lib: Remove ntdb
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index bd680f0..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,1270 +0,0 @@
-NTDB: Redesigning The Trivial DataBase
-
-Rusty Russell, IBM Corporation
-
-19 June 2012
-
-Abstract
-
-The Trivial DataBase on-disk format is 32 bits; with usage cases
-heading towards the 4G limit, that must change. This required
-breakage provides an opportunity to revisit TDB's other design
-decisions and reassess them.
-
-1 Introduction
-
-The Trivial DataBase was originally written by Andrew Tridgell as
-a simple key/data pair storage system with the same API as dbm,
-but allowing multiple readers and writers while being small
-enough (< 1000 lines of C) to include in SAMBA. The simple design
-created in 1999 has proven surprisingly robust and performant,
-used in Samba versions 3 and 4 as well as numerous other
-projects. Its useful life was greatly increased by the
-(backwards-compatible!) addition of transaction support in 2005.
-
-The wider variety and greater demands of TDB-using code has lead
-to some organic growth of the API, as well as some compromises on
-the implementation. None of these, by themselves, are seen as
-show-stoppers, but the cumulative effect is to a loss of elegance
-over the initial, simple TDB implementation. Here is a table of
-the approximate number of lines of implementation code and number
-of API functions at the end of each year:
-
-
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-| Year End  | API Functions  | Lines of C Code Implementation |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   1999    |      13        |              1195              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2000    |      24        |              1725              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2001    |      32        |              2228              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2002    |      35        |              2481              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2003    |      35        |              2552              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2004    |      40        |              2584              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2005    |      38        |              2647              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2006    |      52        |              3754              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2007    |      66        |              4398              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2008    |      71        |              4768              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-|   2009    |      73        |              5715              |
-+-----------+----------------+--------------------------------+
-
-
-This review is an attempt to catalog and address all the known
-issues with TDB and create solutions which address the problems
-without significantly increasing complexity; all involved are far
-too aware of the dangers of second system syndrome in rewriting a
-successful project like this.
-
-Note: the final decision was to make ntdb a separate library,
-with a separarate 'ntdb' namespace so both can potentially be
-linked together. This document still refers to “tdb” everywhere,
-for simplicity.
-
-2 API Issues
-
-2.1 tdb_open_ex Is Not Expandable
-
-The tdb_open() call was expanded to tdb_open_ex(), which added an
-optional hashing function and an optional logging function
-argument. Additional arguments to open would require the
-introduction of a tdb_open_ex2 call etc.
-
-2.1.1 Proposed Solution<attributes>
-
-tdb_open() will take a linked-list of attributes:
-
-enum tdb_attribute {
-
-    TDB_ATTRIBUTE_LOG = 0,
-
-    TDB_ATTRIBUTE_HASH = 1
-
-};
-
-struct tdb_attribute_base {
-
-    enum tdb_attribute attr;
-
-    union tdb_attribute *next;
-
-};
-
-struct tdb_attribute_log {
-
-    struct tdb_attribute_base base; /* .attr = TDB_ATTRIBUTE_LOG
-*/
-
-    tdb_log_func log_fn;
-
-    void *log_private;
-
-};
-
-struct tdb_attribute_hash {
-
-    struct tdb_attribute_base base; /* .attr = TDB_ATTRIBUTE_HASH
-*/
-
-    tdb_hash_func hash_fn;
-
-    void *hash_private;
-
-};
-
-union tdb_attribute {
-
-    struct tdb_attribute_base base;
-
-    struct tdb_attribute_log log;
-
-    struct tdb_attribute_hash hash;
-
-};
-
-This allows future attributes to be added, even if this expands
-the size of the union.
-
-2.1.2 Status
-
-Complete.
-
-2.2 tdb_traverse Makes Impossible Guarantees
-
-tdb_traverse (and tdb_firstkey/tdb_nextkey) predate transactions,
-and it was thought that it was important to guarantee that all
-records which exist at the start and end of the traversal would
-be included, and no record would be included twice.
-
-This adds complexity (see[Reliable-Traversal-Adds]) and does not
-work anyway for records which are altered (in particular, those
-which are expanded may be effectively deleted and re-added behind
-the traversal).
-
-2.2.1 <traverse-Proposed-Solution>Proposed Solution
-
-Abandon the guarantee. You will see every record if no changes
-occur during your traversal, otherwise you will see some subset.
-You can prevent changes by using a transaction or the locking
-API.
-
-2.2.2 Status
-
-Complete. Delete-during-traverse will still delete every record,
-too (assuming no other changes).
-
-2.3 Nesting of Transactions Is Fraught
-
-TDB has alternated between allowing nested transactions and not
-allowing them. Various paths in the Samba codebase assume that
-transactions will nest, and in a sense they can: the operation is
-only committed to disk when the outer transaction is committed.
-There are two problems, however:
-
-1. Canceling the inner transaction will cause the outer
-  transaction commit to fail, and will not undo any operations
-  since the inner transaction began. This problem is soluble with
-  some additional internal code.
-
-2. An inner transaction commit can be cancelled by the outer
-  transaction. This is desirable in the way which Samba's
-  database initialization code uses transactions, but could be a
-  surprise to any users expecting a successful transaction commit
-  to expose changes to others.
-
-The current solution is to specify the behavior at tdb_open(),
-with the default currently that nested transactions are allowed.
-This flag can also be changed at runtime.
-
-2.3.1 Proposed Solution
-
-Given the usage patterns, it seems that the“least-surprise”
-behavior of disallowing nested transactions should become the
-default. Additionally, it seems the outer transaction is the only
-code which knows whether inner transactions should be allowed, so
-a flag to indicate this could be added to tdb_transaction_start.
-However, this behavior can be simulated with a wrapper which uses
-tdb_add_flags() and tdb_remove_flags(), so the API should not be
-expanded for this relatively-obscure case.
-
-2.3.2 Status
-
-Complete; the nesting flag has been removed.
-
-2.4 Incorrect Hash Function is Not Detected
-
-tdb_open_ex() allows the calling code to specify a different hash
-function to use, but does not check that all other processes
-accessing this tdb are using the same hash function. The result
-is that records are missing from tdb_fetch().
-
-2.4.1 Proposed Solution
-
-The header should contain an example hash result (eg. the hash of
-0xdeadbeef), and tdb_open_ex() should check that the given hash
-function produces the same answer, or fail the tdb_open call.
-
-2.4.2 Status
-
-Complete.
-
-2.5 tdb_set_max_dead/TDB_VOLATILE Expose Implementation
-
-In response to scalability issues with the free list ([TDB-Freelist-Is]
-) two API workarounds have been incorporated in TDB:
-tdb_set_max_dead() and the TDB_VOLATILE flag to tdb_open. The
-latter actually calls the former with an argument of“5”.
-
-This code allows deleted records to accumulate without putting
-them in the free list. On delete we iterate through each chain
-and free them in a batch if there are more than max_dead entries.
-These are never otherwise recycled except as a side-effect of a
-tdb_repack.
-
-2.5.1 Proposed Solution
-
-With the scalability problems of the freelist solved, this API
-can be removed. The TDB_VOLATILE flag may still be useful as a
-hint that store and delete of records will be at least as common
-as fetch in order to allow some internal tuning, but initially
-will become a no-op.
-
-2.5.2 Status
-
-Complete. Unknown flags cause tdb_open() to fail as well, so they
-can be detected at runtime.
-
-2.6 <TDB-Files-Cannot>TDB Files Cannot Be Opened Multiple Times
-  In The Same Process
-
-No process can open the same TDB twice; we check and disallow it.
-This is an unfortunate side-effect of fcntl locks, which operate
-on a per-file rather than per-file-descriptor basis, and do not
-nest. Thus, closing any file descriptor on a file clears all the
-locks obtained by this process, even if they were placed using a
-different file descriptor!
-
-Note that even if this were solved, deadlock could occur if
-operations were nested: this is a more manageable programming
-error in most cases.
-
-2.6.1 Proposed Solution
-
-We could lobby POSIX to fix the perverse rules, or at least lobby
-Linux to violate them so that the most common implementation does
-not have this restriction. This would be a generally good idea
-for other fcntl lock users.
-
-Samba uses a wrapper which hands out the same tdb_context to
-multiple callers if this happens, and does simple reference
-counting. We should do this inside the tdb library, which already
-emulates lock nesting internally; it would need to recognize when
-deadlock occurs within a single process. This would create a new
-failure mode for tdb operations (while we currently handle
-locking failures, they are impossible in normal use and a process
-encountering them can do little but give up).
-
-I do not see benefit in an additional tdb_open flag to indicate
-whether re-opening is allowed, as though there may be some
-benefit to adding a call to detect when a tdb_context is shared,
-to allow other to create such an API.
-
-2.6.2 Status
-
-Complete.
-
-2.7 TDB API Is Not POSIX Thread-safe
-
-The TDB API uses an error code which can be queried after an
-operation to determine what went wrong. This programming model
-does not work with threads, unless specific additional guarantees
-are given by the implementation. In addition, even
-otherwise-independent threads cannot open the same TDB (as in[TDB-Files-Cannot]
-).
-
-2.7.1 Proposed Solution
-
-Reachitecting the API to include a tdb_errcode pointer would be a
-great deal of churn, but fortunately most functions return 0 on
-success and -1 on error: we can change these to return 0 on
-success and a negative error code on error, and the API remains
-similar to previous. The tdb_fetch, tdb_firstkey and tdb_nextkey
-functions need to take a TDB_DATA pointer and return an error
-code. It is also simpler to have tdb_nextkey replace its key
-argument in place, freeing up any old .dptr.
-
-Internal locking is required to make sure that fcntl locks do not
-overlap between threads, and also that the global list of tdbs is
-maintained.
-
-The aim is that building tdb with -DTDB_PTHREAD will result in a
-pthread-safe version of the library, and otherwise no overhead
-will exist. Alternatively, a hooking mechanism similar to that
-proposed for[Proposed-Solution-locking-hook] could be used to
-enable pthread locking at runtime.
-
-2.7.2 Status
-
-Incomplete; API has been changed but thread safety has not been
-implemented.
-
-2.8 *_nonblock Functions And *_mark Functions Expose
-  Implementation
-
-CTDB[footnote:
-Clustered TDB, see http://ctdb.samba.org
-] wishes to operate on TDB in a non-blocking manner. This is
-currently done as follows:
-
-1. Call the _nonblock variant of an API function (eg.
-  tdb_lockall_nonblock). If this fails:
-
-2. Fork a child process, and wait for it to call the normal
-  variant (eg. tdb_lockall).
-
-3. If the child succeeds, call the _mark variant to indicate we
-  already have the locks (eg. tdb_lockall_mark).
-
-4. Upon completion, tell the child to release the locks (eg.
-  tdb_unlockall).
-
-5. Indicate to tdb that it should consider the locks removed (eg.
-  tdb_unlockall_mark).
-
-There are several issues with this approach. Firstly, adding two
-new variants of each function clutters the API for an obscure
-use, and so not all functions have three variants. Secondly, it
-assumes that all paths of the functions ask for the same locks,
-otherwise the parent process will have to get a lock which the
-child doesn't have under some circumstances. I don't believe this
-is currently the case, but it constrains the implementation.
-
-2.8.1 <Proposed-Solution-locking-hook>Proposed Solution
-
-Implement a hook for locking methods, so that the caller can
-control the calls to create and remove fcntl locks. In this
-scenario, ctdbd would operate as follows:
-
-1. Call the normal API function, eg tdb_lockall().
-
-2. When the lock callback comes in, check if the child has the
-  lock. Initially, this is always false. If so, return 0.
-  Otherwise, try to obtain it in non-blocking mode. If that
-  fails, return EWOULDBLOCK.
-
-3. Release locks in the unlock callback as normal.
-
-4. If tdb_lockall() fails, see if we recorded a lock failure; if
-  so, call the child to repeat the operation.
-
-5. The child records what locks it obtains, and returns that
-  information to the parent.
-
-6. When the child has succeeded, goto 1.
-
-This is flexible enough to handle any potential locking scenario,
-even when lock requirements change. It can be optimized so that
-the parent does not release locks, just tells the child which
-locks it doesn't need to obtain.
-
-It also keeps the complexity out of the API, and in ctdbd where
-it is needed.
-
-2.8.2 Status
-
-Complete.
-
-2.9 tdb_chainlock Functions Expose Implementation
-
-tdb_chainlock locks some number of records, including the record
-indicated by the given key. This gave atomicity guarantees;
-no-one can start a transaction, alter, read or delete that key
-while the lock is held.
-
-It also makes the same guarantee for any other key in the chain,
-which is an internal implementation detail and potentially a
-cause for deadlock.
-
-2.9.1 Proposed Solution
-
-None. It would be nice to have an explicit single entry lock
-which effected no other keys. Unfortunately, this won't work for
-an entry which doesn't exist. Thus while chainlock may be
-implemented more efficiently for the existing case, it will still
-have overlap issues with the non-existing case. So it is best to
-keep the current (lack of) guarantee about which records will be
-effected to avoid constraining our implementation.
-
-2.10 Signal Handling is Not Race-Free
-
-The tdb_setalarm_sigptr() call allows the caller's signal handler
-to indicate that the tdb locking code should return with a
-failure, rather than trying again when a signal is received (and
-errno == EAGAIN). This is usually used to implement timeouts.
-
-Unfortunately, this does not work in the case where the signal is
-received before the tdb code enters the fcntl() call to place the
-lock: the code will sleep within the fcntl() code, unaware that
-the signal wants it to exit. In the case of long timeouts, this
-does not happen in practice.
-
-2.10.1 Proposed Solution
-
-The locking hooks proposed in[Proposed-Solution-locking-hook]
-would allow the user to decide on whether to fail the lock
-acquisition on a signal. This allows the caller to choose their
-own compromise: they could narrow the race by checking
-immediately before the fcntl call.[footnote:
-It may be possible to make this race-free in some implementations
-by having the signal handler alter the struct flock to make it
-invalid. This will cause the fcntl() lock call to fail with
-EINVAL if the signal occurs before the kernel is entered,
-otherwise EAGAIN.
-]
-
-2.10.2 Status
-
-Complete.
-
-2.11 The API Uses Gratuitous Typedefs, Capitals
-
-typedefs are useful for providing source compatibility when types
-can differ across implementations, or arguably in the case of
-function pointer definitions which are hard for humans to parse.
-Otherwise it is simply obfuscation and pollutes the namespace.
-
-Capitalization is usually reserved for compile-time constants and
-macros.
-
-  TDB_CONTEXT There is no reason to use this over 'struct
-  tdb_context'; the definition isn't visible to the API user
-  anyway.
-
-  TDB_DATA There is no reason to use this over struct TDB_DATA;
-  the struct needs to be understood by the API user.
-
-  struct TDB_DATA This would normally be called 'struct
-  tdb_data'.
-
-  enum TDB_ERROR Similarly, this would normally be enum
-  tdb_error.
-
-2.11.1 Proposed Solution
-
-None. Introducing lower case variants would please pedants like
-myself, but if it were done the existing ones should be kept.
-There is little point forcing a purely cosmetic change upon tdb
-users.
-
-2.12 <tdb_log_func-Doesnt-Take>tdb_log_func Doesn't Take The
-  Private Pointer
-
-For API compatibility reasons, the logging function needs to call
-tdb_get_logging_private() to retrieve the pointer registered by
-the tdb_open_ex for logging.
-
-2.12.1 Proposed Solution
-
-It should simply take an extra argument, since we are prepared to
-break the API/ABI.
-
-2.12.2 Status
-
-Complete.
-
-2.13 Various Callback Functions Are Not Typesafe
-
-The callback functions in tdb_set_logging_function (after[tdb_log_func-Doesnt-Take]
- is resolved), tdb_parse_record, tdb_traverse, tdb_traverse_read
-and tdb_check all take void * and must internally convert it to
-the argument type they were expecting.
-
-If this type changes, the compiler will not produce warnings on
-the callers, since it only sees void *.
-
-2.13.1 Proposed Solution
-
-With careful use of macros, we can create callback functions
-which give a warning when used on gcc and the types of the
-callback and its private argument differ. Unsupported compilers
-will not give a warning, which is no worse than now. In addition,
-the callbacks become clearer, as they need not use void * for
-their parameter.
-
-See CCAN's typesafe_cb module at
-http://ccan.ozlabs.org/info/typesafe_cb.html
-
-2.13.2 Status
-
-Complete.
-
-2.14 TDB_CLEAR_IF_FIRST Must Be Specified On All Opens,
-  tdb_reopen_all Problematic
-
-The TDB_CLEAR_IF_FIRST flag to tdb_open indicates that the TDB
-file should be cleared if the caller discovers it is the only
-process with the TDB open. However, if any caller does not
-specify TDB_CLEAR_IF_FIRST it will not be detected, so will have
-the TDB erased underneath them (usually resulting in a crash).
-
-There is a similar issue on fork(); if the parent exits (or
-otherwise closes the tdb) before the child calls tdb_reopen_all()
-to establish the lock used to indicate the TDB is opened by
-someone, a TDB_CLEAR_IF_FIRST opener at that moment will believe
-it alone has opened the TDB and will erase it.
-
-2.14.1 Proposed Solution
-
-Remove TDB_CLEAR_IF_FIRST. Other workarounds are possible, but
-see[TDB_CLEAR_IF_FIRST-Imposes-Performance].
-
-2.14.2 Status
-
-Complete. An open hook is provided to replicate this
-functionality if required.
-
-2.15 Extending The Header Is Difficult
-
-We have reserved (zeroed) words in the TDB header, which can be
-used for future features. If the future features are compulsory,
-the version number must be updated to prevent old code from
-accessing the database. But if the future feature is optional, we
-have no way of telling if older code is accessing the database or
-not.
-
-2.15.1 Proposed Solution
-
-The header should contain a“format variant” value (64-bit). This
-is divided into two 32-bit parts:
-
-1. The lower part reflects the format variant understood by code
-  accessing the database.
-
-2. The upper part reflects the format variant you must understand
-  to write to the database (otherwise you can only open for
-  reading).
-
-The latter field can only be written at creation time, the former
-should be written under the OPEN_LOCK when opening the database
-for writing, if the variant of the code is lower than the current
-lowest variant.
-
-This should allow backwards-compatible features to be added, and
-detection if older code (which doesn't understand the feature)
-writes to the database.
-
-2.15.2 Status
-
-Complete.
-
-2.16 Record Headers Are Not Expandible
-
-If we later want to add (say) checksums on keys and data, it
-would require another format change, which we'd like to avoid.
-
-2.16.1 Proposed Solution
-
-We often have extra padding at the tail of a record. If we ensure
-that the first byte (if any) of this padding is zero, we will
-have a way for future changes to detect code which doesn't
-understand a new format: the new code would write (say) a 1 at
-the tail, and thus if there is no tail or the first byte is 0, we
-would know the extension is not present on that record.
-
-2.16.2 Status
-
-Complete.
-
-2.17 TDB Does Not Use Talloc
-
-Many users of TDB (particularly Samba) use the talloc allocator,
-and thus have to wrap TDB in a talloc context to use it
-conveniently.
-
-2.17.1 Proposed Solution
-
-The allocation within TDB is not complicated enough to justify
-the use of talloc, and I am reluctant to force another
-(excellent) library on TDB users. Nonetheless a compromise is
-possible. An attribute (see[attributes]) can be added later to
-tdb_open() to provide an alternate allocation mechanism,
-specifically for talloc but usable by any other allocator (which
-would ignore the“context” argument).
-
-This would form a talloc heirarchy as expected, but the caller
-would still have to attach a destructor to the tdb context
-returned from tdb_open to close it. All TDB_DATA fields would be
-children of the tdb_context, and the caller would still have to
-manage them (using talloc_free() or talloc_steal()).
-
-2.17.2 Status
-
-Complete, using the NTDB_ATTRIBUTE_ALLOCATOR attribute.
-
-3 Performance And Scalability Issues
-
-3.1 <TDB_CLEAR_IF_FIRST-Imposes-Performance>TDB_CLEAR_IF_FIRST
-  Imposes Performance Penalty
-
-When TDB_CLEAR_IF_FIRST is specified, a 1-byte read lock is
-placed at offset 4 (aka. the ACTIVE_LOCK). While these locks
-never conflict in normal tdb usage, they do add substantial
-overhead for most fcntl lock implementations when the kernel
-scans to detect if a lock conflict exists. This is often a single
-linked list, making the time to acquire and release a fcntl lock
-O(N) where N is the number of processes with the TDB open, not
-the number actually doing work.
-
-In a Samba server it is common to have huge numbers of clients
-sitting idle, and thus they have weaned themselves off the
-TDB_CLEAR_IF_FIRST flag.[footnote:
-There is a flag to tdb_reopen_all() which is used for this
-optimization: if the parent process will outlive the child, the
-child does not need the ACTIVE_LOCK. This is a workaround for
-this very performance issue.
-]
-
-3.1.1 Proposed Solution
-
-Remove the flag. It was a neat idea, but even trivial servers
-tend to know when they are initializing for the first time and
-can simply unlink the old tdb at that point.
-
-3.1.2 Status
-
-Complete.
-
-3.2 TDB Files Have a 4G Limit
-
-This seems to be becoming an issue (so much for“trivial”!),
-particularly for ldb.
-
-3.2.1 Proposed Solution
-
-A new, incompatible TDB format which uses 64 bit offsets
-internally rather than 32 bit as now. For simplicity of endian
-conversion (which TDB does on the fly if required), all values
-will be 64 bit on disk. In practice, some upper bits may be used
-for other purposes, but at least 56 bits will be available for
-file offsets.
-
-tdb_open() will automatically detect the old version, and even
-create them if TDB_VERSION6 is specified to tdb_open.
-
-32 bit processes will still be able to access TDBs larger than 4G
-(assuming that their off_t allows them to seek to 64 bits), they
-will gracefully fall back as they fail to mmap. This can happen
-already with large TDBs.
-
-Old versions of tdb will fail to open the new TDB files (since 28
-August 2009, commit 398d0c29290: prior to that any unrecognized
-file format would be erased and initialized as a fresh tdb!)
-
-3.2.2 Status
-
-Complete.
-
-3.3 TDB Records Have a 4G Limit
-
-This has not been a reported problem, and the API uses size_t
-which can be 64 bit on 64 bit platforms. However, other limits
-may have made such an issue moot.
-
-3.3.1 Proposed Solution
-
-Record sizes will be 64 bit, with an error returned on 32 bit
-platforms which try to access such records (the current
-implementation would return TDB_ERR_OOM in a similar case). It
-seems unlikely that 32 bit keys will be a limitation, so the
-implementation may not support this (see[sub:Records-Incur-A]).
-
-3.3.2 Status
-
-Complete.
-
-3.4 Hash Size Is Determined At TDB Creation Time
-
-TDB contains a number of hash chains in the header; the number is
-specified at creation time, and defaults to 131. This is such a
-bottleneck on large databases (as each hash chain gets quite
-long), that LDB uses 10,000 for this hash. In general it is
-impossible to know what the 'right' answer is at database
-creation time.
-
-3.4.1 <sub:Hash-Size-Solution>Proposed Solution
-
-After comprehensive performance testing on various scalable hash
-variants[footnote:
-http://rusty.ozlabs.org/?p=89 and http://rusty.ozlabs.org/?p=94
-This was annoying because I was previously convinced that an
-expanding tree of hashes would be very close to optimal.
-], it became clear that it is hard to beat a straight linear hash
-table which doubles in size when it reaches saturation.
-Unfortunately, altering the hash table introduces serious locking
-complications: the entire hash table needs to be locked to
-enlarge the hash table, and others might be holding locks.
-Particularly insidious are insertions done under tdb_chainlock.
-
-Thus an expanding layered hash will be used: an array of hash
-groups, with each hash group exploding into pointers to lower
-hash groups once it fills, turning into a hash tree. This has
-implications for locking: we must lock the entire group in case
-we need to expand it, yet we don't know how deep the tree is at
-that point.
-
-Note that bits from the hash table entries should be stolen to
-hold more hash bits to reduce the penalty of collisions. We can
-use the otherwise-unused lower 3 bits. If we limit the size of
-the database to 64 exabytes, we can use the top 8 bits of the
-hash entry as well. These 11 bits would reduce false positives
-down to 1 in 2000 which is more than we need: we can use one of
-the bits to indicate that the extra hash bits are valid. This
-means we can choose not to re-hash all entries when we expand a
-hash group; simply use the next bits we need and mark them
-invalid.
-
-3.4.2 Status
-
-Ignore. Scaling the hash automatically proved inefficient at
-small hash sizes; we default to a 8192-element hash (changable
-via NTDB_ATTRIBUTE_HASHSIZE), and when buckets clash we expand to
-an array of hash entries. This scales slightly better than the
-tdb chain (due to the 8 top bits containing extra hash).
-
-3.5 <TDB-Freelist-Is>TDB Freelist Is Highly Contended
-
-TDB uses a single linked list for the free list. Allocation
-occurs as follows, using heuristics which have evolved over time:
-
-1. Get the free list lock for this whole operation.
-
-2. Multiply length by 1.25, so we always over-allocate by 25%.
-
-3. Set the slack multiplier to 1.
-
-4. Examine the current freelist entry: if it is > length but <
-  the current best case, remember it as the best case.
-
-5. Multiply the slack multiplier by 1.05.
-
-6. If our best fit so far is less than length * slack multiplier,
-  return it. The slack will be turned into a new free record if
-  it's large enough.
-
-7. Otherwise, go onto the next freelist entry.
-
-Deleting a record occurs as follows:
-
-1. Lock the hash chain for this whole operation.
-
-2. Walk the chain to find the record, keeping the prev pointer
-  offset.
-
-3. If max_dead is non-zero:
-
-  (a) Walk the hash chain again and count the dead records.
-
-  (b) If it's more than max_dead, bulk free all the dead ones
-    (similar to steps 4 and below, but the lock is only obtained
-    once).
-
-  (c) Simply mark this record as dead and return.
-
-4. Get the free list lock for the remainder of this operation.
-
-5. <right-merging>Examine the following block to see if it is
-  free; if so, enlarge the current block and remove that block
-  from the free list. This was disabled, as removal from the free
-  list was O(entries-in-free-list).
-
-6. Examine the preceeding block to see if it is free: for this
-  reason, each block has a 32-bit tailer which indicates its
-  length. If it is free, expand it to cover our new block and
-  return.
-
-7. Otherwise, prepend ourselves to the free list.
-
-Disabling right-merging (step[right-merging]) causes
-fragmentation; the other heuristics proved insufficient to
-address this, so the final answer to this was that when we expand
-the TDB file inside a transaction commit, we repack the entire
-tdb.
-
-The single list lock limits our allocation rate; due to the other
-issues this is not currently seen as a bottleneck.
-
-3.5.1 Proposed Solution
-
-The first step is to remove all the current heuristics, as they
-obviously interact, then examine them once the lock contention is
-addressed.
-
-The free list must be split to reduce contention. Assuming
-perfect free merging, we can at most have 1 free list entry for
-each entry. This implies that the number of free lists is related
-to the size of the hash table, but as it is rare to walk a large
-number of free list entries we can use far fewer, say 1/32 of the
-number of hash buckets.
-
-It seems tempting to try to reuse the hash implementation which
-we use for records here, but we have two ways of searching for
-free entries: for allocation we search by size (and possibly
-zone) which produces too many clashes for our hash table to
-handle well, and for coalescing we search by address. Thus an
-array of doubly-linked free lists seems preferable.
-
-There are various benefits in using per-size free lists (see[sub:TDB-Becomes-Fragmented]
-) but it's not clear this would reduce contention in the common
-case where all processes are allocating/freeing the same size.
-Thus we almost certainly need to divide in other ways: the most
-obvious is to divide the file into zones, and using a free list
-(or table of free lists) for each. This approximates address
-ordering.
-
-Unfortunately it is difficult to know what heuristics should be
-used to determine zone sizes, and our transaction code relies on
-being able to create a“recovery area” by simply appending to the
-file (difficult if it would need to create a new zone header).
-Thus we use a linked-list of free tables; currently we only ever
-create one, but if there is more than one we choose one at random
-to use. In future we may use heuristics to add new free tables on
-contention. We only expand the file when all free tables are
-exhausted.
-
-The basic algorithm is as follows. Freeing is simple:
-
-1. Identify the correct free list.
-
-2. Lock the corresponding list.
-
-3. Re-check the list (we didn't have a lock, sizes could have
-  changed): relock if necessary.
-
-4. Place the freed entry in the list.
-
-Allocation is a little more complicated, as we perform delayed
-coalescing at this point:
-
-1. Pick a free table; usually the previous one.
-
-2. Lock the corresponding list.
-
-3. If the top entry is -large enough, remove it from the list and
-  return it.
-
-4. Otherwise, coalesce entries in the list.If there was no entry
-  large enough, unlock the list and try the next largest list
-
-5. If no list has an entry which meets our needs, try the next
-  free table.
-
-6. If no zone satisfies, expand the file.
-
-This optimizes rapid insert/delete of free list entries by not
-coalescing them all the time.. First-fit address ordering
-ordering seems to be fairly good for keeping fragmentation low
-(see[sub:TDB-Becomes-Fragmented]). Note that address ordering
-does not need a tailer to coalesce, though if we needed one we
-could have one cheaply: see[sub:Records-Incur-A].
-
-Each free entry has the free table number in the header: less
-than 255. It also contains a doubly-linked list for easy
-deletion.
-
-3.6 <sub:TDB-Becomes-Fragmented>TDB Becomes Fragmented
-
-Much of this is a result of allocation strategy[footnote:
-The Memory Fragmentation Problem: Solved? Johnstone & Wilson 1995
-ftp://ftp.cs.utexas.edu/pub/garbage/malloc/ismm98.ps
-] and deliberate hobbling of coalescing; internal fragmentation
-(aka overallocation) is deliberately set at 25%, and external
-fragmentation is only cured by the decision to repack the entire
-db when a transaction commit needs to enlarge the file.
-
-3.6.1 Proposed Solution
-
-The 25% overhead on allocation works in practice for ldb because
-indexes tend to expand by one record at a time. This internal
-fragmentation can be resolved by having an“expanded” bit in the
-header to note entries that have previously expanded, and
-allocating more space for them.
-
-There are is a spectrum of possible solutions for external
-fragmentation: one is to use a fragmentation-avoiding allocation
-strategy such as best-fit address-order allocator. The other end
-of the spectrum would be to use a bump allocator (very fast and
-simple) and simply repack the file when we reach the end.
-
-There are three problems with efficient fragmentation-avoiding
-allocators: they are non-trivial, they tend to use a single free
-list for each size, and there's no evidence that tdb allocation
-patterns will match those recorded for general allocators (though
-it seems likely).
-
-Thus we don't spend too much effort on external fragmentation; we
-will be no worse than the current code if we need to repack on
-occasion. More effort is spent on reducing freelist contention,
-and reducing overhead.
-
-3.7 <sub:Records-Incur-A>Records Incur A 28-Byte Overhead
-
-Each TDB record has a header as follows:
-
-struct tdb_record {
-
-        tdb_off_t next; /* offset of the next record in the list
-*/
-
-        tdb_len_t rec_len; /* total byte length of record */
-
-        tdb_len_t key_len; /* byte length of key */
-
-        tdb_len_t data_len; /* byte length of data */
-
-        uint32_t full_hash; /* the full 32 bit hash of the key */
-
-        uint32_t magic;   /* try to catch errors */
-
-        /* the following union is implied:
-
-                union {
-
-                        char record[rec_len];
-
-                        struct {
-
-                                char key[key_len];
-
-                                char data[data_len];
-
-                        }
-
-                        uint32_t totalsize; (tailer)
-
-                }
-
-        */
-
-};
-
-Naively, this would double to a 56-byte overhead on a 64 bit
-implementation.
-
-3.7.1 Proposed Solution
-
-We can use various techniques to reduce this for an allocated
-block:
-
-1. The 'next' pointer is not required, as we are using a flat
-  hash table.
-
-2. 'rec_len' can instead be expressed as an addition to key_len
-  and data_len (it accounts for wasted or overallocated length in
-  the record). Since the record length is always a multiple of 8,
-  we can conveniently fit it in 32 bits (representing up to 35
-  bits).
-
-3. 'key_len' and 'data_len' can be reduced. I'm unwilling to
-  restrict 'data_len' to 32 bits, but instead we can combine the
-  two into one 64-bit field and using a 5 bit value which
-  indicates at what bit to divide the two. Keys are unlikely to
-  scale as fast as data, so I'm assuming a maximum key size of 32
-  bits.
-
-4. 'full_hash' is used to avoid a memcmp on the“miss” case, but
-  this is diminishing returns after a handful of bits (at 10
-  bits, it reduces 99.9% of false memcmp). As an aside, as the
-  lower bits are already incorporated in the hash table
-  resolution, the upper bits should be used here. Note that it's
-  not clear that these bits will be a win, given the extra bits
-  in the hash table itself (see[sub:Hash-Size-Solution]).
-
-5. 'magic' does not need to be enlarged: it currently reflects
-  one of 5 values (used, free, dead, recovery, and
-  unused_recovery). It is useful for quick sanity checking
-  however, and should not be eliminated.
-
-6. 'tailer' is only used to coalesce free blocks (so a block to
-  the right can find the header to check if this block is free).
-  This can be replaced by a single 'free' bit in the header of
-  the following block (and the tailer only exists in free
-  blocks).[footnote:
-This technique from Thomas Standish. Data Structure Techniques.
-Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1980.
-] The current proposed coalescing algorithm doesn't need this,
-  however.
-
-This produces a 16 byte used header like this:
-
-struct tdb_used_record {
-
-        uint32_t used_magic : 16,
-
-
-
-                 key_data_divide: 5,
-
-                 top_hash: 11;
-
-        uint32_t extra_octets;
-
-        uint64_t key_and_data_len;
-
-};
-
-And a free record like this:
-
-struct tdb_free_record {
-
-        uint64_t free_magic: 8,
-
-                   prev : 56;
-
-
-
-        uint64_t free_table: 8,
-
-                 total_length : 56
-
-        uint64_t next;;
-
-};
-
-Note that by limiting valid offsets to 56 bits, we can pack
-everything we need into 3 64-byte words, meaning our minimum
-record size is 8 bytes.
-
-3.7.2 Status
-
-Complete.
-
-3.8 Transaction Commit Requires 4 fdatasync
-
-The current transaction algorithm is:
-
-1. write_recovery_data();
-
-2. sync();
-
-3. write_recovery_header();
-
-4. sync();
-
-5. overwrite_with_new_data();
-
-6. sync();
-
-7. remove_recovery_header();
-
-8. sync();
-
-On current ext3, each sync flushes all data to disk, so the next
-3 syncs are relatively expensive. But this could become a
-performance bottleneck on other filesystems such as ext4.
-
-3.8.1 Proposed Solution
-
-Neil Brown points out that this is overzealous, and only one sync
-is needed:
-
-1. Bundle the recovery data, a transaction counter and a strong
-  checksum of the new data.
-
-2. Strong checksum that whole bundle.
-
-3. Store the bundle in the database.
-
-4. Overwrite the oldest of the two recovery pointers in the
-  header (identified using the transaction counter) with the
-  offset of this bundle.
-
-5. sync.
-
-6. Write the new data to the file.
-
-Checking for recovery means identifying the latest bundle with a
-valid checksum and using the new data checksum to ensure that it
-has been applied. This is more expensive than the current check,
-but need only be done at open. For running databases, a separate
-header field can be used to indicate a transaction in progress;
-we need only check for recovery if this is set.
-
-3.8.2 Status
-
-Deferred.
-
-3.9 <sub:TDB-Does-Not>TDB Does Not Have Snapshot Support
-
-3.9.1 Proposed Solution
-
-None. At some point you say“use a real database” (but see[replay-attribute]
-).
-
-But as a thought experiment, if we implemented transactions to
-only overwrite free entries (this is tricky: there must not be a
-header in each entry which indicates whether it is free, but use
-of presence in metadata elsewhere), and a pointer to the hash
-table, we could create an entirely new commit without destroying
-existing data. Then it would be easy to implement snapshots in a
-similar way.
-
-This would not allow arbitrary changes to the database, such as
-tdb_repack does, and would require more space (since we have to
-preserve the current and future entries at once). If we used hash
-trees rather than one big hash table, we might only have to
-rewrite some sections of the hash, too.
-
-We could then implement snapshots using a similar method, using
-multiple different hash tables/free tables.
-
-3.9.2 Status
-
-Deferred.
-
-3.10 Transactions Cannot Operate in Parallel
-
-This would be useless for ldb, as it hits the index records with
-just about every update. It would add significant complexity in
-resolving clashes, and cause the all transaction callers to write
-their code to loop in the case where the transactions spuriously
-failed.
-
-3.10.1 Proposed Solution
-
-None (but see[replay-attribute]). We could solve a small part of
-the problem by providing read-only transactions. These would
-allow one write transaction to begin, but it could not commit
-until all r/o transactions are done. This would require a new
-RO_TRANSACTION_LOCK, which would be upgraded on commit.
-
-3.10.2 Status
-
-Deferred.
-
-3.11 Default Hash Function Is Suboptimal
-
-The Knuth-inspired multiplicative hash used by tdb is fairly slow
-(especially if we expand it to 64 bits), and works best when the
-hash bucket size is a prime number (which also means a slow
-modulus). In addition, it is highly predictable which could
-potentially lead to a Denial of Service attack in some TDB uses.
-
-3.11.1 Proposed Solution
-
-The Jenkins lookup3 hash[footnote:
-http://burtleburtle.net/bob/c/lookup3.c
-] is a fast and superbly-mixing hash. It's used by the Linux
-kernel and almost everything else. This has the particular
-properties that it takes an initial seed, and produces two 32 bit
-hash numbers, which we can combine into a 64-bit hash.
-
-The seed should be created at tdb-creation time from some random
-source, and placed in the header. This is far from foolproof, but
-adds a little bit of protection against hash bombing.
-
-3.11.2 Status
-
-Complete.
-
-3.12 <Reliable-Traversal-Adds>Reliable Traversal Adds Complexity
-
-We lock a record during traversal iteration, and try to grab that
-lock in the delete code. If that grab on delete fails, we simply
-mark it deleted and continue onwards; traversal checks for this
-condition and does the delete when it moves off the record.
-
-If traversal terminates, the dead record may be left
-indefinitely.
-
-3.12.1 Proposed Solution
-
-Remove reliability guarantees; see[traverse-Proposed-Solution].
-
-3.12.2 Status
-
-Complete.
-
-3.13 Fcntl Locking Adds Overhead
-
-Placing a fcntl lock means a system call, as does removing one.
-This is actually one reason why transactions can be faster
-(everything is locked once at transaction start). In the
-uncontended case, this overhead can theoretically be eliminated.
-
-3.13.1 Proposed Solution
-
-None.
-
-We tried this before with spinlock support, in the early days of
-TDB, and it didn't make much difference except in manufactured
-benchmarks.
-
-We could use spinlocks (with futex kernel support under Linux),
-but it means that we lose automatic cleanup when a process dies
-with a lock. There is a method of auto-cleanup under Linux, but
-it's not supported by other operating systems. We could
-reintroduce a clear-if-first-style lock and sweep for dead
-futexes on open, but that wouldn't help the normal case of one
-concurrent opener dying. Increasingly elaborate repair schemes
-could be considered, but they require an ABI change (everyone
-must use them) anyway, so there's no need to do this at the same
-time as everything else.
-
-3.14 Some Transactions Don't Require Durability
-
-Volker points out that gencache uses a CLEAR_IF_FIRST tdb for
-normal (fast) usage, and occasionally empties the results into a
-transactional TDB. This kind of usage prioritizes performance
-over durability: as long as we are consistent, data can be lost.
-
-This would be more neatly implemented inside tdb: a“soft”
-transaction commit (ie. syncless) which meant that data may be
-reverted on a crash.
-
-3.14.1 Proposed Solution
-
-None.
-
-Unfortunately any transaction scheme which overwrites old data
-requires a sync before that overwrite to avoid the possibility of
-corruption.
-
-It seems possible to use a scheme similar to that described in[sub:TDB-Does-Not]
-,where transactions are committed without overwriting existing
-data, and an array of top-level pointers were available in the
-header. If the transaction is“soft” then we would not need a sync
-at all: existing processes would pick up the new hash table and
-free list and work with that.
-
-At some later point, a sync would allow recovery of the old data
-into the free lists (perhaps when the array of top-level pointers
-filled). On crash, tdb_open() would examine the array of top
-levels, and apply the transactions until it encountered an
-invalid checksum.
-
-3.15 Tracing Is Fragile, Replay Is External
-
-The current TDB has compile-time-enabled tracing code, but it
-often breaks as it is not enabled by default. In a similar way,
-the ctdb code has an external wrapper which does replay tracing
-so it can coordinate cluster-wide transactions.
-
-3.15.1 Proposed Solution<replay-attribute>
-
-Tridge points out that an attribute can be later added to
-tdb_open (see[attributes]) to provide replay/trace hooks, which
-could become the basis for this and future parallel transactions
-and snapshot support.
-
-3.15.2 Status
-
-Deferred.