bluesky/bluesky-private.h

   1 /* Blue Sky: File Systems in the Cloud
   2  *
   3  * Copyright (C) 2009  The Regents of the University of California
   4  * Written by Michael Vrable <mvrable@cs.ucsd.edu>
   5  *
   6  * TODO: Licensing
   7  */
   8
   9 /* Declarations internal to the BlueSky library.  This header file should not
  10  * be included by any users of the library (such as any filesystem
  11  * proxy)--external users should only include bluesky.h. */
  12
  13 #ifndef _BLUESKY_PRIVATE_H
  14 #define _BLUESKY_PRIVATE_H
  15
  16 #include "bluesky.h"
  17
  18 #ifdef __cplusplus
  19 extern "C" {
  20 #endif
  21
  22 extern int bluesky_verbose;
  23
  24 /* Target cache size levels. */
  25 extern int bluesky_watermark_low_dirty;
  26 extern int bluesky_watermark_medium_dirty;
  27 extern int bluesky_watermark_high_dirty;
  28
  29 extern int bluesky_watermark_low_total;
  30 extern int bluesky_watermark_medium_total;
  31 extern int bluesky_watermark_high_total;
  32
  33 /* TODO: Make this go away entirely. */
  34 BlueSkyFS *bluesky_new_fs(gchar *name);
  35
  36 void bluesky_inode_free_resources(BlueSkyInode *inode);
  37
  38 /* Linked list update functions for LRU lists. */
  39 void bluesky_list_unlink(GList *head, GList *item);
  40 GList *bluesky_list_prepend(GList *head, BlueSkyInode *inode);
  41 GList *bluesky_list_append(GList *head, BlueSkyInode *inode);
  42 BlueSkyInode *bluesky_list_head(GList *head);
  43 BlueSkyInode *bluesky_list_tail(GList *head);
  44
  45 /* Serialization and deserialization of filesystem data for storing to
  46  * persistent storage. */
  47 void bluesky_serialize_superblock(GString *out, BlueSkyFS *fs);
  48 BlueSkyFS *bluesky_deserialize_superblock(const gchar *buf);
  49 BlueSkyCloudLog *bluesky_serialize_inode(BlueSkyInode *inode);
  50 gboolean bluesky_deserialize_inode(BlueSkyInode *inode, BlueSkyCloudLog *item);
  51
  52 void bluesky_deserialize_cloudlog(BlueSkyCloudLog *item,
  53                                   const char *data,
  54                                   size_t len);
  55
  56 void bluesky_serialize_cloudlog(BlueSkyCloudLog *log,
  57                                 GString *encrypted,
  58                                 GString *authenticated,
  59                                 GString *writable);
  60
  61 /* Storage layer.  Requests can be performed asynchronously, so these objects
  62  * help keep track of operations in progress. */
  63 typedef enum {
  64     STORE_OP_NONE,
  65     STORE_OP_GET,
  66     STORE_OP_PUT,
  67     STORE_OP_DELETE,
  68     STORE_OP_BARRIER,       // Waits for other selected operations to complete
  69 } BlueSkyStoreOp;
  70
  71 typedef enum {
  72     ASYNC_NEW,              // Operation not yet submitted to storage layer
  73     ASYNC_PENDING,          // Submitted to storage layer
  74     ASYNC_RUNNING,          // Operation is in progress
  75     ASYNC_COMPLETE,         // Operation finished, results available
  76 } BlueSkyAsyncStatus;
  77
  78 struct BlueSkyNotifierList;
  79 typedef struct _BlueSkyStoreAsync BlueSkyStoreAsync;
  80 struct _BlueSkyStoreAsync {
  81     BlueSkyStore *store;
  82
  83     GMutex *lock;
  84     GCond *completion_cond;     /* Used to wait for operation to complete. */
  85
  86     gint refcount;              /* Reference count for destruction. */
  87
  88     BlueSkyAsyncStatus status;
  89
  90     BlueSkyStoreOp op;
  91     gchar *key;                 /* Key to read/write */
  92     BlueSkyRCStr *data;         /* Data read/to write */
  93
  94     int result;                 /* Result code; 0 for success. */
  95     struct BlueSkyNotifierList *notifiers;
  96     gint notifier_count;
  97
  98     /* The barrier waiting on this operation.  Support for more than one
  99      * barrier for a single async is not well-supported and should be avoided
 100      * if possible. */
 101     BlueSkyStoreAsync *barrier;
 102
 103     bluesky_time_hires start_time;  /* Time operation was submitted. */
 104     bluesky_time_hires exec_time;   /* Time processing started on operation. */
 105
 106     gpointer store_private;     /* For use by the storage implementation */
 107 };
 108
 109 /* Support for notification lists.  These are lists of one-shot functions which
 110  * can be called when certain events--primarily, competed storage
 111  * events--occur.  Multiple notifiers can be added, but no particular order is
 112  * guaranteed for the notification functions to be called. */
 113 struct BlueSkyNotifierList {
 114     struct BlueSkyNotifierList *next;
 115     GFunc func;
 116     BlueSkyStoreAsync *async;
 117     gpointer user_data;     // Passed to the function when called
 118 };
 119
 120 /* The abstraction layer for storage, allowing multiple implementations. */
 121 typedef struct {
 122     /* Create a new store instance and return a handle to it. */
 123     gpointer (*create)(const gchar *path);
 124
 125     /* Clean up any resources used by this store. */
 126     void (*destroy)(gpointer store);
 127
 128     /* Submit an operation (get/put/delete) to the storage layer to be
 129      * performed asynchronously. */
 130     void (*submit)(gpointer store, BlueSkyStoreAsync *async);
 131
 132     /* Clean up any implementation-private data in a BlueSkyStoreAsync. */
 133     void (*cleanup)(gpointer store, BlueSkyStoreAsync *async);
 134
 135     /* Find the lexicographically-largest file starting with the specified
 136      * prefix. */
 137     char * (*lookup_last)(gpointer store, const gchar *prefix);
 138 } BlueSkyStoreImplementation;
 139
 140 void bluesky_store_register(const BlueSkyStoreImplementation *impl,
 141                             const gchar *name);
 142
 143 char *bluesky_store_lookup_last(BlueSkyStore *store, const char *prefix);
 144 BlueSkyStoreAsync *bluesky_store_async_new(BlueSkyStore *store);
 145 gpointer bluesky_store_async_get_handle(BlueSkyStoreAsync *async);
 146 void bluesky_store_async_ref(BlueSkyStoreAsync *async);
 147 void bluesky_store_async_unref(BlueSkyStoreAsync *async);
 148 void bluesky_store_async_wait(BlueSkyStoreAsync *async);
 149 void bluesky_store_async_add_notifier(BlueSkyStoreAsync *async,
 150                                       GFunc func, gpointer user_data);
 151 void bluesky_store_async_mark_complete(BlueSkyStoreAsync *async);
 152 void bluesky_store_async_submit(BlueSkyStoreAsync *async);
 153 void bluesky_store_sync(BlueSkyStore *store);
 154
 155 void bluesky_store_add_barrier(BlueSkyStoreAsync *barrier,
 156                                BlueSkyStoreAsync *async);
 157
 158 void bluesky_inode_start_sync(BlueSkyInode *inode);
 159
 160 void bluesky_block_touch(BlueSkyInode *inode, uint64_t i);
 161 void bluesky_block_fetch(BlueSkyInode *inode, BlueSkyBlock *block,
 162                          BlueSkyStoreAsync *barrier);
 163 void bluesky_block_flush(BlueSkyInode *inode, BlueSkyBlock *block,
 164                          GList **log_items);
 165 void bluesky_file_flush(BlueSkyInode *inode, GList **log_items);
 166 void bluesky_file_drop_cached(BlueSkyInode *inode);
 167
 168 /* Writing of data to the cloud in log segments and tracking the location of
 169  * various pieces of data (both where in the cloud and where cached locally).
 170  * */
 171
 172 typedef struct {
 173     char bytes[16];
 174 } BlueSkyCloudID;
 175
 176 typedef struct {
 177     uint32_t directory;
 178     uint32_t sequence;
 179     uint32_t offset;
 180     uint32_t size;
 181 } BlueSkyCloudPointer;
 182
 183 typedef enum {
 184     LOGTYPE_INVALID = -1,
 185     LOGTYPE_UNKNOWN = 0,
 186     LOGTYPE_DATA = 1,
 187     LOGTYPE_INODE = 2,
 188     LOGTYPE_INODE_MAP = 3,
 189     LOGTYPE_CHECKPOINT = 4,
 190
 191     /* Used only as metadata in the local journal, not loaded as a
 192      * BlueSkyCloudLogState nor stored in the cloud */
 193     LOGTYPE_JOURNAL_MARKER = 16,
 194     LOGTYPE_JOURNAL_CHECKPOINT = 17,
 195 } BlueSkyCloudLogType;
 196
 197 /* Headers that go on items in local log segments and cloud log segments. */
 198 struct log_header {
 199     uint32_t magic;             // HEADER_MAGIC
 200     uint8_t type;               // Object type + '0'
 201     uint32_t offset;            // Starting byte offset of the log header
 202     uint32_t size1;             // Size of the data item (bytes)
 203     uint32_t size2;             //
 204     uint32_t size3;             //
 205     uint64_t inum;              // Inode which owns this data, if any
 206     BlueSkyCloudID id;          // Object identifier
 207 } __attribute__((packed));
 208
 209 struct log_footer {
 210     uint32_t magic;             // FOOTER_MAGIC
 211     uint32_t crc;               // Computed from log_header to log_footer.magic
 212 } __attribute__((packed));
 213
 214 struct cloudlog_header {
 215     char magic[4];
 216     uint8_t crypt_auth[CRYPTO_HASH_SIZE];
 217     uint8_t crypt_iv[CRYPTO_BLOCK_SIZE];
 218     uint8_t type;
 219     BlueSkyCloudID id;
 220     uint64_t inum;
 221     uint32_t size1, size2, size3;
 222 } __attribute__((packed));
 223
 224 #define JOURNAL_MAGIC "\nLog"
 225 #define CLOUDLOG_MAGIC "AgI-"
 226
 227 /* A record which tracks an object which has been written to a local log,
 228  * cached, locally, and/or written to the cloud. */
 229 #define CLOUDLOG_JOURNAL    0x01
 230 #define CLOUDLOG_CLOUD      0x02
 231 #define CLOUDLOG_CACHE      0x04
 232 struct _BlueSkyCloudLog {
 233     gint refcount;
 234     GMutex *lock;
 235     GCond *cond;
 236
 237     BlueSkyFS *fs;
 238
 239     BlueSkyCloudLogType type;
 240
 241     // Bitmask of CLOUDLOG_* flags indicating where the object exists.
 242     int location_flags;
 243     int pending_read, pending_write;
 244
 245     // A stable identifier for the object (only changes when authenticated data
 246     // is written out, but stays the same when the in-cloud cleaner relocates
 247     // the object).
 248     BlueSkyCloudID id;
 249
 250     // The inode which owns this data, if any, and an offset.
 251     uint64_t inum;
 252     int32_t inum_offset;
 253
 254     // The size of encrypted object data, not including any headers
 255     int data_size;
 256
 257     // The location of the object in the cloud, if available.
 258     BlueSkyCloudPointer location;
 259
 260     // TODO: Location in journal/cache
 261     int log_seq, log_offset, log_size;
 262
 263     // Pointers to other objects.  Each link counts towards the reference count
 264     // of the pointed-to object.  To avoid memory leaks there should be no
 265     // cycles in the reference graph.
 266     GArray *links;
 267
 268     // Serialized data, if available in memory (otherwise NULL), and a lock
 269     // count which tracks if there are users that require the data to be kept
 270     // around.
 271     BlueSkyRCStr *data;
 272     int data_lock_count;
 273 };
 274
 275 /* Serialize objects into a log segment to be written to the cloud. */
 276 struct _BlueSkyCloudLogState {
 277     GString *data;
 278     BlueSkyCloudPointer location;
 279     GList *inode_list;
 280     GSList *writeback_list;     // Items which are being serialized right now
 281     GList *pending_segments;    // Segments which are being uploaded now
 282 };
 283
 284 gboolean bluesky_cloudlog_equal(gconstpointer a, gconstpointer b);
 285 guint bluesky_cloudlog_hash(gconstpointer a);
 286 BlueSkyCloudLog *bluesky_cloudlog_new(BlueSkyFS *fs, const BlueSkyCloudID *id);
 287 gchar *bluesky_cloudlog_id_to_string(BlueSkyCloudID id);
 288 BlueSkyCloudID bluesky_cloudlog_id_from_string(const gchar *idstr);
 289 void bluesky_cloudlog_threads_init(BlueSkyFS *fs);
 290 void bluesky_cloudlog_ref(BlueSkyCloudLog *log);
 291 void bluesky_cloudlog_unref(BlueSkyCloudLog *log);
 292 void bluesky_cloudlog_unref_delayed(BlueSkyCloudLog *log);
 293 void bluesky_cloudlog_erase(BlueSkyCloudLog *log);
 294 void bluesky_cloudlog_stats_update(BlueSkyCloudLog *log, int type);
 295 void bluesky_cloudlog_sync(BlueSkyCloudLog *log);
 296 void bluesky_cloudlog_insert(BlueSkyCloudLog *log);
 297 void bluesky_cloudlog_insert_locked(BlueSkyCloudLog *log);
 298 BlueSkyCloudLog *bluesky_cloudlog_get(BlueSkyFS *fs, BlueSkyCloudID id);
 299 void bluesky_cloudlog_fetch(BlueSkyCloudLog *log);
 300 BlueSkyCloudPointer bluesky_cloudlog_serialize(BlueSkyCloudLog *log,
 301                                                BlueSkyFS *fs);
 302 void bluesky_cloudlog_flush(BlueSkyFS *fs);
 303
 304 /* Logging infrastructure for ensuring operations are persistently recorded to
 305  * disk. */
 306 #define BLUESKY_CRC32C_SEED (~(uint32_t)0)
 307 #define BLUESKY_CRC32C_VALIDATOR ((uint32_t)0xb798b438UL)
 308 uint32_t crc32c(uint32_t crc, const char *buf, unsigned int length);
 309 uint32_t crc32c_finalize(uint32_t crc);
 310
 311 struct _BlueSkyLog {
 312     BlueSkyFS *fs;
 313     char *log_directory;
 314     GAsyncQueue *queue;
 315     int fd, dirfd;
 316     int seq_num;
 317     GSList *committed;
 318
 319     /* The currently-open log file. */
 320     BlueSkyCacheFile *current_log;
 321
 322     /* Cache of log segments which have been memory-mapped. */
 323     GMutex *mmap_lock;
 324     GHashTable *mmap_cache;
 325
 326     /* A count of the disk space consumed (in 1024-byte units) by all files
 327      * tracked by mmap_cache (whether mapped or not, actually). */
 328     gint disk_used;
 329
 330     /* The smallest journal sequence number which may still contain data that
 331      * must be preserved (since it it not yet in the cloud). */
 332     int journal_watermark;
 333 };
 334
 335 /* An object for tracking log files which are stored locally--either the
 336  * journal for filesystem consistency or log segments which have been fetched
 337  * back from cloud storage. */
 338 struct _BlueSkyCacheFile {
 339     GMutex *lock;
 340     GCond *cond;
 341     gint refcount;
 342     int type;                   // Only one of CLOUDLOG_{JOURNAL,CLOUD}
 343     int log_dir;
 344     int log_seq;
 345     char *filename;             // Local filename, relateive to log directory
 346     gint mapcount;              // References to the mmaped data
 347     const char *addr;           // May be null if data is not mapped in memory
 348     size_t len;
 349     BlueSkyFS *fs;
 350     BlueSkyLog *log;
 351     gboolean fetching, ready;   // Cloud data: downloading or ready for use
 352     int64_t atime;              // Access time, for cache management
 353 };
 354
 355 BlueSkyLog *bluesky_log_new(const char *log_directory);
 356 void bluesky_log_item_submit(BlueSkyCloudLog *item, BlueSkyLog *log);
 357 void bluesky_log_finish_all(GList *log_items);
 358 BlueSkyCloudLog *bluesky_log_get_commit_point(BlueSkyFS *fs);
 359 void bluesky_log_write_commit_point(BlueSkyFS *fs, BlueSkyCloudLog *marker);
 360
 361 BlueSkyRCStr *bluesky_log_map_object(BlueSkyFS *fs, int log_dir, int log_seq,
 362                                      int log_offset, int log_size);
 363 void bluesky_mmap_unref(BlueSkyCacheFile *mmap);
 364 void bluesky_cachefile_unref(BlueSkyCacheFile *cachefile);
 365
 366 BlueSkyCacheFile *bluesky_cachefile_lookup(BlueSkyFS *fs,
 367                                            int clouddir, int log_seq);
 368 void bluesky_cachefile_gc(BlueSkyFS *fs);
 369
 370 void bluesky_replay(BlueSkyFS *fs);
 371
 372 /* Used to track log segments that are being written to the cloud. */
 373 typedef struct {
 374     BlueSkyRCStr *data;
 375     GSList *items;
 376     GMutex *lock;
 377     GCond *cond;
 378     gboolean complete;
 379 } SerializedRecord;
 380
 381 /***** Inode map management *****/
 382
 383 /* Mapping information for a single inode number.  These are grouped together
 384  * into InodeMapRange objects. */
 385 typedef struct {
 386     uint64_t inum;
 387
 388     /* A pointer to the cloud log entry for this inode.  This may or may not
 389      * actually have data loaded (it might just contain pointers to the data
 390      * location, and in fact this will likely often be the case). */
 391     BlueSkyCloudLog *item;
 392 } InodeMapEntry;
 393
 394 typedef struct {
 395     /* Starting and ending inode number values that fall in this section.
 396      * Endpoint values are inclusive. */
 397     uint64_t start, end;
 398
 399     /* A sorted list (by inode number) of InodeMapEntry objects. */
 400     GSequence *map_entries;
 401
 402     /* The serialized version of the inode map data. */
 403     BlueSkyCloudLog *serialized;
 404
 405     /* Have there been changes that require writing this section out again? */
 406     gboolean dirty;
 407 } InodeMapRange;
 408
 409 InodeMapEntry *bluesky_inode_map_lookup(GSequence *inode_map, uint64_t inum,
 410                                         int action);
 411 BlueSkyCloudLog *bluesky_inode_map_serialize(BlueSkyFS *fs);
 412 void bluesky_inode_map_minimize(BlueSkyFS *fs);
 413
 414 gboolean bluesky_checkpoint_load(BlueSkyFS *fs);
 415
 416 #ifdef __cplusplus
 417 }
 418 #endif
 419
 420 #endif