drm/panel-edp: Add STA 116QHD024002
[drm/drm-misc.git] / Documentation / filesystems / iomap / design.rst
blobb0d0188a095e55a869bd293f2a5b9cf19162baf3
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 .. _iomap_design:
4 ..
5         Dumb style notes to maintain the author's sanity:
6         Please try to start sentences on separate lines so that
7         sentence changes don't bleed colors in diff.
8         Heading decorations are documented in sphinx.rst.
10 ==============
11 Library Design
12 ==============
14 .. contents:: Table of Contents
15    :local:
17 Introduction
18 ============
20 iomap is a filesystem library for handling common file operations.
21 The library has two layers:
23  1. A lower layer that provides an iterator over ranges of file offsets.
24     This layer tries to obtain mappings of each file ranges to storage
25     from the filesystem, but the storage information is not necessarily
26     required.
28  2. An upper layer that acts upon the space mappings provided by the
29     lower layer iterator.
31 The iteration can involve mappings of file's logical offset ranges to
32 physical extents, but the storage layer information is not necessarily
33 required, e.g. for walking cached file information.
34 The library exports various APIs for implementing file operations such
35 as:
37  * Pagecache reads and writes
38  * Folio write faults to the pagecache
39  * Writeback of dirty folios
40  * Direct I/O reads and writes
41  * fsdax I/O reads, writes, loads, and stores
42  * FIEMAP
43  * lseek ``SEEK_DATA`` and ``SEEK_HOLE``
44  * swapfile activation
46 This origins of this library is the file I/O path that XFS once used; it
47 has now been extended to cover several other operations.
49 Who Should Read This?
50 =====================
52 The target audience for this document are filesystem, storage, and
53 pagecache programmers and code reviewers.
55 If you are working on PCI, machine architectures, or device drivers, you
56 are most likely in the wrong place.
58 How Is This Better?
59 ===================
61 Unlike the classic Linux I/O model which breaks file I/O into small
62 units (generally memory pages or blocks) and looks up space mappings on
63 the basis of that unit, the iomap model asks the filesystem for the
64 largest space mappings that it can create for a given file operation and
65 initiates operations on that basis.
66 This strategy improves the filesystem's visibility into the size of the
67 operation being performed, which enables it to combat fragmentation with
68 larger space allocations when possible.
69 Larger space mappings improve runtime performance by amortizing the cost
70 of mapping function calls into the filesystem across a larger amount of
71 data.
73 At a high level, an iomap operation `looks like this
74 <https://lore.kernel.org/all/ZGbVaewzcCysclPt@dread.disaster.area/>`_:
76 1. For each byte in the operation range...
78    1. Obtain a space mapping via ``->iomap_begin``
80    2. For each sub-unit of work...
82       1. Revalidate the mapping and go back to (1) above, if necessary.
83          So far only the pagecache operations need to do this.
85       2. Do the work
87    3. Increment operation cursor
89    4. Release the mapping via ``->iomap_end``, if necessary
91 Each iomap operation will be covered in more detail below.
92 This library was covered previously by an `LWN article
93 <https://lwn.net/Articles/935934/>`_ and a `KernelNewbies page
94 <https://kernelnewbies.org/KernelProjects/iomap>`_.
96 The goal of this document is to provide a brief discussion of the
97 design and capabilities of iomap, followed by a more detailed catalog
98 of the interfaces presented by iomap.
99 If you change iomap, please update this design document.
101 File Range Iterator
102 ===================
104 Definitions
105 -----------
107  * **buffer head**: Shattered remnants of the old buffer cache.
109  * ``fsblock``: The block size of a file, also known as ``i_blocksize``.
111  * ``i_rwsem``: The VFS ``struct inode`` rwsemaphore.
112    Processes hold this in shared mode to read file state and contents.
113    Some filesystems may allow shared mode for writes.
114    Processes often hold this in exclusive mode to change file state and
115    contents.
117  * ``invalidate_lock``: The pagecache ``struct address_space``
118    rwsemaphore that protects against folio insertion and removal for
119    filesystems that support punching out folios below EOF.
120    Processes wishing to insert folios must hold this lock in shared
121    mode to prevent removal, though concurrent insertion is allowed.
122    Processes wishing to remove folios must hold this lock in exclusive
123    mode to prevent insertions.
124    Concurrent removals are not allowed.
126  * ``dax_read_lock``: The RCU read lock that dax takes to prevent a
127    device pre-shutdown hook from returning before other threads have
128    released resources.
130  * **filesystem mapping lock**: This synchronization primitive is
131    internal to the filesystem and must protect the file mapping data
132    from updates while a mapping is being sampled.
133    The filesystem author must determine how this coordination should
134    happen; it does not need to be an actual lock.
136  * **iomap internal operation lock**: This is a general term for
137    synchronization primitives that iomap functions take while holding a
138    mapping.
139    A specific example would be taking the folio lock while reading or
140    writing the pagecache.
142  * **pure overwrite**: A write operation that does not require any
143    metadata or zeroing operations to perform during either submission
144    or completion.
145    This implies that the filesystem must have already allocated space
146    on disk as ``IOMAP_MAPPED`` and the filesystem must not place any
147    constraints on IO alignment or size.
148    The only constraints on I/O alignment are device level (minimum I/O
149    size and alignment, typically sector size).
151 ``struct iomap``
152 ----------------
154 The filesystem communicates to the iomap iterator the mapping of
155 byte ranges of a file to byte ranges of a storage device with the
156 structure below:
158 .. code-block:: c
160  struct iomap {
161      u64                 addr;
162      loff_t              offset;
163      u64                 length;
164      u16                 type;
165      u16                 flags;
166      struct block_device *bdev;
167      struct dax_device   *dax_dev;
168      void                *inline_data;
169      void                *private;
170      const struct iomap_folio_ops *folio_ops;
171      u64                 validity_cookie;
172  };
174 The fields are as follows:
176  * ``offset`` and ``length`` describe the range of file offsets, in
177    bytes, covered by this mapping.
178    These fields must always be set by the filesystem.
180  * ``type`` describes the type of the space mapping:
182    * **IOMAP_HOLE**: No storage has been allocated.
183      This type must never be returned in response to an ``IOMAP_WRITE``
184      operation because writes must allocate and map space, and return
185      the mapping.
186      The ``addr`` field must be set to ``IOMAP_NULL_ADDR``.
187      iomap does not support writing (whether via pagecache or direct
188      I/O) to a hole.
190    * **IOMAP_DELALLOC**: A promise to allocate space at a later time
191      ("delayed allocation").
192      If the filesystem returns IOMAP_F_NEW here and the write fails, the
193      ``->iomap_end`` function must delete the reservation.
194      The ``addr`` field must be set to ``IOMAP_NULL_ADDR``.
196    * **IOMAP_MAPPED**: The file range maps to specific space on the
197      storage device.
198      The device is returned in ``bdev`` or ``dax_dev``.
199      The device address, in bytes, is returned via ``addr``.
201    * **IOMAP_UNWRITTEN**: The file range maps to specific space on the
202      storage device, but the space has not yet been initialized.
203      The device is returned in ``bdev`` or ``dax_dev``.
204      The device address, in bytes, is returned via ``addr``.
205      Reads from this type of mapping will return zeroes to the caller.
206      For a write or writeback operation, the ioend should update the
207      mapping to MAPPED.
208      Refer to the sections about ioends for more details.
210    * **IOMAP_INLINE**: The file range maps to the memory buffer
211      specified by ``inline_data``.
212      For write operation, the ``->iomap_end`` function presumably
213      handles persisting the data.
214      The ``addr`` field must be set to ``IOMAP_NULL_ADDR``.
216  * ``flags`` describe the status of the space mapping.
217    These flags should be set by the filesystem in ``->iomap_begin``:
219    * **IOMAP_F_NEW**: The space under the mapping is newly allocated.
220      Areas that will not be written to must be zeroed.
221      If a write fails and the mapping is a space reservation, the
222      reservation must be deleted.
224    * **IOMAP_F_DIRTY**: The inode will have uncommitted metadata needed
225      to access any data written.
226      fdatasync is required to commit these changes to persistent
227      storage.
228      This needs to take into account metadata changes that *may* be made
229      at I/O completion, such as file size updates from direct I/O.
231    * **IOMAP_F_SHARED**: The space under the mapping is shared.
232      Copy on write is necessary to avoid corrupting other file data.
234    * **IOMAP_F_BUFFER_HEAD**: This mapping requires the use of buffer
235      heads for pagecache operations.
236      Do not add more uses of this.
238    * **IOMAP_F_MERGED**: Multiple contiguous block mappings were
239      coalesced into this single mapping.
240      This is only useful for FIEMAP.
242    * **IOMAP_F_XATTR**: The mapping is for extended attribute data, not
243      regular file data.
244      This is only useful for FIEMAP.
246    * **IOMAP_F_PRIVATE**: Starting with this value, the upper bits can
247      be set by the filesystem for its own purposes.
249    These flags can be set by iomap itself during file operations.
250    The filesystem should supply an ``->iomap_end`` function if it needs
251    to observe these flags:
253    * **IOMAP_F_SIZE_CHANGED**: The file size has changed as a result of
254      using this mapping.
256    * **IOMAP_F_STALE**: The mapping was found to be stale.
257      iomap will call ``->iomap_end`` on this mapping and then
258      ``->iomap_begin`` to obtain a new mapping.
260    Currently, these flags are only set by pagecache operations.
262  * ``addr`` describes the device address, in bytes.
264  * ``bdev`` describes the block device for this mapping.
265    This only needs to be set for mapped or unwritten operations.
267  * ``dax_dev`` describes the DAX device for this mapping.
268    This only needs to be set for mapped or unwritten operations, and
269    only for a fsdax operation.
271  * ``inline_data`` points to a memory buffer for I/O involving
272    ``IOMAP_INLINE`` mappings.
273    This value is ignored for all other mapping types.
275  * ``private`` is a pointer to `filesystem-private information
276    <https://lore.kernel.org/all/20180619164137.13720-7-hch@lst.de/>`_.
277    This value will be passed unchanged to ``->iomap_end``.
279  * ``folio_ops`` will be covered in the section on pagecache operations.
281  * ``validity_cookie`` is a magic freshness value set by the filesystem
282    that should be used to detect stale mappings.
283    For pagecache operations this is critical for correct operation
284    because page faults can occur, which implies that filesystem locks
285    should not be held between ``->iomap_begin`` and ``->iomap_end``.
286    Filesystems with completely static mappings need not set this value.
287    Only pagecache operations revalidate mappings; see the section about
288    ``iomap_valid`` for details.
290 ``struct iomap_ops``
291 --------------------
293 Every iomap function requires the filesystem to pass an operations
294 structure to obtain a mapping and (optionally) to release the mapping:
296 .. code-block:: c
298  struct iomap_ops {
299      int (*iomap_begin)(struct inode *inode, loff_t pos, loff_t length,
300                         unsigned flags, struct iomap *iomap,
301                         struct iomap *srcmap);
303      int (*iomap_end)(struct inode *inode, loff_t pos, loff_t length,
304                       ssize_t written, unsigned flags,
305                       struct iomap *iomap);
306  };
308 ``->iomap_begin``
309 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
311 iomap operations call ``->iomap_begin`` to obtain one file mapping for
312 the range of bytes specified by ``pos`` and ``length`` for the file
313 ``inode``.
314 This mapping should be returned through the ``iomap`` pointer.
315 The mapping must cover at least the first byte of the supplied file
316 range, but it does not need to cover the entire requested range.
318 Each iomap operation describes the requested operation through the
319 ``flags`` argument.
320 The exact value of ``flags`` will be documented in the
321 operation-specific sections below.
322 These flags can, at least in principle, apply generally to iomap
323 operations:
325  * ``IOMAP_DIRECT`` is set when the caller wishes to issue file I/O to
326    block storage.
328  * ``IOMAP_DAX`` is set when the caller wishes to issue file I/O to
329    memory-like storage.
331  * ``IOMAP_NOWAIT`` is set when the caller wishes to perform a best
332    effort attempt to avoid any operation that would result in blocking
333    the submitting task.
334    This is similar in intent to ``O_NONBLOCK`` for network APIs - it is
335    intended for asynchronous applications to keep doing other work
336    instead of waiting for the specific unavailable filesystem resource
337    to become available.
338    Filesystems implementing ``IOMAP_NOWAIT`` semantics need to use
339    trylock algorithms.
340    They need to be able to satisfy the entire I/O request range with a
341    single iomap mapping.
342    They need to avoid reading or writing metadata synchronously.
343    They need to avoid blocking memory allocations.
344    They need to avoid waiting on transaction reservations to allow
345    modifications to take place.
346    They probably should not be allocating new space.
347    And so on.
348    If there is any doubt in the filesystem developer's mind as to
349    whether any specific ``IOMAP_NOWAIT`` operation may end up blocking,
350    then they should return ``-EAGAIN`` as early as possible rather than
351    start the operation and force the submitting task to block.
352    ``IOMAP_NOWAIT`` is often set on behalf of ``IOCB_NOWAIT`` or
353    ``RWF_NOWAIT``.
355 If it is necessary to read existing file contents from a `different
356 <https://lore.kernel.org/all/20191008071527.29304-9-hch@lst.de/>`_
357 device or address range on a device, the filesystem should return that
358 information via ``srcmap``.
359 Only pagecache and fsdax operations support reading from one mapping and
360 writing to another.
362 ``->iomap_end``
363 ~~~~~~~~~~~~~~~
365 After the operation completes, the ``->iomap_end`` function, if present,
366 is called to signal that iomap is finished with a mapping.
367 Typically, implementations will use this function to tear down any
368 context that were set up in ``->iomap_begin``.
369 For example, a write might wish to commit the reservations for the bytes
370 that were operated upon and unreserve any space that was not operated
371 upon.
372 ``written`` might be zero if no bytes were touched.
373 ``flags`` will contain the same value passed to ``->iomap_begin``.
374 iomap ops for reads are not likely to need to supply this function.
376 Both functions should return a negative errno code on error, or zero on
377 success.
379 Preparing for File Operations
380 =============================
382 iomap only handles mapping and I/O.
383 Filesystems must still call out to the VFS to check input parameters
384 and file state before initiating an I/O operation.
385 It does not handle obtaining filesystem freeze protection, updating of
386 timestamps, stripping privileges, or access control.
388 Locking Hierarchy
389 =================
391 iomap requires that filesystems supply their own locking model.
392 There are three categories of synchronization primitives, as far as
393 iomap is concerned:
395  * The **upper** level primitive is provided by the filesystem to
396    coordinate access to different iomap operations.
397    The exact primitive is specific to the filesystem and operation,
398    but is often a VFS inode, pagecache invalidation, or folio lock.
399    For example, a filesystem might take ``i_rwsem`` before calling
400    ``iomap_file_buffered_write`` and ``iomap_file_unshare`` to prevent
401    these two file operations from clobbering each other.
402    Pagecache writeback may lock a folio to prevent other threads from
403    accessing the folio until writeback is underway.
405    * The **lower** level primitive is taken by the filesystem in the
406      ``->iomap_begin`` and ``->iomap_end`` functions to coordinate
407      access to the file space mapping information.
408      The fields of the iomap object should be filled out while holding
409      this primitive.
410      The upper level synchronization primitive, if any, remains held
411      while acquiring the lower level synchronization primitive.
412      For example, XFS takes ``ILOCK_EXCL`` and ext4 takes ``i_data_sem``
413      while sampling mappings.
414      Filesystems with immutable mapping information may not require
415      synchronization here.
417    * The **operation** primitive is taken by an iomap operation to
418      coordinate access to its own internal data structures.
419      The upper level synchronization primitive, if any, remains held
420      while acquiring this primitive.
421      The lower level primitive is not held while acquiring this
422      primitive.
423      For example, pagecache write operations will obtain a file mapping,
424      then grab and lock a folio to copy new contents.
425      It may also lock an internal folio state object to update metadata.
427 The exact locking requirements are specific to the filesystem; for
428 certain operations, some of these locks can be elided.
429 All further mentions of locking are *recommendations*, not mandates.
430 Each filesystem author must figure out the locking for themself.
432 Bugs and Limitations
433 ====================
435  * No support for fscrypt.
436  * No support for compression.
437  * No support for fsverity yet.
438  * Strong assumptions that IO should work the way it does on XFS.
439  * Does iomap *actually* work for non-regular file data?
441 Patches welcome!