Merge branch 'overlayfs-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/mszer...
[sfrench/cifs-2.6.git] / 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 its 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 filesystem onto a directory in your namespace,
99 the VFS will call the appropriate mount() method for the specific
100 filesystem.  New vfsmount referring to the tree returned by ->mount()
101 will be attached to the mountpoint, so that when pathname resolution
102 reaches the mountpoint it will jump into the root of that vfsmount.
103
104 You can see all filesystems that are registered to the kernel in the
105 file /proc/filesystems.
106
107
108 struct file_system_type
109 -----------------------
110
111 This describes the filesystem. As of kernel 2.6.39, the following
112 members are defined:
113
114 struct file_system_type {
115         const char *name;
116         int fs_flags;
117         struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
118                        const char *, void *);
119         void (*kill_sb) (struct super_block *);
120         struct module *owner;
121         struct file_system_type * next;
122         struct list_head fs_supers;
123         struct lock_class_key s_lock_key;
124         struct lock_class_key s_umount_key;
125 };
126
127   name: the name of the filesystem type, such as "ext2", "iso9660",
128         "msdos" and so on
129
130   fs_flags: various flags (i.e. FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE, etc.)
131
132   mount: the method to call when a new instance of this
133         filesystem should be mounted
134
135   kill_sb: the method to call when an instance of this filesystem
136         should be shut down
137
138   owner: for internal VFS use: you should initialize this to THIS_MODULE in
139         most cases.
140
141   next: for internal VFS use: you should initialize this to NULL
142
143   s_lock_key, s_umount_key: lockdep-specific
144
145 The mount() method has the following arguments:
146
147   struct file_system_type *fs_type: describes the filesystem, partly initialized
148         by the specific filesystem code
149
150   int flags: mount flags
151
152   const char *dev_name: the device name we are mounting.
153
154   void *data: arbitrary mount options, usually comes as an ASCII
155         string (see "Mount Options" section)
156
157 The mount() method must return the root dentry of the tree requested by
158 caller.  An active reference to its superblock must be grabbed and the
159 superblock must be locked.  On failure it should return ERR_PTR(error).
160
161 The arguments match those of mount(2) and their interpretation
162 depends on filesystem type.  E.g. for block filesystems, dev_name is
163 interpreted as block device name, that device is opened and if it
164 contains a suitable filesystem image the method creates and initializes
165 struct super_block accordingly, returning its root dentry to caller.
166
167 ->mount() may choose to return a subtree of existing filesystem - it
168 doesn't have to create a new one.  The main result from the caller's
169 point of view is a reference to dentry at the root of (sub)tree to
170 be attached; creation of new superblock is a common side effect.
171
172 The most interesting member of the superblock structure that the
173 mount() method fills in is the "s_op" field. This is a pointer to
174 a "struct super_operations" which describes the next level of the
175 filesystem implementation.
176
177 Usually, a filesystem uses one of the generic mount() implementations
178 and provides a fill_super() callback instead. The generic variants are:
179
180   mount_bdev: mount a filesystem residing on a block device
181
182   mount_nodev: mount a filesystem that is not backed by a device
183
184   mount_single: mount a filesystem which shares the instance between
185         all mounts
186
187 A fill_super() callback implementation has the following arguments:
188
189   struct super_block *sb: the superblock structure. The callback
190         must initialize this properly.
191
192   void *data: arbitrary mount options, usually comes as an ASCII
193         string (see "Mount Options" section)
194
195   int silent: whether or not to be silent on error
196
197
198 The Superblock Object
199 =====================
200
201 A superblock object represents a mounted filesystem.
202
203
204 struct super_operations
205 -----------------------
206
207 This describes how the VFS can manipulate the superblock of your
208 filesystem. As of kernel 2.6.22, the following members are defined:
209
210 struct super_operations {
211         struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
212         void (*destroy_inode)(struct inode *);
213
214         void (*dirty_inode) (struct inode *, int flags);
215         int (*write_inode) (struct inode *, int);
216         void (*drop_inode) (struct inode *);
217         void (*delete_inode) (struct inode *);
218         void (*put_super) (struct super_block *);
219         int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
220         int (*freeze_fs) (struct super_block *);
221         int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);
222         int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
223         int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
224         void (*clear_inode) (struct inode *);
225         void (*umount_begin) (struct super_block *);
226
227         int (*show_options)(struct seq_file *, struct dentry *);
228
229         ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
230         ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
231         int (*nr_cached_objects)(struct super_block *);
232         void (*free_cached_objects)(struct super_block *, int);
233 };
234
235 All methods are called without any locks being held, unless otherwise
236 noted. This means that most methods can block safely. All methods are
237 only called from a process context (i.e. not from an interrupt handler
238 or bottom half).
239
240   alloc_inode: this method is called by alloc_inode() to allocate memory
241         for struct inode and initialize it.  If this function is not
242         defined, a simple 'struct inode' is allocated.  Normally
243         alloc_inode will be used to allocate a larger structure which
244         contains a 'struct inode' embedded within it.
245
246   destroy_inode: this method is called by destroy_inode() to release
247         resources allocated for struct inode.  It is only required if
248         ->alloc_inode was defined and simply undoes anything done by
249         ->alloc_inode.
250
251   dirty_inode: this method is called by the VFS to mark an inode dirty.
252
253   write_inode: this method is called when the VFS needs to write an
254         inode to disc.  The second parameter indicates whether the write
255         should be synchronous or not, not all filesystems check this flag.
256
257   drop_inode: called when the last access to the inode is dropped,
258         with the inode->i_lock spinlock held.
259
260         This method should be either NULL (normal UNIX filesystem
261         semantics) or "generic_delete_inode" (for filesystems that do not
262         want to cache inodes - causing "delete_inode" to always be
263         called regardless of the value of i_nlink)
264
265         The "generic_delete_inode()" behavior is equivalent to the
266         old practice of using "force_delete" in the put_inode() case,
267         but does not have the races that the "force_delete()" approach
268         had. 
269
270   delete_inode: called when the VFS wants to delete an inode
271
272   put_super: called when the VFS wishes to free the superblock
273         (i.e. unmount). This is called with the superblock lock held
274
275   sync_fs: called when VFS is writing out all dirty data associated with
276         a superblock. The second parameter indicates whether the method
277         should wait until the write out has been completed. Optional.
278
279   freeze_fs: called when VFS is locking a filesystem and
280         forcing it into a consistent state.  This method is currently
281         used by the Logical Volume Manager (LVM).
282
283   unfreeze_fs: called when VFS is unlocking a filesystem and making it writable
284         again.
285
286   statfs: called when the VFS needs to get filesystem statistics.
287
288   remount_fs: called when the filesystem is remounted. This is called
289         with the kernel lock held
290
291   clear_inode: called then the VFS clears the inode. Optional
292
293   umount_begin: called when the VFS is unmounting a filesystem.
294
295   show_options: called by the VFS to show mount options for
296         /proc/<pid>/mounts.  (see "Mount Options" section)
297
298   quota_read: called by the VFS to read from filesystem quota file.
299
300   quota_write: called by the VFS to write to filesystem quota file.
301
302   nr_cached_objects: called by the sb cache shrinking function for the
303         filesystem to return the number of freeable cached objects it contains.
304         Optional.
305
306   free_cache_objects: called by the sb cache shrinking function for the
307         filesystem to scan the number of objects indicated to try to free them.
308         Optional, but any filesystem implementing this method needs to also
309         implement ->nr_cached_objects for it to be called correctly.
310
311         We can't do anything with any errors that the filesystem might
312         encountered, hence the void return type. This will never be called if
313         the VM is trying to reclaim under GFP_NOFS conditions, hence this
314         method does not need to handle that situation itself.
315
316         Implementations must include conditional reschedule calls inside any
317         scanning loop that is done. This allows the VFS to determine
318         appropriate scan batch sizes without having to worry about whether
319         implementations will cause holdoff problems due to large scan batch
320         sizes.
321
322 Whoever sets up the inode is responsible for filling in the "i_op" field. This
323 is a pointer to a "struct inode_operations" which describes the methods that
324 can be performed on individual inodes.
325
326 struct xattr_handlers
327 ---------------------
328
329 On filesystems that support extended attributes (xattrs), the s_xattr
330 superblock field points to a NULL-terminated array of xattr handlers.  Extended
331 attributes are name:value pairs.
332
333   name: Indicates that the handler matches attributes with the specified name
334         (such as "system.posix_acl_access"); the prefix field must be NULL.
335
336   prefix: Indicates that the handler matches all attributes with the specified
337         name prefix (such as "user."); the name field must be NULL.
338
339   list: Determine if attributes matching this xattr handler should be listed
340         for a particular dentry.  Used by some listxattr implementations like
341         generic_listxattr.
342
343   get: Called by the VFS to get the value of a particular extended attribute.
344         This method is called by the getxattr(2) system call.
345
346   set: Called by the VFS to set the value of a particular extended attribute.
347         When the new value is NULL, called to remove a particular extended
348         attribute.  This method is called by the the setxattr(2) and
349         removexattr(2) system calls.
350
351 When none of the xattr handlers of a filesystem match the specified attribute
352 name or when a filesystem doesn't support extended attributes, the various
353 *xattr(2) system calls return -EOPNOTSUPP.
354
355
356 The Inode Object
357 ================
358
359 An inode object represents an object within the filesystem.
360
361
362 struct inode_operations
363 -----------------------
364
365 This describes how the VFS can manipulate an inode in your
366 filesystem. As of kernel 2.6.22, the following members are defined:
367
368 struct inode_operations {
369         int (*create) (struct inode *,struct dentry *, umode_t, bool);
370         struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, unsigned int);
371         int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
372         int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
373         int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
374         int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,umode_t);
375         int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
376         int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,umode_t,dev_t);
377         int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
378                         struct inode *, struct dentry *, unsigned int);
379         int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);
380         const char *(*get_link) (struct dentry *, struct inode *,
381                                  struct delayed_call *);
382         int (*permission) (struct inode *, int);
383         int (*get_acl)(struct inode *, int);
384         int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
385         int (*getattr) (const struct path *, struct dentry *, struct kstat *,
386                         u32, unsigned int);
387         ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
388         void (*update_time)(struct inode *, struct timespec *, int);
389         int (*atomic_open)(struct inode *, struct dentry *, struct file *,
390                         unsigned open_flag, umode_t create_mode, int *opened);
391         int (*tmpfile) (struct inode *, struct dentry *, umode_t);
392 };
393
394 Again, all methods are called without any locks being held, unless
395 otherwise noted.
396
397   create: called by the open(2) and creat(2) system calls. Only
398         required if you want to support regular files. The dentry you
399         get should not have an inode (i.e. it should be a negative
400         dentry). Here you will probably call d_instantiate() with the
401         dentry and the newly created inode
402
403   lookup: called when the VFS needs to look up an inode in a parent
404         directory. The name to look for is found in the dentry. This
405         method must call d_add() to insert the found inode into the
406         dentry. The "i_count" field in the inode structure should be
407         incremented. If the named inode does not exist a NULL inode
408         should be inserted into the dentry (this is called a negative
409         dentry). Returning an error code from this routine must only
410         be done on a real error, otherwise creating inodes with system
411         calls like create(2), mknod(2), mkdir(2) and so on will fail.
412         If you wish to overload the dentry methods then you should
413         initialise the "d_dop" field in the dentry; this is a pointer
414         to a struct "dentry_operations".
415         This method is called with the directory inode semaphore held
416
417   link: called by the link(2) system call. Only required if you want
418         to support hard links. You will probably need to call
419         d_instantiate() just as you would in the create() method
420
421   unlink: called by the unlink(2) system call. Only required if you
422         want to support deleting inodes
423
424   symlink: called by the symlink(2) system call. Only required if you
425         want to support symlinks. You will probably need to call
426         d_instantiate() just as you would in the create() method
427
428   mkdir: called by the mkdir(2) system call. Only required if you want
429         to support creating subdirectories. You will probably need to
430         call d_instantiate() just as you would in the create() method
431
432   rmdir: called by the rmdir(2) system call. Only required if you want
433         to support deleting subdirectories
434
435   mknod: called by the mknod(2) system call to create a device (char,
436         block) inode or a named pipe (FIFO) or socket. Only required
437         if you want to support creating these types of inodes. You
438         will probably need to call d_instantiate() just as you would
439         in the create() method
440
441   rename: called by the rename(2) system call to rename the object to
442         have the parent and name given by the second inode and dentry.
443
444         The filesystem must return -EINVAL for any unsupported or
445         unknown flags.  Currently the following flags are implemented:
446         (1) RENAME_NOREPLACE: this flag indicates that if the target
447         of the rename exists the rename should fail with -EEXIST
448         instead of replacing the target.  The VFS already checks for
449         existence, so for local filesystems the RENAME_NOREPLACE
450         implementation is equivalent to plain rename.
451         (2) RENAME_EXCHANGE: exchange source and target.  Both must
452         exist; this is checked by the VFS.  Unlike plain rename,
453         source and target may be of different type.
454
455   get_link: called by the VFS to follow a symbolic link to the
456         inode it points to.  Only required if you want to support
457         symbolic links.  This method returns the symlink body
458         to traverse (and possibly resets the current position with
459         nd_jump_link()).  If the body won't go away until the inode
460         is gone, nothing else is needed; if it needs to be otherwise
461         pinned, arrange for its release by having get_link(..., ..., done)
462         do set_delayed_call(done, destructor, argument).
463         In that case destructor(argument) will be called once VFS is
464         done with the body you've returned.
465         May be called in RCU mode; that is indicated by NULL dentry
466         argument.  If request can't be handled without leaving RCU mode,
467         have it return ERR_PTR(-ECHILD).
468
469   readlink: this is now just an override for use by readlink(2) for the
470         cases when ->get_link uses nd_jump_link() or object is not in
471         fact a symlink.  Normally filesystems should only implement
472         ->get_link for symlinks and readlink(2) will automatically use
473         that.
474
475   permission: called by the VFS to check for access rights on a POSIX-like
476         filesystem.
477
478         May be called in rcu-walk mode (mask & MAY_NOT_BLOCK). If in rcu-walk
479         mode, the filesystem must check the permission without blocking or
480         storing to the inode.
481
482         If a situation is encountered that rcu-walk cannot handle, return
483         -ECHILD and it will be called again in ref-walk mode.
484
485   setattr: called by the VFS to set attributes for a file. This method
486         is called by chmod(2) and related system calls.
487
488   getattr: called by the VFS to get attributes of a file. This method
489         is called by stat(2) and related system calls.
490
491   listxattr: called by the VFS to list all extended attributes for a
492         given file. This method is called by the listxattr(2) system call.
493
494   update_time: called by the VFS to update a specific time or the i_version of
495         an inode.  If this is not defined the VFS will update the inode itself
496         and call mark_inode_dirty_sync.
497
498   atomic_open: called on the last component of an open.  Using this optional
499         method the filesystem can look up, possibly create and open the file in
500         one atomic operation.  If it cannot perform this (e.g. the file type
501         turned out to be wrong) it may signal this by returning 1 instead of
502         usual 0 or -ve .  This method is only called if the last component is
503         negative or needs lookup.  Cached positive dentries are still handled by
504         f_op->open().  If the file was created, the FILE_CREATED flag should be
505         set in "opened".  In case of O_EXCL the method must only succeed if the
506         file didn't exist and hence FILE_CREATED shall always be set on success.
507
508   tmpfile: called in the end of O_TMPFILE open().  Optional, equivalent to
509         atomically creating, opening and unlinking a file in given directory.
510
511 The Address Space Object
512 ========================
513
514 The address space object is used to group and manage pages in the page
515 cache.  It can be used to keep track of the pages in a file (or
516 anything else) and also track the mapping of sections of the file into
517 process address spaces.
518
519 There are a number of distinct yet related services that an
520 address-space can provide.  These include communicating memory
521 pressure, page lookup by address, and keeping track of pages tagged as
522 Dirty or Writeback.
523
524 The first can be used independently to the others.  The VM can try to
525 either write dirty pages in order to clean them, or release clean
526 pages in order to reuse them.  To do this it can call the ->writepage
527 method on dirty pages, and ->releasepage on clean pages with
528 PagePrivate set. Clean pages without PagePrivate and with no external
529 references will be released without notice being given to the
530 address_space.
531
532 To achieve this functionality, pages need to be placed on an LRU with
533 lru_cache_add and mark_page_active needs to be called whenever the
534 page is used.
535
536 Pages are normally kept in a radix tree index by ->index. This tree
537 maintains information about the PG_Dirty and PG_Writeback status of
538 each page, so that pages with either of these flags can be found
539 quickly.
540
541 The Dirty tag is primarily used by mpage_writepages - the default
542 ->writepages method.  It uses the tag to find dirty pages to call
543 ->writepage on.  If mpage_writepages is not used (i.e. the address
544 provides its own ->writepages) , the PAGECACHE_TAG_DIRTY tag is
545 almost unused.  write_inode_now and sync_inode do use it (through
546 __sync_single_inode) to check if ->writepages has been successful in
547 writing out the whole address_space.
548
549 The Writeback tag is used by filemap*wait* and sync_page* functions,
550 via filemap_fdatawait_range, to wait for all writeback to complete.
551
552 An address_space handler may attach extra information to a page,
553 typically using the 'private' field in the 'struct page'.  If such
554 information is attached, the PG_Private flag should be set.  This will
555 cause various VM routines to make extra calls into the address_space
556 handler to deal with that data.
557
558 An address space acts as an intermediate between storage and
559 application.  Data is read into the address space a whole page at a
560 time, and provided to the application either by copying of the page,
561 or by memory-mapping the page.
562 Data is written into the address space by the application, and then
563 written-back to storage typically in whole pages, however the
564 address_space has finer control of write sizes.
565
566 The read process essentially only requires 'readpage'.  The write
567 process is more complicated and uses write_begin/write_end or
568 set_page_dirty to write data into the address_space, and writepage
569 and writepages to writeback data to storage.
570
571 Adding and removing pages to/from an address_space is protected by the
572 inode's i_mutex.
573
574 When data is written to a page, the PG_Dirty flag should be set.  It
575 typically remains set until writepage asks for it to be written.  This
576 should clear PG_Dirty and set PG_Writeback.  It can be actually
577 written at any point after PG_Dirty is clear.  Once it is known to be
578 safe, PG_Writeback is cleared.
579
580 Writeback makes use of a writeback_control structure...
581
582 struct address_space_operations
583 -------------------------------
584
585 This describes how the VFS can manipulate mapping of a file to page cache in
586 your filesystem. The following members are defined:
587
588 struct address_space_operations {
589         int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
590         int (*readpage)(struct file *, struct page *);
591         int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
592         int (*set_page_dirty)(struct page *page);
593         int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping,
594                         struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
595         int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
596                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned flags,
597                                 struct page **pagep, void **fsdata);
598         int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
599                                 loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
600                                 struct page *page, void *fsdata);
601         sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
602         void (*invalidatepage) (struct page *, unsigned int, unsigned int);
603         int (*releasepage) (struct page *, int);
604         void (*freepage)(struct page *);
605         ssize_t (*direct_IO)(struct kiocb *, struct iov_iter *iter);
606         /* isolate a page for migration */
607         bool (*isolate_page) (struct page *, isolate_mode_t);
608         /* migrate the contents of a page to the specified target */
609         int (*migratepage) (struct page *, struct page *);
610         /* put migration-failed page back to right list */
611         void (*putback_page) (struct page *);
612         int (*launder_page) (struct page *);
613
614         int (*is_partially_uptodate) (struct page *, unsigned long,
615                                         unsigned long);
616         void (*is_dirty_writeback) (struct page *, bool *, bool *);
617         int (*error_remove_page) (struct mapping *mapping, struct page *page);
618         int (*swap_activate)(struct file *);
619         int (*swap_deactivate)(struct file *);
620 };
621
622   writepage: called by the VM to write a dirty page to backing store.
623       This may happen for data integrity reasons (i.e. 'sync'), or
624       to free up memory (flush).  The difference can be seen in
625       wbc->sync_mode.
626       The PG_Dirty flag has been cleared and PageLocked is true.
627       writepage should start writeout, should set PG_Writeback,
628       and should make sure the page is unlocked, either synchronously
629       or asynchronously when the write operation completes.
630
631       If wbc->sync_mode is WB_SYNC_NONE, ->writepage doesn't have to
632       try too hard if there are problems, and may choose to write out
633       other pages from the mapping if that is easier (e.g. due to
634       internal dependencies).  If it chooses not to start writeout, it
635       should return AOP_WRITEPAGE_ACTIVATE so that the VM will not keep
636       calling ->writepage on that page.
637
638       See the file "Locking" for more details.
639
640   readpage: called by the VM to read a page from backing store.
641        The page will be Locked when readpage is called, and should be
642        unlocked and marked uptodate once the read completes.
643        If ->readpage discovers that it needs to unlock the page for
644        some reason, it can do so, and then return AOP_TRUNCATED_PAGE.
645        In this case, the page will be relocated, relocked and if
646        that all succeeds, ->readpage will be called again.
647
648   writepages: called by the VM to write out pages associated with the
649         address_space object.  If wbc->sync_mode is WBC_SYNC_ALL, then
650         the writeback_control will specify a range of pages that must be
651         written out.  If it is WBC_SYNC_NONE, then a nr_to_write is given
652         and that many pages should be written if possible.
653         If no ->writepages is given, then mpage_writepages is used
654         instead.  This will choose pages from the address space that are
655         tagged as DIRTY and will pass them to ->writepage.
656
657   set_page_dirty: called by the VM to set a page dirty.
658         This is particularly needed if an address space attaches
659         private data to a page, and that data needs to be updated when
660         a page is dirtied.  This is called, for example, when a memory
661         mapped page gets modified.
662         If defined, it should set the PageDirty flag, and the
663         PAGECACHE_TAG_DIRTY tag in the radix tree.
664
665   readpages: called by the VM to read pages associated with the address_space
666         object. This is essentially just a vector version of
667         readpage.  Instead of just one page, several pages are
668         requested.
669         readpages is only used for read-ahead, so read errors are
670         ignored.  If anything goes wrong, feel free to give up.
671
672   write_begin:
673         Called by the generic buffered write code to ask the filesystem to
674         prepare to write len bytes at the given offset in the file. The
675         address_space should check that the write will be able to complete,
676         by allocating space if necessary and doing any other internal
677         housekeeping.  If the write will update parts of any basic-blocks on
678         storage, then those blocks should be pre-read (if they haven't been
679         read already) so that the updated blocks can be written out properly.
680
681         The filesystem must return the locked pagecache page for the specified
682         offset, in *pagep, for the caller to write into.
683
684         It must be able to cope with short writes (where the length passed to
685         write_begin is greater than the number of bytes copied into the page).
686
687         flags is a field for AOP_FLAG_xxx flags, described in
688         include/linux/fs.h.
689
690         A void * may be returned in fsdata, which then gets passed into
691         write_end.
692
693         Returns 0 on success; < 0 on failure (which is the error code), in
694         which case write_end is not called.
695
696   write_end: After a successful write_begin, and data copy, write_end must
697         be called. len is the original len passed to write_begin, and copied
698         is the amount that was able to be copied (copied == len is always true
699         if write_begin was called with the AOP_FLAG_UNINTERRUPTIBLE flag).
700
701         The filesystem must take care of unlocking the page and releasing it
702         refcount, and updating i_size.
703
704         Returns < 0 on failure, otherwise the number of bytes (<= 'copied')
705         that were able to be copied into pagecache.
706
707   bmap: called by the VFS to map a logical block offset within object to
708         physical block number. This method is used by the FIBMAP
709         ioctl and for working with swap-files.  To be able to swap to
710         a file, the file must have a stable mapping to a block
711         device.  The swap system does not go through the filesystem
712         but instead uses bmap to find out where the blocks in the file
713         are and uses those addresses directly.
714
715   invalidatepage: If a page has PagePrivate set, then invalidatepage
716         will be called when part or all of the page is to be removed
717         from the address space.  This generally corresponds to either a
718         truncation, punch hole  or a complete invalidation of the address
719         space (in the latter case 'offset' will always be 0 and 'length'
720         will be PAGE_SIZE). Any private data associated with the page
721         should be updated to reflect this truncation.  If offset is 0 and
722         length is PAGE_SIZE, then the private data should be released,
723         because the page must be able to be completely discarded.  This may
724         be done by calling the ->releasepage function, but in this case the
725         release MUST succeed.
726
727   releasepage: releasepage is called on PagePrivate pages to indicate
728         that the page should be freed if possible.  ->releasepage
729         should remove any private data from the page and clear the
730         PagePrivate flag. If releasepage() fails for some reason, it must
731         indicate failure with a 0 return value.
732         releasepage() is used in two distinct though related cases.  The
733         first is when the VM finds a clean page with no active users and
734         wants to make it a free page.  If ->releasepage succeeds, the
735         page will be removed from the address_space and become free.
736
737         The second case is when a request has been made to invalidate
738         some or all pages in an address_space.  This can happen
739         through the fadvise(POSIX_FADV_DONTNEED) system call or by the
740         filesystem explicitly requesting it as nfs and 9fs do (when
741         they believe the cache may be out of date with storage) by
742         calling invalidate_inode_pages2().
743         If the filesystem makes such a call, and needs to be certain
744         that all pages are invalidated, then its releasepage will
745         need to ensure this.  Possibly it can clear the PageUptodate
746         bit if it cannot free private data yet.
747
748   freepage: freepage is called once the page is no longer visible in
749         the page cache in order to allow the cleanup of any private
750         data. Since it may be called by the memory reclaimer, it
751         should not assume that the original address_space mapping still
752         exists, and it should not block.
753
754   direct_IO: called by the generic read/write routines to perform
755         direct_IO - that is IO requests which bypass the page cache
756         and transfer data directly between the storage and the
757         application's address space.
758
759   isolate_page: Called by the VM when isolating a movable non-lru page.
760         If page is successfully isolated, VM marks the page as PG_isolated
761         via __SetPageIsolated.
762
763   migrate_page:  This is used to compact the physical memory usage.
764         If the VM wants to relocate a page (maybe off a memory card
765         that is signalling imminent failure) it will pass a new page
766         and an old page to this function.  migrate_page should
767         transfer any private data across and update any references
768         that it has to the page.
769
770   putback_page: Called by the VM when isolated page's migration fails.
771
772   launder_page: Called before freeing a page - it writes back the dirty page. To
773         prevent redirtying the page, it is kept locked during the whole
774         operation.
775
776   is_partially_uptodate: Called by the VM when reading a file through the
777         pagecache when the underlying blocksize != pagesize. If the required
778         block is up to date then the read can complete without needing the IO
779         to bring the whole page up to date.
780
781   is_dirty_writeback: Called by the VM when attempting to reclaim a page.
782         The VM uses dirty and writeback information to determine if it needs
783         to stall to allow flushers a chance to complete some IO. Ordinarily
784         it can use PageDirty and PageWriteback but some filesystems have
785         more complex state (unstable pages in NFS prevent reclaim) or
786         do not set those flags due to locking problems. This callback
787         allows a filesystem to indicate to the VM if a page should be
788         treated as dirty or writeback for the purposes of stalling.
789
790   error_remove_page: normally set to generic_error_remove_page if truncation
791         is ok for this address space. Used for memory failure handling.
792         Setting this implies you deal with pages going away under you,
793         unless you have them locked or reference counts increased.
794
795   swap_activate: Called when swapon is used on a file to allocate
796         space if necessary and pin the block lookup information in
797         memory. A return value of zero indicates success,
798         in which case this file can be used to back swapspace. The
799         swapspace operations will be proxied to this address space's
800         ->swap_{out,in} methods.
801
802   swap_deactivate: Called during swapoff on files where swap_activate
803         was successful.
804
805
806 The File Object
807 ===============
808
809 A file object represents a file opened by a process.
810
811
812 struct file_operations
813 ----------------------
814
815 This describes how the VFS can manipulate an open file. As of kernel
816 4.1, the following members are defined:
817
818 struct file_operations {
819         struct module *owner;
820         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
821         ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
822         ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
823         ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
824         ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
825         int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
826         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
827         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
828         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
829         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
830         int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
831         int (*open) (struct inode *, struct file *);
832         int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
833         int (*release) (struct inode *, struct file *);
834         int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
835         int (*fasync) (int, struct file *, int);
836         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
837         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
838         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
839         int (*check_flags)(int);
840         int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
841         ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
842         ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
843         int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
844         long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
845                           loff_t len);
846         void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
847 #ifndef CONFIG_MMU
848         unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
849 #endif
850 };
851
852 Again, all methods are called without any locks being held, unless
853 otherwise noted.
854
855   llseek: called when the VFS needs to move the file position index
856
857   read: called by read(2) and related system calls
858
859   read_iter: possibly asynchronous read with iov_iter as destination
860
861   write: called by write(2) and related system calls
862
863   write_iter: possibly asynchronous write with iov_iter as source
864
865   iterate: called when the VFS needs to read the directory contents
866
867   poll: called by the VFS when a process wants to check if there is
868         activity on this file and (optionally) go to sleep until there
869         is activity. Called by the select(2) and poll(2) system calls
870
871   unlocked_ioctl: called by the ioctl(2) system call.
872
873   compat_ioctl: called by the ioctl(2) system call when 32 bit system calls
874          are used on 64 bit kernels.
875
876   mmap: called by the mmap(2) system call
877
878   open: called by the VFS when an inode should be opened. When the VFS
879         opens a file, it creates a new "struct file". It then calls the
880         open method for the newly allocated file structure. You might
881         think that the open method really belongs in
882         "struct inode_operations", and you may be right. I think it's
883         done the way it is because it makes filesystems simpler to
884         implement. The open() method is a good place to initialize the
885         "private_data" member in the file structure if you want to point
886         to a device structure
887
888   flush: called by the close(2) system call to flush a file
889
890   release: called when the last reference to an open file is closed
891
892   fsync: called by the fsync(2) system call
893
894   fasync: called by the fcntl(2) system call when asynchronous
895         (non-blocking) mode is enabled for a file
896
897   lock: called by the fcntl(2) system call for F_GETLK, F_SETLK, and F_SETLKW
898         commands
899
900   get_unmapped_area: called by the mmap(2) system call
901
902   check_flags: called by the fcntl(2) system call for F_SETFL command
903
904   flock: called by the flock(2) system call
905
906   splice_write: called by the VFS to splice data from a pipe to a file. This
907                 method is used by the splice(2) system call
908
909   splice_read: called by the VFS to splice data from file to a pipe. This
910                method is used by the splice(2) system call
911
912   setlease: called by the VFS to set or release a file lock lease. setlease
913             implementations should call generic_setlease to record or remove
914             the lease in the inode after setting it.
915
916   fallocate: called by the VFS to preallocate blocks or punch a hole.
917
918 Note that the file operations are implemented by the specific
919 filesystem in which the inode resides. When opening a device node
920 (character or block special) most filesystems will call special
921 support routines in the VFS which will locate the required device
922 driver information. These support routines replace the filesystem file
923 operations with those for the device driver, and then proceed to call
924 the new open() method for the file. This is how opening a device file
925 in the filesystem eventually ends up calling the device driver open()
926 method.
927
928
929 Directory Entry Cache (dcache)
930 ==============================
931
932
933 struct dentry_operations
934 ------------------------
935
936 This describes how a filesystem can overload the standard dentry
937 operations. Dentries and the dcache are the domain of the VFS and the
938 individual filesystem implementations. Device drivers have no business
939 here. These methods may be set to NULL, as they are either optional or
940 the VFS uses a default. As of kernel 2.6.22, the following members are
941 defined:
942
943 struct dentry_operations {
944         int (*d_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
945         int (*d_weak_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
946         int (*d_hash)(const struct dentry *, struct qstr *);
947         int (*d_compare)(const struct dentry *,
948                         unsigned int, const char *, const struct qstr *);
949         int (*d_delete)(const struct dentry *);
950         int (*d_init)(struct dentry *);
951         void (*d_release)(struct dentry *);
952         void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
953         char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
954         struct vfsmount *(*d_automount)(struct path *);
955         int (*d_manage)(const struct path *, bool);
956         struct dentry *(*d_real)(struct dentry *, const struct inode *,
957                                  unsigned int);
958 };
959
960   d_revalidate: called when the VFS needs to revalidate a dentry. This
961         is called whenever a name look-up finds a dentry in the
962         dcache. Most local filesystems leave this as NULL, because all their
963         dentries in the dcache are valid. Network filesystems are different
964         since things can change on the server without the client necessarily
965         being aware of it.
966
967         This function should return a positive value if the dentry is still
968         valid, and zero or a negative error code if it isn't.
969
970         d_revalidate may be called in rcu-walk mode (flags & LOOKUP_RCU).
971         If in rcu-walk mode, the filesystem must revalidate the dentry without
972         blocking or storing to the dentry, d_parent and d_inode should not be
973         used without care (because they can change and, in d_inode case, even
974         become NULL under us).
975
976         If a situation is encountered that rcu-walk cannot handle, return
977         -ECHILD and it will be called again in ref-walk mode.
978
979  d_weak_revalidate: called when the VFS needs to revalidate a "jumped" dentry.
980         This is called when a path-walk ends at dentry that was not acquired by
981         doing a lookup in the parent directory. This includes "/", "." and "..",
982         as well as procfs-style symlinks and mountpoint traversal.
983
984         In this case, we are less concerned with whether the dentry is still
985         fully correct, but rather that the inode is still valid. As with
986         d_revalidate, most local filesystems will set this to NULL since their
987         dcache entries are always valid.
988
989         This function has the same return code semantics as d_revalidate.
990
991         d_weak_revalidate is only called after leaving rcu-walk mode.
992
993   d_hash: called when the VFS adds a dentry to the hash table. The first
994         dentry passed to d_hash is the parent directory that the name is
995         to be hashed into.
996
997         Same locking and synchronisation rules as d_compare regarding
998         what is safe to dereference etc.
999
1000   d_compare: called to compare a dentry name with a given name. The first
1001         dentry is the parent of the dentry to be compared, the second is
1002         the child dentry. len and name string are properties of the dentry
1003         to be compared. qstr is the name to compare it with.
1004
1005         Must be constant and idempotent, and should not take locks if
1006         possible, and should not or store into the dentry.
1007         Should not dereference pointers outside the dentry without
1008         lots of care (eg.  d_parent, d_inode, d_name should not be used).
1009
1010         However, our vfsmount is pinned, and RCU held, so the dentries and
1011         inodes won't disappear, neither will our sb or filesystem module.
1012         ->d_sb may be used.
1013
1014         It is a tricky calling convention because it needs to be called under
1015         "rcu-walk", ie. without any locks or references on things.
1016
1017   d_delete: called when the last reference to a dentry is dropped and the
1018         dcache is deciding whether or not to cache it. Return 1 to delete
1019         immediately, or 0 to cache the dentry. Default is NULL which means to
1020         always cache a reachable dentry. d_delete must be constant and
1021         idempotent.
1022
1023   d_init: called when a dentry is allocated
1024
1025   d_release: called when a dentry is really deallocated
1026
1027   d_iput: called when a dentry loses its inode (just prior to its
1028         being deallocated). The default when this is NULL is that the
1029         VFS calls iput(). If you define this method, you must call
1030         iput() yourself
1031
1032   d_dname: called when the pathname of a dentry should be generated.
1033         Useful for some pseudo filesystems (sockfs, pipefs, ...) to delay
1034         pathname generation. (Instead of doing it when dentry is created,
1035         it's done only when the path is needed.). Real filesystems probably
1036         dont want to use it, because their dentries are present in global
1037         dcache hash, so their hash should be an invariant. As no lock is
1038         held, d_dname() should not try to modify the dentry itself, unless
1039         appropriate SMP safety is used. CAUTION : d_path() logic is quite
1040         tricky. The correct way to return for example "Hello" is to put it
1041         at the end of the buffer, and returns a pointer to the first char.
1042         dynamic_dname() helper function is provided to take care of this.
1043
1044         Example :
1045
1046         static char *pipefs_dname(struct dentry *dent, char *buffer, int buflen)
1047         {
1048                 return dynamic_dname(dentry, buffer, buflen, "pipe:[%lu]",
1049                                 dentry->d_inode->i_ino);
1050         }
1051
1052   d_automount: called when an automount dentry is to be traversed (optional).
1053         This should create a new VFS mount record and return the record to the
1054         caller.  The caller is supplied with a path parameter giving the
1055         automount directory to describe the automount target and the parent
1056         VFS mount record to provide inheritable mount parameters.  NULL should
1057         be returned if someone else managed to make the automount first.  If
1058         the vfsmount creation failed, then an error code should be returned.
1059         If -EISDIR is returned, then the directory will be treated as an
1060         ordinary directory and returned to pathwalk to continue walking.
1061
1062         If a vfsmount is returned, the caller will attempt to mount it on the
1063         mountpoint and will remove the vfsmount from its expiration list in
1064         the case of failure.  The vfsmount should be returned with 2 refs on
1065         it to prevent automatic expiration - the caller will clean up the
1066         additional ref.
1067
1068         This function is only used if DCACHE_NEED_AUTOMOUNT is set on the
1069         dentry.  This is set by __d_instantiate() if S_AUTOMOUNT is set on the
1070         inode being added.
1071
1072   d_manage: called to allow the filesystem to manage the transition from a
1073         dentry (optional).  This allows autofs, for example, to hold up clients
1074         waiting to explore behind a 'mountpoint' whilst letting the daemon go
1075         past and construct the subtree there.  0 should be returned to let the
1076         calling process continue.  -EISDIR can be returned to tell pathwalk to
1077         use this directory as an ordinary directory and to ignore anything
1078         mounted on it and not to check the automount flag.  Any other error
1079         code will abort pathwalk completely.
1080
1081         If the 'rcu_walk' parameter is true, then the caller is doing a
1082         pathwalk in RCU-walk mode.  Sleeping is not permitted in this mode,
1083         and the caller can be asked to leave it and call again by returning
1084         -ECHILD.  -EISDIR may also be returned to tell pathwalk to
1085         ignore d_automount or any mounts.
1086
1087         This function is only used if DCACHE_MANAGE_TRANSIT is set on the
1088         dentry being transited from.
1089
1090   d_real: overlay/union type filesystems implement this method to return one of
1091         the underlying dentries hidden by the overlay.  It is used in three
1092         different modes:
1093
1094         Called from open it may need to copy-up the file depending on the
1095         supplied open flags.  This mode is selected with a non-zero flags
1096         argument.  In this mode the d_real method can return an error.
1097
1098         Called from file_dentry() it returns the real dentry matching the inode
1099         argument.  The real dentry may be from a lower layer already copied up,
1100         but still referenced from the file.  This mode is selected with a
1101         non-NULL inode argument.  This will always succeed.
1102
1103         With NULL inode and zero flags the topmost real underlying dentry is
1104         returned.  This will always succeed.
1105
1106         This method is never called with both non-NULL inode and non-zero flags.
1107
1108 Each dentry has a pointer to its parent dentry, as well as a hash list
1109 of child dentries. Child dentries are basically like files in a
1110 directory.
1111
1112
1113 Directory Entry Cache API
1114 --------------------------
1115
1116 There are a number of functions defined which permit a filesystem to
1117 manipulate dentries:
1118
1119   dget: open a new handle for an existing dentry (this just increments
1120         the usage count)
1121
1122   dput: close a handle for a dentry (decrements the usage count). If
1123         the usage count drops to 0, and the dentry is still in its
1124         parent's hash, the "d_delete" method is called to check whether
1125         it should be cached. If it should not be cached, or if the dentry
1126         is not hashed, it is deleted. Otherwise cached dentries are put
1127         into an LRU list to be reclaimed on memory shortage.
1128
1129   d_drop: this unhashes a dentry from its parents hash list. A
1130         subsequent call to dput() will deallocate the dentry if its
1131         usage count drops to 0
1132
1133   d_delete: delete a dentry. If there are no other open references to
1134         the dentry then the dentry is turned into a negative dentry
1135         (the d_iput() method is called). If there are other
1136         references, then d_drop() is called instead
1137
1138   d_add: add a dentry to its parents hash list and then calls
1139         d_instantiate()
1140
1141   d_instantiate: add a dentry to the alias hash list for the inode and
1142         updates the "d_inode" member. The "i_count" member in the
1143         inode structure should be set/incremented. If the inode
1144         pointer is NULL, the dentry is called a "negative
1145         dentry". This function is commonly called when an inode is
1146         created for an existing negative dentry
1147
1148   d_lookup: look up a dentry given its parent and path name component
1149         It looks up the child of that given name from the dcache
1150         hash table. If it is found, the reference count is incremented
1151         and the dentry is returned. The caller must use dput()
1152         to free the dentry when it finishes using it.
1153
1154 Mount Options
1155 =============
1156
1157 Parsing options
1158 ---------------
1159
1160 On mount and remount the filesystem is passed a string containing a
1161 comma separated list of mount options.  The options can have either of
1162 these forms:
1163
1164   option
1165   option=value
1166
1167 The <linux/parser.h> header defines an API that helps parse these
1168 options.  There are plenty of examples on how to use it in existing
1169 filesystems.
1170
1171 Showing options
1172 ---------------
1173
1174 If a filesystem accepts mount options, it must define show_options()
1175 to show all the currently active options.  The rules are:
1176
1177   - options MUST be shown which are not default or their values differ
1178     from the default
1179
1180   - options MAY be shown which are enabled by default or have their
1181     default value
1182
1183 Options used only internally between a mount helper and the kernel
1184 (such as file descriptors), or which only have an effect during the
1185 mounting (such as ones controlling the creation of a journal) are exempt
1186 from the above rules.
1187
1188 The underlying reason for the above rules is to make sure, that a
1189 mount can be accurately replicated (e.g. umounting and mounting again)
1190 based on the information found in /proc/mounts.
1191
1192 A simple method of saving options at mount/remount time and showing
1193 them is provided with the save_mount_options() and
1194 generic_show_options() helper functions.  Please note, that using
1195 these may have drawbacks.  For more info see header comments for these
1196 functions in fs/namespace.c.
1197
1198 Resources
1199 =========
1200
1201 (Note some of these resources are not up-to-date with the latest kernel
1202  version.)
1203
1204 Creating Linux virtual filesystems. 2002
1205     <http://lwn.net/Articles/13325/>
1206
1207 The Linux Virtual File-system Layer by Neil Brown. 1999
1208     <http://www.cse.unsw.edu.au/~neilb/oss/linux-commentary/vfs.html>
1209
1210 A tour of the Linux VFS by Michael K. Johnson. 1996
1211     <http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/fs/vfstour.html>
1212
1213 A small trail through the Linux kernel by Andries Brouwer. 2001
1214     <http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/vfs/trail.html>