Merge tag 'f2fs-for-6.0' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jaegeuk...
[platform/kernel/linux-starfive.git] / Documentation / filesystems / f2fs.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ==========================================
4 WHAT IS Flash-Friendly File System (F2FS)?
5 ==========================================
6
7 NAND flash memory-based storage devices, such as SSD, eMMC, and SD cards, have
8 been equipped on a variety systems ranging from mobile to server systems. Since
9 they are known to have different characteristics from the conventional rotating
10 disks, a file system, an upper layer to the storage device, should adapt to the
11 changes from the sketch in the design level.
12
13 F2FS is a file system exploiting NAND flash memory-based storage devices, which
14 is based on Log-structured File System (LFS). The design has been focused on
15 addressing the fundamental issues in LFS, which are snowball effect of wandering
16 tree and high cleaning overhead.
17
18 Since a NAND flash memory-based storage device shows different characteristic
19 according to its internal geometry or flash memory management scheme, namely FTL,
20 F2FS and its tools support various parameters not only for configuring on-disk
21 layout, but also for selecting allocation and cleaning algorithms.
22
23 The following git tree provides the file system formatting tool (mkfs.f2fs),
24 a consistency checking tool (fsck.f2fs), and a debugging tool (dump.f2fs).
25
26 - git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jaegeuk/f2fs-tools.git
27
28 For reporting bugs and sending patches, please use the following mailing list:
29
30 - linux-f2fs-devel@lists.sourceforge.net
31
32 Background and Design issues
33 ============================
34
35 Log-structured File System (LFS)
36 --------------------------------
37 "A log-structured file system writes all modifications to disk sequentially in
38 a log-like structure, thereby speeding up  both file writing and crash recovery.
39 The log is the only structure on disk; it contains indexing information so that
40 files can be read back from the log efficiently. In order to maintain large free
41 areas on disk for fast writing, we divide  the log into segments and use a
42 segment cleaner to compress the live information from heavily fragmented
43 segments." from Rosenblum, M. and Ousterhout, J. K., 1992, "The design and
44 implementation of a log-structured file system", ACM Trans. Computer Systems
45 10, 1, 26–52.
46
47 Wandering Tree Problem
48 ----------------------
49 In LFS, when a file data is updated and written to the end of log, its direct
50 pointer block is updated due to the changed location. Then the indirect pointer
51 block is also updated due to the direct pointer block update. In this manner,
52 the upper index structures such as inode, inode map, and checkpoint block are
53 also updated recursively. This problem is called as wandering tree problem [1],
54 and in order to enhance the performance, it should eliminate or relax the update
55 propagation as much as possible.
56
57 [1] Bityutskiy, A. 2005. JFFS3 design issues. http://www.linux-mtd.infradead.org/
58
59 Cleaning Overhead
60 -----------------
61 Since LFS is based on out-of-place writes, it produces so many obsolete blocks
62 scattered across the whole storage. In order to serve new empty log space, it
63 needs to reclaim these obsolete blocks seamlessly to users. This job is called
64 as a cleaning process.
65
66 The process consists of three operations as follows.
67
68 1. A victim segment is selected through referencing segment usage table.
69 2. It loads parent index structures of all the data in the victim identified by
70    segment summary blocks.
71 3. It checks the cross-reference between the data and its parent index structure.
72 4. It moves valid data selectively.
73
74 This cleaning job may cause unexpected long delays, so the most important goal
75 is to hide the latencies to users. And also definitely, it should reduce the
76 amount of valid data to be moved, and move them quickly as well.
77
78 Key Features
79 ============
80
81 Flash Awareness
82 ---------------
83 - Enlarge the random write area for better performance, but provide the high
84   spatial locality
85 - Align FS data structures to the operational units in FTL as best efforts
86
87 Wandering Tree Problem
88 ----------------------
89 - Use a term, “node”, that represents inodes as well as various pointer blocks
90 - Introduce Node Address Table (NAT) containing the locations of all the “node”
91   blocks; this will cut off the update propagation.
92
93 Cleaning Overhead
94 -----------------
95 - Support a background cleaning process
96 - Support greedy and cost-benefit algorithms for victim selection policies
97 - Support multi-head logs for static/dynamic hot and cold data separation
98 - Introduce adaptive logging for efficient block allocation
99
100 Mount Options
101 =============
102
103
104 ======================== ============================================================
105 background_gc=%s         Turn on/off cleaning operations, namely garbage
106                          collection, triggered in background when I/O subsystem is
107                          idle. If background_gc=on, it will turn on the garbage
108                          collection and if background_gc=off, garbage collection
109                          will be turned off. If background_gc=sync, it will turn
110                          on synchronous garbage collection running in background.
111                          Default value for this option is on. So garbage
112                          collection is on by default.
113 gc_merge                 When background_gc is on, this option can be enabled to
114                          let background GC thread to handle foreground GC requests,
115                          it can eliminate the sluggish issue caused by slow foreground
116                          GC operation when GC is triggered from a process with limited
117                          I/O and CPU resources.
118 nogc_merge               Disable GC merge feature.
119 disable_roll_forward     Disable the roll-forward recovery routine
120 norecovery               Disable the roll-forward recovery routine, mounted read-
121                          only (i.e., -o ro,disable_roll_forward)
122 discard/nodiscard        Enable/disable real-time discard in f2fs, if discard is
123                          enabled, f2fs will issue discard/TRIM commands when a
124                          segment is cleaned.
125 no_heap                  Disable heap-style segment allocation which finds free
126                          segments for data from the beginning of main area, while
127                          for node from the end of main area.
128 nouser_xattr             Disable Extended User Attributes. Note: xattr is enabled
129                          by default if CONFIG_F2FS_FS_XATTR is selected.
130 noacl                    Disable POSIX Access Control List. Note: acl is enabled
131                          by default if CONFIG_F2FS_FS_POSIX_ACL is selected.
132 active_logs=%u           Support configuring the number of active logs. In the
133                          current design, f2fs supports only 2, 4, and 6 logs.
134                          Default number is 6.
135 disable_ext_identify     Disable the extension list configured by mkfs, so f2fs
136                          is not aware of cold files such as media files.
137 inline_xattr             Enable the inline xattrs feature.
138 noinline_xattr           Disable the inline xattrs feature.
139 inline_xattr_size=%u     Support configuring inline xattr size, it depends on
140                          flexible inline xattr feature.
141 inline_data              Enable the inline data feature: Newly created small (<~3.4k)
142                          files can be written into inode block.
143 inline_dentry            Enable the inline dir feature: data in newly created
144                          directory entries can be written into inode block. The
145                          space of inode block which is used to store inline
146                          dentries is limited to ~3.4k.
147 noinline_dentry          Disable the inline dentry feature.
148 flush_merge              Merge concurrent cache_flush commands as much as possible
149                          to eliminate redundant command issues. If the underlying
150                          device handles the cache_flush command relatively slowly,
151                          recommend to enable this option.
152 nobarrier                This option can be used if underlying storage guarantees
153                          its cached data should be written to the novolatile area.
154                          If this option is set, no cache_flush commands are issued
155                          but f2fs still guarantees the write ordering of all the
156                          data writes.
157 fastboot                 This option is used when a system wants to reduce mount
158                          time as much as possible, even though normal performance
159                          can be sacrificed.
160 extent_cache             Enable an extent cache based on rb-tree, it can cache
161                          as many as extent which map between contiguous logical
162                          address and physical address per inode, resulting in
163                          increasing the cache hit ratio. Set by default.
164 noextent_cache           Disable an extent cache based on rb-tree explicitly, see
165                          the above extent_cache mount option.
166 noinline_data            Disable the inline data feature, inline data feature is
167                          enabled by default.
168 data_flush               Enable data flushing before checkpoint in order to
169                          persist data of regular and symlink.
170 reserve_root=%d          Support configuring reserved space which is used for
171                          allocation from a privileged user with specified uid or
172                          gid, unit: 4KB, the default limit is 0.2% of user blocks.
173 resuid=%d                The user ID which may use the reserved blocks.
174 resgid=%d                The group ID which may use the reserved blocks.
175 fault_injection=%d       Enable fault injection in all supported types with
176                          specified injection rate.
177 fault_type=%d            Support configuring fault injection type, should be
178                          enabled with fault_injection option, fault type value
179                          is shown below, it supports single or combined type.
180
181                          ===================      ===========
182                          Type_Name                Type_Value
183                          ===================      ===========
184                          FAULT_KMALLOC            0x000000001
185                          FAULT_KVMALLOC           0x000000002
186                          FAULT_PAGE_ALLOC         0x000000004
187                          FAULT_PAGE_GET           0x000000008
188                          FAULT_ALLOC_BIO          0x000000010 (obsolete)
189                          FAULT_ALLOC_NID          0x000000020
190                          FAULT_ORPHAN             0x000000040
191                          FAULT_BLOCK              0x000000080
192                          FAULT_DIR_DEPTH          0x000000100
193                          FAULT_EVICT_INODE        0x000000200
194                          FAULT_TRUNCATE           0x000000400
195                          FAULT_READ_IO            0x000000800
196                          FAULT_CHECKPOINT         0x000001000
197                          FAULT_DISCARD            0x000002000
198                          FAULT_WRITE_IO           0x000004000
199                          FAULT_SLAB_ALLOC         0x000008000
200                          FAULT_DQUOT_INIT         0x000010000
201                          FAULT_LOCK_OP            0x000020000
202                          ===================      ===========
203 mode=%s                  Control block allocation mode which supports "adaptive"
204                          and "lfs". In "lfs" mode, there should be no random
205                          writes towards main area.
206                          "fragment:segment" and "fragment:block" are newly added here.
207                          These are developer options for experiments to simulate filesystem
208                          fragmentation/after-GC situation itself. The developers use these
209                          modes to understand filesystem fragmentation/after-GC condition well,
210                          and eventually get some insights to handle them better.
211                          In "fragment:segment", f2fs allocates a new segment in ramdom
212                          position. With this, we can simulate the after-GC condition.
213                          In "fragment:block", we can scatter block allocation with
214                          "max_fragment_chunk" and "max_fragment_hole" sysfs nodes.
215                          We added some randomness to both chunk and hole size to make
216                          it close to realistic IO pattern. So, in this mode, f2fs will allocate
217                          1..<max_fragment_chunk> blocks in a chunk and make a hole in the
218                          length of 1..<max_fragment_hole> by turns. With this, the newly
219                          allocated blocks will be scattered throughout the whole partition.
220                          Note that "fragment:block" implicitly enables "fragment:segment"
221                          option for more randomness.
222                          Please, use these options for your experiments and we strongly
223                          recommend to re-format the filesystem after using these options.
224 io_bits=%u               Set the bit size of write IO requests. It should be set
225                          with "mode=lfs".
226 usrquota                 Enable plain user disk quota accounting.
227 grpquota                 Enable plain group disk quota accounting.
228 prjquota                 Enable plain project quota accounting.
229 usrjquota=<file>         Appoint specified file and type during mount, so that quota
230 grpjquota=<file>         information can be properly updated during recovery flow,
231 prjjquota=<file>         <quota file>: must be in root directory;
232 jqfmt=<quota type>       <quota type>: [vfsold,vfsv0,vfsv1].
233 offusrjquota             Turn off user journalled quota.
234 offgrpjquota             Turn off group journalled quota.
235 offprjjquota             Turn off project journalled quota.
236 quota                    Enable plain user disk quota accounting.
237 noquota                  Disable all plain disk quota option.
238 alloc_mode=%s            Adjust block allocation policy, which supports "reuse"
239                          and "default".
240 fsync_mode=%s            Control the policy of fsync. Currently supports "posix",
241                          "strict", and "nobarrier". In "posix" mode, which is
242                          default, fsync will follow POSIX semantics and does a
243                          light operation to improve the filesystem performance.
244                          In "strict" mode, fsync will be heavy and behaves in line
245                          with xfs, ext4 and btrfs, where xfstest generic/342 will
246                          pass, but the performance will regress. "nobarrier" is
247                          based on "posix", but doesn't issue flush command for
248                          non-atomic files likewise "nobarrier" mount option.
249 test_dummy_encryption
250 test_dummy_encryption=%s
251                          Enable dummy encryption, which provides a fake fscrypt
252                          context. The fake fscrypt context is used by xfstests.
253                          The argument may be either "v1" or "v2", in order to
254                          select the corresponding fscrypt policy version.
255 checkpoint=%s[:%u[%]]    Set to "disable" to turn off checkpointing. Set to "enable"
256                          to reenable checkpointing. Is enabled by default. While
257                          disabled, any unmounting or unexpected shutdowns will cause
258                          the filesystem contents to appear as they did when the
259                          filesystem was mounted with that option.
260                          While mounting with checkpoint=disabled, the filesystem must
261                          run garbage collection to ensure that all available space can
262                          be used. If this takes too much time, the mount may return
263                          EAGAIN. You may optionally add a value to indicate how much
264                          of the disk you would be willing to temporarily give up to
265                          avoid additional garbage collection. This can be given as a
266                          number of blocks, or as a percent. For instance, mounting
267                          with checkpoint=disable:100% would always succeed, but it may
268                          hide up to all remaining free space. The actual space that
269                          would be unusable can be viewed at /sys/fs/f2fs/<disk>/unusable
270                          This space is reclaimed once checkpoint=enable.
271 checkpoint_merge         When checkpoint is enabled, this can be used to create a kernel
272                          daemon and make it to merge concurrent checkpoint requests as
273                          much as possible to eliminate redundant checkpoint issues. Plus,
274                          we can eliminate the sluggish issue caused by slow checkpoint
275                          operation when the checkpoint is done in a process context in
276                          a cgroup having low i/o budget and cpu shares. To make this
277                          do better, we set the default i/o priority of the kernel daemon
278                          to "3", to give one higher priority than other kernel threads.
279                          This is the same way to give a I/O priority to the jbd2
280                          journaling thread of ext4 filesystem.
281 nocheckpoint_merge       Disable checkpoint merge feature.
282 compress_algorithm=%s    Control compress algorithm, currently f2fs supports "lzo",
283                          "lz4", "zstd" and "lzo-rle" algorithm.
284 compress_algorithm=%s:%d Control compress algorithm and its compress level, now, only
285                          "lz4" and "zstd" support compress level config.
286                          algorithm      level range
287                          lz4            3 - 16
288                          zstd           1 - 22
289 compress_log_size=%u     Support configuring compress cluster size, the size will
290                          be 4KB * (1 << %u), 16KB is minimum size, also it's
291                          default size.
292 compress_extension=%s    Support adding specified extension, so that f2fs can enable
293                          compression on those corresponding files, e.g. if all files
294                          with '.ext' has high compression rate, we can set the '.ext'
295                          on compression extension list and enable compression on
296                          these file by default rather than to enable it via ioctl.
297                          For other files, we can still enable compression via ioctl.
298                          Note that, there is one reserved special extension '*', it
299                          can be set to enable compression for all files.
300 nocompress_extension=%s  Support adding specified extension, so that f2fs can disable
301                          compression on those corresponding files, just contrary to compression extension.
302                          If you know exactly which files cannot be compressed, you can use this.
303                          The same extension name can't appear in both compress and nocompress
304                          extension at the same time.
305                          If the compress extension specifies all files, the types specified by the
306                          nocompress extension will be treated as special cases and will not be compressed.
307                          Don't allow use '*' to specifie all file in nocompress extension.
308                          After add nocompress_extension, the priority should be:
309                          dir_flag < comp_extention,nocompress_extension < comp_file_flag,no_comp_file_flag.
310                          See more in compression sections.
311
312 compress_chksum          Support verifying chksum of raw data in compressed cluster.
313 compress_mode=%s         Control file compression mode. This supports "fs" and "user"
314                          modes. In "fs" mode (default), f2fs does automatic compression
315                          on the compression enabled files. In "user" mode, f2fs disables
316                          the automaic compression and gives the user discretion of
317                          choosing the target file and the timing. The user can do manual
318                          compression/decompression on the compression enabled files using
319                          ioctls.
320 compress_cache           Support to use address space of a filesystem managed inode to
321                          cache compressed block, in order to improve cache hit ratio of
322                          random read.
323 inlinecrypt              When possible, encrypt/decrypt the contents of encrypted
324                          files using the blk-crypto framework rather than
325                          filesystem-layer encryption. This allows the use of
326                          inline encryption hardware. The on-disk format is
327                          unaffected. For more details, see
328                          Documentation/block/inline-encryption.rst.
329 atgc                     Enable age-threshold garbage collection, it provides high
330                          effectiveness and efficiency on background GC.
331 discard_unit=%s          Control discard unit, the argument can be "block", "segment"
332                          and "section", issued discard command's offset/size will be
333                          aligned to the unit, by default, "discard_unit=block" is set,
334                          so that small discard functionality is enabled.
335                          For blkzoned device, "discard_unit=section" will be set by
336                          default, it is helpful for large sized SMR or ZNS devices to
337                          reduce memory cost by getting rid of fs metadata supports small
338                          discard.
339 memory=%s                Control memory mode. This supports "normal" and "low" modes.
340                          "low" mode is introduced to support low memory devices.
341                          Because of the nature of low memory devices, in this mode, f2fs
342                          will try to save memory sometimes by sacrificing performance.
343                          "normal" mode is the default mode and same as before.
344 ======================== ============================================================
345
346 Debugfs Entries
347 ===============
348
349 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
350 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
351
352 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
353
354  - major file system information managed by f2fs currently
355  - average SIT information about whole segments
356  - current memory footprint consumed by f2fs.
357
358 Sysfs Entries
359 =============
360
361 Information about mounted f2fs file systems can be found in
362 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
363 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
364 The files in each per-device directory are shown in table below.
365
366 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
367 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
368
369 Usage
370 =====
371
372 1. Download userland tools and compile them.
373
374 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
375    Otherwise, insert the f2fs.ko module::
376
377         # insmod f2fs.ko
378
379 3. Create a directory to use when mounting::
380
381         # mkdir /mnt/f2fs
382
383 4. Format the block device, and then mount as f2fs::
384
385         # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
386         # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
387
388 mkfs.f2fs
389 ---------
390 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
391 which builds a basic on-disk layout.
392
393 The quick options consist of:
394
395 ===============    ===========================================================
396 ``-l [label]``     Give a volume label, up to 512 unicode name.
397 ``-a [0 or 1]``    Split start location of each area for heap-based allocation.
398
399                    1 is set by default, which performs this.
400 ``-o [int]``       Set overprovision ratio in percent over volume size.
401
402                    5 is set by default.
403 ``-s [int]``       Set the number of segments per section.
404
405                    1 is set by default.
406 ``-z [int]``       Set the number of sections per zone.
407
408                    1 is set by default.
409 ``-e [str]``       Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
410 ``-t [0 or 1]``    Disable discard command or not.
411
412                    1 is set by default, which conducts discard.
413 ===============    ===========================================================
414
415 Note: please refer to the manpage of mkfs.f2fs(8) to get full option list.
416
417 fsck.f2fs
418 ---------
419 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
420 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
421 are cross-referenced correctly or not.
422 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
423
424 The quick options consist of::
425
426   -d debug level [default:0]
427
428 Note: please refer to the manpage of fsck.f2fs(8) to get full option list.
429
430 dump.f2fs
431 ---------
432 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
433 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
434
435 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
436 It shows on-disk inode information recognized by a given inode number, and is
437 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
438 ./dump_sit respectively.
439
440 The options consist of::
441
442   -d debug level [default:0]
443   -i inode no (hex)
444   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
445   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
446
447 Examples::
448
449     # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
450     # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
451     # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
452
453 Note: please refer to the manpage of dump.f2fs(8) to get full option list.
454
455 sload.f2fs
456 ----------
457 The sload.f2fs gives a way to insert files and directories in the exisiting disk
458 image. This tool is useful when building f2fs images given compiled files.
459
460 Note: please refer to the manpage of sload.f2fs(8) to get full option list.
461
462 resize.f2fs
463 -----------
464 The resize.f2fs lets a user resize the f2fs-formatted disk image, while preserving
465 all the files and directories stored in the image.
466
467 Note: please refer to the manpage of resize.f2fs(8) to get full option list.
468
469 defrag.f2fs
470 -----------
471 The defrag.f2fs can be used to defragment scattered written data as well as
472 filesystem metadata across the disk. This can improve the write speed by giving
473 more free consecutive space.
474
475 Note: please refer to the manpage of defrag.f2fs(8) to get full option list.
476
477 f2fs_io
478 -------
479 The f2fs_io is a simple tool to issue various filesystem APIs as well as
480 f2fs-specific ones, which is very useful for QA tests.
481
482 Note: please refer to the manpage of f2fs_io(8) to get full option list.
483
484 Design
485 ======
486
487 On-disk Layout
488 --------------
489
490 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
491 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
492 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
493 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
494
495 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
496 consist of multiple segments as described below::
497
498                                             align with the zone size <-|
499                  |-> align with the segment size
500      _________________________________________________________________________
501     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
502     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
503     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
504     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
505                                                                        .      .
506                                                              .                .
507                                                  .                            .
508                                     ._________________________________________.
509                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
510                                     .           .
511                                     ._________._________
512                                     |_section_|__...__|_
513                                     .            .
514                                     .________.
515                                     |__zone__|
516
517 - Superblock (SB)
518    It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
519    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
520    default parameters of f2fs.
521
522 - Checkpoint (CP)
523    It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
524    inode lists, and summary entries of current active segments.
525
526 - Segment Information Table (SIT)
527    It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
528    validity of all the blocks.
529
530 - Node Address Table (NAT)
531    It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
532    Main area.
533
534 - Segment Summary Area (SSA)
535    It contains summary entries which contains the owner information of all the
536    data and node blocks stored in Main area.
537
538 - Main Area
539    It contains file and directory data including their indices.
540
541 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
542 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
543 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
544 in SSA area.
545
546 Reference the following survey for additional technical details.
547 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
548
549 File System Metadata Structure
550 ------------------------------
551
552 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
553 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
554 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
555 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
556 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
557
558 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
559 valid, as shown as below::
560
561   +--------+----------+---------+
562   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
563   +--------+----------+---------+
564   .         .          .          .
565   .            .              .              .
566   .               .                 .                 .
567   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
568   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
569   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
570      |             ^                          ^
571      |             |                          |
572      `----------------------------------------'
573
574 Index Structure
575 ---------------
576
577 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
578 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
579 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
580 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
581 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
582 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
583 one inode block (i.e., a file) covers::
584
585   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
586
587    Inode block (4KB)
588      |- data (923)
589      |- direct node (2)
590      |          `- data (1018)
591      |- indirect node (2)
592      |            `- direct node (1018)
593      |                       `- data (1018)
594      `- double indirect node (1)
595                          `- indirect node (1018)
596                                       `- direct node (1018)
597                                                  `- data (1018)
598
599 Note that all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
600 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
601 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
602 leaf data writes.
603
604 Directory Structure
605 -------------------
606
607 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
608
609 - hash          hash value of the file name
610 - ino           inode number
611 - len           the length of file name
612 - type          file type such as directory, symlink, etc
613
614 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
615 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
616 4KB with the following composition.
617
618 ::
619
620   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
621                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
622
623                          [Bucket]
624              +--------------------------------+
625              |dentry block 1 | dentry block 2 |
626              +--------------------------------+
627              .               .
628        .                             .
629   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
630   +--------+----------+----------+------------+
631   | bitmap | reserved | dentries | file names |
632   +--------+----------+----------+------------+
633   [Dentry Block: 4KB] .   .
634                  .               .
635             .                          .
636             +------+------+-----+------+
637             | hash | ino  | len | type |
638             +------+------+-----+------+
639             [Dentry Structure: 11 bytes]
640
641 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
642 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
643 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
644
645 ::
646
647     ----------------------
648     A : bucket
649     B : block
650     N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
651     ----------------------
652
653     level #0   | A(2B)
654             |
655     level #1   | A(2B) - A(2B)
656             |
657     level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
658         .     |   .       .       .       .
659     level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
660         .     |   .       .       .       .
661     level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
662
663 The number of blocks and buckets are determined by::
664
665                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
666   # of blocks in level #n = |
667                             `- 4, Otherwise
668
669                              ,- 2^(n + dir_level),
670                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
671   # of buckets in level #n = |
672                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
673                                       Otherwise
674
675 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
676 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
677 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
678 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
679 each levels incrementally from 1 to N. In each level F2FS needs to scan only
680 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
681 complexity::
682
683   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
684
685 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
686 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
687 1 to N in the same way as the lookup operation.
688
689 The following figure shows an example of two cases holding children::
690
691        --------------> Dir <--------------
692        |                                 |
693     child                             child
694
695     child - child                     [hole] - child
696
697     child - child - child             [hole] - [hole] - child
698
699    Case 1:                           Case 2:
700    Number of children = 6,           Number of children = 3,
701    File size = 7                     File size = 7
702
703 Default Block Allocation
704 ------------------------
705
706 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
707 and Hot/Warm/Cold data.
708
709 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
710 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
711 - Cold node     contains indirect node blocks
712 - Hot data      contains dentry blocks
713 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
714 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
715
716 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
717 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
718 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
719 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
720 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
721 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
722 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
723 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
724 system status.
725
726 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
727 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
728 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
729 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
730 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
731 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
732
733 Cleaning process
734 ----------------
735
736 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
737 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
738 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
739 system is idle.
740
741 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
742 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
743 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
744 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
745 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
746 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
747 algorithm.
748
749 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
750 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
751 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.
752
753 Fallocate(2) Policy
754 -------------------
755
756 The default policy follows the below POSIX rule.
757
758 Allocating disk space
759     The default operation (i.e., mode is zero) of fallocate() allocates
760     the disk space within the range specified by offset and len.  The
761     file size (as reported by stat(2)) will be changed if offset+len is
762     greater than the file size.  Any subregion within the range specified
763     by offset and len that did not contain data before the call will be
764     initialized to zero.  This default behavior closely resembles the
765     behavior of the posix_fallocate(3) library function, and is intended
766     as a method of optimally implementing that function.
767
768 However, once F2FS receives ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE) in prior to
769 fallocate(fd, DEFAULT_MODE), it allocates on-disk block addressess having
770 zero or random data, which is useful to the below scenario where:
771
772  1. create(fd)
773  2. ioctl(fd, F2FS_IOC_SET_PIN_FILE)
774  3. fallocate(fd, 0, 0, size)
775  4. address = fibmap(fd, offset)
776  5. open(blkdev)
777  6. write(blkdev, address)
778
779 Compression implementation
780 --------------------------
781
782 - New term named cluster is defined as basic unit of compression, file can
783   be divided into multiple clusters logically. One cluster includes 4 << n
784   (n >= 0) logical pages, compression size is also cluster size, each of
785   cluster can be compressed or not.
786
787 - In cluster metadata layout, one special block address is used to indicate
788   a cluster is a compressed one or normal one; for compressed cluster, following
789   metadata maps cluster to [1, 4 << n - 1] physical blocks, in where f2fs
790   stores data including compress header and compressed data.
791
792 - In order to eliminate write amplification during overwrite, F2FS only
793   support compression on write-once file, data can be compressed only when
794   all logical blocks in cluster contain valid data and compress ratio of
795   cluster data is lower than specified threshold.
796
797 - To enable compression on regular inode, there are four ways:
798
799   * chattr +c file
800   * chattr +c dir; touch dir/file
801   * mount w/ -o compress_extension=ext; touch file.ext
802   * mount w/ -o compress_extension=*; touch any_file
803
804 - To disable compression on regular inode, there are two ways:
805
806   * chattr -c file
807   * mount w/ -o nocompress_extension=ext; touch file.ext
808
809 - Priority in between FS_COMPR_FL, FS_NOCOMP_FS, extensions:
810
811   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr +c dir; touch
812     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so and baz.txt
813     should be compresse, bar.zip should be non-compressed. chattr +c dir/bar.zip
814     can enable compress on bar.zip.
815   * compress_extension=so; nocompress_extension=zip; chattr -c dir; touch
816     dir/foo.so; touch dir/bar.zip; touch dir/baz.txt; then foo.so should be
817     compresse, bar.zip and baz.txt should be non-compressed.
818     chattr+c dir/bar.zip; chattr+c dir/baz.txt; can enable compress on bar.zip
819     and baz.txt.
820
821 - At this point, compression feature doesn't expose compressed space to user
822   directly in order to guarantee potential data updates later to the space.
823   Instead, the main goal is to reduce data writes to flash disk as much as
824   possible, resulting in extending disk life time as well as relaxing IO
825   congestion. Alternatively, we've added ioctl(F2FS_IOC_RELEASE_COMPRESS_BLOCKS)
826   interface to reclaim compressed space and show it to user after setting a
827   special flag to the inode. Once the compressed space is released, the flag
828   will block writing data to the file until either the compressed space is
829   reserved via ioctl(F2FS_IOC_RESERVE_COMPRESS_BLOCKS) or the file size is
830   truncated to zero.
831
832 Compress metadata layout::
833
834                                 [Dnode Structure]
835                 +-----------------------------------------------+
836                 | cluster 1 | cluster 2 | ......... | cluster N |
837                 +-----------------------------------------------+
838                 .           .                       .           .
839           .                      .                .                      .
840     .         Compressed Cluster       .        .        Normal Cluster            .
841     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
842     |compr flag| block 1 | block 2 | block 3 |  | block 1 | block 2 | block 3 | block 4 |
843     +----------+---------+---------+---------+  +---------+---------+---------+---------+
844                .                             .
845             .                                           .
846         .                                                           .
847         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
848         | data length | data chksum | reserved |      compressed data       |
849         +-------------+-------------+----------+----------------------------+
850
851 Compression mode
852 --------------------------
853
854 f2fs supports "fs" and "user" compression modes with "compression_mode" mount option.
855 With this option, f2fs provides a choice to select the way how to compress the
856 compression enabled files (refer to "Compression implementation" section for how to
857 enable compression on a regular inode).
858
859 1) compress_mode=fs
860 This is the default option. f2fs does automatic compression in the writeback of the
861 compression enabled files.
862
863 2) compress_mode=user
864 This disables the automatic compression and gives the user discretion of choosing the
865 target file and the timing. The user can do manual compression/decompression on the
866 compression enabled files using F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE and F2FS_IOC_COMPRESS_FILE
867 ioctls like the below.
868
869 To decompress a file,
870
871 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
872 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_DECOMPRESS_FILE);
873
874 To compress a file,
875
876 fd = open(filename, O_WRONLY, 0);
877 ret = ioctl(fd, F2FS_IOC_COMPRESS_FILE);
878
879 NVMe Zoned Namespace devices
880 ----------------------------
881
882 - ZNS defines a per-zone capacity which can be equal or less than the
883   zone-size. Zone-capacity is the number of usable blocks in the zone.
884   F2FS checks if zone-capacity is less than zone-size, if it is, then any
885   segment which starts after the zone-capacity is marked as not-free in
886   the free segment bitmap at initial mount time. These segments are marked
887   as permanently used so they are not allocated for writes and
888   consequently are not needed to be garbage collected. In case the
889   zone-capacity is not aligned to default segment size(2MB), then a segment
890   can start before the zone-capacity and span across zone-capacity boundary.
891   Such spanning segments are also considered as usable segments. All blocks
892   past the zone-capacity are considered unusable in these segments.