Documentation/filesystems/journalling.rst

   1 The Linux Journalling API
   2 =========================
   3
   4 Overview
   5 --------
   6
   7 Details
   8 ~~~~~~~
   9
  10 The journalling layer is easy to use. You need to first of all create a
  11 journal_t data structure. There are two calls to do this dependent on
  12 how you decide to allocate the physical media on which the journal
  13 resides. The jbd2_journal_init_inode() call is for journals stored in
  14 filesystem inodes, or the jbd2_journal_init_dev() call can be used
  15 for journal stored on a raw device (in a continuous range of blocks). A
  16 journal_t is a typedef for a struct pointer, so when you are finally
  17 finished make sure you call jbd2_journal_destroy() on it to free up
  18 any used kernel memory.
  19
  20 Once you have got your journal_t object you need to 'mount' or load the
  21 journal file. The journalling layer expects the space for the journal
  22 was already allocated and initialized properly by the userspace tools.
  23 When loading the journal you must call jbd2_journal_load() to process
  24 journal contents. If the client file system detects the journal contents
  25 does not need to be processed (or even need not have valid contents), it
  26 may call jbd2_journal_wipe() to clear the journal contents before
  27 calling jbd2_journal_load().
  28
  29 Note that jbd2_journal_wipe(..,0) calls
  30 jbd2_journal_skip_recovery() for you if it detects any outstanding
  31 transactions in the journal and similarly jbd2_journal_load() will
  32 call jbd2_journal_recover() if necessary. I would advise reading
  33 ext4_load_journal() in fs/ext4/super.c for examples on this stage.
  34
  35 Now you can go ahead and start modifying the underlying filesystem.
  36 Almost.
  37
  38 You still need to actually journal your filesystem changes, this is done
  39 by wrapping them into transactions. Additionally you also need to wrap
  40 the modification of each of the buffers with calls to the journal layer,
  41 so it knows what the modifications you are actually making are. To do
  42 this use jbd2_journal_start() which returns a transaction handle.
  43
  44 jbd2_journal_start() and its counterpart jbd2_journal_stop(),
  45 which indicates the end of a transaction are nestable calls, so you can
  46 reenter a transaction if necessary, but remember you must call
  47 jbd2_journal_stop() the same number of times as
  48 jbd2_journal_start() before the transaction is completed (or more
  49 accurately leaves the update phase). Ext4/VFS makes use of this feature to
  50 simplify handling of inode dirtying, quota support, etc.
  51
  52 Inside each transaction you need to wrap the modifications to the
  53 individual buffers (blocks). Before you start to modify a buffer you
  54 need to call jbd2_journal_get_create_access() /
  55 jbd2_journal_get_write_access() /
  56 jbd2_journal_get_undo_access() as appropriate, this allows the
  57 journalling layer to copy the unmodified
  58 data if it needs to. After all the buffer may be part of a previously
  59 uncommitted transaction. At this point you are at last ready to modify a
  60 buffer, and once you are have done so you need to call
  61 jbd2_journal_dirty_metadata(). Or if you've asked for access to a
  62 buffer you now know is now longer required to be pushed back on the
  63 device you can call jbd2_journal_forget() in much the same way as you
  64 might have used bforget() in the past.
  65
  66 A jbd2_journal_flush() may be called at any time to commit and
  67 checkpoint all your transactions.
  68
  69 Then at umount time , in your put_super() you can then call
  70 jbd2_journal_destroy() to clean up your in-core journal object.
  71
  72 Unfortunately there a couple of ways the journal layer can cause a
  73 deadlock. The first thing to note is that each task can only have a
  74 single outstanding transaction at any one time, remember nothing commits
  75 until the outermost jbd2_journal_stop(). This means you must complete
  76 the transaction at the end of each file/inode/address etc. operation you
  77 perform, so that the journalling system isn't re-entered on another
  78 journal. Since transactions can't be nested/batched across differing
  79 journals, and another filesystem other than yours (say ext4) may be
  80 modified in a later syscall.
  81
  82 The second case to bear in mind is that jbd2_journal_start() can block
  83 if there isn't enough space in the journal for your transaction (based
  84 on the passed nblocks param) - when it blocks it merely(!) needs to wait
  85 for transactions to complete and be committed from other tasks, so
  86 essentially we are waiting for jbd2_journal_stop(). So to avoid
  87 deadlocks you must treat jbd2_journal_start() /
  88 jbd2_journal_stop() as if they were semaphores and include them in
  89 your semaphore ordering rules to prevent
  90 deadlocks. Note that jbd2_journal_extend() has similar blocking
  91 behaviour to jbd2_journal_start() so you can deadlock here just as
  92 easily as on jbd2_journal_start().
  93
  94 Try to reserve the right number of blocks the first time. ;-). This will
  95 be the maximum number of blocks you are going to touch in this
  96 transaction. I advise having a look at at least ext4_jbd.h to see the
  97 basis on which ext4 uses to make these decisions.
  98
  99 Another wriggle to watch out for is your on-disk block allocation
 100 strategy. Why? Because, if you do a delete, you need to ensure you
 101 haven't reused any of the freed blocks until the transaction freeing
 102 these blocks commits. If you reused these blocks and crash happens,
 103 there is no way to restore the contents of the reallocated blocks at the
 104 end of the last fully committed transaction. One simple way of doing
 105 this is to mark blocks as free in internal in-memory block allocation
 106 structures only after the transaction freeing them commits. Ext4 uses
 107 journal commit callback for this purpose.
 108
 109 With journal commit callbacks you can ask the journalling layer to call
 110 a callback function when the transaction is finally committed to disk,
 111 so that you can do some of your own management. You ask the journalling
 112 layer for calling the callback by simply setting
 113 ``journal->j_commit_callback`` function pointer and that function is
 114 called after each transaction commit. You can also use
 115 ``transaction->t_private_list`` for attaching entries to a transaction
 116 that need processing when the transaction commits.
 117
 118 JBD2 also provides a way to block all transaction updates via
 119 jbd2_journal_lock_updates() /
 120 jbd2_journal_unlock_updates(). Ext4 uses this when it wants a
 121 window with a clean and stable fs for a moment. E.g.
 122
 123 ::
 124
 125
 126         jbd2_journal_lock_updates() //stop new stuff happening..
 127         jbd2_journal_flush()        // checkpoint everything.
 128         ..do stuff on stable fs
 129         jbd2_journal_unlock_updates() // carry on with filesystem use.
 130
 131 The opportunities for abuse and DOS attacks with this should be obvious,
 132 if you allow unprivileged userspace to trigger codepaths containing
 133 these calls.
 134
 135 Fast commits
 136 ~~~~~~~~~~~~
 137
 138 JBD2 to also allows you to perform file-system specific delta commits known as
 139 fast commits. In order to use fast commits, you will need to set following
 140 callbacks that perform correspodning work:
 141
 142 `journal->j_fc_cleanup_cb`: Cleanup function called after every full commit and
 143 fast commit.
 144
 145 `journal->j_fc_replay_cb`: Replay function called for replay of fast commit
 146 blocks.
 147
 148 File system is free to perform fast commits as and when it wants as long as it
 149 gets permission from JBD2 to do so by calling the function
 150 :c:func:`jbd2_fc_begin_commit()`. Once a fast commit is done, the client
 151 file  system should tell JBD2 about it by calling
 152 :c:func:`jbd2_fc_end_commit()`. If file system wants JBD2 to perform a full
 153 commit immediately after stopping the fast commit it can do so by calling
 154 :c:func:`jbd2_fc_end_commit_fallback()`. This is useful if fast commit operation
 155 fails for some reason and the only way to guarantee consistency is for JBD2 to
 156 perform the full traditional commit.
 157
 158 JBD2 helper functions to manage fast commit buffers. File system can use
 159 :c:func:`jbd2_fc_get_buf()` and :c:func:`jbd2_fc_wait_bufs()` to allocate
 160 and wait on IO completion of fast commit buffers.
 161
 162 Currently, only Ext4 implements fast commits. For details of its implementation
 163 of fast commits, please refer to the top level comments in
 164 fs/ext4/fast_commit.c.
 165
 166 Summary
 167 ~~~~~~~
 168
 169 Using the journal is a matter of wrapping the different context changes,
 170 being each mount, each modification (transaction) and each changed
 171 buffer to tell the journalling layer about them.
 172
 173 Data Types
 174 ----------
 175
 176 The journalling layer uses typedefs to 'hide' the concrete definitions
 177 of the structures used. As a client of the JBD2 layer you can just rely
 178 on the using the pointer as a magic cookie of some sort. Obviously the
 179 hiding is not enforced as this is 'C'.
 180
 181 Structures
 182 ~~~~~~~~~~
 183
 184 .. kernel-doc:: include/linux/jbd2.h
 185    :internal:
 186
 187 Functions
 188 ---------
 189
 190 The functions here are split into two groups those that affect a journal
 191 as a whole, and those which are used to manage transactions
 192
 193 Journal Level
 194 ~~~~~~~~~~~~~
 195
 196 .. kernel-doc:: fs/jbd2/journal.c
 197    :export:
 198
 199 .. kernel-doc:: fs/jbd2/recovery.c
 200    :internal:
 201
 202 Transasction Level
 203 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 204
 205 .. kernel-doc:: fs/jbd2/transaction.c
 206
 207 See also
 208 --------
 209
 210 `Journaling the Linux ext2fs Filesystem, LinuxExpo 98, Stephen
 211 Tweedie <http://kernel.org/pub/linux/kernel/people/sct/ext3/journal-design.ps.gz>`__
 212
 213 `Ext3 Journalling FileSystem, OLS 2000, Dr. Stephen
 214 Tweedie <http://olstrans.sourceforge.net/release/OLS2000-ext3/OLS2000-ext3.html>`__
 215