 2 | block 3 |  | block 1 | block 2 | block 3 | block 4 |
867     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
868                .                             .
869             .                                           .
870         .                                                           .
871         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
872         | data length | data chksum | reserved |      compressed data       |
873         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
874
875 Compression mode
876 --------------------------
877
878 f2fs supports "fs" and "user" compression modes with "compression_mode" mount option.
879 With this option, f2fs provides a choice to select the way how to compress the
880 compression enabled files (refer to "Compression implementation" section for how to
881 enable compression on a regular inode).
882
883 1) compress_mode=fs
884 This is the default option. f2fs does automatic compression in the writeback of the
885 compression enabled files.
886
887 2) compress_mode=user
888 This disables the automatic compression and gives the user discretion of choosing the
889 target file and the timing. The user can do manual compression/decompression on the
890 compression enabled files using F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE and F2FS_IOC_COMPRESS_FILE
891 ioctls like the below.
892
893 To decompress a file,
894
895 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
896 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE);
897
898 To compress a file,
899
900 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
901 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_COMPRESS_FILE);
902
903 NVMe Zoned Namespace devices
904 ----------------------------
905
906 - ZNS defines a per-zone capacity which can be equal or less than the
907   zone-size. Zone-capacity is the number of usable blocks in the zone.
908   F2FS checks if zone-capacity is less than zone-size, if it is, then any
909   segment which starts after the zone-capacity is marked as not-free in
910   the free segment bitmap at initial mount time. These segments are marked
911   as permanently used so they are not allocated for writes and
912   consequently are not needed to be garbage collected. In case the
913   zone-capacity is not aligned to default segment size(2MB), then a segment
914   can start before the zone-capacity and span across zone-capacity boundary.
915   Such spanning segments are also considered as usable segments. All blocks
916   past the zone-capacity are considered unusable in these segments.