7a05329844d2302075a16aa9b50a371e5ce7e099
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / filesystems / overlayfs.txt
1 Written by: Neil Brown
2 Please see MAINTAINERS file for where to send questions.
3
4 Overlay Filesystem
5 ==================
6
7 This document describes a prototype for a new approach to providing
8 overlay-filesystem functionality in Linux (sometimes referred to as
9 union-filesystems).  An overlay-filesystem tries to present a
10 filesystem which is the result over overlaying one filesystem on top
11 of the other.
12
13 The result will inevitably fail to look exactly like a normal
14 filesystem for various technical reasons.  The expectation is that
15 many use cases will be able to ignore these differences.
16
17 This approach is 'hybrid' because the objects that appear in the
18 filesystem do not all appear to belong to that filesystem.  In many
19 cases an object accessed in the union will be indistinguishable
20 from accessing the corresponding object from the original filesystem.
21 This is most obvious from the 'st_dev' field returned by stat(2).
22
23 While directories will report an st_dev from the overlay-filesystem,
24 non-directory objects may report an st_dev from the lower filesystem or
25 upper filesystem that is providing the object.  Similarly st_ino will
26 only be unique when combined with st_dev, and both of these can change
27 over the lifetime of a non-directory object.  Many applications and
28 tools ignore these values and will not be affected.
29
30 In the special case of all overlay layers on the same underlying
31 filesystem, all objects will report an st_dev from the overlay
32 filesystem and st_ino from the underlying filesystem.  This will
33 make the overlay mount more compliant with filesystem scanners and
34 overlay objects will be distinguishable from the corresponding
35 objects in the original filesystem.
36
37 Upper and Lower
38 ---------------
39
40 An overlay filesystem combines two filesystems - an 'upper' filesystem
41 and a 'lower' filesystem.  When a name exists in both filesystems, the
42 object in the 'upper' filesystem is visible while the object in the
43 'lower' filesystem is either hidden or, in the case of directories,
44 merged with the 'upper' object.
45
46 It would be more correct to refer to an upper and lower 'directory
47 tree' rather than 'filesystem' as it is quite possible for both
48 directory trees to be in the same filesystem and there is no
49 requirement that the root of a filesystem be given for either upper or
50 lower.
51
52 The lower filesystem can be any filesystem supported by Linux and does
53 not need to be writable.  The lower filesystem can even be another
54 overlayfs.  The upper filesystem will normally be writable and if it
55 is it must support the creation of trusted.* extended attributes, and
56 must provide valid d_type in readdir responses, so NFS is not suitable.
57
58 A read-only overlay of two read-only filesystems may use any
59 filesystem type.
60
61 Directories
62 -----------
63
64 Overlaying mainly involves directories.  If a given name appears in both
65 upper and lower filesystems and refers to a non-directory in either,
66 then the lower object is hidden - the name refers only to the upper
67 object.
68
69 Where both upper and lower objects are directories, a merged directory
70 is formed.
71
72 At mount time, the two directories given as mount options "lowerdir" and
73 "upperdir" are combined into a merged directory:
74
75   mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower,upperdir=/upper,\
76   workdir=/work /merged
77
78 The "workdir" needs to be an empty directory on the same filesystem
79 as upperdir.
80
81 Then whenever a lookup is requested in such a merged directory, the
82 lookup is performed in each actual directory and the combined result
83 is cached in the dentry belonging to the overlay filesystem.  If both
84 actual lookups find directories, both are stored and a merged
85 directory is created, otherwise only one is stored: the upper if it
86 exists, else the lower.
87
88 Only the lists of names from directories are merged.  Other content
89 such as metadata and extended attributes are reported for the upper
90 directory only.  These attributes of the lower directory are hidden.
91
92 whiteouts and opaque directories
93 --------------------------------
94
95 In order to support rm and rmdir without changing the lower
96 filesystem, an overlay filesystem needs to record in the upper filesystem
97 that files have been removed.  This is done using whiteouts and opaque
98 directories (non-directories are always opaque).
99
100 A whiteout is created as a character device with 0/0 device number.
101 When a whiteout is found in the upper level of a merged directory, any
102 matching name in the lower level is ignored, and the whiteout itself
103 is also hidden.
104
105 A directory is made opaque by setting the xattr "trusted.overlay.opaque"
106 to "y".  Where the upper filesystem contains an opaque directory, any
107 directory in the lower filesystem with the same name is ignored.
108
109 readdir
110 -------
111
112 When a 'readdir' request is made on a merged directory, the upper and
113 lower directories are each read and the name lists merged in the
114 obvious way (upper is read first, then lower - entries that already
115 exist are not re-added).  This merged name list is cached in the
116 'struct file' and so remains as long as the file is kept open.  If the
117 directory is opened and read by two processes at the same time, they
118 will each have separate caches.  A seekdir to the start of the
119 directory (offset 0) followed by a readdir will cause the cache to be
120 discarded and rebuilt.
121
122 This means that changes to the merged directory do not appear while a
123 directory is being read.  This is unlikely to be noticed by many
124 programs.
125
126 seek offsets are assigned sequentially when the directories are read.
127 Thus if
128
129   - read part of a directory
130   - remember an offset, and close the directory
131   - re-open the directory some time later
132   - seek to the remembered offset
133
134 there may be little correlation between the old and new locations in
135 the list of filenames, particularly if anything has changed in the
136 directory.
137
138 Readdir on directories that are not merged is simply handled by the
139 underlying directory (upper or lower).
140
141 renaming directories
142 --------------------
143
144 When renaming a directory that is on the lower layer or merged (i.e. the
145 directory was not created on the upper layer to start with) overlayfs can
146 handle it in two different ways:
147
148 1. return EXDEV error: this error is returned by rename(2) when trying to
149    move a file or directory across filesystem boundaries.  Hence
150    applications are usually prepared to hande this error (mv(1) for example
151    recursively copies the directory tree).  This is the default behavior.
152
153 2. If the "redirect_dir" feature is enabled, then the directory will be
154    copied up (but not the contents).  Then the "trusted.overlay.redirect"
155    extended attribute is set to the path of the original location from the
156    root of the overlay.  Finally the directory is moved to the new
157    location.
158
159 There are several ways to tune the "redirect_dir" feature.
160
161 Kernel config options:
162
163 - OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR:
164     If this is enabled, then redirect_dir is turned on by  default.
165 - OVERLAY_FS_REDIRECT_ALWAYS_FOLLOW:
166     If this is enabled, then redirects are always followed by default. Enabling
167     this results in a less secure configuration.  Enable this option only when
168     worried about backward compatibility with kernels that have the redirect_dir
169     feature and follow redirects even if turned off.
170
171 Module options (can also be changed through /sys/module/overlay/parameters/*):
172
173 - "redirect_dir=BOOL":
174     See OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR kernel config option above.
175 - "redirect_always_follow=BOOL":
176     See OVERLAY_FS_REDIRECT_ALWAYS_FOLLOW kernel config option above.
177 - "redirect_max=NUM":
178     The maximum number of bytes in an absolute redirect (default is 256).
179
180 Mount options:
181
182 - "redirect_dir=on":
183     Redirects are enabled.
184 - "redirect_dir=follow":
185     Redirects are not created, but followed.
186 - "redirect_dir=off":
187     Redirects are not created and only followed if "redirect_always_follow"
188     feature is enabled in the kernel/module config.
189 - "redirect_dir=nofollow":
190     Redirects are not created and not followed (equivalent to "redirect_dir=off"
191     if "redirect_always_follow" feature is not enabled).
192
193 When the NFS export feature is enabled, every copied up directory is
194 indexed by the file handle of the lower inode and a file handle of the
195 upper directory is stored in a "trusted.overlay.upper" extended attribute
196 on the index entry.  On lookup of a merged directory, if the upper
197 directory does not match the file handle stores in the index, that is an
198 indication that multiple upper directories may be redirected to the same
199 lower directory.  In that case, lookup returns an error and warns about
200 a possible inconsistency.
201
202 Because lower layer redirects cannot be verified with the index, enabling
203 NFS export support on an overlay filesystem with no upper layer requires
204 turning off redirect follow (e.g. "redirect_dir=nofollow").
205
206 When the NFS export feature is enabled, all directory index entries are
207 verified on mount time to check that upper file handles are not stale.
208 This verification may cause significant overhead in some cases.
209
210
211 Non-directories
212 ---------------
213
214 Objects that are not directories (files, symlinks, device-special
215 files etc.) are presented either from the upper or lower filesystem as
216 appropriate.  When a file in the lower filesystem is accessed in a way
217 the requires write-access, such as opening for write access, changing
218 some metadata etc., the file is first copied from the lower filesystem
219 to the upper filesystem (copy_up).  Note that creating a hard-link
220 also requires copy_up, though of course creation of a symlink does
221 not.
222
223 The copy_up may turn out to be unnecessary, for example if the file is
224 opened for read-write but the data is not modified.
225
226 The copy_up process first makes sure that the containing directory
227 exists in the upper filesystem - creating it and any parents as
228 necessary.  It then creates the object with the same metadata (owner,
229 mode, mtime, symlink-target etc.) and then if the object is a file, the
230 data is copied from the lower to the upper filesystem.  Finally any
231 extended attributes are copied up.
232
233 Once the copy_up is complete, the overlay filesystem simply
234 provides direct access to the newly created file in the upper
235 filesystem - future operations on the file are barely noticed by the
236 overlay filesystem (though an operation on the name of the file such as
237 rename or unlink will of course be noticed and handled).
238
239
240 Multiple lower layers
241 ---------------------
242
243 Multiple lower layers can now be given using the the colon (":") as a
244 separator character between the directory names.  For example:
245
246   mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower1:/lower2:/lower3 /merged
247
248 As the example shows, "upperdir=" and "workdir=" may be omitted.  In
249 that case the overlay will be read-only.
250
251 The specified lower directories will be stacked beginning from the
252 rightmost one and going left.  In the above example lower1 will be the
253 top, lower2 the middle and lower3 the bottom layer.
254
255
256 Sharing and copying layers
257 --------------------------
258
259 Lower layers may be shared among several overlay mounts and that is indeed
260 a very common practice.  An overlay mount may use the same lower layer
261 path as another overlay mount and it may use a lower layer path that is
262 beneath or above the path of another overlay lower layer path.
263
264 Using an upper layer path and/or a workdir path that are already used by
265 another overlay mount is not allowed and may fail with EBUSY.  Using
266 partially overlapping paths is not allowed but will not fail with EBUSY.
267 If files are accessed from two overlayfs mounts which share or overlap the
268 upper layer and/or workdir path the behavior of the overlay is undefined,
269 though it will not result in a crash or deadlock.
270
271 Mounting an overlay using an upper layer path, where the upper layer path
272 was previously used by another mounted overlay in combination with a
273 different lower layer path, is allowed, unless the "inodes index" feature
274 is enabled.
275
276 With the "inodes index" feature, on the first time mount, an NFS file
277 handle of the lower layer root directory, along with the UUID of the lower
278 filesystem, are encoded and stored in the "trusted.overlay.origin" extended
279 attribute on the upper layer root directory.  On subsequent mount attempts,
280 the lower root directory file handle and lower filesystem UUID are compared
281 to the stored origin in upper root directory.  On failure to verify the
282 lower root origin, mount will fail with ESTALE.  An overlayfs mount with
283 "inodes index" enabled will fail with EOPNOTSUPP if the lower filesystem
284 does not support NFS export, lower filesystem does not have a valid UUID or
285 if the upper filesystem does not support extended attributes.
286
287 It is quite a common practice to copy overlay layers to a different
288 directory tree on the same or different underlying filesystem, and even
289 to a different machine.  With the "inodes index" feature, trying to mount
290 the copied layers will fail the verification of the lower root file handle.
291
292
293 Non-standard behavior
294 ---------------------
295
296 The copy_up operation essentially creates a new, identical file and
297 moves it over to the old name.  The new file may be on a different
298 filesystem, so both st_dev and st_ino of the file may change.
299
300 Any open files referring to this inode will access the old data.
301
302 Unless "inode index" feature is enabled, if a file with multiple hard
303 links is copied up, then this will "break" the link.  Changes will not be
304 propagated to other names referring to the same inode.
305
306 Unless "redirect_dir" feature is enabled, rename(2) on a lower or merged
307 directory will fail with EXDEV.
308
309 Changes to underlying filesystems
310 ---------------------------------
311
312 Offline changes, when the overlay is not mounted, are allowed to either
313 the upper or the lower trees.
314
315 Changes to the underlying filesystems while part of a mounted overlay
316 filesystem are not allowed.  If the underlying filesystem is changed,
317 the behavior of the overlay is undefined, though it will not result in
318 a crash or deadlock.
319
320 When the overlay NFS export feature is enabled, overlay filesystems
321 behavior on offline changes of the underlying lower layer is different
322 than the behavior when NFS export is disabled.
323
324 On every copy_up, an NFS file handle of the lower inode, along with the
325 UUID of the lower filesystem, are encoded and stored in an extended
326 attribute "trusted.overlay.origin" on the upper inode.
327
328 When the NFS export feature is enabled, a lookup of a merged directory,
329 that found a lower directory at the lookup path or at the path pointed
330 to by the "trusted.overlay.redirect" extended attribute, will verify
331 that the found lower directory file handle and lower filesystem UUID
332 match the origin file handle that was stored at copy_up time.  If a
333 found lower directory does not match the stored origin, that directory
334 will not be merged with the upper directory.
335
336
337 Testsuite
338 ---------
339
340 There's testsuite developed by David Howells at:
341
342   git://git.infradead.org/users/dhowells/unionmount-testsuite.git
343
344 Run as root:
345
346   # cd unionmount-testsuite
347   # ./run --ov