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