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 it's 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 device onto a directory in your filespace,
  99 the VFS will call the appropriate get_sb() method for the specific
 100 filesystem. The dentry for the mount point will then be updated to
 101 point to the root inode for the new filesystem.
 102
 103 You can see all filesystems that are registered to the kernel in the
 104 file /proc/filesystems.
 105
 106
 107 struct file_system_type
 108 -----------------------
 109
 110 This describes the filesystem. As of kernel 2.6.22, the following
 111 members are defined:
 112
 113 struct file_system_type {
 114         const char *name;
 115         int fs_flags;
 116         int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
 117                        const char *, void *, struct vfsmount *);
 118         void (*kill_sb) (struct super_block *);
 119         struct module *owner;
 120         struct file_system_type * next;
 121         struct list_head fs_supers;
 122         struct lock_class_key s_lock_key;
 123         struct lock_class_key s_umount_key;
 124 };
 125
 126   name: the name of the filesystem type, such as "ext2", "iso9660",
 127         "msdos" and so on
 128
 129   fs_flags: various flags (i.e. FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE, etc.)
 130
 131   get_sb: the method to call when a new instance of this
 132         filesystem should be mounted
 133
 134   kill_sb: the method to call when an instance of this filesystem
 135         should be unmounted
 136
 137   owner: for internal VFS use: you should initialize this to THIS_MODULE in
 138         most cases.
 139
 140   next: for internal VFS use: you should initialize this to NULL
 141
 142   s_lock_key, s_umount_key: lockdep-specific
 143
 144 The get_sb() method has the following arguments:
 145
 146   struct file_system_type *fs_type: describes the filesystem, partly initialized
 147         by the specific filesystem code
 148
 149   int flags: mount flags
 150
 151   const char *dev_name: the device name we are mounting.
 152
 153   void *data: arbitrary mount options, usually comes as an ASCII
 154         string (see "Mount Options" section)
 155
 156   struct vfsmount *mnt: a vfs-internal representation of a mount point
 157
 158 The get_sb() method must determine if the block device specified
 159 in the dev_name and fs_type contains a filesystem of the type the method
 160 supports. If it succeeds in opening the named block device, it initializes a
 161 struct super_block descriptor for the filesystem contained by the block device.
 162 On failure it returns an error.
 163
 164 The most interesting member of the superblock structure that the
 165 get_sb() method fills in is the "s_op" field. This is a pointer to
 166 a "struct super_operations" which describes the next level of the
 167 filesystem implementation.
 168
 169 Usually, a filesystem uses one of the generic get_sb() implementations
 170 and provides a fill_super() method instead. The generic methods are:
 171
 172   get_sb_bdev: mount a filesystem residing on a block device
 173
 174   get_sb_nodev: mount a filesystem that is not backed by a device
 175
 176   get_sb_single: mount a filesystem which shares the instance between
 177         all mounts
 178
 179 A fill_super() method implementation has the following arguments:
 180
 181   struct super_block *sb: the superblock structure. The method fill_super()
 182         must initialize this properly.
 183
 184   void *data: arbitrary mount options, usually comes as an ASCII
 185         string (see "Mount Options" section)
 186
 187   int silent: whether or not to be silent on error
 188
 189
 190 The Superblock Object
 191 =====================
 192
 193 A superblock object represents a mounted filesystem.
 194
 195
 196 struct super_operations
 197 -----------------------
 198
 199 This describes how the VFS can manipulate the superblock of your
 200 filesystem. As of kernel 2.6.22, the following members are defined:
 201
 202 struct super_operations {
 203         struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
 204         void (*destroy_inode)(struct inode *);
 205
 206         void (*dirty_inode) (struct inode *);
 207         int (*write_inode) (struct inode *, int);
 208         void (*drop_inode) (struct inode *);
 209         void (*delete_inode) (struct inode *);
 210         void (*put_super) (struct super_block *);
 211         void (*write_super) (struct super_block *);
 212         int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
 213         int (*freeze_fs) (struct super_block *);
 214         int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);
 215         int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
 216         int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
 217         void (*clear_inode) (struct inode *);
 218         void (*umount_begin) (struct super_block *);
 219
 220         int (*show_options)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
 221
 222         ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
 223         ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
 224 };
 225
 226 All methods are called without any locks being held, unless otherwise
 227 noted. This means that most methods can block safely. All methods are
 228 only called from a process context (i.e. not from an interrupt handler
 229 or bottom half).
 230
 231   alloc_inode: this method is called by inode_alloc() to allocate memory
 232         for struct inode and initialize it.  If this function is not
 233         defined, a simple 'struct inode' is allocated.  Normally
 234         alloc_inode will be used to allocate a larger structure which
 235         contains a 'struct inode' embedded within it.
 236
 237   destroy_inode: this method is called by destroy_inode() to release
 238         resources allocated for struct inode.  It is only required if
 239         ->alloc_inode was defined and simply undoes anything done by
 240         ->alloc_inode.
 241
 242   dirty_inode: this method is called by the VFS to mark an inode dirty.
 243
 244   write_inode: this method is called when the VFS needs to write an
 245         inode to disc.  The second parameter indicates whether the write
 246         should be synchronous or not, not all filesystems check this flag.
 247
 248   drop_inode: called when the last access to the inode is dropped,
 249         with the inode_lock spinlock held.
 250
 251         This method should be either NULL (normal UNIX filesystem
 252         semantics) or "generic_delete_inode" (for filesystems that do not
 253         want to cache inodes - causing "delete_inode" to always be
 254         called regardless of the value of i_nlink)
 255
 256         The "generic_delete_inode()" behavior is equivalent to the
 257         old practice of using "force_delete" in the put_inode() case,
 258         but does not have the races that the "force_delete()" approach
 259         had.
 260
 261   delete_inode: called when the VFS wants to delete an inode
 262
 263   put_super: called when the VFS wishes to free the superblock
 264         (i.e. unmount). This is called with the superblock lock held
 265
 266   write_super: called when the VFS superblock needs to be written to
 267         disc. This method is optional
 268
 269   sync_fs: called when VFS is writing out all dirty data associated with
 270         a superblock. The second parameter indicates whether the method
 271         should wait until the write out has been completed. Optional.
 272
 273   freeze_fs: called when VFS is locking a filesystem and
 274         forcing it into a consistent state.  This method is currently
 275         used by the Logical Volume Manager (LVM).
 276
 277   unfreeze_fs: called when VFS is unlocking a filesystem and making it writable
 278         again.
 279
 280   statfs: called when the VFS needs to get filesystem statistics.
 281
 282   remount_fs: called when the filesystem is remounted. This is called
 283         with the kernel lock held
 284
 285   clear_inode: called then the VFS clears the inode. Optional
 286
 287   umount_begin: called when the VFS is unmounting a filesystem.
 288
 289   show_options: called by the VFS to show mount options for
 290         /proc/<pid>/mounts.  (see "Mount Options" section)
 291
 292   quota_read: called by the VFS to read from filesystem quota file.
 293
 294   quota_write: called by the VFS to write to filesystem quota file.
 295
 296 Whoever sets up the inode is responsible for filling in the "i_op" field. This
 297 is a pointer to a "struct inode_operations" which describes the methods that
 298 can be performed on individual inodes.
 299
 300
 301 The Inode Object
 302 ================
 303
 304 An inode object represents an object within the filesystem.
 305
 306
 307 struct inode_operations
 308 -----------------------
 309
 310 This describes how the VFS can manipulate an inode in your
 311 filesystem. As of kernel 2.6.22, the following members are defined:
 312
 313 struct inode_operations {
 314         int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
 315         struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
 316         int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
 317         int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
 318         int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
 319         int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);
 320         int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
 321         int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,int,dev_t);
 322         int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
 323                         struct inode *, struct dentry *);
 324         int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);
 325         void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
 326         void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);
 327         void (*truncate) (struct inode *);
 328         int (*permission) (struct inode *, int, struct nameidata *);
 329         int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
 330         int (*getattr) (struct vfsmount *mnt, struct dentry *, struct kstat *);
 331         int (*setxattr) (struct dentry *, const char *,const void *,size_t,int);
 332         ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);
 333         ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
 334         int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);
 335         void (*truncate_range)(struct inode *, loff_t, loff_t);
 336 };
 337
 338 Again, all methods are called without any locks being held, unless
 339 otherwise noted.
 340
 341   create: called by the open(2) and creat(2) system calls. Only
 342         required if you want to support regular files. The dentry you
 343         get should not have an inode (i.e. it should be a negative
 344         dentry). Here you will probably call d_instantiate() with the
 345         dentry and the newly created inode
 346
 347   lookup: called when the VFS needs to look up an inode in a parent
 348         directory. The name to look for is found in the dentry. This
 349         method must call d_add() to insert the found inode into the
 350         dentry. The "i_count" field in the inode structure should be
 351         incremented. If the named inode does not exist a NULL inode
 352         should be inserted into the dentry (this is called a negative
 353         dentry). Returning an error code from this routine must only
 354         be done on a real error, otherwise creating inodes with system
 355         calls like create(2), mknod(2), mkdir(2) and so on will fail.
 356         If you wish to overload the dentry methods then you should
 357         initialise the "d_dop" field in the dentry; this is a pointer
 358         to a struct "dentry_operations".
 359         This method is called with the directory inode semaphore held
 360
 361   link: called by the link(2) system call. Only required if you want
 362         to support hard links. You will probably need to call
 363         d_instantiate() just as you would in the create() method
 364
 365   unlink: called by the unlink(2) system call. Only required if you
 366         want to support deleting inodes
 367
 368   symlink: called by the symlink(2) system call. Only required if you
 369         want to support symlinks. You will probably need to call
 370         d_instantiate() just as you would in the create() method
 371
 372   mkdir: called by the mkdir(2) system call. Only required if you want
 373         to support creating subdirectories. You will probably need to
 374         call d_instantiate() just as you would in the create() method
 375
 376   rmdir: called by the rmdir(2) system call. Only required if you want
 377         to support deleting subdirectories
 378
 379   mknod: called by the mknod(2) system call to create a device (char,
 380         block) inode or a named pipe (FIFO) or socket. Only required
 381         if you want to support creating these types of inodes. You
 382         will probably need to call d_instantiate() just as you would
 383         in the create() method
 384
 385   rename: called by the rename(2) system call to rename the object to
 386         have the parent and name given by the second inode and dentry.
 387
 388   readlink: called by the readlink(2) system call. Only required if
 389         you want to support reading symbolic links
 390
 391   follow_link: called by the VFS to follow a symbolic link to the
 392         inode it points to.  Only required if you want to support
 393         symbolic links.  This method returns a void pointer cookie
 394         that is passed to put_link().
 395
 396   put_link: called by the VFS to release resources allocated by
 397         follow_link().  The cookie returned by follow_link() is passed
 398         to this method as the last parameter.  It is used by
 399         filesystems such as NFS where page cache is not stable
 400         (i.e. page that was installed when the symbolic link walk
 401         started might not be in the page cache at the end of the
 402         walk).
 403
 404   truncate: called by the VFS to change the size of a file.  The
 405         i_size field of the inode is set to the desired size by the
 406         VFS before this method is called.  This method is called by
 407         the truncate(2) system call and related functionality.
 408
 409   permission: called by the VFS to check for access rights on a POSIX-like
 410         filesystem.
 411
 412   setattr: called by the VFS to set attributes for a file. This method
 413         is called by chmod(2) and related system calls.
 414
 415   getattr: called by the VFS to get attributes of a file. This method
 416         is called by stat(2) and related system calls.
 417
 418   setxattr: called by the VFS to set an extended attribute for a file.
 419         Extended attribute is a name:value pair associated with an
 420         inode. This method is called by setxattr(2) system call.
 421
 422   getxattr: called by the VFS to retrieve the value of an extended
 423         attribute name. This method is called by getxattr(2) function
 424         call.
 425
 426   listxattr: called by the VFS to list all extended attributes for a
 427         given file. This method is called by listxattr(2) system call.
 428
 429   removexattr: called by the VFS to remove an extended attribute from
 430         a file. This method is called by removexattr(2) system call.
 431
 432   truncate_range: a method provided by the underlying filesystem to truncate a
 433         range of blocks , i.e. punch a hole somewhere in a file.
 434
 435
 436 The Address Space Object
 437 ========================
 438
 439 The address space object is used to group and manage pages in the page
 440 cache.  It can be used to keep track of the pages in a file (or
 441 anything else) and also track the mapping of sections of the file into
 442 process address spaces.
 443
 444 There are a number of distinct yet related services that an
 445 address-space can provide.  These include communicating memory
 446 pressure, page lookup by address, and keeping track of pages tagged as
 447 Dirty or Writeback.
 448
 449 The first can be used independently to the others.  The VM can try to
 450 either write dirty pages in order to clean them, or release clean
 451 pages in order to reuse them.  To do this it can call the ->writepage
 452 method on dirty pages, and ->releasepage on clean pages with
 453 PagePrivate set. Clean pages without PagePrivate and with no external
 454 references will be released without notice being given to the
 455 address_space.
 456
 457 To achieve this functionality, pages need to be placed on an LRU with
 458 lru_cache_add and mark_page_active needs to be called whenever the
 459 page is used.
 460
 461 Pages are normally kept in a radix tree index by ->index. This tree
 462 maintains information about the PG_Dirty and PG_Writeback status of
 463 each page, so that pages with either of these flags can be found
 464 quickly.
 465
 466 The Dirty tag is primarily used by mpage_writepages - the default
 467 ->writepages method.  It uses the tag to find dirty pages to call
 468 ->writepage on.  If mpage_writepages is not used (i.e. the address
 469 provides its own ->writepages) , the PAGECACHE_TAG_DIRTY tag is
 470 almost unused.  write_inode_now and sync_inode do use it (through
 471 __sync_single_inode) to check if ->writepages has been successful in
 472 writing out the whole address_space.
 473
 474 The Writeback tag is used by filemap*wait* and sync_page* functions,
 475 via wait_on_page_writeback_range, to wait for all writeback to
 476 complete.  While waiting ->sync_page (if defined) will be called on
 477 each page that is found to require writeback.
 478
 479 An address_space handler may attach extra information to a page,
 480 typically using the 'private' field in the 'struct page'.  If such
 481 information is attached, the PG_Private flag should be set.  This will
 482 cause various VM routines to make extra calls into the address_space
 483 handler to deal with that data.
 484
 485 An address space acts as an intermediate between storage and
 486 application.  Data is read into the address space a whole page at a
 487 time, and provided to the application either by copying of the page,
 488 or by memory-mapping the page.
 489 Data is written into the address space by the application, and then
 490 written-back to storage typically in whole pages, however the
 491 address_space has finer control of write sizes.
 492
 493 The read process essentially only requires 'readpage'.  The write
 494 process is more complicated and uses write_begin/write_end or
 495 set_page_dirty to write data into the address_space, and writepage,
 496 sync_page, and writepages to writeback data to storage.
 497
 498 Adding and removing pages to/from an address_space is protected by the
 499 inode's i_mutex.
 500
 501 When data is written to a page, the PG_Dirty flag should be set.  It
 502 typically remains set until writepage asks for it to be written.  This
 503 should clear PG_Dirty and set PG_Writeback.  It can be actually
 504 written at any point after PG_Dirty is clear.  Once it is known to be
 505 safe, PG_Writeback is cleared.
 506
 507 Writeback makes use of a writeback_control structure...
 508
 509 struct address_space_operations
 510 -------------------------------
 511
 512 This describes how the VFS can manipulate mapping of a file to page cache in
 513 your filesystem. As of kernel 2.6.22, the following members are defined:
 514
 515 struct address_space_operations {
 516         int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
 517         int (*readpage)(struct file *, struct page *);
 518         int (*sync_page)(struct page *);
 519         int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
 520         int (*set_page_dirty)(struct page *page);
 521         int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping,
 522                         struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
 523         int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
 524                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned flags,
 525                                 struct page **pagep, void **fsdata);
 526         int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
 527                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
 528                                 struct page *page, void *fsdata);
 529         sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
 530         int (*invalidatepage) (struct page *, unsigned long);
 531         int (*releasepage) (struct page *, int);
 532         ssize_t (*direct_IO)(int, struct kiocb *, const struct iovec *iov,
 533                         loff_t offset, unsigned long nr_segs);
 534         struct page* (*get_xip_page)(struct address_space *, sector_t,
 535                         int);
 536         /* migrate the contents of a page to the specified target */
 537         int (*migratepage) (struct page *, struct page *);
 538         int (*launder_page) (struct page *);
 539 };
 540
 541   writepage: called by the VM to write a dirty page to backing store.
 542       This may happen for data integrity reasons (i.e. 'sync'), or
 543       to free up memory (flush).  The difference can be seen in
 544       wbc->sync_mode.
 545       The PG_Dirty flag has been cleared and PageLocked is true.
 546       writepage should start writeout, should set PG_Writeback,
 547       and should make sure the page is unlocked, either synchronously
 548       or asynchronously when the write operation completes.
 549
 550       If wbc->sync_mode is WB_SYNC_NONE, ->writepage doesn't have to
 551       try too hard if there are problems, and may choose to write out
 552       other pages from the mapping if that is easier (e.g. due to
 553       internal dependencies).  If it chooses not to start writeout, it
 554       should return AOP_WRITEPAGE_ACTIVATE so that the VM will not keep
 555       calling ->writepage on that page.
 556
 557       See the file "Locking" for more details.
 558
 559   readpage: called by the VM to read a page from backing store.
 560        The page will be Locked when readpage is called, and should be
 561        unlocked and marked uptodate once the read completes.
 562        If ->readpage discovers that it needs to unlock the page for
 563        some reason, it can do so, and then return AOP_TRUNCATED_PAGE.
 564        In this case, the page will be relocated, relocked and if
 565        that all succeeds, ->readpage will be called again.
 566
 567   sync_page: called by the VM to notify the backing store to perform all
 568         queued I/O operations for a page. I/O operations for other pages
 569         associated with this address_space object may also be performed.
 570
 571         This function is optional and is called only for pages with
 572         PG_Writeback set while waiting for the writeback to complete.
 573
 574   writepages: called by the VM to write out pages associated with the
 575         address_space object.  If wbc->sync_mode is WBC_SYNC_ALL, then
 576         the writeback_control will specify a range of pages that must be
 577         written out.  If it is WBC_SYNC_NONE, then a nr_to_write is given
 578         and that many pages should be written if possible.
 579         If no ->writepages is given, then mpage_writepages is used
 580         instead.  This will choose pages from the address space that are
 581         tagged as DIRTY and will pass them to ->writepage.
 582
 583   set_page_dirty: called by the VM to set a page dirty.
 584         This is particularly needed if an address space attaches
 585         private data to a page, and that data needs to be updated when
 586         a page is dirtied.  This is called, for example, when a memory
 587         mapped page gets modified.
 588         If defined, it should set the PageDirty flag, and the
 589         PAGECACHE_TAG_DIRTY tag in the radix tree.
 590
 591   readpages: called by the VM to read pages associated with the address_space
 592         object. This is essentially just a vector version of
 593         readpage.  Instead of just one page, several pages are
 594         requested.
 595         readpages is only used for read-ahead, so read errors are
 596         ignored.  If anything goes wrong, feel free to give up.
 597
 598   write_begin:
 599         Called by the generic buffered write code to ask the filesystem to
 600         prepare to write len bytes at the given offset in the file. The
 601         address_space should check that the write will be able to complete,
 602         by allocating space if necessary and doing any other internal
 603         housekeeping.  If the write will update parts of any basic-blocks on
 604         storage, then those blocks should be pre-read (if they haven't been
 605         read already) so that the updated blocks can be written out properly.
 606
 607         The filesystem must return the locked pagecache page for the specified
 608         offset, in *pagep, for the caller to write into.
 609
 610         It must be able to cope with short writes (where the length passed to
 611         write_begin is greater than the number of bytes copied into the page).
 612
 613         flags is a field for AOP_FLAG_xxx flags, described in
 614         include/linux/fs.h.
 615
 616         A void * may be returned in fsdata, which then gets passed into
 617         write_end.
 618
 619         Returns 0 on success; < 0 on failure (which is the error code), in
 620         which case write_end is not called.
 621
 622   write_end: After a successful write_begin, and data copy, write_end must
 623         be called. len is the original len passed to write_begin, and copied
 624         is the amount that was able to be copied (copied == len is always true
 625         if write_begin was called with the AOP_FLAG_UNINTERRUPTIBLE flag).
 626
 627         The filesystem must take care of unlocking the page and releasing it
 628         refcount, and updating i_size.
 629
 630         Returns < 0 on failure, otherwise the number of bytes (<= 'copied')
 631         that were able to be copied into pagecache.
 632
 633   bmap: called by the VFS to map a logical block offset within object to
 634         physical block number. This method is used by the FIBMAP
 635         ioctl and for working with swap-files.  To be able to swap to
 636         a file, the file must have a stable mapping to a block
 637         device.  The swap system does not go through the filesystem
 638         but instead uses bmap to find out where the blocks in the file
 639         are and uses those addresses directly.
 640
 641
 642   invalidatepage: If a page has PagePrivate set, then invalidatepage
 643         will be called when part or all of the page is to be removed
 644         from the address space.  This generally corresponds to either a
 645         truncation or a complete invalidation of the address space
 646         (in the latter case 'offset' will always be 0).
 647         Any private data associated with the page should be updated
 648         to reflect this truncation.  If offset is 0, then
 649         the private data should be released, because the page
 650         must be able to be completely discarded.  This may be done by
 651         calling the ->releasepage function, but in this case the
 652         release MUST succeed.
 653
 654   releasepage: releasepage is called on PagePrivate pages to indicate
 655         that the page should be freed if possible.  ->releasepage
 656         should remove any private data from the page and clear the
 657         PagePrivate flag.  It may also remove the page from the
 658         address_space.  If this fails for some reason, it may indicate
 659         failure with a 0 return value.
 660         This is used in two distinct though related cases.  The first
 661         is when the VM finds a clean page with no active users and
 662         wants to make it a free page.  If ->releasepage succeeds, the
 663         page will be removed from the address_space and become free.
 664
 665         The second case is when a request has been made to invalidate
 666         some or all pages in an address_space.  This can happen
 667         through the fadvice(POSIX_FADV_DONTNEED) system call or by the
 668         filesystem explicitly requesting it as nfs and 9fs do (when
 669         they believe the cache may be out of date with storage) by
 670         calling invalidate_inode_pages2().
 671         If the filesystem makes such a call, and needs to be certain
 672         that all pages are invalidated, then its releasepage will
 673         need to ensure this.  Possibly it can clear the PageUptodate
 674         bit if it cannot free private data yet.
 675
 676   direct_IO: called by the generic read/write routines to perform
 677         direct_IO - that is IO requests which bypass the page cache
 678         and transfer data directly between the storage and the
 679         application's address space.
 680
 681   get_xip_page: called by the VM to translate a block number to a page.
 682         The page is valid until the corresponding filesystem is unmounted.
 683         Filesystems that want to use execute-in-place (XIP) need to implement
 684         it.  An example implementation can be found in fs/ext2/xip.c.
 685
 686   migrate_page:  This is used to compact the physical memory usage.
 687         If the VM wants to relocate a page (maybe off a memory card
 688         that is signalling imminent failure) it will pass a new page
 689         and an old page to this function.  migrate_page should
 690         transfer any private data across and update any references
 691         that it has to the page.
 692
 693   launder_page: Called before freeing a page - it writes back the dirty page. To
 694         prevent redirtying the page, it is kept locked during the whole
 695         operation.
 696
 697 The File Object
 698 ===============
 699
 700 A file object represents a file opened by a process.
 701
 702
 703 struct file_operations
 704 ----------------------
 705
 706 This describes how the VFS can manipulate an open file. As of kernel
 707 2.6.22, the following members are defined:
 708
 709 struct file_operations {
 710         struct module *owner;
 711         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
 712         ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
 713         ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
 714         ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
 715         ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
 716         int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
 717         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
 718         int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
 719         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
 720         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
 721         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
 722         int (*open) (struct inode *, struct file *);
 723         int (*flush) (struct file *);
 724         int (*release) (struct inode *, struct file *);
 725         int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
 726         int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
 727         int (*fasync) (int, struct file *, int);
 728         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
 729         ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
 730         ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
 731         ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
 732         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
 733         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
 734         int (*check_flags)(int);
 735         int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
 736         ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, size_t, unsigned int);
 737         ssize_t (*splice_read)(struct file *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
 738 };
 739
 740 Again, all methods are called without any locks being held, unless
 741 otherwise noted.
 742
 743   llseek: called when the VFS needs to move the file position index
 744
 745   read: called by read(2) and related system calls
 746
 747   aio_read: called by io_submit(2) and other asynchronous I/O operations
 748
 749   write: called by write(2) and related system calls
 750
 751   aio_write: called by io_submit(2) and other asynchronous I/O operations
 752
 753   readdir: called when the VFS needs to read the directory contents
 754
 755   poll: called by the VFS when a process wants to check if there is
 756         activity on this file and (optionally) go to sleep until there
 757         is activity. Called by the select(2) and poll(2) system calls
 758
 759   ioctl: called by the ioctl(2) system call
 760
 761   unlocked_ioctl: called by the ioctl(2) system call. Filesystems that do not
 762         require the BKL should use this method instead of the ioctl() above.
 763
 764   compat_ioctl: called by the ioctl(2) system call when 32 bit system calls
 765          are used on 64 bit kernels.
 766
 767   mmap: called by the mmap(2) system call
 768
 769   open: called by the VFS when an inode should be opened. When the VFS
 770         opens a file, it creates a new "struct file". It then calls the
 771         open method for the newly allocated file structure. You might
 772         think that the open method really belongs in
 773         "struct inode_operations", and you may be right. I think it's
 774         done the way it is because it makes filesystems simpler to
 775         implement. The open() method is a good place to initialize the
 776         "private_data" member in the file structure if you want to point
 777         to a device structure
 778
 779   flush: called by the close(2) system call to flush a file
 780
 781   release: called when the last reference to an open file is closed
 782
 783   fsync: called by the fsync(2) system call
 784
 785   fasync: called by the fcntl(2) system call when asynchronous
 786         (non-blocking) mode is enabled for a file
 787
 788   lock: called by the fcntl(2) system call for F_GETLK, F_SETLK, and F_SETLKW
 789         commands
 790
 791   readv: called by the readv(2) system call
 792
 793   writev: called by the writev(2) system call
 794
 795   sendfile: called by the sendfile(2) system call
 796
 797   get_unmapped_area: called by the mmap(2) system call
 798
 799   check_flags: called by the fcntl(2) system call for F_SETFL command
 800
 801   flock: called by the flock(2) system call
 802
 803   splice_write: called by the VFS to splice data from a pipe to a file. This
 804                 method is used by the splice(2) system call
 805
 806   splice_read: called by the VFS to splice data from file to a pipe. This
 807                method is used by the splice(2) system call
 808
 809 Note that the file operations are implemented by the specific
 810 filesystem in which the inode resides. When opening a device node
 811 (character or block special) most filesystems will call special
 812 support routines in the VFS which will locate the required device
 813 driver information. These support routines replace the filesystem file
 814 operations with those for the device driver, and then proceed to call
 815 the new open() method for the file. This is how opening a device file
 816 in the filesystem eventually ends up calling the device driver open()
 817 method.
 818
 819
 820 Directory Entry Cache (dcache)
 821 ==============================
 822
 823
 824 struct dentry_operations
 825 ------------------------
 826
 827 This describes how a filesystem can overload the standard dentry
 828 operations. Dentries and the dcache are the domain of the VFS and the
 829 individual filesystem implementations. Device drivers have no business
 830 here. These methods may be set to NULL, as they are either optional or
 831 the VFS uses a default. As of kernel 2.6.22, the following members are
 832 defined:
 833
 834 struct dentry_operations {
 835         int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
 836         int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
 837         int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
 838         int (*d_delete)(struct dentry *);
 839         void (*d_release)(struct dentry *);
 840         void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
 841         char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
 842 };
 843
 844   d_revalidate: called when the VFS needs to revalidate a dentry. This
 845         is called whenever a name look-up finds a dentry in the
 846         dcache. Most filesystems leave this as NULL, because all their
 847         dentries in the dcache are valid
 848
 849   d_hash: called when the VFS adds a dentry to the hash table
 850
 851   d_compare: called when a dentry should be compared with another
 852
 853   d_delete: called when the last reference to a dentry is
 854         deleted. This means no-one is using the dentry, however it is
 855         still valid and in the dcache
 856
 857   d_release: called when a dentry is really deallocated
 858
 859   d_iput: called when a dentry loses its inode (just prior to its
 860         being deallocated). The default when this is NULL is that the
 861         VFS calls iput(). If you define this method, you must call
 862         iput() yourself
 863
 864   d_dname: called when the pathname of a dentry should be generated.
 865         Useful for some pseudo filesystems (sockfs, pipefs, ...) to delay
 866         pathname generation. (Instead of doing it when dentry is created,
 867         it's done only when the path is needed.). Real filesystems probably
 868         dont want to use it, because their dentries are present in global
 869         dcache hash, so their hash should be an invariant. As no lock is
 870         held, d_dname() should not try to modify the dentry itself, unless
 871         appropriate SMP safety is used. CAUTION : d_path() logic is quite
 872         tricky. The correct way to return for example "Hello" is to put it
 873         at the end of the buffer, and returns a pointer to the first char.
 874         dynamic_dname() helper function is provided to take care of this.
 875
 876 Example :
 877
 878 static char *pipefs_dname(struct dentry *dent, char *buffer, int buflen)
 879 {
 880         return dynamic_dname(dentry, buffer, buflen, "pipe:[%lu]",
 881                                 dentry->d_inode->i_ino);
 882 }
 883
 884 Each dentry has a pointer to its parent dentry, as well as a hash list
 885 of child dentries. Child dentries are basically like files in a
 886 directory.
 887
 888
 889 Directory Entry Cache API
 890 --------------------------
 891
 892 There are a number of functions defined which permit a filesystem to
 893 manipulate dentries:
 894
 895   dget: open a new handle for an existing dentry (this just increments
 896         the usage count)
 897
 898   dput: close a handle for a dentry (decrements the usage count). If
 899         the usage count drops to 0, the "d_delete" method is called
 900         and the dentry is placed on the unused list if the dentry is
 901         still in its parents hash list. Putting the dentry on the
 902         unused list just means that if the system needs some RAM, it
 903         goes through the unused list of dentries and deallocates them.
 904         If the dentry has already been unhashed and the usage count
 905         drops to 0, in this case the dentry is deallocated after the
 906         "d_delete" method is called
 907
 908   d_drop: this unhashes a dentry from its parents hash list. A
 909         subsequent call to dput() will deallocate the dentry if its
 910         usage count drops to 0
 911
 912   d_delete: delete a dentry. If there are no other open references to
 913         the dentry then the dentry is turned into a negative dentry
 914         (the d_iput() method is called). If there are other
 915         references, then d_drop() is called instead
 916
 917   d_add: add a dentry to its parents hash list and then calls
 918         d_instantiate()
 919
 920   d_instantiate: add a dentry to the alias hash list for the inode and
 921         updates the "d_inode" member. The "i_count" member in the
 922         inode structure should be set/incremented. If the inode
 923         pointer is NULL, the dentry is called a "negative
 924         dentry". This function is commonly called when an inode is
 925         created for an existing negative dentry
 926
 927   d_lookup: look up a dentry given its parent and path name component
 928         It looks up the child of that given name from the dcache
 929         hash table. If it is found, the reference count is incremented
 930         and the dentry is returned. The caller must use dput()
 931         to free the dentry when it finishes using it.
 932
 933 For further information on dentry locking, please refer to the document
 934 Documentation/filesystems/dentry-locking.txt.
 935
 936 Mount Options
 937 =============
 938
 939 Parsing options
 940 ---------------
 941
 942 On mount and remount the filesystem is passed a string containing a
 943 comma separated list of mount options.  The options can have either of
 944 these forms:
 945
 946   option
 947   option=value
 948
 949 The <linux/parser.h> header defines an API that helps parse these
 950 options.  There are plenty of examples on how to use it in existing
 951 filesystems.
 952
 953 Showing options
 954 ---------------
 955
 956 If a filesystem accepts mount options, it must define show_options()
 957 to show all the currently active options.  The rules are:
 958
 959   - options MUST be shown which are not default or their values differ
 960     from the default
 961
 962   - options MAY be shown which are enabled by default or have their
 963     default value
 964
 965 Options used only internally between a mount helper and the kernel
 966 (such as file descriptors), or which only have an effect during the
 967 mounting (such as ones controlling the creation of a journal) are exempt
 968 from the above rules.
 969
 970 The underlying reason for the above rules is to make sure, that a
 971 mount can be accurately replicated (e.g. umounting and mounting again)
 972 based on the information found in /proc/mounts.
 973
 974 A simple method of saving options at mount/remount time and showing
 975 them is provided with the save_mount_options() and
 976 generic_show_options() helper functions.  Please note, that using
 977 these may have drawbacks.  For more info see header comments for these
 978 functions in fs/namespace.c.
 979
 980 Resources
 981 =========
 982
 983 (Note some of these resources are not up-to-date with the latest kernel
 984  version.)
 985
 986 Creating Linux virtual filesystems. 2002
 987     <http://lwn.net/Articles/13325/>
 988
 989 The Linux Virtual File-system Layer by Neil Brown. 1999
 990     <http://www.cse.unsw.edu.au/~neilb/oss/linux-commentary/vfs.html>
 991
 992 A tour of the Linux VFS by Michael K. Johnson. 1996
 993     <http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/fs/vfstour.html>
 994
 995 A small trail through the Linux kernel by Andries Brouwer. 2001
 996     <http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/vfs/trail.html>