Merge branch 'for-4.18/alps' into for-linus
[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
18 Overlay objects
19 ---------------
20
21 The overlay filesystem approach is 'hybrid', because the objects that
22 appear in the filesystem do not always appear to belong to that filesystem.
23 In many cases, an object accessed in the union will be indistinguishable
24 from accessing the corresponding object from the original filesystem.
25 This is most obvious from the 'st_dev' field returned by stat(2).
26
27 While directories will report an st_dev from the overlay-filesystem,
28 non-directory objects may report an st_dev from the lower filesystem or
29 upper filesystem that is providing the object.  Similarly st_ino will
30 only be unique when combined with st_dev, and both of these can change
31 over the lifetime of a non-directory object.  Many applications and
32 tools ignore these values and will not be affected.
33
34 In the special case of all overlay layers on the same underlying
35 filesystem, all objects will report an st_dev from the overlay
36 filesystem and st_ino from the underlying filesystem.  This will
37 make the overlay mount more compliant with filesystem scanners and
38 overlay objects will be distinguishable from the corresponding
39 objects in the original filesystem.
40
41 On 64bit systems, even if all overlay layers are not on the same
42 underlying filesystem, the same compliant behavior could be achieved
43 with the "xino" feature.  The "xino" feature composes a unique object
44 identifier from the real object st_ino and an underlying fsid index.
45 If all underlying filesystems support NFS file handles and export file
46 handles with 32bit inode number encoding (e.g. ext4), overlay filesystem
47 will use the high inode number bits for fsid.  Even when the underlying
48 filesystem uses 64bit inode numbers, users can still enable the "xino"
49 feature with the "-o xino=on" overlay mount option.  That is useful for the
50 case of underlying filesystems like xfs and tmpfs, which use 64bit inode
51 numbers, but are very unlikely to use the high inode number bit.
52
53
54 Upper and Lower
55 ---------------
56
57 An overlay filesystem combines two filesystems - an 'upper' filesystem
58 and a 'lower' filesystem.  When a name exists in both filesystems, the
59 object in the 'upper' filesystem is visible while the object in the
60 'lower' filesystem is either hidden or, in the case of directories,
61 merged with the 'upper' object.
62
63 It would be more correct to refer to an upper and lower 'directory
64 tree' rather than 'filesystem' as it is quite possible for both
65 directory trees to be in the same filesystem and there is no
66 requirement that the root of a filesystem be given for either upper or
67 lower.
68
69 The lower filesystem can be any filesystem supported by Linux and does
70 not need to be writable.  The lower filesystem can even be another
71 overlayfs.  The upper filesystem will normally be writable and if it
72 is it must support the creation of trusted.* extended attributes, and
73 must provide valid d_type in readdir responses, so NFS is not suitable.
74
75 A read-only overlay of two read-only filesystems may use any
76 filesystem type.
77
78 Directories
79 -----------
80
81 Overlaying mainly involves directories.  If a given name appears in both
82 upper and lower filesystems and refers to a non-directory in either,
83 then the lower object is hidden - the name refers only to the upper
84 object.
85
86 Where both upper and lower objects are directories, a merged directory
87 is formed.
88
89 At mount time, the two directories given as mount options "lowerdir" and
90 "upperdir" are combined into a merged directory:
91
92   mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower,upperdir=/upper,\
93   workdir=/work /merged
94
95 The "workdir" needs to be an empty directory on the same filesystem
96 as upperdir.
97
98 Then whenever a lookup is requested in such a merged directory, the
99 lookup is performed in each actual directory and the combined result
100 is cached in the dentry belonging to the overlay filesystem.  If both
101 actual lookups find directories, both are stored and a merged
102 directory is created, otherwise only one is stored: the upper if it
103 exists, else the lower.
104
105 Only the lists of names from directories are merged.  Other content
106 such as metadata and extended attributes are reported for the upper
107 directory only.  These attributes of the lower directory are hidden.
108
109 whiteouts and opaque directories
110 --------------------------------
111
112 In order to support rm and rmdir without changing the lower
113 filesystem, an overlay filesystem needs to record in the upper filesystem
114 that files have been removed.  This is done using whiteouts and opaque
115 directories (non-directories are always opaque).
116
117 A whiteout is created as a character device with 0/0 device number.
118 When a whiteout is found in the upper level of a merged directory, any
119 matching name in the lower level is ignored, and the whiteout itself
120 is also hidden.
121
122 A directory is made opaque by setting the xattr "trusted.overlay.opaque"
123 to "y".  Where the upper filesystem contains an opaque directory, any
124 directory in the lower filesystem with the same name is ignored.
125
126 readdir
127 -------
128
129 When a 'readdir' request is made on a merged directory, the upper and
130 lower directories are each read and the name lists merged in the
131 obvious way (upper is read first, then lower - entries that already
132 exist are not re-added).  This merged name list is cached in the
133 'struct file' and so remains as long as the file is kept open.  If the
134 directory is opened and read by two processes at the same time, they
135 will each have separate caches.  A seekdir to the start of the
136 directory (offset 0) followed by a readdir will cause the cache to be
137 discarded and rebuilt.
138
139 This means that changes to the merged directory do not appear while a
140 directory is being read.  This is unlikely to be noticed by many
141 programs.
142
143 seek offsets are assigned sequentially when the directories are read.
144 Thus if
145
146   - read part of a directory
147   - remember an offset, and close the directory
148   - re-open the directory some time later
149   - seek to the remembered offset
150
151 there may be little correlation between the old and new locations in
152 the list of filenames, particularly if anything has changed in the
153 directory.
154
155 Readdir on directories that are not merged is simply handled by the
156 underlying directory (upper or lower).
157
158 renaming directories
159 --------------------
160
161 When renaming a directory that is on the lower layer or merged (i.e. the
162 directory was not created on the upper layer to start with) overlayfs can
163 handle it in two different ways:
164
165 1. return EXDEV error: this error is returned by rename(2) when trying to
166    move a file or directory across filesystem boundaries.  Hence
167    applications are usually prepared to hande this error (mv(1) for example
168    recursively copies the directory tree).  This is the default behavior.
169
170 2. If the "redirect_dir" feature is enabled, then the directory will be
171    copied up (but not the contents).  Then the "trusted.overlay.redirect"
172    extended attribute is set to the path of the original location from the
173    root of the overlay.  Finally the directory is moved to the new
174    location.
175
176 There are several ways to tune the "redirect_dir" feature.
177
178 Kernel config options:
179
180 - OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR:
181     If this is enabled, then redirect_dir is turned on by  default.
182 - OVERLAY_FS_REDIRECT_ALWAYS_FOLLOW:
183     If this is enabled, then redirects are always followed by default. Enabling
184     this results in a less secure configuration.  Enable this option only when
185     worried about backward compatibility with kernels that have the redirect_dir
186     feature and follow redirects even if turned off.
187
188 Module options (can also be changed through /sys/module/overlay/parameters/*):
189
190 - "redirect_dir=BOOL":
191     See OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR kernel config option above.
192 - "redirect_always_follow=BOOL":
193     See OVERLAY_FS_REDIRECT_ALWAYS_FOLLOW kernel config option above.
194 - "redirect_max=NUM":
195     The maximum number of bytes in an absolute redirect (default is 256).
196
197 Mount options:
198
199 - "redirect_dir=on":
200     Redirects are enabled.
201 - "redirect_dir=follow":
202     Redirects are not created, but followed.
203 - "redirect_dir=off":
204     Redirects are not created and only followed if "redirect_always_follow"
205     feature is enabled in the kernel/module config.
206 - "redirect_dir=nofollow":
207     Redirects are not created and not followed (equivalent to "redirect_dir=off"
208     if "redirect_always_follow" feature is not enabled).
209
210 When the NFS export feature is enabled, every copied up directory is
211 indexed by the file handle of the lower inode and a file handle of the
212 upper directory is stored in a "trusted.overlay.upper" extended attribute
213 on the index entry.  On lookup of a merged directory, if the upper
214 directory does not match the file handle stores in the index, that is an
215 indication that multiple upper directories may be redirected to the same
216 lower directory.  In that case, lookup returns an error and warns about
217 a possible inconsistency.
218
219 Because lower layer redirects cannot be verified with the index, enabling
220 NFS export support on an overlay filesystem with no upper layer requires
221 turning off redirect follow (e.g. "redirect_dir=nofollow").
222
223
224 Non-directories
225 ---------------
226
227 Objects that are not directories (files, symlinks, device-special
228 files etc.) are presented either from the upper or lower filesystem as
229 appropriate.  When a file in the lower filesystem is accessed in a way
230 the requires write-access, such as opening for write access, changing
231 some metadata etc., the file is first copied from the lower filesystem
232 to the upper filesystem (copy_up).  Note that creating a hard-link
233 also requires copy_up, though of course creation of a symlink does
234 not.
235
236 The copy_up may turn out to be unnecessary, for example if the file is
237 opened for read-write but the data is not modified.
238
239 The copy_up process first makes sure that the containing directory
240 exists in the upper filesystem - creating it and any parents as
241 necessary.  It then creates the object with the same metadata (owner,
242 mode, mtime, symlink-target etc.) and then if the object is a file, the
243 data is copied from the lower to the upper filesystem.  Finally any
244 extended attributes are copied up.
245
246 Once the copy_up is complete, the overlay filesystem simply
247 provides direct access to the newly created file in the upper
248 filesystem - future operations on the file are barely noticed by the
249 overlay filesystem (though an operation on the name of the file such as
250 rename or unlink will of course be noticed and handled).
251
252
253 Multiple lower layers
254 ---------------------
255
256 Multiple lower layers can now be given using the the colon (":") as a
257 separator character between the directory names.  For example:
258
259   mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower1:/lower2:/lower3 /merged
260
261 As the example shows, "upperdir=" and "workdir=" may be omitted.  In
262 that case the overlay will be read-only.
263
264 The specified lower directories will be stacked beginning from the
265 rightmost one and going left.  In the above example lower1 will be the
266 top, lower2 the middle and lower3 the bottom layer.
267
268
269 Sharing and copying layers
270 --------------------------
271
272 Lower layers may be shared among several overlay mounts and that is indeed
273 a very common practice.  An overlay mount may use the same lower layer
274 path as another overlay mount and it may use a lower layer path that is
275 beneath or above the path of another overlay lower layer path.
276
277 Using an upper layer path and/or a workdir path that are already used by
278 another overlay mount is not allowed and may fail with EBUSY.  Using
279 partially overlapping paths is not allowed but will not fail with EBUSY.
280 If files are accessed from two overlayfs mounts which share or overlap the
281 upper layer and/or workdir path the behavior of the overlay is undefined,
282 though it will not result in a crash or deadlock.
283
284 Mounting an overlay using an upper layer path, where the upper layer path
285 was previously used by another mounted overlay in combination with a
286 different lower layer path, is allowed, unless the "inodes index" feature
287 is enabled.
288
289 With the "inodes index" feature, on the first time mount, an NFS file
290 handle of the lower layer root directory, along with the UUID of the lower
291 filesystem, are encoded and stored in the "trusted.overlay.origin" extended
292 attribute on the upper layer root directory.  On subsequent mount attempts,
293 the lower root directory file handle and lower filesystem UUID are compared
294 to the stored origin in upper root directory.  On failure to verify the
295 lower root origin, mount will fail with ESTALE.  An overlayfs mount with
296 "inodes index" enabled will fail with EOPNOTSUPP if the lower filesystem
297 does not support NFS export, lower filesystem does not have a valid UUID or
298 if the upper filesystem does not support extended attributes.
299
300 It is quite a common practice to copy overlay layers to a different
301 directory tree on the same or different underlying filesystem, and even
302 to a different machine.  With the "inodes index" feature, trying to mount
303 the copied layers will fail the verification of the lower root file handle.
304
305
306 Non-standard behavior
307 ---------------------
308
309 The copy_up operation essentially creates a new, identical file and
310 moves it over to the old name.  Any open files referring to this inode
311 will access the old data.
312
313 The new file may be on a different filesystem, so both st_dev and st_ino
314 of the real file may change.  The values of st_dev and st_ino returned by
315 stat(2) on an overlay object are often not the same as the real file
316 stat(2) values to prevent the values from changing on copy_up.
317
318 Unless "xino" feature is enabled, when overlay layers are not all on the
319 same underlying filesystem, the value of st_dev may be different for two
320 non-directory objects in the same overlay filesystem and the value of
321 st_ino for directory objects may be non persistent and could change even
322 while the overlay filesystem is still mounted.
323
324 Unless "inode index" feature is enabled, if a file with multiple hard
325 links is copied up, then this will "break" the link.  Changes will not be
326 propagated to other names referring to the same inode.
327
328 Unless "redirect_dir" feature is enabled, rename(2) on a lower or merged
329 directory will fail with EXDEV.
330
331
332 Changes to underlying filesystems
333 ---------------------------------
334
335 Offline changes, when the overlay is not mounted, are allowed to either
336 the upper or the lower trees.
337
338 Changes to the underlying filesystems while part of a mounted overlay
339 filesystem are not allowed.  If the underlying filesystem is changed,
340 the behavior of the overlay is undefined, though it will not result in
341 a crash or deadlock.
342
343 When the overlay NFS export feature is enabled, overlay filesystems
344 behavior on offline changes of the underlying lower layer is different
345 than the behavior when NFS export is disabled.
346
347 On every copy_up, an NFS file handle of the lower inode, along with the
348 UUID of the lower filesystem, are encoded and stored in an extended
349 attribute "trusted.overlay.origin" on the upper inode.
350
351 When the NFS export feature is enabled, a lookup of a merged directory,
352 that found a lower directory at the lookup path or at the path pointed
353 to by the "trusted.overlay.redirect" extended attribute, will verify
354 that the found lower directory file handle and lower filesystem UUID
355 match the origin file handle that was stored at copy_up time.  If a
356 found lower directory does not match the stored origin, that directory
357 will not be merged with the upper directory.
358
359
360
361 NFS export
362 ----------
363
364 When the underlying filesystems supports NFS export and the "nfs_export"
365 feature is enabled, an overlay filesystem may be exported to NFS.
366
367 With the "nfs_export" feature, on copy_up of any lower object, an index
368 entry is created under the index directory.  The index entry name is the
369 hexadecimal representation of the copy up origin file handle.  For a
370 non-directory object, the index entry is a hard link to the upper inode.
371 For a directory object, the index entry has an extended attribute
372 "trusted.overlay.upper" with an encoded file handle of the upper
373 directory inode.
374
375 When encoding a file handle from an overlay filesystem object, the
376 following rules apply:
377
378 1. For a non-upper object, encode a lower file handle from lower inode
379 2. For an indexed object, encode a lower file handle from copy_up origin
380 3. For a pure-upper object and for an existing non-indexed upper object,
381    encode an upper file handle from upper inode
382
383 The encoded overlay file handle includes:
384  - Header including path type information (e.g. lower/upper)
385  - UUID of the underlying filesystem
386  - Underlying filesystem encoding of underlying inode
387
388 This encoding format is identical to the encoding format file handles that
389 are stored in extended attribute "trusted.overlay.origin".
390
391 When decoding an overlay file handle, the following steps are followed:
392
393 1. Find underlying layer by UUID and path type information.
394 2. Decode the underlying filesystem file handle to underlying dentry.
395 3. For a lower file handle, lookup the handle in index directory by name.
396 4. If a whiteout is found in index, return ESTALE. This represents an
397    overlay object that was deleted after its file handle was encoded.
398 5. For a non-directory, instantiate a disconnected overlay dentry from the
399    decoded underlying dentry, the path type and index inode, if found.
400 6. For a directory, use the connected underlying decoded dentry, path type
401    and index, to lookup a connected overlay dentry.
402
403 Decoding a non-directory file handle may return a disconnected dentry.
404 copy_up of that disconnected dentry will create an upper index entry with
405 no upper alias.
406
407 When overlay filesystem has multiple lower layers, a middle layer
408 directory may have a "redirect" to lower directory.  Because middle layer
409 "redirects" are not indexed, a lower file handle that was encoded from the
410 "redirect" origin directory, cannot be used to find the middle or upper
411 layer directory.  Similarly, a lower file handle that was encoded from a
412 descendant of the "redirect" origin directory, cannot be used to
413 reconstruct a connected overlay path.  To mitigate the cases of
414 directories that cannot be decoded from a lower file handle, these
415 directories are copied up on encode and encoded as an upper file handle.
416 On an overlay filesystem with no upper layer this mitigation cannot be
417 used NFS export in this setup requires turning off redirect follow (e.g.
418 "redirect_dir=nofollow").
419
420 The overlay filesystem does not support non-directory connectable file
421 handles, so exporting with the 'subtree_check' exportfs configuration will
422 cause failures to lookup files over NFS.
423
424 When the NFS export feature is enabled, all directory index entries are
425 verified on mount time to check that upper file handles are not stale.
426 This verification may cause significant overhead in some cases.
427
428
429 Testsuite
430 ---------
431
432 There's testsuite developed by David Howells at:
433
434   git://git.infradead.org/users/dhowells/unionmount-testsuite.git
435
436 Run as root:
437
438   # cd unionmount-testsuite
439   # ./run --ov