Merge tag 'scsi-fixes' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jejb/scsi
[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
207 Non-directories
208 ---------------
209
210 Objects that are not directories (files, symlinks, device-special
211 files etc.) are presented either from the upper or lower filesystem as
212 appropriate.  When a file in the lower filesystem is accessed in a way
213 the requires write-access, such as opening for write access, changing
214 some metadata etc., the file is first copied from the lower filesystem
215 to the upper filesystem (copy_up).  Note that creating a hard-link
216 also requires copy_up, though of course creation of a symlink does
217 not.
218
219 The copy_up may turn out to be unnecessary, for example if the file is
220 opened for read-write but the data is not modified.
221
222 The copy_up process first makes sure that the containing directory
223 exists in the upper filesystem - creating it and any parents as
224 necessary.  It then creates the object with the same metadata (owner,
225 mode, mtime, symlink-target etc.) and then if the object is a file, the
226 data is copied from the lower to the upper filesystem.  Finally any
227 extended attributes are copied up.
228
229 Once the copy_up is complete, the overlay filesystem simply
230 provides direct access to the newly created file in the upper
231 filesystem - future operations on the file are barely noticed by the
232 overlay filesystem (though an operation on the name of the file such as
233 rename or unlink will of course be noticed and handled).
234
235
236 Multiple lower layers
237 ---------------------
238
239 Multiple lower layers can now be given using the the colon (":") as a
240 separator character between the directory names.  For example:
241
242   mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower1:/lower2:/lower3 /merged
243
244 As the example shows, "upperdir=" and "workdir=" may be omitted.  In
245 that case the overlay will be read-only.
246
247 The specified lower directories will be stacked beginning from the
248 rightmost one and going left.  In the above example lower1 will be the
249 top, lower2 the middle and lower3 the bottom layer.
250
251
252 Sharing and copying layers
253 --------------------------
254
255 Lower layers may be shared among several overlay mounts and that is indeed
256 a very common practice.  An overlay mount may use the same lower layer
257 path as another overlay mount and it may use a lower layer path that is
258 beneath or above the path of another overlay lower layer path.
259
260 Using an upper layer path and/or a workdir path that are already used by
261 another overlay mount is not allowed and may fail with EBUSY.  Using
262 partially overlapping paths is not allowed but will not fail with EBUSY.
263 If files are accessed from two overlayfs mounts which share or overlap the
264 upper layer and/or workdir path the behavior of the overlay is undefined,
265 though it will not result in a crash or deadlock.
266
267 Mounting an overlay using an upper layer path, where the upper layer path
268 was previously used by another mounted overlay in combination with a
269 different lower layer path, is allowed, unless the "inodes index" feature
270 is enabled.
271
272 With the "inodes index" feature, on the first time mount, an NFS file
273 handle of the lower layer root directory, along with the UUID of the lower
274 filesystem, are encoded and stored in the "trusted.overlay.origin" extended
275 attribute on the upper layer root directory.  On subsequent mount attempts,
276 the lower root directory file handle and lower filesystem UUID are compared
277 to the stored origin in upper root directory.  On failure to verify the
278 lower root origin, mount will fail with ESTALE.  An overlayfs mount with
279 "inodes index" enabled will fail with EOPNOTSUPP if the lower filesystem
280 does not support NFS export, lower filesystem does not have a valid UUID or
281 if the upper filesystem does not support extended attributes.
282
283 It is quite a common practice to copy overlay layers to a different
284 directory tree on the same or different underlying filesystem, and even
285 to a different machine.  With the "inodes index" feature, trying to mount
286 the copied layers will fail the verification of the lower root file handle.
287
288
289 Non-standard behavior
290 ---------------------
291
292 The copy_up operation essentially creates a new, identical file and
293 moves it over to the old name.  The new file may be on a different
294 filesystem, so both st_dev and st_ino of the file may change.
295
296 Any open files referring to this inode will access the old data.
297
298 Unless "inode index" feature is enabled, if a file with multiple hard
299 links is copied up, then this will "break" the link.  Changes will not be
300 propagated to other names referring to the same inode.
301
302 Unless "redirect_dir" feature is enabled, rename(2) on a lower or merged
303 directory will fail with EXDEV.
304
305 Changes to underlying filesystems
306 ---------------------------------
307
308 Offline changes, when the overlay is not mounted, are allowed to either
309 the upper or the lower trees.
310
311 Changes to the underlying filesystems while part of a mounted overlay
312 filesystem are not allowed.  If the underlying filesystem is changed,
313 the behavior of the overlay is undefined, though it will not result in
314 a crash or deadlock.
315
316 When the overlay NFS export feature is enabled, overlay filesystems
317 behavior on offline changes of the underlying lower layer is different
318 than the behavior when NFS export is disabled.
319
320 On every copy_up, an NFS file handle of the lower inode, along with the
321 UUID of the lower filesystem, are encoded and stored in an extended
322 attribute "trusted.overlay.origin" on the upper inode.
323
324 When the NFS export feature is enabled, a lookup of a merged directory,
325 that found a lower directory at the lookup path or at the path pointed
326 to by the "trusted.overlay.redirect" extended attribute, will verify
327 that the found lower directory file handle and lower filesystem UUID
328 match the origin file handle that was stored at copy_up time.  If a
329 found lower directory does not match the stored origin, that directory
330 will not be merged with the upper directory.
331
332
333
334 NFS export
335 ----------
336
337 When the underlying filesystems supports NFS export and the "nfs_export"
338 feature is enabled, an overlay filesystem may be exported to NFS.
339
340 With the "nfs_export" feature, on copy_up of any lower object, an index
341 entry is created under the index directory.  The index entry name is the
342 hexadecimal representation of the copy up origin file handle.  For a
343 non-directory object, the index entry is a hard link to the upper inode.
344 For a directory object, the index entry has an extended attribute
345 "trusted.overlay.upper" with an encoded file handle of the upper
346 directory inode.
347
348 When encoding a file handle from an overlay filesystem object, the
349 following rules apply:
350
351 1. For a non-upper object, encode a lower file handle from lower inode
352 2. For an indexed object, encode a lower file handle from copy_up origin
353 3. For a pure-upper object and for an existing non-indexed upper object,
354    encode an upper file handle from upper inode
355
356 The encoded overlay file handle includes:
357  - Header including path type information (e.g. lower/upper)
358  - UUID of the underlying filesystem
359  - Underlying filesystem encoding of underlying inode
360
361 This encoding format is identical to the encoding format file handles that
362 are stored in extended attribute "trusted.overlay.origin".
363
364 When decoding an overlay file handle, the following steps are followed:
365
366 1. Find underlying layer by UUID and path type information.
367 2. Decode the underlying filesystem file handle to underlying dentry.
368 3. For a lower file handle, lookup the handle in index directory by name.
369 4. If a whiteout is found in index, return ESTALE. This represents an
370    overlay object that was deleted after its file handle was encoded.
371 5. For a non-directory, instantiate a disconnected overlay dentry from the
372    decoded underlying dentry, the path type and index inode, if found.
373 6. For a directory, use the connected underlying decoded dentry, path type
374    and index, to lookup a connected overlay dentry.
375
376 Decoding a non-directory file handle may return a disconnected dentry.
377 copy_up of that disconnected dentry will create an upper index entry with
378 no upper alias.
379
380 When overlay filesystem has multiple lower layers, a middle layer
381 directory may have a "redirect" to lower directory.  Because middle layer
382 "redirects" are not indexed, a lower file handle that was encoded from the
383 "redirect" origin directory, cannot be used to find the middle or upper
384 layer directory.  Similarly, a lower file handle that was encoded from a
385 descendant of the "redirect" origin directory, cannot be used to
386 reconstruct a connected overlay path.  To mitigate the cases of
387 directories that cannot be decoded from a lower file handle, these
388 directories are copied up on encode and encoded as an upper file handle.
389 On an overlay filesystem with no upper layer this mitigation cannot be
390 used NFS export in this setup requires turning off redirect follow (e.g.
391 "redirect_dir=nofollow").
392
393 The overlay filesystem does not support non-directory connectable file
394 handles, so exporting with the 'subtree_check' exportfs configuration will
395 cause failures to lookup files over NFS.
396
397 When the NFS export feature is enabled, all directory index entries are
398 verified on mount time to check that upper file handles are not stale.
399 This verification may cause significant overhead in some cases.
400
401
402 Testsuite
403 ---------
404
405 There's testsuite developed by David Howells at:
406
407   git://git.infradead.org/users/dhowells/unionmount-testsuite.git
408
409 Run as root:
410
411   # cd unionmount-testsuite
412   # ./run --ov