31a7accdab875df8bd53234a75aebd2cf044f8f3
[dragonfly.git] / sys / vfs / hammer / hammer_disk.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_disk.h,v 1.55 2008/11/13 02:18:43 dillon Exp $
35  */
36
37 #ifndef VFS_HAMMER_DISK_H_
38 #define VFS_HAMMER_DISK_H_
39
40 #ifndef _SYS_UUID_H_
41 #include <sys/uuid.h>
42 #endif
43
44 /*
45  * The structures below represent the on-disk format for a HAMMER
46  * filesystem.  Note that all fields for on-disk structures are naturally
47  * aligned.  The host endian format is used - compatibility is possible
48  * if the implementation detects reversed endian and adjusts data accordingly.
49  *
50  * Most of HAMMER revolves around the concept of an object identifier.  An
51  * obj_id is a 64 bit quantity which uniquely identifies a filesystem object
52  * FOR THE ENTIRE LIFE OF THE FILESYSTEM.  This uniqueness allows backups
53  * and mirrors to retain varying amounts of filesystem history by removing
54  * any possibility of conflict through identifier reuse.
55  *
56  * A HAMMER filesystem may span multiple volumes.
57  *
58  * A HAMMER filesystem uses a 16K filesystem buffer size.  All filesystem
59  * I/O is done in multiples of 16K.
60  *
61  * 64K X-bufs are used for blocks >= a file's 1MB mark.
62  *
63  * Per-volume storage limit: 52 bits            4096 TB
64  * Per-Zone storage limit: 60 bits              1 MTB
65  * Per-filesystem storage limit: 60 bits        1 MTB
66  */
67 #define HAMMER_BUFSIZE          16384
68 #define HAMMER_XBUFSIZE         65536
69 #define HAMMER_HBUFSIZE         (HAMMER_BUFSIZE / 2)
70 #define HAMMER_XDEMARC          (1024 * 1024)
71 #define HAMMER_BUFMASK          (HAMMER_BUFSIZE - 1)
72 #define HAMMER_XBUFMASK         (HAMMER_XBUFSIZE - 1)
73
74 #define HAMMER_BUFSIZE64        ((uint64_t)HAMMER_BUFSIZE)
75 #define HAMMER_BUFMASK64        ((uint64_t)HAMMER_BUFMASK)
76
77 #define HAMMER_XBUFSIZE64       ((uint64_t)HAMMER_XBUFSIZE)
78 #define HAMMER_XBUFMASK64       ((uint64_t)HAMMER_XBUFMASK)
79
80 #define HAMMER_OFF_ZONE_MASK    0xF000000000000000ULL /* zone portion */
81 #define HAMMER_OFF_VOL_MASK     0x0FF0000000000000ULL /* volume portion */
82 #define HAMMER_OFF_SHORT_MASK   0x000FFFFFFFFFFFFFULL /* offset portion */
83 #define HAMMER_OFF_LONG_MASK    0x0FFFFFFFFFFFFFFFULL /* offset portion */
84
85 #define HAMMER_OFF_BAD          ((hammer_off_t)-1)
86
87 /*
88  * The current limit of volumes that can make up a HAMMER FS
89  */
90 #define HAMMER_MAX_VOLUMES      256
91
92 /*
93  * Hammer transaction ids are 64 bit unsigned integers and are usually
94  * synchronized with the time of day in nanoseconds.
95  *
96  * Hammer offsets are used for FIFO indexing and embed a cycle counter
97  * and volume number in addition to the offset.  Most offsets are required
98  * to be 16 KB aligned.
99  */
100 typedef uint64_t hammer_tid_t;
101 typedef uint64_t hammer_off_t;
102 typedef uint32_t hammer_crc_t;
103
104 #define HAMMER_MIN_TID          0ULL                    /* unsigned */
105 #define HAMMER_MAX_TID          0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL   /* unsigned */
106 #define HAMMER_MIN_KEY          -0x8000000000000000LL   /* signed */
107 #define HAMMER_MAX_KEY          0x7FFFFFFFFFFFFFFFLL    /* signed */
108 #define HAMMER_MIN_OBJID        HAMMER_MIN_KEY          /* signed */
109 #define HAMMER_MAX_OBJID        HAMMER_MAX_KEY          /* signed */
110 #define HAMMER_MIN_RECTYPE      0x0U                    /* unsigned */
111 #define HAMMER_MAX_RECTYPE      0xFFFFU                 /* unsigned */
112 #define HAMMER_MIN_OFFSET       0ULL                    /* unsigned */
113 #define HAMMER_MAX_OFFSET       0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL   /* unsigned */
114
115 /*
116  * hammer_off_t has several different encodings.  Note that not all zones
117  * encode a vol_no.  Zone bits are not a part of filesystem capacity.
118  *
119  * zone 0:              available, a big-block that contains the offset is unused
120  * zone 1 (z,v,o):      raw volume relative (offset 0 is the volume header)
121  * zone 2 (z,v,o):      raw buffer relative (offset 0 is the first buffer)
122  * zone 3 (z,o):        undo fifo       - actually zone-2 address, fixed phys array in vol hdr
123  * zone 4 (z,v,o):      freemap         - only real blockmap
124  * zone 8 (z,v,o):      B-Tree          - actually zone-2 address
125  * zone 9 (z,v,o):      meta            - actually zone-2 address
126  * zone 10 (z,v,o):     large-data      - actually zone-2 address
127  * zone 11 (z,v,o):     small-data      - actually zone-2 address
128  * zone 15:             unavailable, usually the offset is beyond volume size
129  *
130  * layer1/layer2 direct map:
131  *      zzzzvvvvvvvvoooo oooooooooooooooo oooooooooooooooo oooooooooooooooo
132  *      ----111111111111 1111112222222222 222222222ooooooo oooooooooooooooo
133  *          <-----------------><------------------><---------------------->
134  *           18bits             19bits              23bits
135  *          <------------------------------------------------------------->
136  *           Maximum HAMMER filesystem capacity
137  *           2^18(layer1) * 2^19(layer2) * 2^23(big-block) = 2^60 = 1EB
138  */
139
140 #define HAMMER_ZONE_RAW_VOLUME          0x1000000000000000ULL
141 #define HAMMER_ZONE_RAW_BUFFER          0x2000000000000000ULL
142 #define HAMMER_ZONE_UNDO                0x3000000000000000ULL
143 #define HAMMER_ZONE_FREEMAP             0x4000000000000000ULL
144 #define HAMMER_ZONE_RESERVED05          0x5000000000000000ULL  /* not used */
145 #define HAMMER_ZONE_RESERVED06          0x6000000000000000ULL  /* not used */
146 #define HAMMER_ZONE_RESERVED07          0x7000000000000000ULL  /* not used */
147 #define HAMMER_ZONE_BTREE               0x8000000000000000ULL
148 #define HAMMER_ZONE_META                0x9000000000000000ULL
149 #define HAMMER_ZONE_LARGE_DATA          0xA000000000000000ULL
150 #define HAMMER_ZONE_SMALL_DATA          0xB000000000000000ULL
151 #define HAMMER_ZONE_RESERVED0C          0xC000000000000000ULL  /* not used */
152 #define HAMMER_ZONE_RESERVED0D          0xD000000000000000ULL  /* not used */
153 #define HAMMER_ZONE_RESERVED0E          0xE000000000000000ULL  /* not used */
154 #define HAMMER_ZONE_UNAVAIL             0xF000000000000000ULL
155
156 #define HAMMER_ZONE_RAW_VOLUME_INDEX    1
157 #define HAMMER_ZONE_RAW_BUFFER_INDEX    2
158 #define HAMMER_ZONE_UNDO_INDEX          3
159 #define HAMMER_ZONE_FREEMAP_INDEX       4
160 #define HAMMER_ZONE_BTREE_INDEX         8
161 #define HAMMER_ZONE_META_INDEX          9
162 #define HAMMER_ZONE_LARGE_DATA_INDEX    10
163 #define HAMMER_ZONE_SMALL_DATA_INDEX    11
164 #define HAMMER_ZONE_UNAVAIL_INDEX       15
165
166 #define HAMMER_MAX_ZONES                16
167
168 /*
169  * Backend zones that are mapped to zone-2 (except for zone-3)
170  * starts from this index which is 8.
171  */
172 #define HAMMER_ZONE2_MAPPED_INDEX       HAMMER_ZONE_BTREE_INDEX
173
174 #define HAMMER_ZONE_ENCODE(zone, ham_off)               \
175         (((hammer_off_t)(zone) << 60) | (ham_off))
176 #define HAMMER_ZONE_DECODE(ham_off)                     \
177         (int32_t)(((hammer_off_t)(ham_off) >> 60))
178
179 #define HAMMER_VOL_ENCODE(vol_no)                       \
180         ((hammer_off_t)((vol_no) & 255) << 52)
181 #define HAMMER_VOL_DECODE(ham_off)                      \
182         (int32_t)(((hammer_off_t)(ham_off) >> 52) & 255)
183
184 #define HAMMER_OFF_SHORT_ENCODE(offset)                 \
185         ((hammer_off_t)(offset) & HAMMER_OFF_SHORT_MASK)
186 #define HAMMER_OFF_LONG_ENCODE(offset)                  \
187         ((hammer_off_t)(offset) & HAMMER_OFF_LONG_MASK)
188
189 #define HAMMER_ENCODE(zone, vol_no, offset)             \
190         (((hammer_off_t)(zone) << 60) |                 \
191         HAMMER_VOL_ENCODE(vol_no) |                     \
192         HAMMER_OFF_SHORT_ENCODE(offset))
193 #define HAMMER_ENCODE_RAW_VOLUME(vol_no, offset)        \
194         HAMMER_ENCODE(HAMMER_ZONE_RAW_VOLUME_INDEX, vol_no, offset)
195 #define HAMMER_ENCODE_RAW_BUFFER(vol_no, offset)        \
196         HAMMER_ENCODE(HAMMER_ZONE_RAW_BUFFER_INDEX, vol_no, offset)
197 #define HAMMER_ENCODE_FREEMAP(vol_no, offset)           \
198         HAMMER_ENCODE(HAMMER_ZONE_FREEMAP_INDEX, vol_no, offset)
199
200 /*
201  * Translate a zone address to zone-X address.
202  */
203 #define hammer_xlate_to_zoneX(zone, offset)             \
204         HAMMER_ZONE_ENCODE((zone), (offset) & ~HAMMER_OFF_ZONE_MASK)
205 #define hammer_xlate_to_zone2(offset)                   \
206         hammer_xlate_to_zoneX(HAMMER_ZONE_RAW_BUFFER_INDEX, (offset))
207
208 #define hammer_data_zone(data_len)                      \
209         (((data_len) >= HAMMER_BUFSIZE) ?               \
210          HAMMER_ZONE_LARGE_DATA :                       \
211          HAMMER_ZONE_SMALL_DATA)
212 #define hammer_data_zone_index(data_len)                \
213         (((data_len) >= HAMMER_BUFSIZE) ?               \
214          HAMMER_ZONE_LARGE_DATA_INDEX :                 \
215          HAMMER_ZONE_SMALL_DATA_INDEX)
216
217 /*
218  * Big-Block backing store
219  *
220  * A blockmap is a two-level map which translates a blockmap-backed zone
221  * offset into a raw zone 2 offset.  The layer 1 handles 18 bits and the
222  * layer 2 handles 19 bits.  The 8M big-block size is 23 bits so two
223  * layers gives us 18+19+23 = 60 bits of address space.
224  *
225  * When using hinting for a blockmap lookup, the hint is lost when the
226  * scan leaves the HINTBLOCK, which is typically several BIGBLOCK's.
227  * HINTBLOCK is a heuristic.
228  */
229 #define HAMMER_HINTBLOCK_SIZE           (HAMMER_BIGBLOCK_SIZE * 4)
230 #define HAMMER_HINTBLOCK_MASK64         ((uint64_t)HAMMER_HINTBLOCK_SIZE - 1)
231 #define HAMMER_BIGBLOCK_SIZE            (8192 * 1024)
232 #define HAMMER_BIGBLOCK_SIZE64          ((uint64_t)HAMMER_BIGBLOCK_SIZE)
233 #define HAMMER_BIGBLOCK_MASK            (HAMMER_BIGBLOCK_SIZE - 1)
234 #define HAMMER_BIGBLOCK_MASK64          ((uint64_t)HAMMER_BIGBLOCK_SIZE - 1)
235 #define HAMMER_BIGBLOCK_BITS            23
236 #if 0
237 #define HAMMER_BIGBLOCK_OVERFILL        (6144 * 1024)
238 #endif
239 #if (1 << HAMMER_BIGBLOCK_BITS) != HAMMER_BIGBLOCK_SIZE
240 #error "HAMMER_BIGBLOCK_BITS BROKEN"
241 #endif
242
243 #define HAMMER_BUFFERS_PER_BIGBLOCK                     \
244         (HAMMER_BIGBLOCK_SIZE / HAMMER_BUFSIZE)
245 #define HAMMER_BUFFERS_PER_BIGBLOCK_MASK                \
246         (HAMMER_BUFFERS_PER_BIGBLOCK - 1)
247 #define HAMMER_BUFFERS_PER_BIGBLOCK_MASK64              \
248         ((hammer_off_t)HAMMER_BUFFERS_PER_BIGBLOCK_MASK)
249
250 /*
251  * Maximum number of mirrors operating in master mode (multi-master
252  * clustering and mirroring). Note that HAMMER1 does not support
253  * multi-master clustering as of 2015.
254  */
255 #define HAMMER_MAX_MASTERS              16
256
257 /*
258  * The blockmap is somewhat of a degenerate structure.  HAMMER only actually
259  * uses it in its original incarnation to implement the freemap.
260  *
261  * zone:1       raw volume (no blockmap)
262  * zone:2       raw buffer (no blockmap)
263  * zone:3       undomap    (direct layer2 array in volume header)
264  * zone:4       freemap    (the only real blockmap)
265  * zone:8-15    zone id used to classify big-block only, address is actually
266  *              a zone-2 address.
267  */
268 struct hammer_blockmap {
269         hammer_off_t    phys_offset;    /* zone-2 physical offset */
270         hammer_off_t    first_offset;   /* zone-X logical offset (zone 3) */
271         hammer_off_t    next_offset;    /* zone-X logical offset */
272         hammer_off_t    alloc_offset;   /* zone-X logical offset */
273         uint32_t        reserved01;
274         hammer_crc_t    entry_crc;
275 };
276
277 typedef struct hammer_blockmap *hammer_blockmap_t;
278
279 #define HAMMER_BLOCKMAP_CRCSIZE \
280         offsetof(struct hammer_blockmap, entry_crc)
281
282 /*
283  * The blockmap is a 2-layer entity made up of big-blocks.  The first layer
284  * contains 262144 32-byte entries (18 bits), the second layer contains
285  * 524288 16-byte entries (19 bits), representing 8MB (23 bit) blockmaps.
286  * 18+19+23 = 60 bits.  The top four bits are the zone id.
287  *
288  * Currently only the freemap utilizes both layers in all their glory.
289  * All primary data/meta-data zones actually encode a zone-2 address
290  * requiring no real blockmap translation.
291  *
292  * The freemap uses the upper 8 bits of layer-1 to identify the volume,
293  * thus any space allocated via the freemap can be directly translated
294  * to a zone:2 (or zone:8-15) address.
295  *
296  * zone-X blockmap offset: [zone:4][layer1:18][layer2:19][big-block:23]
297  */
298
299 /*
300  * 32 bytes layer1 entry for 8MB big-block.
301  * A big-block can hold 2^23 / 2^5 = 2^18 layer1 entries,
302  * which equals bits assigned for layer1 in zone-2 address.
303  */
304 struct hammer_blockmap_layer1 {
305         hammer_off_t    blocks_free;    /* big-blocks free */
306         hammer_off_t    phys_offset;    /* UNAVAIL or zone-2 */
307         hammer_off_t    reserved01;
308         hammer_crc_t    layer2_crc;     /* xor'd crc's of HAMMER_BLOCKSIZE */
309                                         /* (not yet used) */
310         hammer_crc_t    layer1_crc;     /* MUST BE LAST FIELD OF STRUCTURE*/
311 };
312
313 typedef struct hammer_blockmap_layer1 *hammer_blockmap_layer1_t;
314
315 #define HAMMER_LAYER1_CRCSIZE   \
316         offsetof(struct hammer_blockmap_layer1, layer1_crc)
317
318 /*
319  * 16 bytes layer2 entry for 8MB big-blocks.
320  * A big-block can hold 2^23 / 2^4 = 2^19 layer2 entries,
321  * which equals bits assigned for layer2 in zone-2 address.
322  *
323  * NOTE: bytes_free is signed and can legally go negative if/when data
324  *       de-dup occurs.  This field will never go higher than
325  *       HAMMER_BIGBLOCK_SIZE.  If exactly HAMMER_BIGBLOCK_SIZE
326  *       the big-block is completely free.
327  */
328 struct hammer_blockmap_layer2 {
329         uint8_t         zone;           /* typed allocation zone */
330         uint8_t         unused01;
331         uint16_t        unused02;
332         uint32_t        append_off;     /* allocatable space index */
333         int32_t         bytes_free;     /* bytes free within this big-block */
334         hammer_crc_t    entry_crc;
335 };
336
337 typedef struct hammer_blockmap_layer2 *hammer_blockmap_layer2_t;
338
339 #define HAMMER_LAYER2_CRCSIZE   \
340         offsetof(struct hammer_blockmap_layer2, entry_crc)
341
342 #define HAMMER_BLOCKMAP_UNAVAIL ((hammer_off_t)-1LL)
343
344 #define HAMMER_BLOCKMAP_RADIX1  /* 2^18 = 262144 */     \
345         (HAMMER_BIGBLOCK_SIZE / sizeof(struct hammer_blockmap_layer1))
346 #define HAMMER_BLOCKMAP_RADIX2  /* 2^19 = 524288 */     \
347         (HAMMER_BIGBLOCK_SIZE / sizeof(struct hammer_blockmap_layer2))
348
349 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER1  /* 2^(18+19+23) = 1EB */        \
350         (HAMMER_BLOCKMAP_RADIX1 * HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2)
351 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2  /* 2^(19+23) = 4TB */           \
352         (HAMMER_BLOCKMAP_RADIX2 * HAMMER_BIGBLOCK_SIZE64)
353
354 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER1_MASK     (HAMMER_BLOCKMAP_LAYER1 - 1)
355 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2_MASK     (HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2 - 1)
356
357 /*
358  * Index within layer1 or layer2 big-block for the entry representing
359  * a zone-2 physical offset.
360  */
361 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER1_INDEX(zone2_offset)              \
362         (((zone2_offset) & HAMMER_BLOCKMAP_LAYER1_MASK) /       \
363          HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2)
364
365 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2_INDEX(zone2_offset)              \
366         (((zone2_offset) & HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2_MASK) /       \
367         HAMMER_BIGBLOCK_SIZE64)
368
369 /*
370  * Byte offset within layer1 or layer2 big-block for the entry representing
371  * a zone-2 physical offset.  Multiply the index by sizeof(blockmap_layer).
372  */
373 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER1_OFFSET(zone2_offset)             \
374         (HAMMER_BLOCKMAP_LAYER1_INDEX(zone2_offset) *           \
375          sizeof(struct hammer_blockmap_layer1))
376
377 #define HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2_OFFSET(zone2_offset)             \
378         (HAMMER_BLOCKMAP_LAYER2_INDEX(zone2_offset) *           \
379          sizeof(struct hammer_blockmap_layer2))
380
381 /*
382  * HAMMER UNDO parameters.  The UNDO fifo is mapped directly in the volume
383  * header with an array of layer2 structures.  A maximum of (128x8MB) = 1GB
384  * may be reserved.  The size of the undo fifo is usually set a newfs time
385  * but can be adjusted if the filesystem is taken offline.
386  */
387 #define HAMMER_UNDO_LAYER2      128     /* max layer2 undo mapping entries */
388
389 /*
390  * All on-disk HAMMER structures which make up elements of the UNDO FIFO
391  * contain a hammer_fifo_head and hammer_fifo_tail structure.  This structure
392  * contains all the information required to validate the fifo element
393  * and to scan the fifo in either direction.  The head is typically embedded
394  * in higher level hammer on-disk structures while the tail is typically
395  * out-of-band.  hdr_size is the size of the whole mess, including the tail.
396  *
397  * All undo structures are guaranteed to not cross a 16K filesystem
398  * buffer boundary.  Most undo structures are fairly small.  Data spaces
399  * are not immediately reused by HAMMER so file data is not usually recorded
400  * as part of an UNDO.
401  *
402  * PAD elements are allowed to take up only 8 bytes of space as a special
403  * case, containing only hdr_signature, hdr_type, and hdr_size fields,
404  * and with the tail overloaded onto the head structure for 8 bytes total.
405  *
406  * Every undo record has a sequence number.  This number is unrelated to
407  * transaction ids and instead collects the undo transactions associated
408  * with a single atomic operation.  A larger transactional operation, such
409  * as a remove(), may consist of several smaller atomic operations
410  * representing raw meta-data operations.
411  *
412  *                              HAMMER VERSION 4 CHANGES
413  *
414  * In HAMMER version 4 the undo structure alignment is reduced from 16384
415  * to 512 bytes in order to ensure that each 512 byte sector begins with
416  * a header.  The reserved01 field in the header is now a 32 bit sequence
417  * number.  This allows the recovery code to detect missing sectors
418  * without relying on the 32-bit crc and to definitively identify the current
419  * undo sequence space without having to rely on information from the volume
420  * header.  In addition, new REDO entries in the undo space are used to
421  * record write, write/extend, and transaction id updates.
422  *
423  * The grand result is:
424  *
425  * (1) The volume header no longer needs to be synchronized for most
426  *     flush and fsync operations.
427  *
428  * (2) Most fsync operations need only lay down REDO records
429  *
430  * (3) Data overwrite for nohistory operations covered by REDO records
431  *     can be supported (instead of rolling a new block allocation),
432  *     by rolling UNDO for the prior contents of the data.
433  *
434  *                              HAMMER VERSION 5 CHANGES
435  *
436  * Hammer version 5 contains a minor adjustment making layer2's bytes_free
437  * field signed, allowing dedup to push it into the negative domain.
438  */
439 #define HAMMER_HEAD_ALIGN               8
440 #define HAMMER_HEAD_ALIGN_MASK          (HAMMER_HEAD_ALIGN - 1)
441 #define HAMMER_HEAD_DOALIGN(bytes)      \
442         (((bytes) + HAMMER_HEAD_ALIGN_MASK) & ~HAMMER_HEAD_ALIGN_MASK)
443
444 #define HAMMER_UNDO_ALIGN               512
445 #define HAMMER_UNDO_ALIGN64             ((uint64_t)512)
446 #define HAMMER_UNDO_MASK                (HAMMER_UNDO_ALIGN - 1)
447 #define HAMMER_UNDO_MASK64              (HAMMER_UNDO_ALIGN64 - 1)
448
449 struct hammer_fifo_head {
450         uint16_t hdr_signature;
451         uint16_t hdr_type;
452         uint32_t hdr_size;      /* Aligned size of the whole mess */
453         uint32_t hdr_seq;       /* Sequence number */
454         hammer_crc_t hdr_crc;   /* XOR crc up to field w/ crc after field */
455 };
456
457 #define HAMMER_FIFO_HEAD_CRCOFF offsetof(struct hammer_fifo_head, hdr_crc)
458
459 struct hammer_fifo_tail {
460         uint16_t tail_signature;
461         uint16_t tail_type;
462         uint32_t tail_size;     /* aligned size of the whole mess */
463 };
464
465 typedef struct hammer_fifo_head *hammer_fifo_head_t;
466 typedef struct hammer_fifo_tail *hammer_fifo_tail_t;
467
468 /*
469  * Fifo header types.
470  *
471  * NOTE: 0x8000U part of HAMMER_HEAD_TYPE_PAD can be removed if the HAMMER
472  * version ever gets bumped again. It exists only to keep compatibility with
473  * older versions.
474  */
475 #define HAMMER_HEAD_TYPE_PAD    (0x0040U | 0x8000U)
476 #define HAMMER_HEAD_TYPE_DUMMY  0x0041U         /* dummy entry w/seqno */
477 #define HAMMER_HEAD_TYPE_UNDO   0x0043U         /* random UNDO information */
478 #define HAMMER_HEAD_TYPE_REDO   0x0044U         /* data REDO / fast fsync */
479
480 #define HAMMER_HEAD_SIGNATURE   0xC84EU
481 #define HAMMER_TAIL_SIGNATURE   0xC74FU
482
483 /*
484  * Misc FIFO structures.
485  *
486  * UNDO - Raw meta-data media updates.
487  */
488 struct hammer_fifo_undo {
489         struct hammer_fifo_head head;
490         hammer_off_t            undo_offset;    /* zone-1,2 offset */
491         int32_t                 undo_data_bytes;
492         int32_t                 undo_reserved01;
493         /* followed by data */
494 };
495
496 /*
497  * REDO (HAMMER version 4+) - Logical file writes/truncates.
498  *
499  * REDOs contain information which will be duplicated in a later meta-data
500  * update, allowing fast write()+fsync() operations.  REDOs can be ignored
501  * without harming filesystem integrity but must be processed if fsync()
502  * semantics are desired.
503  *
504  * Unlike UNDOs which are processed backwards within the recovery span,
505  * REDOs must be processed forwards starting further back (starting outside
506  * the recovery span).
507  *
508  *      WRITE   - Write logical file (with payload).  Executed both
509  *                out-of-span and in-span.  Out-of-span WRITEs may be
510  *                filtered out by TERMs.
511  *
512  *      TRUNC   - Truncate logical file (no payload).  Executed both
513  *                out-of-span and in-span.  Out-of-span WRITEs may be
514  *                filtered out by TERMs.
515  *
516  *      TERM_*  - Indicates meta-data was committed (if out-of-span) or
517  *                will be rolled-back (in-span).  Any out-of-span TERMs
518  *                matching earlier WRITEs remove those WRITEs from
519  *                consideration as they might conflict with a later data
520  *                commit (which is not being rolled-back).
521  *
522  *      SYNC    - The earliest in-span SYNC (the last one when scanning
523  *                backwards) tells the recovery code how far out-of-span
524  *                it must go to run REDOs.
525  *
526  * NOTE: WRITEs do not always have matching TERMs even under
527  *       perfect conditions because truncations might remove the
528  *       buffers from consideration.  I/O problems can also remove
529  *       buffers from consideration.
530  *
531  *       TRUNCSs do not always have matching TERMs because several
532  *       truncations may be aggregated together into a single TERM.
533  */
534 struct hammer_fifo_redo {
535         struct hammer_fifo_head head;
536         int64_t                 redo_objid;     /* file being written */
537         hammer_off_t            redo_offset;    /* logical offset in file */
538         int32_t                 redo_data_bytes;
539         uint32_t                redo_flags;
540         uint32_t                redo_localization;
541         uint32_t                redo_reserved;
542         uint64_t                redo_mtime;     /* set mtime */
543 };
544
545 #define HAMMER_REDO_WRITE       0x00000001
546 #define HAMMER_REDO_TRUNC       0x00000002
547 #define HAMMER_REDO_TERM_WRITE  0x00000004
548 #define HAMMER_REDO_TERM_TRUNC  0x00000008
549 #define HAMMER_REDO_SYNC        0x00000010
550
551 union hammer_fifo_any {
552         struct hammer_fifo_head head;
553         struct hammer_fifo_undo undo;
554         struct hammer_fifo_redo redo;
555 };
556
557 typedef struct hammer_fifo_redo *hammer_fifo_redo_t;
558 typedef struct hammer_fifo_undo *hammer_fifo_undo_t;
559 typedef union hammer_fifo_any *hammer_fifo_any_t;
560
561 /*
562  * Volume header types
563  */
564 #define HAMMER_FSBUF_VOLUME     0xC8414D4DC5523031ULL   /* HAMMER01 */
565 #define HAMMER_FSBUF_VOLUME_REV 0x313052C54D4D41C8ULL   /* (reverse endian) */
566
567 /*
568  * HAMMER Volume header
569  *
570  * A HAMMER filesystem can be built from 1-256 block devices, each block
571  * device contains a volume header followed by however many buffers fit
572  * into the volume.
573  *
574  * One of the volumes making up a HAMMER filesystem is the root volume.
575  * The root volume is always volume #0 which is the first block device path
576  * specified by newfs_hammer(8).  All HAMMER volumes have a volume header,
577  * however the root volume may be the only volume that has valid values for
578  * some fields in the header.
579  *
580  * Special field notes:
581  *
582  *      vol_bot_beg - offset of boot area (mem_beg - bot_beg bytes)
583  *      vol_mem_beg - offset of memory log (clu_beg - mem_beg bytes)
584  *      vol_buf_beg - offset of the first buffer.
585  *
586  *      The memory log area allows a kernel to cache new records and data
587  *      in memory without allocating space in the actual filesystem to hold
588  *      the records and data.  In the event that a filesystem becomes full,
589  *      any records remaining in memory can be flushed to the memory log
590  *      area.  This allows the kernel to immediately return success.
591  */
592
593 /*
594  * These macros are only used by userspace when userspace commands either
595  * initialize or add a new HAMMER volume.
596  */
597 #define HAMMER_BOOT_MINBYTES            (32*1024)
598 #define HAMMER_BOOT_NOMBYTES            (64LL*1024*1024)
599 #define HAMMER_BOOT_MAXBYTES            (256LL*1024*1024)
600
601 #define HAMMER_MEM_MINBYTES             (256*1024)
602 #define HAMMER_MEM_NOMBYTES             (1LL*1024*1024*1024)
603 #define HAMMER_MEM_MAXBYTES             (64LL*1024*1024*1024)
604
605 struct hammer_volume_ondisk {
606         uint64_t vol_signature; /* Signature */
607
608         int64_t vol_bot_beg;    /* byte offset of boot area or 0 */
609         int64_t vol_mem_beg;    /* byte offset of memory log or 0 */
610         int64_t vol_buf_beg;    /* byte offset of first buffer in volume */
611         int64_t vol_buf_end;    /* byte offset of volume EOF (on buf bndry) */
612         int64_t vol_locked;     /* not used */
613
614         uuid_t    vol_fsid;     /* identify filesystem */
615         uuid_t    vol_fstype;   /* identify filesystem type */
616         char      vol_name[64]; /* filesystem label */
617
618         int32_t vol_no;         /* volume number within filesystem */
619         int32_t vol_count;      /* number of volumes making up FS */
620
621         uint32_t vol_version;   /* version control information */
622         hammer_crc_t vol_crc;   /* header crc */
623         uint32_t vol_flags;     /* volume flags */
624         uint32_t vol_rootvol;   /* which volume is the root volume? */
625
626         int32_t vol_reserved04;
627         int32_t vol_reserved05;
628         uint32_t vol_reserved06;
629         uint32_t vol_reserved07;
630
631         int32_t vol_blocksize;          /* for statfs only */
632         int32_t vol_reserved08;
633         int64_t vol_nblocks;            /* total allocatable hammer bufs */
634
635         /*
636          * These fields are initialized and space is reserved in every
637          * volume making up a HAMMER filesytem, but only the root volume
638          * contains valid data.  Note that vol0_stat_bigblocks does not
639          * include big-blocks for freemap and undomap initially allocated
640          * by newfs_hammer(8).
641          */
642         int64_t vol0_stat_bigblocks;    /* total big-blocks when fs is empty */
643         int64_t vol0_stat_freebigblocks;/* number of free big-blocks */
644         int64_t vol0_stat_bytes;        /* for statfs only */
645         int64_t vol0_stat_inodes;       /* for statfs only */
646         int64_t vol0_stat_records;      /* total records in filesystem */
647         hammer_off_t vol0_btree_root;   /* B-Tree root */
648         hammer_tid_t vol0_next_tid;     /* highest partially synchronized TID */
649         hammer_off_t vol0_unused03;
650
651         /*
652          * Blockmaps for zones.  Not all zones use a blockmap.  Note that
653          * the entire root blockmap is cached in the hammer_mount structure.
654          */
655         struct hammer_blockmap  vol0_blockmap[HAMMER_MAX_ZONES];
656
657         /*
658          * Array of zone-2 addresses for undo FIFO.
659          */
660         hammer_off_t            vol0_undo_array[HAMMER_UNDO_LAYER2];
661 };
662
663 typedef struct hammer_volume_ondisk *hammer_volume_ondisk_t;
664
665 #define HAMMER_VOLF_NEEDFLUSH           0x0004  /* volume needs flush */
666
667 #define HAMMER_VOL_CRCSIZE1     \
668         offsetof(struct hammer_volume_ondisk, vol_crc)
669 #define HAMMER_VOL_CRCSIZE2     \
670         (sizeof(struct hammer_volume_ondisk) - HAMMER_VOL_CRCSIZE1 -    \
671          sizeof(hammer_crc_t))
672
673 #define HAMMER_VOL_VERSION_MIN          1       /* minimum supported version */
674 #define HAMMER_VOL_VERSION_DEFAULT      6       /* newfs default version */
675 #define HAMMER_VOL_VERSION_WIP          7       /* version >= this is WIP */
676 #define HAMMER_VOL_VERSION_MAX          6       /* maximum supported version */
677
678 #define HAMMER_VOL_VERSION_ONE          1
679 #define HAMMER_VOL_VERSION_TWO          2       /* new dirent layout (2.3+) */
680 #define HAMMER_VOL_VERSION_THREE        3       /* new snapshot layout (2.5+) */
681 #define HAMMER_VOL_VERSION_FOUR         4       /* new undo/flush (2.5+) */
682 #define HAMMER_VOL_VERSION_FIVE         5       /* dedup (2.9+) */
683 #define HAMMER_VOL_VERSION_SIX          6       /* DIRHASH_ALG1 */
684
685 /*
686  * Record types are fairly straightforward.  The B-Tree includes the record
687  * type in its index sort.
688  */
689 #define HAMMER_RECTYPE_UNKNOWN          0x0000
690 #define HAMMER_RECTYPE_LOWEST           0x0001  /* lowest record type avail */
691 #define HAMMER_RECTYPE_INODE            0x0001  /* inode in obj_id space */
692 #define HAMMER_RECTYPE_DATA             0x0010
693 #define HAMMER_RECTYPE_DIRENTRY         0x0011
694 #define HAMMER_RECTYPE_DB               0x0012
695 #define HAMMER_RECTYPE_EXT              0x0013  /* ext attributes */
696 #define HAMMER_RECTYPE_FIX              0x0014  /* fixed attribute */
697 #define HAMMER_RECTYPE_PFS              0x0015  /* PFS management */
698 #define HAMMER_RECTYPE_SNAPSHOT         0x0016  /* Snapshot management */
699 #define HAMMER_RECTYPE_CONFIG           0x0017  /* hammer cleanup config */
700 #define HAMMER_RECTYPE_MAX              0xFFFF
701
702 #define HAMMER_RECTYPE_ENTRY_START      (HAMMER_RECTYPE_INODE + 1)
703 #define HAMMER_RECTYPE_CLEAN_START      HAMMER_RECTYPE_EXT
704
705 #define HAMMER_FIXKEY_SYMLINK           1
706
707 #define HAMMER_OBJTYPE_UNKNOWN          0       /* never exists on-disk as unknown */
708 #define HAMMER_OBJTYPE_DIRECTORY        1
709 #define HAMMER_OBJTYPE_REGFILE          2
710 #define HAMMER_OBJTYPE_DBFILE           3
711 #define HAMMER_OBJTYPE_FIFO             4
712 #define HAMMER_OBJTYPE_CDEV             5
713 #define HAMMER_OBJTYPE_BDEV             6
714 #define HAMMER_OBJTYPE_SOFTLINK         7
715 #define HAMMER_OBJTYPE_PSEUDOFS         8       /* pseudo filesystem obj */
716 #define HAMMER_OBJTYPE_SOCKET           9
717
718 /*
719  * HAMMER inode attribute data
720  *
721  * The data reference for a HAMMER inode points to this structure.  Any
722  * modifications to the contents of this structure will result in a
723  * replacement operation.
724  *
725  * parent_obj_id is only valid for directories (which cannot be hard-linked),
726  * and specifies the parent directory obj_id.  This field will also be set
727  * for non-directory inodes as a recovery aid, but can wind up holding
728  * stale information.  However, since object id's are not reused, the worse
729  * that happens is that the recovery code is unable to use it.
730  *
731  * NOTE: Future note on directory hardlinks.  We can implement a record type
732  * which allows us to point to multiple parent directories.
733  */
734 struct hammer_inode_data {
735         uint16_t version;       /* inode data version */
736         uint16_t mode;          /* basic unix permissions */
737         uint32_t uflags;        /* chflags */
738         uint32_t rmajor;        /* used by device nodes */
739         uint32_t rminor;        /* used by device nodes */
740         uint64_t ctime;
741         int64_t parent_obj_id;  /* parent directory obj_id */
742         uuid_t    uid;
743         uuid_t    gid;
744
745         uint8_t obj_type;
746         uint8_t cap_flags;      /* capability support flags (extension) */
747         uint16_t reserved01;
748         uint32_t reserved02;    /* RESERVED FOR POSSIBLE FUTURE BIRTHTIME */
749         uint64_t nlinks;        /* hard links */
750         uint64_t size;          /* filesystem object size */
751         union {
752                 struct {
753                         uint32_t reserved03[4];
754                         uint32_t parent_obj_localization;
755                         uint32_t reserved04;
756                 } obj;
757                 char    symlink[24];    /* HAMMER_INODE_BASESYMLEN */
758         } ext;
759         uint64_t mtime; /* mtime must be second-to-last */
760         uint64_t atime; /* atime must be last */
761 };
762
763 /*
764  * Neither mtime nor atime upates are CRCd by the B-Tree element.
765  * mtime updates have UNDO, atime updates do not.
766  */
767 #define HAMMER_INODE_CRCSIZE    \
768         offsetof(struct hammer_inode_data, mtime)
769
770 #define HAMMER_INODE_DATA_VERSION       1
771 #define HAMMER_OBJID_ROOT               1       /* root inodes # */
772 #define HAMMER_INODE_BASESYMLEN         24      /* see ext.symlink */
773
774 /*
775  * Capability & implementation flags.
776  *
777  * HAMMER_INODE_CAP_DIR_LOCAL_INO - Use inode B-Tree localization
778  * for directory entries.  Also see HAMMER_DIR_INODE_LOCALIZATION().
779  */
780 #define HAMMER_INODE_CAP_DIRHASH_MASK   0x03    /* directory: hash algorithm */
781 #define HAMMER_INODE_CAP_DIRHASH_ALG0   0x00
782 #define HAMMER_INODE_CAP_DIRHASH_ALG1   0x01
783 #define HAMMER_INODE_CAP_DIRHASH_ALG2   0x02
784 #define HAMMER_INODE_CAP_DIRHASH_ALG3   0x03
785 #define HAMMER_INODE_CAP_DIR_LOCAL_INO  0x04    /* use inode localization */
786
787 /*
788  * A HAMMER directory entry associates a HAMMER filesystem object with a
789  * namespace.  It is possible to hook into a pseudo-filesystem (with its
790  * own inode numbering space) in the filesystem by setting the high
791  * 16 bits of the localization field.  The low 16 bits must be 0 and
792  * are reserved for future use.
793  *
794  * Directory entries are indexed with a 128 bit namekey rather then an
795  * offset.  A portion of the namekey is an iterator/randomizer to deal
796  * with collisions.
797  *
798  * NOTE: leaf.base.obj_type from the related B-Tree leaf entry holds
799  * the filesystem object type of obj_id, e.g. a den_type equivalent.
800  * It is not stored in hammer_entry_data.
801  *
802  * NOTE: name field / the filename data reference is NOT terminated with \0.
803  */
804 struct hammer_entry_data {
805         int64_t obj_id;                 /* object being referenced */
806         uint32_t localization;          /* identify pseudo-filesystem */
807         uint32_t reserved02;
808         char    name[16];               /* name (extended) */
809 };
810
811 #define HAMMER_ENTRY_NAME_OFF   offsetof(struct hammer_entry_data, name[0])
812 #define HAMMER_ENTRY_SIZE(nlen) offsetof(struct hammer_entry_data, name[nlen])
813
814 /*
815  * Symlink data which does not fit in the inode is stored in a separate
816  * FIX type record.
817  */
818 struct hammer_symlink_data {
819         char    name[16];               /* name (extended) */
820 };
821
822 #define HAMMER_SYMLINK_NAME_OFF offsetof(struct hammer_symlink_data, name[0])
823
824 /*
825  * The root inode for the primary filesystem and root inode for any
826  * pseudo-fs may be tagged with an optional data structure using
827  * HAMMER_RECTYPE_PFS and localization id.  This structure allows
828  * the node to be used as a mirroring master or slave.
829  *
830  * When operating as a slave CD's into the node automatically become read-only
831  * and as-of sync_end_tid.
832  *
833  * When operating as a master the read PFSD info sets sync_end_tid to
834  * the most recently flushed TID.
835  *
836  * sync_low_tid is not yet used but will represent the highest pruning
837  * end-point, after which full history is available.
838  *
839  * We need to pack this structure making it equally sized on both 32-bit and
840  * 64-bit machines as it is part of struct hammer_ioc_mrecord_pfs which is
841  * send over the wire in hammer mirror operations. Only on 64-bit machines
842  * the size of this struct differ when packed or not. This leads us to the
843  * situation where old 64-bit systems (using the non-packed structure),
844  * which were never able to mirror to/from 32-bit systems, are now no longer
845  * able to mirror to/from newer 64-bit systems (using the packed structure).
846  */
847 struct hammer_pseudofs_data {
848         hammer_tid_t    sync_low_tid;   /* full history beyond this point */
849         hammer_tid_t    sync_beg_tid;   /* earliest tid w/ full history avail */
850         hammer_tid_t    sync_end_tid;   /* current synchronizatoin point */
851         uint64_t        sync_beg_ts;    /* real-time of last completed sync */
852         uint64_t        sync_end_ts;    /* initiation of current sync cycle */
853         uuid_t          shared_uuid;    /* shared uuid (match required) */
854         uuid_t          unique_uuid;    /* unique uuid of this master/slave */
855         int32_t         reserved01;     /* reserved for future master_id */
856         int32_t         mirror_flags;   /* misc flags */
857         char            label[64];      /* filesystem space label */
858         char            snapshots[64];  /* softlink dir for pruning */
859         int32_t         reserved02;     /* was prune_{time,freq} */
860         int32_t         reserved03;     /* was reblock_{time,freq} */
861         int32_t         reserved04;     /* was snapshot_freq */
862         int32_t         prune_min;      /* do not prune recent history */
863         int32_t         prune_max;      /* do not retain history beyond here */
864         int32_t         reserved[16];
865 } __packed;
866
867 typedef struct hammer_pseudofs_data *hammer_pseudofs_data_t;
868
869 #define HAMMER_PFSD_SLAVE       0x00000001
870 #define HAMMER_PFSD_DELETED     0x80000000
871
872 /*
873  * Snapshot meta-data { Objid = HAMMER_OBJID_ROOT, Key = tid, rectype = SNAPSHOT }.
874  *
875  * Snapshot records replace the old <fs>/snapshots/<softlink> methodology.  Snapshot
876  * records are mirrored but may be independantly managed once they are laid down on
877  * a slave.
878  *
879  * NOTE: The b-tree key is signed, the tid is not, so callers must still sort the
880  *       results.
881  *
882  * NOTE: Reserved fields must be zero (as usual)
883  */
884 struct hammer_snapshot_data {
885         hammer_tid_t    tid;            /* the snapshot TID itself (== key) */
886         uint64_t        ts;             /* real-time when snapshot was made */
887         uint64_t        reserved01;
888         uint64_t        reserved02;
889         char            label[64];      /* user-supplied description */
890         uint64_t        reserved03[4];
891 };
892
893 /*
894  * Config meta-data { ObjId = HAMMER_OBJID_ROOT, Key = 0, rectype = CONFIG }.
895  *
896  * Used to store the hammer cleanup config.  This data is not mirrored.
897  */
898 struct hammer_config_data {
899         char            text[1024];
900 };
901
902 /*
903  * Rollup various structures embedded as record data
904  */
905 union hammer_data_ondisk {
906         struct hammer_entry_data entry;
907         struct hammer_inode_data inode;
908         struct hammer_symlink_data symlink;
909         struct hammer_pseudofs_data pfsd;
910         struct hammer_snapshot_data snap;
911         struct hammer_config_data config;
912 };
913
914 typedef union hammer_data_ondisk *hammer_data_ondisk_t;
915
916 /*
917  * Ondisk layout of B-Tree related structures
918  */
919 #include "hammer_btree.h"
920
921 #define HAMMER_DIR_INODE_LOCALIZATION(ino_data)                         \
922         (((ino_data)->cap_flags & HAMMER_INODE_CAP_DIR_LOCAL_INO) ?     \
923          HAMMER_LOCALIZE_INODE :                                        \
924          HAMMER_LOCALIZE_MISC)
925
926 #endif /* !VFS_HAMMER_DISK_H_ */