Documentation/filesystems/f2fs.txt

   1 ================================================================================
   2 WHAT IS Flash-Friendly File System (F2FS)?
   3 ================================================================================
   4
   5 NAND flash memory-based storage devices, such as SSD, eMMC, and SD cards, have
   6 been equipped on a variety systems ranging from mobile to server systems. Since
   7 they are known to have different characteristics from the conventional rotating
   8 disks, a file system, an upper layer to the storage device, should adapt to the
   9 changes from the sketch in the design level.
  10
  11 F2FS is a file system exploiting NAND flash memory-based storage devices, which
  12 is based on Log-structured File System (LFS). The design has been focused on
  13 addressing the fundamental issues in LFS, which are snowball effect of wandering
  14 tree and high cleaning overhead.
  15
  16 Since a NAND flash memory-based storage device shows different characteristic
  17 according to its internal geometry or flash memory management scheme, namely FTL,
  18 F2FS and its tools support various parameters not only for configuring on-disk
  19 layout, but also for selecting allocation and cleaning algorithms.
  20
  21 The following git tree provides the file system formatting tool (mkfs.f2fs),
  22 a consistency checking tool (fsck.f2fs), and a debugging tool (dump.f2fs).
  23 >> git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jaegeuk/f2fs-tools.git
  24
  25 For reporting bugs and sending patches, please use the following mailing list:
  26 >> linux-f2fs-devel@lists.sourceforge.net
  27
  28 ================================================================================
  29 BACKGROUND AND DESIGN ISSUES
  30 ================================================================================
  31
  32 Log-structured File System (LFS)
  33 --------------------------------
  34 "A log-structured file system writes all modifications to disk sequentially in
  35 a log-like structure, thereby speeding up  both file writing and crash recovery.
  36 The log is the only structure on disk; it contains indexing information so that
  37 files can be read back from the log efficiently. In order to maintain large free
  38 areas on disk for fast writing, we divide  the log into segments and use a
  39 segment cleaner to compress the live information from heavily fragmented
  40 segments." from Rosenblum, M. and Ousterhout, J. K., 1992, "The design and
  41 implementation of a log-structured file system", ACM Trans. Computer Systems
  42 10, 1, 26–52.
  43
  44 Wandering Tree Problem
  45 ----------------------
  46 In LFS, when a file data is updated and written to the end of log, its direct
  47 pointer block is updated due to the changed location. Then the indirect pointer
  48 block is also updated due to the direct pointer block update. In this manner,
  49 the upper index structures such as inode, inode map, and checkpoint block are
  50 also updated recursively. This problem is called as wandering tree problem [1],
  51 and in order to enhance the performance, it should eliminate or relax the update
  52 propagation as much as possible.
  53
  54 [1] Bityutskiy, A. 2005. JFFS3 design issues. http://www.linux-mtd.infradead.org/
  55
  56 Cleaning Overhead
  57 -----------------
  58 Since LFS is based on out-of-place writes, it produces so many obsolete blocks
  59 scattered across the whole storage. In order to serve new empty log space, it
  60 needs to reclaim these obsolete blocks seamlessly to users. This job is called
  61 as a cleaning process.
  62
  63 The process consists of three operations as follows.
  64 1. A victim segment is selected through referencing segment usage table.
  65 2. It loads parent index structures of all the data in the victim identified by
  66    segment summary blocks.
  67 3. It checks the cross-reference between the data and its parent index structure.
  68 4. It moves valid data selectively.
  69
  70 This cleaning job may cause unexpected long delays, so the most important goal
  71 is to hide the latencies to users. And also definitely, it should reduce the
  72 amount of valid data to be moved, and move them quickly as well.
  73
  74 ================================================================================
  75 KEY FEATURES
  76 ================================================================================
  77
  78 Flash Awareness
  79 ---------------
  80 - Enlarge the random write area for better performance, but provide the high
  81   spatial locality
  82 - Align FS data structures to the operational units in FTL as best efforts
  83
  84 Wandering Tree Problem
  85 ----------------------
  86 - Use a term, “node”, that represents inodes as well as various pointer blocks
  87 - Introduce Node Address Table (NAT) containing the locations of all the “node”
  88   blocks; this will cut off the update propagation.
  89
  90 Cleaning Overhead
  91 -----------------
  92 - Support a background cleaning process
  93 - Support greedy and cost-benefit algorithms for victim selection policies
  94 - Support multi-head logs for static/dynamic hot and cold data separation
  95 - Introduce adaptive logging for efficient block allocation
  96
  97 ================================================================================
  98 MOUNT OPTIONS
  99 ================================================================================
 100
 101 background_gc=%s       Turn on/off cleaning operations, namely garbage
 102                        collection, triggered in background when I/O subsystem is
 103                        idle. If background_gc=on, it will turn on the garbage
 104                        collection and if background_gc=off, garbage collection
 105                        will be truned off.
 106                        Default value for this option is on. So garbage
 107                        collection is on by default.
 108 disable_roll_forward   Disable the roll-forward recovery routine
 109 discard                Issue discard/TRIM commands when a segment is cleaned.
 110 no_heap                Disable heap-style segment allocation which finds free
 111                        segments for data from the beginning of main area, while
 112                        for node from the end of main area.
 113 nouser_xattr           Disable Extended User Attributes. Note: xattr is enabled
 114                        by default if CONFIG_F2FS_FS_XATTR is selected.
 115 noacl                  Disable POSIX Access Control List. Note: acl is enabled
 116                        by default if CONFIG_F2FS_FS_POSIX_ACL is selected.
 117 active_logs=%u         Support configuring the number of active logs. In the
 118                        current design, f2fs supports only 2, 4, and 6 logs.
 119                        Default number is 6.
 120 disable_ext_identify   Disable the extension list configured by mkfs, so f2fs
 121                        does not aware of cold files such as media files.
 122 inline_xattr           Enable the inline xattrs feature.
 123 inline_data            Enable the inline data feature: New created small(<~3.4k)
 124                        files can be written into inode block.
 125 flush_merge            Merge concurrent cache_flush commands as much as possible
 126                        to eliminate redundant command issues. If the underlying
 127                        device handles the cache_flush command relatively slowly,
 128                        recommend to enable this option.
 129 nobarrier              This option can be used if underlying storage guarantees
 130                        its cached data should be written to the novolatile area.
 131                        If this option is set, no cache_flush commands are issued
 132                        but f2fs still guarantees the write ordering of all the
 133                        data writes.
 134
 135 ================================================================================
 136 DEBUGFS ENTRIES
 137 ================================================================================
 138
 139 /sys/kernel/debug/f2fs/ contains information about all the partitions mounted as
 140 f2fs. Each file shows the whole f2fs information.
 141
 142 /sys/kernel/debug/f2fs/status includes:
 143  - major file system information managed by f2fs currently
 144  - average SIT information about whole segments
 145  - current memory footprint consumed by f2fs.
 146
 147 ================================================================================
 148 SYSFS ENTRIES
 149 ================================================================================
 150
 151 Information about mounted f2f2 file systems can be found in
 152 /sys/fs/f2fs.  Each mounted filesystem will have a directory in
 153 /sys/fs/f2fs based on its device name (i.e., /sys/fs/f2fs/sda).
 154 The files in each per-device directory are shown in table below.
 155
 156 Files in /sys/fs/f2fs/<devname>
 157 (see also Documentation/ABI/testing/sysfs-fs-f2fs)
 158 ..............................................................................
 159  File                         Content
 160
 161  gc_max_sleep_time            This tuning parameter controls the maximum sleep
 162                               time for the garbage collection thread. Time is
 163                               in milliseconds.
 164
 165  gc_min_sleep_time            This tuning parameter controls the minimum sleep
 166                               time for the garbage collection thread. Time is
 167                               in milliseconds.
 168
 169  gc_no_gc_sleep_time          This tuning parameter controls the default sleep
 170                               time for the garbage collection thread. Time is
 171                               in milliseconds.
 172
 173  gc_idle                      This parameter controls the selection of victim
 174                               policy for garbage collection. Setting gc_idle = 0
 175                               (default) will disable this option. Setting
 176                               gc_idle = 1 will select the Cost Benefit approach
 177                               & setting gc_idle = 2 will select the greedy aproach.
 178
 179  reclaim_segments             This parameter controls the number of prefree
 180                               segments to be reclaimed. If the number of prefree
 181                               segments is larger than the number of segments
 182                               in the proportion to the percentage over total
 183                               volume size, f2fs tries to conduct checkpoint to
 184                               reclaim the prefree segments to free segments.
 185                               By default, 5% over total # of segments.
 186
 187  max_small_discards           This parameter controls the number of discard
 188                               commands that consist small blocks less than 2MB.
 189                               The candidates to be discarded are cached until
 190                               checkpoint is triggered, and issued during the
 191                               checkpoint. By default, it is disabled with 0.
 192
 193  ipu_policy                   This parameter controls the policy of in-place
 194                               updates in f2fs. There are five policies:
 195                                0: F2FS_IPU_FORCE, 1: F2FS_IPU_SSR,
 196                                2: F2FS_IPU_UTIL,  3: F2FS_IPU_SSR_UTIL,
 197                                4: F2FS_IPU_DISABLE.
 198
 199  min_ipu_util                 This parameter controls the threshold to trigger
 200                               in-place-updates. The number indicates percentage
 201                               of the filesystem utilization, and used by
 202                               F2FS_IPU_UTIL and F2FS_IPU_SSR_UTIL policies.
 203
 204  max_victim_search            This parameter controls the number of trials to
 205                               find a victim segment when conducting SSR and
 206                               cleaning operations. The default value is 4096
 207                               which covers 8GB block address range.
 208
 209  dir_level                    This parameter controls the directory level to
 210                               support large directory. If a directory has a
 211                               number of files, it can reduce the file lookup
 212                               latency by increasing this dir_level value.
 213                               Otherwise, it needs to decrease this value to
 214                               reduce the space overhead. The default value is 0.
 215
 216  ram_thresh                   This parameter controls the memory footprint used
 217                               by free nids and cached nat entries. By default,
 218                               10 is set, which indicates 10 MB / 1 GB RAM.
 219
 220 ================================================================================
 221 USAGE
 222 ================================================================================
 223
 224 1. Download userland tools and compile them.
 225
 226 2. Skip, if f2fs was compiled statically inside kernel.
 227    Otherwise, insert the f2fs.ko module.
 228  # insmod f2fs.ko
 229
 230 3. Create a directory trying to mount
 231  # mkdir /mnt/f2fs
 232
 233 4. Format the block device, and then mount as f2fs
 234  # mkfs.f2fs -l label /dev/block_device
 235  # mount -t f2fs /dev/block_device /mnt/f2fs
 236
 237 mkfs.f2fs
 238 ---------
 239 The mkfs.f2fs is for the use of formatting a partition as the f2fs filesystem,
 240 which builds a basic on-disk layout.
 241
 242 The options consist of:
 243 -l [label]   : Give a volume label, up to 512 unicode name.
 244 -a [0 or 1]  : Split start location of each area for heap-based allocation.
 245                1 is set by default, which performs this.
 246 -o [int]     : Set overprovision ratio in percent over volume size.
 247                5 is set by default.
 248 -s [int]     : Set the number of segments per section.
 249                1 is set by default.
 250 -z [int]     : Set the number of sections per zone.
 251                1 is set by default.
 252 -e [str]     : Set basic extension list. e.g. "mp3,gif,mov"
 253 -t [0 or 1]  : Disable discard command or not.
 254                1 is set by default, which conducts discard.
 255
 256 fsck.f2fs
 257 ---------
 258 The fsck.f2fs is a tool to check the consistency of an f2fs-formatted
 259 partition, which examines whether the filesystem metadata and user-made data
 260 are cross-referenced correctly or not.
 261 Note that, initial version of the tool does not fix any inconsistency.
 262
 263 The options consist of:
 264   -d debug level [default:0]
 265
 266 dump.f2fs
 267 ---------
 268 The dump.f2fs shows the information of specific inode and dumps SSA and SIT to
 269 file. Each file is dump_ssa and dump_sit.
 270
 271 The dump.f2fs is used to debug on-disk data structures of the f2fs filesystem.
 272 It shows on-disk inode information reconized by a given inode number, and is
 273 able to dump all the SSA and SIT entries into predefined files, ./dump_ssa and
 274 ./dump_sit respectively.
 275
 276 The options consist of:
 277   -d debug level [default:0]
 278   -i inode no (hex)
 279   -s [SIT dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
 280   -a [SSA dump segno from #1~#2 (decimal), for all 0~-1]
 281
 282 Examples:
 283 # dump.f2fs -i [ino] /dev/sdx
 284 # dump.f2fs -s 0~-1 /dev/sdx (SIT dump)
 285 # dump.f2fs -a 0~-1 /dev/sdx (SSA dump)
 286
 287 ================================================================================
 288 DESIGN
 289 ================================================================================
 290
 291 On-disk Layout
 292 --------------
 293
 294 F2FS divides the whole volume into a number of segments, each of which is fixed
 295 to 2MB in size. A section is composed of consecutive segments, and a zone
 296 consists of a set of sections. By default, section and zone sizes are set to one
 297 segment size identically, but users can easily modify the sizes by mkfs.
 298
 299 F2FS splits the entire volume into six areas, and all the areas except superblock
 300 consists of multiple segments as described below.
 301
 302                                             align with the zone size <-|
 303                  |-> align with the segment size
 304      _________________________________________________________________________
 305     |            |            |   Segment   |    Node     |   Segment  |      |
 306     | Superblock | Checkpoint |    Info.    |   Address   |   Summary  | Main |
 307     |    (SB)    |   (CP)     | Table (SIT) | Table (NAT) | Area (SSA) |      |
 308     |____________|_____2______|______N______|______N______|______N_____|__N___|
 309                                                                        .      .
 310                                                              .                .
 311                                                  .                            .
 312                                     ._________________________________________.
 313                                     |_Segment_|_..._|_Segment_|_..._|_Segment_|
 314                                     .           .
 315                                     ._________._________
 316                                     |_section_|__...__|_
 317                                     .            .
 318                                     .________.
 319                                     |__zone__|
 320
 321 - Superblock (SB)
 322  : It is located at the beginning of the partition, and there exist two copies
 323    to avoid file system crash. It contains basic partition information and some
 324    default parameters of f2fs.
 325
 326 - Checkpoint (CP)
 327  : It contains file system information, bitmaps for valid NAT/SIT sets, orphan
 328    inode lists, and summary entries of current active segments.
 329
 330 - Segment Information Table (SIT)
 331  : It contains segment information such as valid block count and bitmap for the
 332    validity of all the blocks.
 333
 334 - Node Address Table (NAT)
 335  : It is composed of a block address table for all the node blocks stored in
 336    Main area.
 337
 338 - Segment Summary Area (SSA)
 339  : It contains summary entries which contains the owner information of all the
 340    data and node blocks stored in Main area.
 341
 342 - Main Area
 343  : It contains file and directory data including their indices.
 344
 345 In order to avoid misalignment between file system and flash-based storage, F2FS
 346 aligns the start block address of CP with the segment size. Also, it aligns the
 347 start block address of Main area with the zone size by reserving some segments
 348 in SSA area.
 349
 350 Reference the following survey for additional technical details.
 351 https://wiki.linaro.org/WorkingGroups/Kernel/Projects/FlashCardSurvey
 352
 353 File System Metadata Structure
 354 ------------------------------
 355
 356 F2FS adopts the checkpointing scheme to maintain file system consistency. At
 357 mount time, F2FS first tries to find the last valid checkpoint data by scanning
 358 CP area. In order to reduce the scanning time, F2FS uses only two copies of CP.
 359 One of them always indicates the last valid data, which is called as shadow copy
 360 mechanism. In addition to CP, NAT and SIT also adopt the shadow copy mechanism.
 361
 362 For file system consistency, each CP points to which NAT and SIT copies are
 363 valid, as shown as below.
 364
 365   +--------+----------+---------+
 366   |   CP   |    SIT   |   NAT   |
 367   +--------+----------+---------+
 368   .         .          .          .
 369   .            .              .              .
 370   .               .                 .                 .
 371   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
 372   | CP #0 | CP #1 | SIT #0 | SIT #1 | NAT #0 | NAT #1 |
 373   +-------+-------+--------+--------+--------+--------+
 374      |             ^                          ^
 375      |             |                          |
 376      `----------------------------------------'
 377
 378 Index Structure
 379 ---------------
 380
 381 The key data structure to manage the data locations is a "node". Similar to
 382 traditional file structures, F2FS has three types of node: inode, direct node,
 383 indirect node. F2FS assigns 4KB to an inode block which contains 923 data block
 384 indices, two direct node pointers, two indirect node pointers, and one double
 385 indirect node pointer as described below. One direct node block contains 1018
 386 data blocks, and one indirect node block contains also 1018 node blocks. Thus,
 387 one inode block (i.e., a file) covers:
 388
 389   4KB * (923 + 2 * 1018 + 2 * 1018 * 1018 + 1018 * 1018 * 1018) := 3.94TB.
 390
 391    Inode block (4KB)
 392      |- data (923)
 393      |- direct node (2)
 394      |          `- data (1018)
 395      |- indirect node (2)
 396      |            `- direct node (1018)
 397      |                       `- data (1018)
 398      `- double indirect node (1)
 399                          `- indirect node (1018)
 400                                       `- direct node (1018)
 401                                                  `- data (1018)
 402
 403 Note that, all the node blocks are mapped by NAT which means the location of
 404 each node is translated by the NAT table. In the consideration of the wandering
 405 tree problem, F2FS is able to cut off the propagation of node updates caused by
 406 leaf data writes.
 407
 408 Directory Structure
 409 -------------------
 410
 411 A directory entry occupies 11 bytes, which consists of the following attributes.
 412
 413 - hash          hash value of the file name
 414 - ino           inode number
 415 - len           the length of file name
 416 - type          file type such as directory, symlink, etc
 417
 418 A dentry block consists of 214 dentry slots and file names. Therein a bitmap is
 419 used to represent whether each dentry is valid or not. A dentry block occupies
 420 4KB with the following composition.
 421
 422   Dentry Block(4 K) = bitmap (27 bytes) + reserved (3 bytes) +
 423                       dentries(11 * 214 bytes) + file name (8 * 214 bytes)
 424
 425                          [Bucket]
 426              +--------------------------------+
 427              |dentry block 1 | dentry block 2 |
 428              +--------------------------------+
 429              .               .
 430        .                             .
 431   .       [Dentry Block Structure: 4KB]       .
 432   +--------+----------+----------+------------+
 433   | bitmap | reserved | dentries | file names |
 434   +--------+----------+----------+------------+
 435   [Dentry Block: 4KB] .   .
 436                  .               .
 437             .                          .
 438             +------+------+-----+------+
 439             | hash | ino  | len | type |
 440             +------+------+-----+------+
 441             [Dentry Structure: 11 bytes]
 442
 443 F2FS implements multi-level hash tables for directory structure. Each level has
 444 a hash table with dedicated number of hash buckets as shown below. Note that
 445 "A(2B)" means a bucket includes 2 data blocks.
 446
 447 ----------------------
 448 A : bucket
 449 B : block
 450 N : MAX_DIR_HASH_DEPTH
 451 ----------------------
 452
 453 level #0   | A(2B)
 454            |
 455 level #1   | A(2B) - A(2B)
 456            |
 457 level #2   | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B)
 458      .     |   .       .       .       .
 459 level #N/2 | A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - A(2B) - ... - A(2B)
 460      .     |   .       .       .       .
 461 level #N   | A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - A(4B) - ... - A(4B)
 462
 463 The number of blocks and buckets are determined by,
 464
 465                             ,- 2, if n < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
 466   # of blocks in level #n = |
 467                             `- 4, Otherwise
 468
 469                              ,- 2^(n + dir_level),
 470                              |        if n + dir_level < MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2,
 471   # of buckets in level #n = |
 472                              `- 2^((MAX_DIR_HASH_DEPTH / 2) - 1),
 473                                       Otherwise
 474
 475 When F2FS finds a file name in a directory, at first a hash value of the file
 476 name is calculated. Then, F2FS scans the hash table in level #0 to find the
 477 dentry consisting of the file name and its inode number. If not found, F2FS
 478 scans the next hash table in level #1. In this way, F2FS scans hash tables in
 479 each levels incrementally from 1 to N. In each levels F2FS needs to scan only
 480 one bucket determined by the following equation, which shows O(log(# of files))
 481 complexity.
 482
 483   bucket number to scan in level #n = (hash value) % (# of buckets in level #n)
 484
 485 In the case of file creation, F2FS finds empty consecutive slots that cover the
 486 file name. F2FS searches the empty slots in the hash tables of whole levels from
 487 1 to N in the same way as the lookup operation.
 488
 489 The following figure shows an example of two cases holding children.
 490        --------------> Dir <--------------
 491        |                                 |
 492     child                             child
 493
 494     child - child                     [hole] - child
 495
 496     child - child - child             [hole] - [hole] - child
 497
 498    Case 1:                           Case 2:
 499    Number of children = 6,           Number of children = 3,
 500    File size = 7                     File size = 7
 501
 502 Default Block Allocation
 503 ------------------------
 504
 505 At runtime, F2FS manages six active logs inside "Main" area: Hot/Warm/Cold node
 506 and Hot/Warm/Cold data.
 507
 508 - Hot node      contains direct node blocks of directories.
 509 - Warm node     contains direct node blocks except hot node blocks.
 510 - Cold node     contains indirect node blocks
 511 - Hot data      contains dentry blocks
 512 - Warm data     contains data blocks except hot and cold data blocks
 513 - Cold data     contains multimedia data or migrated data blocks
 514
 515 LFS has two schemes for free space management: threaded log and copy-and-compac-
 516 tion. The copy-and-compaction scheme which is known as cleaning, is well-suited
 517 for devices showing very good sequential write performance, since free segments
 518 are served all the time for writing new data. However, it suffers from cleaning
 519 overhead under high utilization. Contrarily, the threaded log scheme suffers
 520 from random writes, but no cleaning process is needed. F2FS adopts a hybrid
 521 scheme where the copy-and-compaction scheme is adopted by default, but the
 522 policy is dynamically changed to the threaded log scheme according to the file
 523 system status.
 524
 525 In order to align F2FS with underlying flash-based storage, F2FS allocates a
 526 segment in a unit of section. F2FS expects that the section size would be the
 527 same as the unit size of garbage collection in FTL. Furthermore, with respect
 528 to the mapping granularity in FTL, F2FS allocates each section of the active
 529 logs from different zones as much as possible, since FTL can write the data in
 530 the active logs into one allocation unit according to its mapping granularity.
 531
 532 Cleaning process
 533 ----------------
 534
 535 F2FS does cleaning both on demand and in the background. On-demand cleaning is
 536 triggered when there are not enough free segments to serve VFS calls. Background
 537 cleaner is operated by a kernel thread, and triggers the cleaning job when the
 538 system is idle.
 539
 540 F2FS supports two victim selection policies: greedy and cost-benefit algorithms.
 541 In the greedy algorithm, F2FS selects a victim segment having the smallest number
 542 of valid blocks. In the cost-benefit algorithm, F2FS selects a victim segment
 543 according to the segment age and the number of valid blocks in order to address
 544 log block thrashing problem in the greedy algorithm. F2FS adopts the greedy
 545 algorithm for on-demand cleaner, while background cleaner adopts cost-benefit
 546 algorithm.
 547
 548 In order to identify whether the data in the victim segment are valid or not,
 549 F2FS manages a bitmap. Each bit represents the validity of a block, and the
 550 bitmap is composed of a bit stream covering whole blocks in main area.