sys/vfs/hammer/hammer_btree.h

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2007 The DragonFly Project.  All rights reserved.
   3  *
   4  * This code is derived from software contributed to The DragonFly Project
   5  * by Matthew Dillon <dillon@backplane.com>
   6  *
   7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   8  * modification, are permitted provided that the following conditions
   9  * are met:
  10  *
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in
  15  *    the documentation and/or other materials provided with the
  16  *    distribution.
  17  * 3. Neither the name of The DragonFly Project nor the names of its
  18  *    contributors may be used to endorse or promote products derived
  19  *    from this software without specific, prior written permission.
  20  *
  21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
  22  * ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
  23  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS
  24  * FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE
  25  * COPYRIGHT HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
  26  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
  27  * BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
  28  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED
  29  * AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
  30  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT
  31  * OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  32  * SUCH DAMAGE.
  33  *
  34  * $DragonFly: src/sys/vfs/hammer/hammer_btree.h,v 1.12 2008/02/10 09:51:01 dillon Exp $
  35  */
  36
  37 /*
  38  * HAMMER B-Tree index
  39  *
  40  * HAMMER implements a modified B+Tree.   B+Trees store records only
  41  * at their leaves and HAMMER's modification is to adjust the internal
  42  * elements so there is a boundary element on each side instead of sub-tree
  43  * pointers.
  44  *
  45  * We just call our modified B+Tree a 'B-Tree' in HAMMER documentation to
  46  * reduce confusion.
  47  *
  48  * A B-Tree internal node looks like this:
  49  *
  50  *      B N N N N N N B   <-- boundary and internal elements
  51  *       S S S S S S S    <-- subtree pointers
  52  *
  53  * A B-Tree leaf node looks like this:
  54  *
  55  *      L L L L L L L L   <-- leaf elemenets
  56  *                            (there is also a previous and next-leaf pointer)
  57  *
  58  * The recursion radix of an internal node is reduced by 1 relative to
  59  * a normal B-Tree in order to accomodate the right-hand boundary.
  60  *
  61  * The big benefit to using a B-Tree with built-in bounds information is
  62  * that it makes it possible to cache pointers into the middle of the tree
  63  * and not have to start searches, insertions, OR deletions at the root node.
  64  * The boundary elements allow searches to progress in a definitive direction
  65  * from any point in the tree without revisting nodes.  It is also possible
  66  * to terminate searches early and make minor adjustments to the boundaries
  67  * (within the confines of the parent's boundaries) on the fly.  This greatly
  68  * improves the efficiency of many operations, most especially record appends.
  69  *
  70  * HAMMER B-Trees are per-cluster.  The global multi-cluster B-Tree is
  71  * constructed by allowing internal nodes to link to the roots of other
  72  * clusters.  Fields in the cluster header then reference back to its
  73  * parent and use the cluster generation number to detect stale linkages.
  74  *
  75  * The B-Tree balancing code can operate within a cluster or across the
  76  * filesystem's ENTIRE B-Tree super-structure.  A cluster's B-Tree root
  77  * can be a leaf node in the worse case.  A cluster is guarenteed to have
  78  * sufficient free space to hold a single completely full leaf in the
  79  * degenerate case.
  80  *
  81  * All of the structures below are on-disk structures.
  82  */
  83
  84 /*
  85  * Common base for all B-Tree element types (40 bytes)
  86  *
  87  * obj_type is set to the object type the record represents if an inode,
  88  * directory entry, or an inter-cluster reference.  A cluster range is
  89  * special in that the B-Tree nodes represent a range within the B-Tree
  90  * inclusive of rec_type field, so obj_type must be used to detect the
  91  * cluster range entries.
  92  *
  93  * btype is only used by the elements making up an internal or leaf B-Tree
  94  * node and applies to the node rather then to the key.  This means that
  95  * btype must be assigned/reassigned after any update to the base_elm making
  96  * up a B-Tree element.
  97  */
  98 struct hammer_base_elm {
  99         int64_t obj_id;         /* 00 object record is associated with */
 100         int64_t key;            /* 08 indexing key (offset or namekey) */
 101
 102         hammer_tid_t create_tid; /* 10 transaction id for record creation */
 103         hammer_tid_t delete_tid; /* 18 transaction id for record update/del */
 104
 105         u_int16_t rec_type;     /* 20 _RECTYPE_ */
 106         u_int8_t obj_type;      /* 22 _OBJTYPE_ (restricted) */
 107         u_int8_t btype;         /* 23 B-Tree element type */
 108         int32_t reserved07;     /* 24 (future) */
 109                                 /* 28 */
 110 };
 111
 112 typedef struct hammer_base_elm *hammer_base_elm_t;
 113
 114 /*
 115  * Internal element (40 + 24 = 64 bytes).
 116  *
 117  * An internal element contains the left-hand boundary, right-hand boundary,
 118  * and a recursion to another B-Tree node.
 119  */
 120 struct hammer_btree_internal_elm {
 121         struct hammer_base_elm base;
 122         hammer_off_t unused00;
 123         hammer_off_t subtree_offset;
 124         int32_t unused02;
 125         int32_t unused03;
 126 };
 127
 128 /*
 129  * Leaf B-Tree element (40 + 24 = 64 bytes).
 130  *
 131  * A leaf element.
 132  */
 133 struct hammer_btree_leaf_elm {
 134         struct hammer_base_elm base;
 135         hammer_off_t rec_offset;
 136         hammer_off_t data_offset;
 137         int32_t data_len;
 138         u_int32_t data_crc;
 139 };
 140
 141 /*
 142  * Rollup btree leaf element types - 64 byte structure
 143  */
 144 union hammer_btree_elm {
 145         struct hammer_base_elm base;
 146         struct hammer_btree_leaf_elm leaf;
 147         struct hammer_btree_internal_elm internal;
 148 };
 149
 150 typedef union hammer_btree_elm *hammer_btree_elm_t;
 151
 152 /*
 153  * B-Tree node (normal or meta) (16x64 = 1K structure)
 154  *
 155  * Each node contains 15 elements.  The last element for an internal node
 156  * is the right-boundary so internal nodes have one fewer logical elements
 157  * then leaf nodes.
 158  *
 159  * 'count' always refers to the number of elements and is non-inclusive of
 160  * the right-hand boundary for an internal node.
 161  *
 162  * NOTE: The node head for an internal does not contain the subtype
 163  * (The B-Tree node type for the nodes referenced by its elements).
 164  * Instead, each element specifies the subtype (elm->base.subtype).
 165  * This allows us to maintain an unbalanced B-Tree and to easily identify
 166  * special inter-cluster link elements.
 167  *
 168  * NOTE: FUTURE EXPANSION: The reserved fields in hammer_node_ondisk are
 169  * reserved for left/right leaf linkage fields, flags, and other future
 170  * features.
 171  */
 172 #define HAMMER_BTREE_LEAF_ELMS  15
 173 #define HAMMER_BTREE_INT_ELMS   (HAMMER_BTREE_LEAF_ELMS - 1)
 174
 175 /*
 176  * It is safe to combine two adjacent nodes if the total number of elements
 177  * is less then or equal to the *_FILL constant.
 178  */
 179 #define HAMMER_BTREE_LEAF_FILL  (HAMMER_BTREE_LEAF_ELMS - 3)
 180 #define HAMMER_BTREE_INT_FILL   (HAMMER_BTREE_INT_ELMS - 3)
 181
 182 #define HAMMER_BTREE_TYPE_INTERNAL      ((u_int8_t)'I')
 183 #define HAMMER_BTREE_TYPE_LEAF          ((u_int8_t)'L')
 184 #define HAMMER_BTREE_TYPE_RECORD        ((u_int8_t)'R')
 185
 186 struct hammer_node_ondisk {
 187         /*
 188          * B-Tree node header (64 bytes)
 189          */
 190         u_int32_t       signature;
 191         u_int32_t       crc;
 192         hammer_off_t    parent;         /* 0 if at root of cluster */
 193         int32_t         count;
 194         u_int8_t        type;
 195         u_int8_t        reserved01;
 196         u_int16_t       reserved02;
 197         hammer_off_t    reserved03;     /* future link_left */
 198         hammer_off_t    reserved04;     /* future link_right */
 199         hammer_off_t    reserved05;
 200         hammer_off_t    reserved06;
 201         hammer_off_t    reserved07;
 202
 203         /*
 204          * Element array.  Internal nodes have one less logical element
 205          * (meaning: the same number of physical elements) in order to
 206          * accomodate the right-hand boundary.  The left-hand boundary
 207          * is integrated into the first element.  Leaf nodes have no
 208          * boundary elements.
 209          */
 210         union hammer_btree_elm elms[HAMMER_BTREE_LEAF_ELMS];
 211 };
 212
 213 typedef struct hammer_node_ondisk *hammer_node_ondisk_t;
 214