FS-Cache: Object management state machine
[linux-2.6.git] / Documentation / filesystems / caching / fscache.txt
1                           ==========================
2                           General Filesystem Caching
3                           ==========================
4
5 ========
6 OVERVIEW
7 ========
8
9 This facility is a general purpose cache for network filesystems, though it
10 could be used for caching other things such as ISO9660 filesystems too.
11
12 FS-Cache mediates between cache backends (such as CacheFS) and network
13 filesystems:
14
15         +---------+
16         |         |                        +--------------+
17         |   NFS   |--+                     |              |
18         |         |  |                 +-->|   CacheFS    |
19         +---------+  |   +----------+  |   |  /dev/hda5   |
20                      |   |          |  |   +--------------+
21         +---------+  +-->|          |  |
22         |         |      |          |--+
23         |   AFS   |----->| FS-Cache |
24         |         |      |          |--+
25         +---------+  +-->|          |  |
26                      |   |          |  |   +--------------+
27         +---------+  |   +----------+  |   |              |
28         |         |  |                 +-->|  CacheFiles  |
29         |  ISOFS  |--+                     |  /var/cache  |
30         |         |                        +--------------+
31         +---------+
32
33 Or to look at it another way, FS-Cache is a module that provides a caching
34 facility to a network filesystem such that the cache is transparent to the
35 user:
36
37         +---------+
38         |         |
39         | Server  |
40         |         |
41         +---------+
42              |                  NETWORK
43         ~~~~~|~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
44              |
45              |           +----------+
46              V           |          |
47         +---------+      |          |
48         |         |      |          |
49         |   NFS   |----->| FS-Cache |
50         |         |      |          |--+
51         +---------+      |          |  |   +--------------+   +--------------+
52              |           |          |  |   |              |   |              |
53              V           +----------+  +-->|  CacheFiles  |-->|  Ext3        |
54         +---------+                        |  /var/cache  |   |  /dev/sda6   |
55         |         |                        +--------------+   +--------------+
56         |   VFS   |                                ^                     ^
57         |         |                                |                     |
58         +---------+                                +--------------+      |
59              |                  KERNEL SPACE                      |      |
60         ~~~~~|~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|~~~~~~|~~~~
61              |                  USER SPACE                        |      |
62              V                                                    |      |
63         +---------+                                           +--------------+
64         |         |                                           |              |
65         | Process |                                           | cachefilesd  |
66         |         |                                           |              |
67         +---------+                                           +--------------+
68
69
70 FS-Cache does not follow the idea of completely loading every netfs file
71 opened in its entirety into a cache before permitting it to be accessed and
72 then serving the pages out of that cache rather than the netfs inode because:
73
74  (1) It must be practical to operate without a cache.
75
76  (2) The size of any accessible file must not be limited to the size of the
77      cache.
78
79  (3) The combined size of all opened files (this includes mapped libraries)
80      must not be limited to the size of the cache.
81
82  (4) The user should not be forced to download an entire file just to do a
83      one-off access of a small portion of it (such as might be done with the
84      "file" program).
85
86 It instead serves the cache out in PAGE_SIZE chunks as and when requested by
87 the netfs('s) using it.
88
89
90 FS-Cache provides the following facilities:
91
92  (1) More than one cache can be used at once.  Caches can be selected
93      explicitly by use of tags.
94
95  (2) Caches can be added / removed at any time.
96
97  (3) The netfs is provided with an interface that allows either party to
98      withdraw caching facilities from a file (required for (2)).
99
100  (4) The interface to the netfs returns as few errors as possible, preferring
101      rather to let the netfs remain oblivious.
102
103  (5) Cookies are used to represent indices, files and other objects to the
104      netfs.  The simplest cookie is just a NULL pointer - indicating nothing
105      cached there.
106
107  (6) The netfs is allowed to propose - dynamically - any index hierarchy it
108      desires, though it must be aware that the index search function is
109      recursive, stack space is limited, and indices can only be children of
110      indices.
111
112  (7) Data I/O is done direct to and from the netfs's pages.  The netfs
113      indicates that page A is at index B of the data-file represented by cookie
114      C, and that it should be read or written.  The cache backend may or may
115      not start I/O on that page, but if it does, a netfs callback will be
116      invoked to indicate completion.  The I/O may be either synchronous or
117      asynchronous.
118
119  (8) Cookies can be "retired" upon release.  At this point FS-Cache will mark
120      them as obsolete and the index hierarchy rooted at that point will get
121      recycled.
122
123  (9) The netfs provides a "match" function for index searches.  In addition to
124      saying whether a match was made or not, this can also specify that an
125      entry should be updated or deleted.
126
127 (10) As much as possible is done asynchronously.
128
129
130 FS-Cache maintains a virtual indexing tree in which all indices, files, objects
131 and pages are kept.  Bits of this tree may actually reside in one or more
132 caches.
133
134                                            FSDEF
135                                              |
136                         +------------------------------------+
137                         |                                    |
138                        NFS                                  AFS
139                         |                                    |
140            +--------------------------+                +-----------+
141            |                          |                |           |
142         homedir                     mirror          afs.org   redhat.com
143            |                          |                            |
144      +------------+           +---------------+              +----------+
145      |            |           |               |              |          |
146    00001        00002       00007           00125        vol00001   vol00002
147      |            |           |               |                         |
148  +---+---+     +-----+      +---+      +------+------+            +-----+----+
149  |   |   |     |     |      |   |      |      |      |            |     |    |
150 PG0 PG1 PG2   PG0  XATTR   PG0 PG1   DIRENT DIRENT DIRENT        R/W   R/O  Bak
151                      |                                            |
152                     PG0                                       +-------+
153                                                               |       |
154                                                             00001   00003
155                                                               |
156                                                           +---+---+
157                                                           |   |   |
158                                                          PG0 PG1 PG2
159
160 In the example above, you can see two netfs's being backed: NFS and AFS.  These
161 have different index hierarchies:
162
163  (*) The NFS primary index contains per-server indices.  Each server index is
164      indexed by NFS file handles to get data file objects.  Each data file
165      objects can have an array of pages, but may also have further child
166      objects, such as extended attributes and directory entries.  Extended
167      attribute objects themselves have page-array contents.
168
169  (*) The AFS primary index contains per-cell indices.  Each cell index contains
170      per-logical-volume indices.  Each of volume index contains up to three
171      indices for the read-write, read-only and backup mirrors of those volumes.
172      Each of these contains vnode data file objects, each of which contains an
173      array of pages.
174
175 The very top index is the FS-Cache master index in which individual netfs's
176 have entries.
177
178 Any index object may reside in more than one cache, provided it only has index
179 children.  Any index with non-index object children will be assumed to only
180 reside in one cache.
181
182
183 The netfs API to FS-Cache can be found in:
184
185         Documentation/filesystems/caching/netfs-api.txt
186
187 The cache backend API to FS-Cache can be found in:
188
189         Documentation/filesystems/caching/backend-api.txt
190
191 A description of the internal representations and object state machine can be
192 found in:
193
194         Documentation/filesystems/caching/object.txt
195
196
197 =======================
198 STATISTICAL INFORMATION
199 =======================
200
201 If FS-Cache is compiled with the following options enabled:
202
203         CONFIG_FSCACHE_STATS=y
204         CONFIG_FSCACHE_HISTOGRAM=y
205
206 then it will gather certain statistics and display them through a number of
207 proc files.
208
209  (*) /proc/fs/fscache/stats
210
211      This shows counts of a number of events that can happen in FS-Cache:
212
213         CLASS   EVENT   MEANING
214         ======= ======= =======================================================
215         Cookies idx=N   Number of index cookies allocated
216                 dat=N   Number of data storage cookies allocated
217                 spc=N   Number of special cookies allocated
218         Objects alc=N   Number of objects allocated
219                 nal=N   Number of object allocation failures
220                 avl=N   Number of objects that reached the available state
221                 ded=N   Number of objects that reached the dead state
222         ChkAux  non=N   Number of objects that didn't have a coherency check
223                 ok=N    Number of objects that passed a coherency check
224                 upd=N   Number of objects that needed a coherency data update
225                 obs=N   Number of objects that were declared obsolete
226         Pages   mrk=N   Number of pages marked as being cached
227                 unc=N   Number of uncache page requests seen
228         Acquire n=N     Number of acquire cookie requests seen
229                 nul=N   Number of acq reqs given a NULL parent
230                 noc=N   Number of acq reqs rejected due to no cache available
231                 ok=N    Number of acq reqs succeeded
232                 nbf=N   Number of acq reqs rejected due to error
233                 oom=N   Number of acq reqs failed on ENOMEM
234         Lookups n=N     Number of lookup calls made on cache backends
235                 neg=N   Number of negative lookups made
236                 pos=N   Number of positive lookups made
237                 crt=N   Number of objects created by lookup
238         Updates n=N     Number of update cookie requests seen
239                 nul=N   Number of upd reqs given a NULL parent
240                 run=N   Number of upd reqs granted CPU time
241         Relinqs n=N     Number of relinquish cookie requests seen
242                 nul=N   Number of rlq reqs given a NULL parent
243                 wcr=N   Number of rlq reqs waited on completion of creation
244         AttrChg n=N     Number of attribute changed requests seen
245                 ok=N    Number of attr changed requests queued
246                 nbf=N   Number of attr changed rejected -ENOBUFS
247                 oom=N   Number of attr changed failed -ENOMEM
248                 run=N   Number of attr changed ops given CPU time
249         Allocs  n=N     Number of allocation requests seen
250                 ok=N    Number of successful alloc reqs
251                 wt=N    Number of alloc reqs that waited on lookup completion
252                 nbf=N   Number of alloc reqs rejected -ENOBUFS
253                 ops=N   Number of alloc reqs submitted
254                 owt=N   Number of alloc reqs waited for CPU time
255         Retrvls n=N     Number of retrieval (read) requests seen
256                 ok=N    Number of successful retr reqs
257                 wt=N    Number of retr reqs that waited on lookup completion
258                 nod=N   Number of retr reqs returned -ENODATA
259                 nbf=N   Number of retr reqs rejected -ENOBUFS
260                 int=N   Number of retr reqs aborted -ERESTARTSYS
261                 oom=N   Number of retr reqs failed -ENOMEM
262                 ops=N   Number of retr reqs submitted
263                 owt=N   Number of retr reqs waited for CPU time
264         Stores  n=N     Number of storage (write) requests seen
265                 ok=N    Number of successful store reqs
266                 agn=N   Number of store reqs on a page already pending storage
267                 nbf=N   Number of store reqs rejected -ENOBUFS
268                 oom=N   Number of store reqs failed -ENOMEM
269                 ops=N   Number of store reqs submitted
270                 run=N   Number of store reqs granted CPU time
271         Ops     pend=N  Number of times async ops added to pending queues
272                 run=N   Number of times async ops given CPU time
273                 enq=N   Number of times async ops queued for processing
274                 dfr=N   Number of async ops queued for deferred release
275                 rel=N   Number of async ops released
276                 gc=N    Number of deferred-release async ops garbage collected
277
278
279  (*) /proc/fs/fscache/histogram
280
281         cat /proc/fs/fscache/histogram
282         JIFS  SECS  OBJ INST  OP RUNS   OBJ RUNS  RETRV DLY RETRIEVLS
283         ===== ===== ========= ========= ========= ========= =========
284
285      This shows the breakdown of the number of times each amount of time
286      between 0 jiffies and HZ-1 jiffies a variety of tasks took to run.  The
287      columns are as follows:
288
289         COLUMN          TIME MEASUREMENT
290         =======         =======================================================
291         OBJ INST        Length of time to instantiate an object
292         OP RUNS         Length of time a call to process an operation took
293         OBJ RUNS        Length of time a call to process an object event took
294         RETRV DLY       Time between an requesting a read and lookup completing
295         RETRIEVLS       Time between beginning and end of a retrieval
296
297      Each row shows the number of events that took a particular range of times.
298      Each step is 1 jiffy in size.  The JIFS column indicates the particular
299      jiffy range covered, and the SECS field the equivalent number of seconds.
300
301
302 =========
303 DEBUGGING
304 =========
305
306 If CONFIG_FSCACHE_DEBUG is enabled, the FS-Cache facility can have runtime
307 debugging enabled by adjusting the value in:
308
309         /sys/module/fscache/parameters/debug
310
311 This is a bitmask of debugging streams to enable:
312
313         BIT     VALUE   STREAM                          POINT
314         ======= ======= =============================== =======================
315         0       1       Cache management                Function entry trace
316         1       2                                       Function exit trace
317         2       4                                       General
318         3       8       Cookie management               Function entry trace
319         4       16                                      Function exit trace
320         5       32                                      General
321         6       64      Page handling                   Function entry trace
322         7       128                                     Function exit trace
323         8       256                                     General
324         9       512     Operation management            Function entry trace
325         10      1024                                    Function exit trace
326         11      2048                                    General
327
328 The appropriate set of values should be OR'd together and the result written to
329 the control file.  For example:
330
331         echo $((1|8|64)) >/sys/module/fscache/parameters/debug
332
333 will turn on all function entry debugging.