Merge branch 'for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jikos/hid
[cascardo/linux.git] / Documentation / filesystems / vfs.txt
1
2               Overview of the Linux Virtual File System
3
4         Original author: Richard Gooch <rgooch@atnf.csiro.au>
5
6                   Last updated on June 24, 2007.
7
8   Copyright (C) 1999 Richard Gooch
9   Copyright (C) 2005 Pekka Enberg
10
11   This file is released under the GPLv2.
12
13
14 Introduction
15 ============
16
17 The Virtual File System (also known as the Virtual Filesystem Switch)
18 is the software layer in the kernel that provides the filesystem
19 interface to userspace programs. It also provides an abstraction
20 within the kernel which allows different filesystem implementations to
21 coexist.
22
23 VFS system calls open(2), stat(2), read(2), write(2), chmod(2) and so
24 on are called from a process context. Filesystem locking is described
25 in the document Documentation/filesystems/Locking.
26
27
28 Directory Entry Cache (dcache)
29 ------------------------------
30
31 The VFS implements the open(2), stat(2), chmod(2), and similar system
32 calls. The pathname argument that is passed to them is used by the VFS
33 to search through the directory entry cache (also known as the dentry
34 cache or dcache). This provides a very fast look-up mechanism to
35 translate a pathname (filename) into a specific dentry. Dentries live
36 in RAM and are never saved to disc: they exist only for performance.
37
38 The dentry cache is meant to be a view into your entire filespace. As
39 most computers cannot fit all dentries in the RAM at the same time,
40 some bits of the cache are missing. In order to resolve your pathname
41 into a dentry, the VFS may have to resort to creating dentries along
42 the way, and then loading the inode. This is done by looking up the
43 inode.
44
45
46 The Inode Object
47 ----------------
48
49 An individual dentry usually has a pointer to an inode. Inodes are
50 filesystem objects such as regular files, directories, FIFOs and other
51 beasts.  They live either on the disc (for block device filesystems)
52 or in the memory (for pseudo filesystems). Inodes that live on the
53 disc are copied into the memory when required and changes to the inode
54 are written back to disc. A single inode can be pointed to by multiple
55 dentries (hard links, for example, do this).
56
57 To look up an inode requires that the VFS calls the lookup() method of
58 the parent directory inode. This method is installed by the specific
59 filesystem implementation that the inode lives in. Once the VFS has
60 the required dentry (and hence the inode), we can do all those boring
61 things like open(2) the file, or stat(2) it to peek at the inode
62 data. The stat(2) operation is fairly simple: once the VFS has the
63 dentry, it peeks at the inode data and passes some of it back to
64 userspace.
65
66
67 The File Object
68 ---------------
69
70 Opening a file requires another operation: allocation of a file
71 structure (this is the kernel-side implementation of file
72 descriptors). The freshly allocated file structure is initialized with
73 a pointer to the dentry and a set of file operation member functions.
74 These are taken from the inode data. The open() file method is then
75 called so the specific filesystem implementation can do its work. You
76 can see that this is another switch performed by the VFS. The file
77 structure is placed into the file descriptor table for the process.
78
79 Reading, writing and closing files (and other assorted VFS operations)
80 is done by using the userspace file descriptor to grab the appropriate
81 file structure, and then calling the required file structure method to
82 do whatever is required. For as long as the file is open, it keeps the
83 dentry in use, which in turn means that the VFS inode is still in use.
84
85
86 Registering and Mounting a Filesystem
87 =====================================
88
89 To register and unregister a filesystem, use the following API
90 functions:
91
92    #include <linux/fs.h>
93
94    extern int register_filesystem(struct file_system_type *);
95    extern int unregister_filesystem(struct file_system_type *);
96
97 The passed struct file_system_type describes your filesystem. When a
98 request is made to mount a filesystem onto a directory in your namespace,
99 the VFS will call the appropriate mount() method for the specific
100 filesystem.  New vfsmount referring to the tree returned by ->mount()
101 will be attached to the mountpoint, so that when pathname resolution
102 reaches the mountpoint it will jump into the root of that vfsmount.
103
104 You can see all filesystems that are registered to the kernel in the
105 file /proc/filesystems.
106
107
108 struct file_system_type
109 -----------------------
110
111 This describes the filesystem. As of kernel 2.6.39, the following
112 members are defined:
113
114 struct file_system_type {
115         const char *name;
116         int fs_flags;
117         struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
118                        const char *, void *);
119         void (*kill_sb) (struct super_block *);
120         struct module *owner;
121         struct file_system_type * next;
122         struct list_head fs_supers;
123         struct lock_class_key s_lock_key;
124         struct lock_class_key s_umount_key;
125 };
126
127   name: the name of the filesystem type, such as "ext2", "iso9660",
128         "msdos" and so on
129
130   fs_flags: various flags (i.e. FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE, etc.)
131
132   mount: the method to call when a new instance of this
133         filesystem should be mounted
134
135   kill_sb: the method to call when an instance of this filesystem
136         should be shut down
137
138   owner: for internal VFS use: you should initialize this to THIS_MODULE in
139         most cases.
140
141   next: for internal VFS use: you should initialize this to NULL
142
143   s_lock_key, s_umount_key: lockdep-specific
144
145 The mount() method has the following arguments:
146
147   struct file_system_type *fs_type: describes the filesystem, partly initialized
148         by the specific filesystem code
149
150   int flags: mount flags
151
152   const char *dev_name: the device name we are mounting.
153
154   void *data: arbitrary mount options, usually comes as an ASCII
155         string (see "Mount Options" section)
156
157 The mount() method must return the root dentry of the tree requested by
158 caller.  An active reference to its superblock must be grabbed and the
159 superblock must be locked.  On failure it should return ERR_PTR(error).
160
161 The arguments match those of mount(2) and their interpretation
162 depends on filesystem type.  E.g. for block filesystems, dev_name is
163 interpreted as block device name, that device is opened and if it
164 contains a suitable filesystem image the method creates and initializes
165 struct super_block accordingly, returning its root dentry to caller.
166
167 ->mount() may choose to return a subtree of existing filesystem - it
168 doesn't have to create a new one.  The main result from the caller's
169 point of view is a reference to dentry at the root of (sub)tree to
170 be attached; creation of new superblock is a common side effect.
171
172 The most interesting member of the superblock structure that the
173 mount() method fills in is the "s_op" field. This is a pointer to
174 a "struct super_operations" which describes the next level of the
175 filesystem implementation.
176
177 Usually, a filesystem uses one of the generic mount() implementations
178 and provides a fill_super() callback instead. The generic variants are:
179
180   mount_bdev: mount a filesystem residing on a block device
181
182   mount_nodev: mount a filesystem that is not backed by a device
183
184   mount_single: mount a filesystem which shares the instance between
185         all mounts
186
187 A fill_super() callback implementation has the following arguments:
188
189   struct super_block *sb: the superblock structure. The callback
190         must initialize this properly.
191
192   void *data: arbitrary mount options, usually comes as an ASCII
193         string (see "Mount Options" section)
194
195   int silent: whether or not to be silent on error
196
197
198 The Superblock Object
199 =====================
200
201 A superblock object represents a mounted filesystem.
202
203
204 struct super_operations
205 -----------------------
206
207 This describes how the VFS can manipulate the superblock of your
208 filesystem. As of kernel 2.6.22, the following members are defined:
209
210 struct super_operations {
211         struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
212         void (*destroy_inode)(struct inode *);
213
214         void (*dirty_inode) (struct inode *, int flags);
215         int (*write_inode) (struct inode *, int);
216         void (*drop_inode) (struct inode *);
217         void (*delete_inode) (struct inode *);
218         void (*put_super) (struct super_block *);
219         int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
220         int (*freeze_fs) (struct super_block *);
221         int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);
222         int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
223         int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
224         void (*clear_inode) (struct inode *);
225         void (*umount_begin) (struct super_block *);
226
227         int (*show_options)(struct seq_file *, struct dentry *);
228
229         ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
230         ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
231         int (*nr_cached_objects)(struct super_block *);
232         void (*free_cached_objects)(struct super_block *, int);
233 };
234
235 All methods are called without any locks being held, unless otherwise
236 noted. This means that most methods can block safely. All methods are
237 only called from a process context (i.e. not from an interrupt handler
238 or bottom half).
239
240   alloc_inode: this method is called by alloc_inode() to allocate memory
241         for struct inode and initialize it.  If this function is not
242         defined, a simple 'struct inode' is allocated.  Normally
243         alloc_inode will be used to allocate a larger structure which
244         contains a 'struct inode' embedded within it.
245
246   destroy_inode: this method is called by destroy_inode() to release
247         resources allocated for struct inode.  It is only required if
248         ->alloc_inode was defined and simply undoes anything done by
249         ->alloc_inode.
250
251   dirty_inode: this method is called by the VFS to mark an inode dirty.
252
253   write_inode: this method is called when the VFS needs to write an
254         inode to disc.  The second parameter indicates whether the write
255         should be synchronous or not, not all filesystems check this flag.
256
257   drop_inode: called when the last access to the inode is dropped,
258         with the inode->i_lock spinlock held.
259
260         This method should be either NULL (normal UNIX filesystem
261         semantics) or "generic_delete_inode" (for filesystems that do not
262         want to cache inodes - causing "delete_inode" to always be
263         called regardless of the value of i_nlink)
264
265         The "generic_delete_inode()" behavior is equivalent to the
266         old practice of using "force_delete" in the put_inode() case,
267         but does not have the races that the "force_delete()" approach
268         had. 
269
270   delete_inode: called when the VFS wants to delete an inode
271
272   put_super: called when the VFS wishes to free the superblock
273         (i.e. unmount). This is called with the superblock lock held
274
275   sync_fs: called when VFS is writing out all dirty data associated with
276         a superblock. The second parameter indicates whether the method
277         should wait until the write out has been completed. Optional.
278
279   freeze_fs: called when VFS is locking a filesystem and
280         forcing it into a consistent state.  This method is currently
281         used by the Logical Volume Manager (LVM).
282
283   unfreeze_fs: called when VFS is unlocking a filesystem and making it writable
284         again.
285
286   statfs: called when the VFS needs to get filesystem statistics.
287
288   remount_fs: called when the filesystem is remounted. This is called
289         with the kernel lock held
290
291   clear_inode: called then the VFS clears the inode. Optional
292
293   umount_begin: called when the VFS is unmounting a filesystem.
294
295   show_options: called by the VFS to show mount options for
296         /proc/<pid>/mounts.  (see "Mount Options" section)
297
298   quota_read: called by the VFS to read from filesystem quota file.
299
300   quota_write: called by the VFS to write to filesystem quota file.
301
302   nr_cached_objects: called by the sb cache shrinking function for the
303         filesystem to return the number of freeable cached objects it contains.
304         Optional.
305
306   free_cache_objects: called by the sb cache shrinking function for the
307         filesystem to scan the number of objects indicated to try to free them.
308         Optional, but any filesystem implementing this method needs to also
309         implement ->nr_cached_objects for it to be called correctly.
310
311         We can't do anything with any errors that the filesystem might
312         encountered, hence the void return type. This will never be called if
313         the VM is trying to reclaim under GFP_NOFS conditions, hence this
314         method does not need to handle that situation itself.
315
316         Implementations must include conditional reschedule calls inside any
317         scanning loop that is done. This allows the VFS to determine
318         appropriate scan batch sizes without having to worry about whether
319         implementations will cause holdoff problems due to large scan batch
320         sizes.
321
322 Whoever sets up the inode is responsible for filling in the "i_op" field. This
323 is a pointer to a "struct inode_operations" which describes the methods that
324 can be performed on individual inodes.
325
326 struct xattr_handlers
327 ---------------------
328
329 On filesystems that support extended attributes (xattrs), the s_xattr
330 superblock field points to a NULL-terminated array of xattr handlers.  Extended
331 attributes are name:value pairs.
332
333   name: Indicates that the handler matches attributes with the specified name
334         (such as "system.posix_acl_access"); the prefix field must be NULL.
335
336   prefix: Indicates that the handler matches all attributes with the specified
337         name prefix (such as "user."); the name field must be NULL.
338
339   list: Determine if attributes matching this xattr handler should be listed
340         for a particular dentry.  Used by some listxattr implementations like
341         generic_listxattr.
342
343   get: Called by the VFS to get the value of a particular extended attribute.
344         This method is called by the getxattr(2) system call.
345
346   set: Called by the VFS to set the value of a particular extended attribute.
347         When the new value is NULL, called to remove a particular extended
348         attribute.  This method is called by the the setxattr(2) and
349         removexattr(2) system calls.
350
351 When none of the xattr handlers of a filesystem match the specified attribute
352 name or when a filesystem doesn't support extended attributes, the various
353 *xattr(2) system calls return -EOPNOTSUPP.
354
355
356 The Inode Object
357 ================
358
359 An inode object represents an object within the filesystem.
360
361
362 struct inode_operations
363 -----------------------
364
365 This describes how the VFS can manipulate an inode in your
366 filesystem. As of kernel 2.6.22, the following members are defined:
367
368 struct inode_operations {
369         int (*create) (struct inode *,struct dentry *, umode_t, bool);
370         struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, unsigned int);
371         int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
372         int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
373         int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
374         int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,umode_t);
375         int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
376         int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,umode_t,dev_t);
377         int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
378                         struct inode *, struct dentry *, unsigned int);
379         int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);
380         const char *(*get_link) (struct dentry *, struct inode *,
381                                  struct delayed_call *);
382         int (*permission) (struct inode *, int);
383         int (*get_acl)(struct inode *, int);
384         int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
385         int (*getattr) (struct vfsmount *mnt, struct dentry *, struct kstat *);
386         ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
387         void (*update_time)(struct inode *, struct timespec *, int);
388         int (*atomic_open)(struct inode *, struct dentry *, struct file *,
389                         unsigned open_flag, umode_t create_mode, int *opened);
390         int (*tmpfile) (struct inode *, struct dentry *, umode_t);
391 };
392
393 Again, all methods are called without any locks being held, unless
394 otherwise noted.
395
396   create: called by the open(2) and creat(2) system calls. Only
397         required if you want to support regular files. The dentry you
398         get should not have an inode (i.e. it should be a negative
399         dentry). Here you will probably call d_instantiate() with the
400         dentry and the newly created inode
401
402   lookup: called when the VFS needs to look up an inode in a parent
403         directory. The name to look for is found in the dentry. This
404         method must call d_add() to insert the found inode into the
405         dentry. The "i_count" field in the inode structure should be
406         incremented. If the named inode does not exist a NULL inode
407         should be inserted into the dentry (this is called a negative
408         dentry). Returning an error code from this routine must only
409         be done on a real error, otherwise creating inodes with system
410         calls like create(2), mknod(2), mkdir(2) and so on will fail.
411         If you wish to overload the dentry methods then you should
412         initialise the "d_dop" field in the dentry; this is a pointer
413         to a struct "dentry_operations".
414         This method is called with the directory inode semaphore held
415
416   link: called by the link(2) system call. Only required if you want
417         to support hard links. You will probably need to call
418         d_instantiate() just as you would in the create() method
419
420   unlink: called by the unlink(2) system call. Only required if you
421         want to support deleting inodes
422
423   symlink: called by the symlink(2) system call. Only required if you
424         want to support symlinks. You will probably need to call
425         d_instantiate() just as you would in the create() method
426
427   mkdir: called by the mkdir(2) system call. Only required if you want
428         to support creating subdirectories. You will probably need to
429         call d_instantiate() just as you would in the create() method
430
431   rmdir: called by the rmdir(2) system call. Only required if you want
432         to support deleting subdirectories
433
434   mknod: called by the mknod(2) system call to create a device (char,
435         block) inode or a named pipe (FIFO) or socket. Only required
436         if you want to support creating these types of inodes. You
437         will probably need to call d_instantiate() just as you would
438         in the create() method
439
440   rename: called by the rename(2) system call to rename the object to
441         have the parent and name given by the second inode and dentry.
442
443         The filesystem must return -EINVAL for any unsupported or
444         unknown flags.  Currently the following flags are implemented:
445         (1) RENAME_NOREPLACE: this flag indicates that if the target
446         of the rename exists the rename should fail with -EEXIST
447         instead of replacing the target.  The VFS already checks for
448         existence, so for local filesystems the RENAME_NOREPLACE
449         implementation is equivalent to plain rename.
450         (2) RENAME_EXCHANGE: exchange source and target.  Both must
451         exist; this is checked by the VFS.  Unlike plain rename,
452         source and target may be of different type.
453
454   readlink: called by the readlink(2) system call. Only required if
455         you want to support reading symbolic links
456
457   get_link: called by the VFS to follow a symbolic link to the
458         inode it points to.  Only required if you want to support
459         symbolic links.  This method returns the symlink body
460         to traverse (and possibly resets the current position with
461         nd_jump_link()).  If the body won't go away until the inode
462         is gone, nothing else is needed; if it needs to be otherwise
463         pinned, arrange for its release by having get_link(..., ..., done)
464         do set_delayed_call(done, destructor, argument).
465         In that case destructor(argument) will be called once VFS is
466         done with the body you've returned.
467         May be called in RCU mode; that is indicated by NULL dentry
468         argument.  If request can't be handled without leaving RCU mode,
469         have it return ERR_PTR(-ECHILD).
470
471   permission: called by the VFS to check for access rights on a POSIX-like
472         filesystem.
473
474         May be called in rcu-walk mode (mask & MAY_NOT_BLOCK). If in rcu-walk
475         mode, the filesystem must check the permission without blocking or
476         storing to the inode.
477
478         If a situation is encountered that rcu-walk cannot handle, return
479         -ECHILD and it will be called again in ref-walk mode.
480
481   setattr: called by the VFS to set attributes for a file. This method
482         is called by chmod(2) and related system calls.
483
484   getattr: called by the VFS to get attributes of a file. This method
485         is called by stat(2) and related system calls.
486
487   listxattr: called by the VFS to list all extended attributes for a
488         given file. This method is called by the listxattr(2) system call.
489
490   update_time: called by the VFS to update a specific time or the i_version of
491         an inode.  If this is not defined the VFS will update the inode itself
492         and call mark_inode_dirty_sync.
493
494   atomic_open: called on the last component of an open.  Using this optional
495         method the filesystem can look up, possibly create and open the file in
496         one atomic operation.  If it cannot perform this (e.g. the file type
497         turned out to be wrong) it may signal this by returning 1 instead of
498         usual 0 or -ve .  This method is only called if the last component is
499         negative or needs lookup.  Cached positive dentries are still handled by
500         f_op->open().  If the file was created, the FILE_CREATED flag should be
501         set in "opened".  In case of O_EXCL the method must only succeed if the
502         file didn't exist and hence FILE_CREATED shall always be set on success.
503
504   tmpfile: called in the end of O_TMPFILE open().  Optional, equivalent to
505         atomically creating, opening and unlinking a file in given directory.
506
507 The Address Space Object
508 ========================
509
510 The address space object is used to group and manage pages in the page
511 cache.  It can be used to keep track of the pages in a file (or
512 anything else) and also track the mapping of sections of the file into
513 process address spaces.
514
515 There are a number of distinct yet related services that an
516 address-space can provide.  These include communicating memory
517 pressure, page lookup by address, and keeping track of pages tagged as
518 Dirty or Writeback.
519
520 The first can be used independently to the others.  The VM can try to
521 either write dirty pages in order to clean them, or release clean
522 pages in order to reuse them.  To do this it can call the ->writepage
523 method on dirty pages, and ->releasepage on clean pages with
524 PagePrivate set. Clean pages without PagePrivate and with no external
525 references will be released without notice being given to the
526 address_space.
527
528 To achieve this functionality, pages need to be placed on an LRU with
529 lru_cache_add and mark_page_active needs to be called whenever the
530 page is used.
531
532 Pages are normally kept in a radix tree index by ->index. This tree
533 maintains information about the PG_Dirty and PG_Writeback status of
534 each page, so that pages with either of these flags can be found
535 quickly.
536
537 The Dirty tag is primarily used by mpage_writepages - the default
538 ->writepages method.  It uses the tag to find dirty pages to call
539 ->writepage on.  If mpage_writepages is not used (i.e. the address
540 provides its own ->writepages) , the PAGECACHE_TAG_DIRTY tag is
541 almost unused.  write_inode_now and sync_inode do use it (through
542 __sync_single_inode) to check if ->writepages has been successful in
543 writing out the whole address_space.
544
545 The Writeback tag is used by filemap*wait* and sync_page* functions,
546 via filemap_fdatawait_range, to wait for all writeback to complete.
547
548 An address_space handler may attach extra information to a page,
549 typically using the 'private' field in the 'struct page'.  If such
550 information is attached, the PG_Private flag should be set.  This will
551 cause various VM routines to make extra calls into the address_space
552 handler to deal with that data.
553
554 An address space acts as an intermediate between storage and
555 application.  Data is read into the address space a whole page at a
556 time, and provided to the application either by copying of the page,
557 or by memory-mapping the page.
558 Data is written into the address space by the application, and then
559 written-back to storage typically in whole pages, however the
560 address_space has finer control of write sizes.
561
562 The read process essentially only requires 'readpage'.  The write
563 process is more complicated and uses write_begin/write_end or
564 set_page_dirty to write data into the address_space, and writepage
565 and writepages to writeback data to storage.
566
567 Adding and removing pages to/from an address_space is protected by the
568 inode's i_mutex.
569
570 When data is written to a page, the PG_Dirty flag should be set.  It
571 typically remains set until writepage asks for it to be written.  This
572 should clear PG_Dirty and set PG_Writeback.  It can be actually
573 written at any point after PG_Dirty is clear.  Once it is known to be
574 safe, PG_Writeback is cleared.
575
576 Writeback makes use of a writeback_control structure...
577
578 struct address_space_operations
579 -------------------------------
580
581 This describes how the VFS can manipulate mapping of a file to page cache in
582 your filesystem. The following members are defined:
583
584 struct address_space_operations {
585         int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
586         int (*readpage)(struct file *, struct page *);
587         int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
588         int (*set_page_dirty)(struct page *page);
589         int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping,
590                         struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
591         int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
592                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned flags,
593                                 struct page **pagep, void **fsdata);
594         int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
595                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
596                                 struct page *page, void *fsdata);
597         sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
598         void (*invalidatepage) (struct page *, unsigned int, unsigned int);
599         int (*releasepage) (struct page *, int);
600         void (*freepage)(struct page *);
601         ssize_t (*direct_IO)(struct kiocb *, struct iov_iter *iter);
602         /* isolate a page for migration */
603         bool (*isolate_page) (struct page *, isolate_mode_t);
604         /* migrate the contents of a page to the specified target */
605         int (*migratepage) (struct page *, struct page *);
606         /* put migration-failed page back to right list */
607         void (*putback_page) (struct page *);
608         int (*launder_page) (struct page *);
609
610         int (*is_partially_uptodate) (struct page *, unsigned long,
611                                         unsigned long);
612         void (*is_dirty_writeback) (struct page *, bool *, bool *);
613         int (*error_remove_page) (struct mapping *mapping, struct page *page);
614         int (*swap_activate)(struct file *);
615         int (*swap_deactivate)(struct file *);
616 };
617
618   writepage: called by the VM to write a dirty page to backing store.
619       This may happen for data integrity reasons (i.e. 'sync'), or
620       to free up memory (flush).  The difference can be seen in
621       wbc->sync_mode.
622       The PG_Dirty flag has been cleared and PageLocked is true.
623       writepage should start writeout, should set PG_Writeback,
624       and should make sure the page is unlocked, either synchronously
625       or asynchronously when the write operation completes.
626
627       If wbc->sync_mode is WB_SYNC_NONE, ->writepage doesn't have to
628       try too hard if there are problems, and may choose to write out
629       other pages from the mapping if that is easier (e.g. due to
630       internal dependencies).  If it chooses not to start writeout, it
631       should return AOP_WRITEPAGE_ACTIVATE so that the VM will not keep
632       calling ->writepage on that page.
633
634       See the file "Locking" for more details.
635
636   readpage: called by the VM to read a page from backing store.
637        The page will be Locked when readpage is called, and should be
638        unlocked and marked uptodate once the read completes.
639        If ->readpage discovers that it needs to unlock the page for
640        some reason, it can do so, and then return AOP_TRUNCATED_PAGE.
641        In this case, the page will be relocated, relocked and if
642        that all succeeds, ->readpage will be called again.
643
644   writepages: called by the VM to write out pages associated with the
645         address_space object.  If wbc->sync_mode is WBC_SYNC_ALL, then
646         the writeback_control will specify a range of pages that must be
647         written out.  If it is WBC_SYNC_NONE, then a nr_to_write is given
648         and that many pages should be written if possible.
649         If no ->writepages is given, then mpage_writepages is used
650         instead.  This will choose pages from the address space that are
651         tagged as DIRTY and will pass them to ->writepage.
652
653   set_page_dirty: called by the VM to set a page dirty.
654         This is particularly needed if an address space attaches
655         private data to a page, and that data needs to be updated when
656         a page is dirtied.  This is called, for example, when a memory
657         mapped page gets modified.
658         If defined, it should set the PageDirty flag, and the
659         PAGECACHE_TAG_DIRTY tag in the radix tree.
660
661   readpages: called by the VM to read pages associated with the address_space
662         object. This is essentially just a vector version of
663         readpage.  Instead of just one page, several pages are
664         requested.
665         readpages is only used for read-ahead, so read errors are
666         ignored.  If anything goes wrong, feel free to give up.
667
668   write_begin:
669         Called by the generic buffered write code to ask the filesystem to
670         prepare to write len bytes at the given offset in the file. The
671         address_space should check that the write will be able to complete,
672         by allocating space if necessary and doing any other internal
673         housekeeping.  If the write will update parts of any basic-blocks on
674         storage, then those blocks should be pre-read (if they haven't been
675         read already) so that the updated blocks can be written out properly.
676
677         The filesystem must return the locked pagecache page for the specified
678         offset, in *pagep, for the caller to write into.
679
680         It must be able to cope with short writes (where the length passed to
681         write_begin is greater than the number of bytes copied into the page).
682
683         flags is a field for AOP_FLAG_xxx flags, described in
684         include/linux/fs.h.
685
686         A void * may be returned in fsdata, which then gets passed into
687         write_end.
688
689         Returns 0 on success; < 0 on failure (which is the error code), in
690         which case write_end is not called.
691
692   write_end: After a successful write_begin, and data copy, write_end must
693         be called. len is the original len passed to write_begin, and copied
694         is the amount that was able to be copied (copied == len is always true
695         if write_begin was called with the AOP_FLAG_UNINTERRUPTIBLE flag).
696
697         The filesystem must take care of unlocking the page and releasing it
698         refcount, and updating i_size.
699
700         Returns < 0 on failure, otherwise the number of bytes (<= 'copied')
701         that were able to be copied into pagecache.
702
703   bmap: called by the VFS to map a logical block offset within object to
704         physical block number. This method is used by the FIBMAP
705         ioctl and for working with swap-files.  To be able to swap to
706         a file, the file must have a stable mapping to a block
707         device.  The swap system does not go through the filesystem
708         but instead uses bmap to find out where the blocks in the file
709         are and uses those addresses directly.
710
711   invalidatepage: If a page has PagePrivate set, then invalidatepage
712         will be called when part or all of the page is to be removed
713         from the address space.  This generally corresponds to either a
714         truncation, punch hole  or a complete invalidation of the address
715         space (in the latter case 'offset' will always be 0 and 'length'
716         will be PAGE_SIZE). Any private data associated with the page
717         should be updated to reflect this truncation.  If offset is 0 and
718         length is PAGE_SIZE, then the private data should be released,
719         because the page must be able to be completely discarded.  This may
720         be done by calling the ->releasepage function, but in this case the
721         release MUST succeed.
722
723   releasepage: releasepage is called on PagePrivate pages to indicate
724         that the page should be freed if possible.  ->releasepage
725         should remove any private data from the page and clear the
726         PagePrivate flag. If releasepage() fails for some reason, it must
727         indicate failure with a 0 return value.
728         releasepage() is used in two distinct though related cases.  The
729         first is when the VM finds a clean page with no active users and
730         wants to make it a free page.  If ->releasepage succeeds, the
731         page will be removed from the address_space and become free.
732
733         The second case is when a request has been made to invalidate
734         some or all pages in an address_space.  This can happen
735         through the fadvise(POSIX_FADV_DONTNEED) system call or by the
736         filesystem explicitly requesting it as nfs and 9fs do (when
737         they believe the cache may be out of date with storage) by
738         calling invalidate_inode_pages2().
739         If the filesystem makes such a call, and needs to be certain
740         that all pages are invalidated, then its releasepage will
741         need to ensure this.  Possibly it can clear the PageUptodate
742         bit if it cannot free private data yet.
743
744   freepage: freepage is called once the page is no longer visible in
745         the page cache in order to allow the cleanup of any private
746         data. Since it may be called by the memory reclaimer, it
747         should not assume that the original address_space mapping still
748         exists, and it should not block.
749
750   direct_IO: called by the generic read/write routines to perform
751         direct_IO - that is IO requests which bypass the page cache
752         and transfer data directly between the storage and the
753         application's address space.
754
755   isolate_page: Called by the VM when isolating a movable non-lru page.
756         If page is successfully isolated, VM marks the page as PG_isolated
757         via __SetPageIsolated.
758
759   migrate_page:  This is used to compact the physical memory usage.
760         If the VM wants to relocate a page (maybe off a memory card
761         that is signalling imminent failure) it will pass a new page
762         and an old page to this function.  migrate_page should
763         transfer any private data across and update any references
764         that it has to the page.
765
766   putback_page: Called by the VM when isolated page's migration fails.
767
768   launder_page: Called before freeing a page - it writes back the dirty page. To
769         prevent redirtying the page, it is kept locked during the whole
770         operation.
771
772   is_partially_uptodate: Called by the VM when reading a file through the
773         pagecache when the underlying blocksize != pagesize. If the required
774         block is up to date then the read can complete without needing the IO
775         to bring the whole page up to date.
776
777   is_dirty_writeback: Called by the VM when attempting to reclaim a page.
778         The VM uses dirty and writeback information to determine if it needs
779         to stall to allow flushers a chance to complete some IO. Ordinarily
780         it can use PageDirty and PageWriteback but some filesystems have
781         more complex state (unstable pages in NFS prevent reclaim) or
782         do not set those flags due to locking problems. This callback
783         allows a filesystem to indicate to the VM if a page should be
784         treated as dirty or writeback for the purposes of stalling.
785
786   error_remove_page: normally set to generic_error_remove_page if truncation
787         is ok for this address space. Used for memory failure handling.
788         Setting this implies you deal with pages going away under you,
789         unless you have them locked or reference counts increased.
790
791   swap_activate: Called when swapon is used on a file to allocate
792         space if necessary and pin the block lookup information in
793         memory. A return value of zero indicates success,
794         in which case this file can be used to back swapspace. The
795         swapspace operations will be proxied to this address space's
796         ->swap_{out,in} methods.
797
798   swap_deactivate: Called during swapoff on files where swap_activate
799         was successful.
800
801
802 The File Object
803 ===============
804
805 A file object represents a file opened by a process.
806
807
808 struct file_operations
809 ----------------------
810
811 This describes how the VFS can manipulate an open file. As of kernel
812 4.1, the following members are defined:
813
814 struct file_operations {
815         struct module *owner;
816         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
817         ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
818         ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
819         ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
820         ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
821         int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
822         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
823         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
824         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
825         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
826         int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
827         int (*open) (struct inode *, struct file *);
828         int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
829         int (*release) (struct inode *, struct file *);
830         int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
831         int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
832         int (*fasync) (int, struct file *, int);
833         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
834         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
835         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
836         int (*check_flags)(int);
837         int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
838         ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
839         ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
840         int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
841         long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
842                           loff_t len);
843         void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
844 #ifndef CONFIG_MMU
845         unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
846 #endif
847 };
848
849 Again, all methods are called without any locks being held, unless
850 otherwise noted.
851
852   llseek: called when the VFS needs to move the file position index
853
854   read: called by read(2) and related system calls
855
856   read_iter: possibly asynchronous read with iov_iter as destination
857
858   write: called by write(2) and related system calls
859
860   write_iter: possibly asynchronous write with iov_iter as source
861
862   iterate: called when the VFS needs to read the directory contents
863
864   poll: called by the VFS when a process wants to check if there is
865         activity on this file and (optionally) go to sleep until there
866         is activity. Called by the select(2) and poll(2) system calls
867
868   unlocked_ioctl: called by the ioctl(2) system call.
869
870   compat_ioctl: called by the ioctl(2) system call when 32 bit system calls
871          are used on 64 bit kernels.
872
873   mmap: called by the mmap(2) system call
874
875   open: called by the VFS when an inode should be opened. When the VFS
876         opens a file, it creates a new "struct file". It then calls the
877         open method for the newly allocated file structure. You might
878         think that the open method really belongs in
879         "struct inode_operations", and you may be right. I think it's
880         done the way it is because it makes filesystems simpler to
881         implement. The open() method is a good place to initialize the
882         "private_data" member in the file structure if you want to point
883         to a device structure
884
885   flush: called by the close(2) system call to flush a file
886
887   release: called when the last reference to an open file is closed
888
889   fsync: called by the fsync(2) system call
890
891   fasync: called by the fcntl(2) system call when asynchronous
892         (non-blocking) mode is enabled for a file
893
894   lock: called by the fcntl(2) system call for F_GETLK, F_SETLK, and F_SETLKW
895         commands
896
897   get_unmapped_area: called by the mmap(2) system call
898
899   check_flags: called by the fcntl(2) system call for F_SETFL command
900
901   flock: called by the flock(2) system call
902
903   splice_write: called by the VFS to splice data from a pipe to a file. This
904                 method is used by the splice(2) system call
905
906   splice_read: called by the VFS to splice data from file to a pipe. This
907                method is used by the splice(2) system call
908
909   setlease: called by the VFS to set or release a file lock lease. setlease
910             implementations should call generic_setlease to record or remove
911             the lease in the inode after setting it.
912
913   fallocate: called by the VFS to preallocate blocks or punch a hole.
914
915 Note that the file operations are implemented by the specific
916 filesystem in which the inode resides. When opening a device node
917 (character or block special) most filesystems will call special
918 support routines in the VFS which will locate the required device
919 driver information. These support routines replace the filesystem file
920 operations with those for the device driver, and then proceed to call
921 the new open() method for the file. This is how opening a device file
922 in the filesystem eventually ends up calling the device driver open()
923 method.
924
925
926 Directory Entry Cache (dcache)
927 ==============================
928
929
930 struct dentry_operations
931 ------------------------
932
933 This describes how a filesystem can overload the standard dentry
934 operations. Dentries and the dcache are the domain of the VFS and the
935 individual filesystem implementations. Device drivers have no business
936 here. These methods may be set to NULL, as they are either optional or
937 the VFS uses a default. As of kernel 2.6.22, the following members are
938 defined:
939
940 struct dentry_operations {
941         int (*d_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
942         int (*d_weak_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
943         int (*d_hash)(const struct dentry *, struct qstr *);
944         int (*d_compare)(const struct dentry *,
945                         unsigned int, const char *, const struct qstr *);
946         int (*d_delete)(const struct dentry *);
947         int (*d_init)(struct dentry *);
948         void (*d_release)(struct dentry *);
949         void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
950         char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
951         struct vfsmount *(*d_automount)(struct path *);
952         int (*d_manage)(struct dentry *, bool);
953         struct dentry *(*d_real)(struct dentry *, const struct inode *,
954                                  unsigned int);
955 };
956
957   d_revalidate: called when the VFS needs to revalidate a dentry. This
958         is called whenever a name look-up finds a dentry in the
959         dcache. Most local filesystems leave this as NULL, because all their
960         dentries in the dcache are valid. Network filesystems are different
961         since things can change on the server without the client necessarily
962         being aware of it.
963
964         This function should return a positive value if the dentry is still
965         valid, and zero or a negative error code if it isn't.
966
967         d_revalidate may be called in rcu-walk mode (flags & LOOKUP_RCU).
968         If in rcu-walk mode, the filesystem must revalidate the dentry without
969         blocking or storing to the dentry, d_parent and d_inode should not be
970         used without care (because they can change and, in d_inode case, even
971         become NULL under us).
972
973         If a situation is encountered that rcu-walk cannot handle, return
974         -ECHILD and it will be called again in ref-walk mode.
975
976  d_weak_revalidate: called when the VFS needs to revalidate a "jumped" dentry.
977         This is called when a path-walk ends at dentry that was not acquired by
978         doing a lookup in the parent directory. This includes "/", "." and "..",
979         as well as procfs-style symlinks and mountpoint traversal.
980
981         In this case, we are less concerned with whether the dentry is still
982         fully correct, but rather that the inode is still valid. As with
983         d_revalidate, most local filesystems will set this to NULL since their
984         dcache entries are always valid.
985
986         This function has the same return code semantics as d_revalidate.
987
988         d_weak_revalidate is only called after leaving rcu-walk mode.
989
990   d_hash: called when the VFS adds a dentry to the hash table. The first
991         dentry passed to d_hash is the parent directory that the name is
992         to be hashed into.
993
994         Same locking and synchronisation rules as d_compare regarding
995         what is safe to dereference etc.
996
997   d_compare: called to compare a dentry name with a given name. The first
998         dentry is the parent of the dentry to be compared, the second is
999         the child dentry. len and name string are properties of the dentry
1000         to be compared. qstr is the name to compare it with.
1001
1002         Must be constant and idempotent, and should not take locks if
1003         possible, and should not or store into the dentry.
1004         Should not dereference pointers outside the dentry without
1005         lots of care (eg.  d_parent, d_inode, d_name should not be used).
1006
1007         However, our vfsmount is pinned, and RCU held, so the dentries and
1008         inodes won't disappear, neither will our sb or filesystem module.
1009         ->d_sb may be used.
1010
1011         It is a tricky calling convention because it needs to be called under
1012         "rcu-walk", ie. without any locks or references on things.
1013
1014   d_delete: called when the last reference to a dentry is dropped and the
1015         dcache is deciding whether or not to cache it. Return 1 to delete
1016         immediately, or 0 to cache the dentry. Default is NULL which means to
1017         always cache a reachable dentry. d_delete must be constant and
1018         idempotent.
1019
1020   d_init: called when a dentry is allocated
1021
1022   d_release: called when a dentry is really deallocated
1023
1024   d_iput: called when a dentry loses its inode (just prior to its
1025         being deallocated). The default when this is NULL is that the
1026         VFS calls iput(). If you define this method, you must call
1027         iput() yourself
1028
1029   d_dname: called when the pathname of a dentry should be generated.
1030         Useful for some pseudo filesystems (sockfs, pipefs, ...) to delay
1031         pathname generation. (Instead of doing it when dentry is created,
1032         it's done only when the path is needed.). Real filesystems probably
1033         dont want to use it, because their dentries are present in global
1034         dcache hash, so their hash should be an invariant. As no lock is
1035         held, d_dname() should not try to modify the dentry itself, unless
1036         appropriate SMP safety is used. CAUTION : d_path() logic is quite
1037         tricky. The correct way to return for example "Hello" is to put it
1038         at the end of the buffer, and returns a pointer to the first char.
1039         dynamic_dname() helper function is provided to take care of this.
1040
1041         Example :
1042
1043         static char *pipefs_dname(struct dentry *dent, char *buffer, int buflen)
1044         {
1045                 return dynamic_dname(dentry, buffer, buflen, "pipe:[%lu]",
1046                                 dentry->d_inode->i_ino);
1047         }
1048
1049   d_automount: called when an automount dentry is to be traversed (optional).
1050         This should create a new VFS mount record and return the record to the
1051         caller.  The caller is supplied with a path parameter giving the
1052         automount directory to describe the automount target and the parent
1053         VFS mount record to provide inheritable mount parameters.  NULL should
1054         be returned if someone else managed to make the automount first.  If
1055         the vfsmount creation failed, then an error code should be returned.
1056         If -EISDIR is returned, then the directory will be treated as an
1057         ordinary directory and returned to pathwalk to continue walking.
1058
1059         If a vfsmount is returned, the caller will attempt to mount it on the
1060         mountpoint and will remove the vfsmount from its expiration list in
1061         the case of failure.  The vfsmount should be returned with 2 refs on
1062         it to prevent automatic expiration - the caller will clean up the
1063         additional ref.
1064
1065         This function is only used if DCACHE_NEED_AUTOMOUNT is set on the
1066         dentry.  This is set by __d_instantiate() if S_AUTOMOUNT is set on the
1067         inode being added.
1068
1069   d_manage: called to allow the filesystem to manage the transition from a
1070         dentry (optional).  This allows autofs, for example, to hold up clients
1071         waiting to explore behind a 'mountpoint' whilst letting the daemon go
1072         past and construct the subtree there.  0 should be returned to let the
1073         calling process continue.  -EISDIR can be returned to tell pathwalk to
1074         use this directory as an ordinary directory and to ignore anything
1075         mounted on it and not to check the automount flag.  Any other error
1076         code will abort pathwalk completely.
1077
1078         If the 'rcu_walk' parameter is true, then the caller is doing a
1079         pathwalk in RCU-walk mode.  Sleeping is not permitted in this mode,
1080         and the caller can be asked to leave it and call again by returning
1081         -ECHILD.  -EISDIR may also be returned to tell pathwalk to
1082         ignore d_automount or any mounts.
1083
1084         This function is only used if DCACHE_MANAGE_TRANSIT is set on the
1085         dentry being transited from.
1086
1087   d_real: overlay/union type filesystems implement this method to return one of
1088         the underlying dentries hidden by the overlay.  It is used in three
1089         different modes:
1090
1091         Called from open it may need to copy-up the file depending on the
1092         supplied open flags.  This mode is selected with a non-zero flags
1093         argument.  In this mode the d_real method can return an error.
1094
1095         Called from file_dentry() it returns the real dentry matching the inode
1096         argument.  The real dentry may be from a lower layer already copied up,
1097         but still referenced from the file.  This mode is selected with a
1098         non-NULL inode argument.  This will always succeed.
1099
1100         With NULL inode and zero flags the topmost real underlying dentry is
1101         returned.  This will always succeed.
1102
1103         This method is never called with both non-NULL inode and non-zero flags.
1104
1105 Each dentry has a pointer to its parent dentry, as well as a hash list
1106 of child dentries. Child dentries are basically like files in a
1107 directory.
1108
1109
1110 Directory Entry Cache API
1111 --------------------------
1112
1113 There are a number of functions defined which permit a filesystem to
1114 manipulate dentries:
1115
1116   dget: open a new handle for an existing dentry (this just increments
1117         the usage count)
1118
1119   dput: close a handle for a dentry (decrements the usage count). If
1120         the usage count drops to 0, and the dentry is still in its
1121         parent's hash, the "d_delete" method is called to check whether
1122         it should be cached. If it should not be cached, or if the dentry
1123         is not hashed, it is deleted. Otherwise cached dentries are put
1124         into an LRU list to be reclaimed on memory shortage.
1125
1126   d_drop: this unhashes a dentry from its parents hash list. A
1127         subsequent call to dput() will deallocate the dentry if its
1128         usage count drops to 0
1129
1130   d_delete: delete a dentry. If there are no other open references to
1131         the dentry then the dentry is turned into a negative dentry
1132         (the d_iput() method is called). If there are other
1133         references, then d_drop() is called instead
1134
1135   d_add: add a dentry to its parents hash list and then calls
1136         d_instantiate()
1137
1138   d_instantiate: add a dentry to the alias hash list for the inode and
1139         updates the "d_inode" member. The "i_count" member in the
1140         inode structure should be set/incremented. If the inode
1141         pointer is NULL, the dentry is called a "negative
1142         dentry". This function is commonly called when an inode is
1143         created for an existing negative dentry
1144
1145   d_lookup: look up a dentry given its parent and path name component
1146         It looks up the child of that given name from the dcache
1147         hash table. If it is found, the reference count is incremented
1148         and the dentry is returned. The caller must use dput()
1149         to free the dentry when it finishes using it.
1150
1151 Mount Options
1152 =============
1153
1154 Parsing options
1155 ---------------
1156
1157 On mount and remount the filesystem is passed a string containing a
1158 comma separated list of mount options.  The options can have either of
1159 these forms:
1160
1161   option
1162   option=value
1163
1164 The <linux/parser.h> header defines an API that helps parse these
1165 options.  There are plenty of examples on how to use it in existing
1166 filesystems.
1167
1168 Showing options
1169 ---------------
1170
1171 If a filesystem accepts mount options, it must define show_options()
1172 to show all the currently active options.  The rules are:
1173
1174   - options MUST be shown which are not default or their values differ
1175     from the default
1176
1177   - options MAY be shown which are enabled by default or have their
1178     default value
1179
1180 Options used only internally between a mount helper and the kernel
1181 (such as file descriptors), or which only have an effect during the
1182 mounting (such as ones controlling the creation of a journal) are exempt
1183 from the above rules.
1184
1185 The underlying reason for the above rules is to make sure, that a
1186 mount can be accurately replicated (e.g. umounting and mounting again)
1187 based on the information found in /proc/mounts.
1188
1189 A simple method of saving options at mount/remount time and showing
1190 them is provided with the save_mount_options() and
1191 generic_show_options() helper functions.  Please note, that using
1192 these may have drawbacks.  For more info see header comments for these
1193 functions in fs/namespace.c.
1194
1195 Resources
1196 =========
1197
1198 (Note some of these resources are not up-to-date with the latest kernel
1199  version.)
1200
1201 Creating Linux virtual filesystems. 2002
1202     <http://lwn.net/Articles/13325/>
1203
1204 The Linux Virtual File-system Layer by Neil Brown. 1999
1205     <http://www.cse.unsw.edu.au/~neilb/oss/linux-commentary/vfs.html>
1206
1207 A tour of the Linux VFS by Michael K. Johnson. 1996
1208     <http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/fs/vfstour.html>
1209
1210 A small trail through the Linux kernel by Andries Brouwer. 2001
1211     <http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/vfs/trail.html>