Initial import from FreeBSD RELENG_4:
[dragonfly.git] / sys / vfs / ufs / README
1 # $FreeBSD: src/sys/ufs/ffs/README,v 1.4 1999/12/03 00:34:26 billf Exp $
2
3 Introduction
4
5 This package constitutes the alpha distribution of the soft update
6 code updates for the fast filesystem.
7
8 For More information on what Soft Updates is, see:
9 http://www.ece.cmu.edu/~ganger/papers/CSE-TR-254-95/
10
11 Status
12
13 My `filesystem torture tests' (described below) run for days without
14 a hitch (no panic's, hangs, filesystem corruption, or memory leaks).
15 However, I have had several panic's reported to me by folks that
16 are field testing the code which I have not yet been able to
17 reproduce or fix. Although these panic's are rare and do not cause
18 filesystem corruption, the code should only be put into production
19 on systems where the system administrator is aware that it is being
20 run, and knows how to turn it off if problems arise. Thus, you may
21 hand out this code to others, but please ensure that this status
22 message is included with any distributions. Please also include
23 the file ffs_softdep.stub.c in any distributions so that folks that
24 cannot abide by the need to redistribute source will not be left
25 with a kernel that will not link. It will resolve all the calls
26 into the soft update code and simply ignores the request to enable
27 them. Thus you will be able to ensure that your other hooks have
28 not broken anything and that your kernel is softdep-ready for those
29 that wish to use them. Please report problems back to me with
30 kernel backtraces of panics if possible. This is massively complex
31 code, and people only have to have their filesystems hosed once or
32 twice to avoid future changes like the plague. I want to find and
33 fix as many bugs as soon as possible so as to get the code rock
34 solid before it gets widely released. Please report any bugs that
35 you uncover to mckusick@mckusick.com.
36
37 Performance
38
39 Running the Andrew Benchmarks yields the following raw data:
40
41         Phase   Normal  Softdep     What it does
42           1       3s      <1s       Creating directories
43           2       8s       4s       Copying files
44           3       6s       6s       Recursive directory stats
45           4       8s       9s       Scanning each file
46           5      25s      25s       Compilation
47
48         Normal:  19.9u 29.2s 0:52.8 135+630io
49         Softdep: 20.3u 28.5s 0:47.8 103+363io
50
51 Another interesting datapoint are my `filesystem torture tests'.
52 They consist of 1000 runs of the andrew benchmarks, 1000 copy and
53 removes of /etc with randomly selected pauses of 0-60 seconds
54 between each copy and remove, and 500 find from / with randomly
55 selected pauses of 100 seconds between each run). The run of the
56 torture test compares as follows:
57
58 With soft updates: writes: 6 sync, 1,113,686 async; run time 19hr, 50min
59 Normal filesystem: writes: 1,459,147 sync, 487,031 async; run time 27hr, 15min
60
61 The upshot is 42% less I/O and 28% shorter running time.
62
63 Another interesting test point is a full MAKEDEV. Because it runs
64 as a shell script, it becomes mostly limited by the execution speed
65 of the machine on which it runs. Here are the numbers:
66
67 With soft updates:
68
69         labrat# time ./MAKEDEV std
70         2.2u 32.6s 0:34.82 100.0% 0+0k 11+36io 0pf+0w
71
72         labrat# ls | wc
73              522     522    3317
74
75 Without soft updates:
76
77         labrat# time ./MAKEDEV std
78         2.0u 40.5s 0:42.53 100.0% 0+0k 11+1221io 0pf+0w
79
80         labrat# ls | wc
81              522     522    3317
82
83 Of course, some of the system time is being pushed
84 to the syncer process, but that is a different story.
85
86 To show a benchmark designed to highlight the soft update code
87 consider a tar of zero-sized files and an rm -rf of a directory tree
88 that has at least 50 files or so at each level. Running a test with
89 a directory tree containing 28 directories holding 202 empty files
90 produces the following numbers:
91
92 With soft updates:
93 tar: 0.0u 0.5s 0:00.65 76.9% 0+0k 0+44io 0pf+0w (0 sync, 33 async writes)
94 rm: 0.0u 0.2s 0:00.20 100.0% 0+0k 0+37io 0pf+0w (0 sync, 72 async writes)
95
96 Normal filesystem:
97 tar: 0.0u 1.1s 0:07.27 16.5% 0+0k 60+586io 0pf+0w (523 sync, 0 async writes)
98 rm:  0.0u 0.5s 0:01.84 29.3% 0+0k 0+318io 0pf+0w (258 sync, 65 async writes)
99
100 The large reduction in writes is because inodes are clustered, so
101 most of a block gets allocated, then the whole block is written
102 out once rather than having the same block written once for each
103 inode allocated from it.  Similarly each directory block is written
104 once rather than once for each new directory entry. Effectively
105 what the update code is doing is allocating a bunch of inodes
106 and directory entries without writing anything, then ensuring that
107 the block containing the inodes is written first followed by the
108 directory block that references them.  If there were data in the
109 files it would further ensure that the data blocks were written
110 before their inodes claimed them.
111
112 Copyright Restrictions
113
114 Please familiarize yourself with the copyright restrictions
115 contained at the top of either the sys/ufs/ffs/softdep.h or
116 sys/ufs/ffs/ffs_softdep.c file. The key provision is similar
117 to the one used by the DB 2.0 package and goes as follows:
118
119     Redistributions in any form must be accompanied by information
120     on how to obtain complete source code for any accompanying
121     software that uses the this software. This source code must
122     either be included in the distribution or be available for
123     no more than the cost of distribution plus a nominal fee,
124     and must be freely redistributable under reasonable
125     conditions. For an executable file, complete source code
126     means the source code for all modules it contains. It does
127     not mean source code for modules or files that typically
128     accompany the operating system on which the executable file
129     runs, e.g., standard library modules or system header files.
130
131 The idea is to allow those of you freely redistributing your source
132 to use it while retaining for myself the right to peddle it for
133 money to the commercial UNIX vendors. Note that I have included a
134 stub file ffs_softdep.c.stub that is freely redistributable so that
135 you can put in all the necessary hooks to run the full soft updates
136 code, but still allow vendors that want to maintain proprietary
137 source to have a working system. I do plan to release the code with
138 a `Berkeley style' copyright once I have peddled it around to the
139 commercial vendors.  If you have concerns about this copyright,
140 feel free to contact me with them and we can try to resolve any
141 difficulties.
142
143 Soft Dependency Operation
144
145 The soft update implementation does NOT require ANY changes
146 to the on-disk format of your filesystems. Furthermore it is
147 not used by default for any filesystems. It must be enabled on
148 a filesystem by filesystem basis by running tunefs to set a
149 bit in the superblock indicating that the filesystem should be
150 managed using soft updates. If you wish to stop using
151 soft updates due to performance or reliability reasons,
152 you can simply run tunefs on it again to turn off the bit and
153 revert to normal operation. The additional dynamic memory load
154 placed on the kernel malloc arena is approximately equal to
155 the amount of memory used by vnodes plus inodes (for a system
156 with 1000 vnodes, the additional peak memory load is about 300K).
157
158 Kernel Changes
159
160 There are two new changes to the kernel functionality that are not
161 contained in in the soft update files. The first is a `trickle
162 sync' facility running in the kernel as process 3.  This trickle
163 sync process replaces the traditional `update' program (which should
164 be commented out of the /etc/rc startup script). When a vnode is
165 first written it is placed 30 seconds down on the trickle sync
166 queue. If it still exists and has dirty data when it reaches the
167 top of the queue, it is sync'ed.  This approach evens out the load
168 on the underlying I/O system and avoids writing short-lived files.
169 The papers on trickle-sync tend to favor aging based on buffers
170 rather than files. However, I sync on file age rather than buffer
171 age because the data structures are much smaller as there are
172 typically far fewer files than buffers. Although this can make the
173 I/O spikey when a big file times out, it is still much better than
174 the wholesale sync's that were happening before. It also adapts
175 much better to the soft update code where I want to control
176 aging to improve performance (inodes age in 10 seconds, directories
177 in 15 seconds, files in 30 seconds). This ensures that most
178 dependencies are gone (e.g., inodes are written when directory
179 entries want to go to disk) reducing the amount of rollback that
180 is needed.
181
182 The other main kernel change is to split the vnode freelist into
183 two separate lists.  One for vnodes that are still being used to
184 identify buffers and the other for those vnodes no longer identifying
185 any buffers.  The latter list is used by getnewvnode in preference
186 to the former.
187
188 Packaging of Kernel Changes
189
190 The sys subdirectory contains the changes and additions to the
191 kernel. My goal in writing this code was to minimize the changes
192 that need to be made to the kernel. Thus, most of the new code
193 is contained in the two new files softdep.h and ffs_softdep.c.
194 The rest of the kernel changes are simply inserting hooks to
195 call into these two new files. Although there has been some
196 structural reorganization of the filesystem code to accommodate
197 gathering the information required by the soft update code,
198 the actual ordering of filesystem operations when soft updates
199 are disabled is unchanged.
200
201 The kernel changes are packaged as a set of diffs. As I am
202 doing my development in BSD/OS, the diffs are relative to the
203 BSD/OS versions of the files. Because BSD/OS recently had
204 4.4BSD-Lite2 merged into it, the Lite2 files are a good starting
205 point for figuring out the changes. There are 40 files that
206 require change plus the two new files. Most of these files have
207 only a few lines of changes in them. However, four files have
208 fairly extensive changes: kern/vfs_subr.c, ufs/ufs/ufs_lookup.c,
209 ufs/ufs/ufs_vnops.c, and ufs/ffs/ffs_alloc.c. For these four
210 files, I have provided the original Lite2 version, the Lite2
211 version with the diffs merged in, and the diffs between the
212 BSD/OS and merged version. Even so, I expect that there will
213 be some difficulty in doing the merge; I am certainly willing
214 to assist in helping get the code merged into your system.
215
216 Packaging of Utility Changes
217
218 The utilities subdirectory contains the changes and additions
219 to the utilities. There are diffs to three utilities enclosed:
220
221     tunefs - add a flag to enable and disable soft updates
222
223     mount - print out whether soft updates are enabled and
224             also statistics on number of sync and async writes
225
226     fsck - tighter checks on acceptable errors and a slightly
227            different policy for what to put in lost+found on
228            filesystems using soft updates
229
230 In addition you should recompile vmstat so as to get reports
231 on the 13 new memory types used by the soft update code.
232 It is not necessary to use the new version of fsck, however it
233 would aid in my debugging if you do. Also, because of the time
234 lag between deleting a directory entry and the inode it
235 references, you will find a lot more files showing up in your
236 lost+found if you do not use the new version. Note that the
237 new version checks for the soft update flag in the superblock
238 and only uses the new algorithms if it is set. So, it will run
239 unchanged on the filesystems that are not using soft updates.
240
241 Operation
242
243 Once you have booted a kernel that incorporates the soft update
244 code and installed the updated utilities, do the following:
245
246 1) Comment out the update program in /etc/rc.
247
248 2) Run `tunefs -n enable' on one or more test filesystems.
249
250 3) Mount these filesystems and then type `mount' to ensure that
251    they have been enabled for soft updates.
252
253 4) Copy the test directory to a softdep filesystem, chdir into
254    it and run `./doit'. You may want to check out each of the
255    three subtests individually first: doit1 - andrew benchmarks,
256    doit2 - copy and removal of /etc, doit3 - find from /.
257
258 ====
259 Additional notes from Feb 13
260
261 When removing huge directories of files, it is possible to get
262 the incore state arbitrarily far ahead of the disk. Maintaining
263 all the associated depedency information can exhaust the kernel
264 malloc arena. To avoid this senario, I have put some limits on
265 the soft update code so that it will not be allowed to rampage
266 through all of the kernel memory. I enclose below the relevant
267 patches to vnode.h and vfs_subr.c (which allow the soft update
268 code to speed up the filesystem syncer process). I have also
269 included the diffs for ffs_softdep.c. I hope to make a pass over
270 ffs_softdep.c to isolate the differences with my standard version
271 so that these diffs are less painful to incorporate.
272
273 Since I know you like to play with tuning, I have put the relevant
274 knobs on sysctl debug variables. The tuning knobs can be viewed
275 with `sysctl debug' and set with `sysctl -w debug.<name>=value'.
276 The knobs are as follows:
277
278         debug.max_softdeps - limit on any given resource
279         debug.tickdelay - ticks to delay before allocating
280         debug.max_limit_hit - number of times tickdelay imposed
281         debug.rush_requests - number of rush requests to filesystem syncer
282
283 The max_softdeps limit is derived from vnodesdesired which in
284 turn is sized based on the amount of memory on the machine.
285 When the limit is hit, a process requesting a resource first
286 tries to speed up the filesystem syncer process. Such a
287 request is recorded as a rush_request. After syncdelay / 2 
288 unserviced rush requests (typically 15) are in the filesystem
289 syncers queue (i.e., it is more than 15 seconds behind in its 
290 work), the process requesting the memory is put to sleep for
291 tickdelay seconds. Such a delay is recorded in max_limit_hit.
292 Following this delay it is granted its memory without further
293 delay. I have tried the following experiments in which I
294 delete an MH directory containing 16,703 files:
295
296 Run #                   1               2               3
297
298 max_softdeps         4496            4496            4496
299 tickdelay        100 == 1 sec   20 == 0.2 sec   2 == 0.02 sec
300 max_limit_hit    16 == 16 sec   27 == 5.4 sec   203 == 4.1 sec
301 rush_requests         147             102              93
302 run time             57 sec          46 sec          45 sec
303 I/O's                 781             859             936
304
305 When run with no limits, it completes in 40 seconds. So, the
306 time spent in delay is directly added to the bottom line.
307 Shortening the tick delay does cut down the total running time,
308 but at the expense of generating more total I/O operations
309 due to the rush orders being sent to the filesystem syncer.
310 Although the number of rush orders decreases with a shorter
311 tick delay, there are more requests in each order, hence the
312 increase in I/O count. Also, although the I/O count does rise
313 with a shorter delay, it is still at least an order of magnitude 
314 less than without soft updates. Anyway, you may want to play
315 around with these value to see what works best and to see if
316 you can get an insight into how best to tune them. If you get
317 out of memory panic's, then you have max_softdeps set too high.
318 The max_limit_hit and rush_requests show be reset to zero
319 before each run. The minimum legal value for tickdelay is 2
320 (if you set it below that, the code will use 2).
321
322