bluesky/bluesky.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 #ifndef _BLUESKY_H
  10 #define _BLUESKY_H
  11
  12 #include <stdint.h>
  13 #include <inttypes.h>
  14 #include <glib.h>
  15
  16 #ifdef __cplusplus
  17 extern "C" {
  18 #endif
  19
  20 /* Various options to tweak for performance benchmarking purposes. */
  21 typedef struct {
  22     /* Perform all get/put operations synchronously. */
  23     int synchronous_stores;
  24
  25     /* Write data in cache immediately after file is modified. */
  26     int writethrough_cache;
  27
  28     /* Can inodes be fetched asynchronously?  (Inode object is initially
  29      * created in a pending state, and not unlocked until the data is actually
  30      * available.) */
  31     int sync_inode_fetches;
  32
  33     /* Should frontends handle requests serially or allow operations to proceed
  34      * in parallel? */
  35     int sync_frontends;
  36 } BlueSkyOptions;
  37
  38 extern BlueSkyOptions bluesky_options;
  39
  40 /* Maximum number of threads to use in any particular thread pool, or -1 for no
  41  * limit */
  42 extern int bluesky_max_threads;
  43
  44 /* A general-purpose counter for gathering run-time statistics. */
  45 struct bluesky_stats {
  46     const char *name;
  47     int64_t count;
  48     int64_t sum;
  49 };
  50 struct bluesky_stats *bluesky_stats_new(const char *name);
  51 void bluesky_stats_add(struct bluesky_stats *stats, int64_t value);
  52 void bluesky_stats_dump_all();
  53
  54 /* BlueSky status and error codes.  Various frontends should translate these to
  55  * the appropriate error code for whatever protocol they implement. */
  56 typedef enum {
  57     BSTATUS_OK = 0,             /* No error */
  58     BSTATUS_IOERR,              /* I/O error of some form */
  59     BSTATUS_NOENT,              /* File does not exist */
  60 } BlueSkyStatus;
  61
  62 void bluesky_init(void);
  63
  64 gchar *bluesky_lowercase(const gchar *s);
  65
  66 struct _BlueSkyMmap;
  67 typedef struct _BlueSkyMmap BlueSkyMmap;
  68
  69 typedef struct {
  70     gint refcount;
  71     BlueSkyMmap *mmap;
  72     gchar *data;
  73     gsize len;
  74 } BlueSkyRCStr;
  75
  76 BlueSkyRCStr *bluesky_string_new(gpointer data, gsize len);
  77 BlueSkyRCStr *bluesky_string_new_from_gstring(GString *s);
  78 BlueSkyRCStr *bluesky_string_new_from_mmap(BlueSkyMmap *mmap,
  79                                            int offset, gsize len);
  80 void bluesky_string_ref(BlueSkyRCStr *string);
  81 void bluesky_string_unref(BlueSkyRCStr *string);
  82 BlueSkyRCStr *bluesky_string_dup(BlueSkyRCStr *string);
  83 void bluesky_string_resize(BlueSkyRCStr *string, gsize len);
  84
  85 /* Cryptographic operations. */
  86 #define CRYPTO_BLOCK_SIZE 16        /* 128-bit AES */
  87 #define CRYPTO_KEY_SIZE   16
  88
  89 void bluesky_crypt_init();
  90 void bluesky_crypt_hash_key(const char *keystr, uint8_t *out);
  91 void bluesky_crypt_random_bytes(guchar *buf, gint len);
  92 BlueSkyRCStr *bluesky_crypt_encrypt(BlueSkyRCStr *in, const uint8_t *key);
  93 BlueSkyRCStr *bluesky_crypt_decrypt(BlueSkyRCStr *in, const uint8_t *key);
  94
  95 /* Storage interface.  This presents a key-value store abstraction, and can
  96  * have multiple implementations: in-memory, on-disk, in-cloud. */
  97 struct _BlueSkyStore;
  98 typedef struct _BlueSkyStore BlueSkyStore;
  99
 100 struct _BlueSkyLog;
 101 typedef struct _BlueSkyLog BlueSkyLog;
 102
 103 struct _BlueSkyCloudLogState;
 104 typedef struct _BlueSkyCloudLogState BlueSkyCloudLogState;
 105
 106 struct _BlueSkyCloudLog;
 107 typedef struct _BlueSkyCloudLog BlueSkyCloudLog;
 108
 109 void bluesky_store_init();
 110 BlueSkyStore *bluesky_store_new(const gchar *type);
 111 void bluesky_store_free(BlueSkyStore *store);
 112 BlueSkyRCStr *bluesky_store_get(BlueSkyStore *store, const gchar *key);
 113 void bluesky_store_put(BlueSkyStore *store,
 114                        const gchar *key, BlueSkyRCStr *val);
 115
 116 /* File types.  The numeric values are chosen to match with those used in
 117  * NFSv3. */
 118 typedef enum {
 119     BLUESKY_REGULAR = 1,
 120     BLUESKY_DIRECTORY = 2,
 121     BLUESKY_BLOCK = 3,
 122     BLUESKY_CHARACTER = 4,
 123     BLUESKY_SYMLINK = 5,
 124     BLUESKY_SOCKET = 6,
 125     BLUESKY_FIFO = 7,
 126
 127     /* Special types used only internally. */
 128     BLUESKY_PENDING = 0,    /* Inode being loaded; type not yet determined */
 129     BLUESKY_INVALID = -1,   /* Inode is invalid (failed to load) */
 130 } BlueSkyFileType;
 131
 132 /* Filesystem state.  Each filesystem which is exported is represented by a
 133  * single bluesky_fs structure in memory. */
 134 typedef struct {
 135     GMutex *lock;
 136
 137     gchar *name;                /* Descriptive name for the filesystem */
 138     GHashTable *inodes;         /* Cached inodes */
 139     uint64_t next_inum;         /* Next available inode for allocation */
 140
 141     BlueSkyStore *store;
 142     BlueSkyLog *log;
 143     BlueSkyCloudLogState *log_state;
 144
 145     /* Accounting for memory used for caches.  Space is measured in blocks, not
 146      * bytes.  Updates to these variables must be made atomically. */
 147     gint cache_dirty;
 148
 149     /* Like above, but tracking data stored in the cloudlog entries
 150      * specifically:
 151      *  - cache_log_dirty: data uncommitted to journal and cloud
 152      *  - cache_log_writeback: data being written to journal
 153      *  - cache_log_journal: data committed to journal
 154      *  - cache_log_cloud: data written to cloud as well
 155      * Log entries should progress from the top state to the bottom, and are
 156      * only ever counted in one category at a time. */
 157     gint cache_log_dirty, cache_log_writeback,
 158          cache_log_journal, cache_log_cloud;
 159
 160     /* Linked list of inodes, sorted by access/modification times for cache
 161      * management.  Editing these lists is protected by the filesystem lock; to
 162      * avoid deadlock do not attempt to take any other locks while the FS lock
 163      * is held for list editing purposes.  Items at the head of the list are
 164      * most recently accessed/modified. */
 165     GList unlogged_list;        // Changes not yet synced to journal
 166     GList dirty_list;           // Not yet written to cloud storage
 167     GList accessed_list;        // All in-memory inodes
 168
 169     /* Mutex for the flush daemon, to prevent concurrent execution. */
 170     GMutex *flushd_lock;
 171
 172     /* Mapping of object identifiers (blocks, inodes) to physical location (in
 173      * the local cache or in the logs in the cloud). */
 174     GHashTable *locations;
 175 } BlueSkyFS;
 176
 177 /* Inode number of the root directory. */
 178 #define BLUESKY_ROOT_INUM 1
 179
 180 /* Timestamp, measured in microseconds since the Unix epoch. */
 181 typedef int64_t bluesky_time;
 182
 183 /* High-resolution timer, measured in nanoseconds. */
 184 typedef int64_t bluesky_time_hires;
 185 bluesky_time_hires bluesky_now_hires();
 186
 187 /* In-memory representation of an inode within a Blue Sky server.  This
 188  * corresponds roughly with information that is committed to persistent
 189  * storage.  Locking/refcounting rules:
 190  *   - To access or modify any data fields, the lock must be held.  This
 191  *     includes file blocks.
 192  *   - One reference is held by the BlueSkyFS inode hash table.  If that is the
 193  *     only reference (and the inode is unlocked), the inode is subject to
 194  *     dropping from the cache.
 195  *   - Any pending operations should hold extra references to the inode as
 196  *     appropriate to keep it available until the operation completes.
 197  *   - Locking dependency order is, when multiple locks are to be acquired, to
 198  *     acquire locks on parents in the filesystem tree before children.
 199  *     (TODO: What about rename when we acquire locks in unrelated parts of the
 200  *     filesystem?)
 201  *   - An inode should not be locked while the filesystem lock is already held,
 202  *     since some code may do an inode lookup (which acquires the filesystem
 203  *     lock) while a different inode is locked.
 204  * */
 205 typedef struct {
 206     GMutex *lock;
 207     gint refcount;
 208
 209     BlueSkyFS *fs;
 210
 211     BlueSkyFileType type;
 212     uint32_t mode;
 213     uint32_t uid, gid;
 214     uint32_t nlink;
 215
 216     /* Rather than track an inode number and generation number, we will simply
 217      * never re-use a fileid after a file is deleted.  64 bits should be enough
 218      * that we don't exhaust the identifier space. */
 219     uint64_t inum;
 220
 221     /* change_count is increased with every operation which modifies the inode,
 222      * and can be used to determine if cached data is still valid.
 223      * change_commit is the value of change_count when the inode was last
 224      * committed to stable storage (the log).
 225      * change_cloud tracks which version was last commited to cloud storage. */
 226     uint64_t change_count, change_commit, change_cloud;
 227
 228     /* Timestamp for controlling when modified data is flushed to stable
 229      * storage.  When an inode is first modified from a clean state, this is
 230      * set to the current time.  If the inode is clean, it is set to zero. */
 231     int64_t change_time;
 232
 233     /* Last access time to this inode, for controlling cache evictions. */
 234     int64_t access_time;
 235
 236     /* Version of the object last serialized and committed to storage. */
 237     BlueSkyCloudLog *committed_item;
 238
 239     /* Pointers to the linked-list elements for this inode in the accessed and
 240      * dirty linked lists.  We re-use the GList structure, using ->next to
 241      * point to the head of the list and ->prev to point to the tail.  The data
 242      * element is unused. */
 243     GList *unlogged_list, *accessed_list, *dirty_list;
 244
 245     int64_t atime;              /* Microseconds since the Unix epoch */
 246     int64_t ctime;
 247     int64_t mtime;
 248     int64_t ntime;              /* "new time": time object was created */
 249
 250     /* File-specific fields */
 251     uint64_t size;
 252     GArray *blocks;
 253
 254     /* Directory-specific fields */
 255     GSequence *dirents;         /* List of entries for READDIR */
 256     GHashTable *dirhash;        /* Hash table by name for LOOKUP */
 257     GHashTable *dirhash_folded; /* As above, but case-folded */
 258     uint64_t parent_inum;       /* inode for ".."; 0 if the root directory */
 259
 260     /* Symlink-specific fields */
 261     gchar *symlink_contents;
 262 } BlueSkyInode;
 263
 264 /* A directory entry.  The name is UTF-8 and is a freshly-allocated string.
 265  * Each directory entry is listed in two indices: dirents is indexed by cookie
 266  * and dirhash by name.  The cookie is a randomly-assigned 32-bit value, unique
 267  * within the directory, that remains unchanged until the entry is deleted.  It
 268  * is used to provide a stable key for restarting a READDIR call. */
 269 typedef struct {
 270     gchar *name;
 271     gchar *name_folded;         /* Name, folded for case-insensitive lookup */
 272     uint32_t cookie;
 273     uint64_t inum;
 274 } BlueSkyDirent;
 275
 276 /* File data is divided into fixed-size blocks (except the last block which may
 277  * be short?).  These blocks are backed by storage in a key/value store, but
 278  * may also be dirty if modifications have been made in-memory that have not
 279  * been committed. */
 280 #define BLUESKY_BLOCK_SIZE 32768ULL
 281 #define BLUESKY_MAX_FILE_SIZE (BLUESKY_BLOCK_SIZE << 24)
 282 typedef enum {
 283     BLUESKY_BLOCK_ZERO = 0,     /* Data is all zeroes, not explicitly stored */
 284     BLUESKY_BLOCK_REF = 1,      /* Reference to cloud log item, data clean */
 285     BLUESKY_BLOCK_DIRTY = 2,    /* Data needs to be committed to store */
 286 } BlueSkyBlockType;
 287
 288 typedef struct {
 289     BlueSkyBlockType type;
 290     BlueSkyCloudLog *ref;       /* if REF: cloud log entry with data */
 291     BlueSkyRCStr *dirty;        /* if DIRTY: raw data in memory */
 292 } BlueSkyBlock;
 293
 294 BlueSkyFS *bluesky_init_fs(gchar *name, BlueSkyStore *store);
 295 void bluesky_superblock_flush(BlueSkyFS *fs);
 296
 297 gboolean bluesky_inode_is_ready(BlueSkyInode *inode);
 298
 299 int64_t bluesky_get_current_time();
 300 void bluesky_inode_update_ctime(BlueSkyInode *inode, gboolean update_mtime);
 301 uint64_t bluesky_fs_alloc_inode(BlueSkyFS *fs);
 302 void bluesky_init_inode(BlueSkyInode *i, BlueSkyFileType type);
 303 BlueSkyInode *bluesky_new_inode(uint64_t inum, BlueSkyFS *fs, BlueSkyFileType type);
 304
 305 BlueSkyInode *bluesky_get_inode(BlueSkyFS *fs, uint64_t inum);
 306 void bluesky_inode_ref(BlueSkyInode *inode);
 307 void bluesky_inode_unref(BlueSkyInode *inode);
 308 void bluesky_insert_inode(BlueSkyFS *fs, BlueSkyInode *inode);
 309
 310 void bluesky_dirent_destroy(gpointer dirent);
 311 uint64_t bluesky_directory_lookup(BlueSkyInode *inode, gchar *name);
 312 uint64_t bluesky_directory_ilookup(BlueSkyInode *inode, gchar *name);
 313 BlueSkyDirent *bluesky_directory_read(BlueSkyInode *dir, uint32_t cookie);
 314 gboolean bluesky_directory_insert(BlueSkyInode *dir, const gchar *name,
 315                                   uint64_t inum);
 316 void bluesky_directory_dump(BlueSkyInode *dir);
 317
 318 void bluesky_file_truncate(BlueSkyInode *inode, uint64_t size);
 319 void bluesky_file_write(BlueSkyInode *inode, uint64_t offset,
 320                         const char *data, gint len);
 321 void bluesky_file_read(BlueSkyInode *inode, uint64_t offset,
 322                        char *buf, gint len);
 323
 324 void bluesky_inode_fetch(BlueSkyFS *fs, uint64_t inum);
 325
 326 gint bluesky_dirent_compare(gconstpointer a, gconstpointer b,
 327                             gpointer unused);
 328
 329 void bluesky_flushd_invoke(BlueSkyFS *fs);
 330 void bluesky_flushd_invoke_conditional(BlueSkyFS *fs);
 331 void bluesky_inode_do_sync(BlueSkyInode *inode);
 332 void bluesky_flushd_thread_launch(BlueSkyFS *fs);
 333
 334 void bluesky_debug_dump(BlueSkyFS *fs);
 335
 336 #ifdef __cplusplus
 337 }
 338 #endif
 339
 340 #endif