tests: add pidfd_open() tests
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / device-mapper / cache.rst
1 =====
2 Cache
3 =====
4
5 Introduction
6 ============
7
8 dm-cache is a device mapper target written by Joe Thornber, Heinz
9 Mauelshagen, and Mike Snitzer.
10
11 It aims to improve performance of a block device (eg, a spindle) by
12 dynamically migrating some of its data to a faster, smaller device
13 (eg, an SSD).
14
15 This device-mapper solution allows us to insert this caching at
16 different levels of the dm stack, for instance above the data device for
17 a thin-provisioning pool.  Caching solutions that are integrated more
18 closely with the virtual memory system should give better performance.
19
20 The target reuses the metadata library used in the thin-provisioning
21 library.
22
23 The decision as to what data to migrate and when is left to a plug-in
24 policy module.  Several of these have been written as we experiment,
25 and we hope other people will contribute others for specific io
26 scenarios (eg. a vm image server).
27
28 Glossary
29 ========
30
31   Migration
32                Movement of the primary copy of a logical block from one
33                device to the other.
34   Promotion
35                Migration from slow device to fast device.
36   Demotion
37                Migration from fast device to slow device.
38
39 The origin device always contains a copy of the logical block, which
40 may be out of date or kept in sync with the copy on the cache device
41 (depending on policy).
42
43 Design
44 ======
45
46 Sub-devices
47 -----------
48
49 The target is constructed by passing three devices to it (along with
50 other parameters detailed later):
51
52 1. An origin device - the big, slow one.
53
54 2. A cache device - the small, fast one.
55
56 3. A small metadata device - records which blocks are in the cache,
57    which are dirty, and extra hints for use by the policy object.
58    This information could be put on the cache device, but having it
59    separate allows the volume manager to configure it differently,
60    e.g. as a mirror for extra robustness.  This metadata device may only
61    be used by a single cache device.
62
63 Fixed block size
64 ----------------
65
66 The origin is divided up into blocks of a fixed size.  This block size
67 is configurable when you first create the cache.  Typically we've been
68 using block sizes of 256KB - 1024KB.  The block size must be between 64
69 sectors (32KB) and 2097152 sectors (1GB) and a multiple of 64 sectors (32KB).
70
71 Having a fixed block size simplifies the target a lot.  But it is
72 something of a compromise.  For instance, a small part of a block may be
73 getting hit a lot, yet the whole block will be promoted to the cache.
74 So large block sizes are bad because they waste cache space.  And small
75 block sizes are bad because they increase the amount of metadata (both
76 in core and on disk).
77
78 Cache operating modes
79 ---------------------
80
81 The cache has three operating modes: writeback, writethrough and
82 passthrough.
83
84 If writeback, the default, is selected then a write to a block that is
85 cached will go only to the cache and the block will be marked dirty in
86 the metadata.
87
88 If writethrough is selected then a write to a cached block will not
89 complete until it has hit both the origin and cache devices.  Clean
90 blocks should remain clean.
91
92 If passthrough is selected, useful when the cache contents are not known
93 to be coherent with the origin device, then all reads are served from
94 the origin device (all reads miss the cache) and all writes are
95 forwarded to the origin device; additionally, write hits cause cache
96 block invalidates.  To enable passthrough mode the cache must be clean.
97 Passthrough mode allows a cache device to be activated without having to
98 worry about coherency.  Coherency that exists is maintained, although
99 the cache will gradually cool as writes take place.  If the coherency of
100 the cache can later be verified, or established through use of the
101 "invalidate_cblocks" message, the cache device can be transitioned to
102 writethrough or writeback mode while still warm.  Otherwise, the cache
103 contents can be discarded prior to transitioning to the desired
104 operating mode.
105
106 A simple cleaner policy is provided, which will clean (write back) all
107 dirty blocks in a cache.  Useful for decommissioning a cache or when
108 shrinking a cache.  Shrinking the cache's fast device requires all cache
109 blocks, in the area of the cache being removed, to be clean.  If the
110 area being removed from the cache still contains dirty blocks the resize
111 will fail.  Care must be taken to never reduce the volume used for the
112 cache's fast device until the cache is clean.  This is of particular
113 importance if writeback mode is used.  Writethrough and passthrough
114 modes already maintain a clean cache.  Future support to partially clean
115 the cache, above a specified threshold, will allow for keeping the cache
116 warm and in writeback mode during resize.
117
118 Migration throttling
119 --------------------
120
121 Migrating data between the origin and cache device uses bandwidth.
122 The user can set a throttle to prevent more than a certain amount of
123 migration occurring at any one time.  Currently we're not taking any
124 account of normal io traffic going to the devices.  More work needs
125 doing here to avoid migrating during those peak io moments.
126
127 For the time being, a message "migration_threshold <#sectors>"
128 can be used to set the maximum number of sectors being migrated,
129 the default being 2048 sectors (1MB).
130
131 Updating on-disk metadata
132 -------------------------
133
134 On-disk metadata is committed every time a FLUSH or FUA bio is written.
135 If no such requests are made then commits will occur every second.  This
136 means the cache behaves like a physical disk that has a volatile write
137 cache.  If power is lost you may lose some recent writes.  The metadata
138 should always be consistent in spite of any crash.
139
140 The 'dirty' state for a cache block changes far too frequently for us
141 to keep updating it on the fly.  So we treat it as a hint.  In normal
142 operation it will be written when the dm device is suspended.  If the
143 system crashes all cache blocks will be assumed dirty when restarted.
144
145 Per-block policy hints
146 ----------------------
147
148 Policy plug-ins can store a chunk of data per cache block.  It's up to
149 the policy how big this chunk is, but it should be kept small.  Like the
150 dirty flags this data is lost if there's a crash so a safe fallback
151 value should always be possible.
152
153 Policy hints affect performance, not correctness.
154
155 Policy messaging
156 ----------------
157
158 Policies will have different tunables, specific to each one, so we
159 need a generic way of getting and setting these.  Device-mapper
160 messages are used.  Refer to cache-policies.txt.
161
162 Discard bitset resolution
163 -------------------------
164
165 We can avoid copying data during migration if we know the block has
166 been discarded.  A prime example of this is when mkfs discards the
167 whole block device.  We store a bitset tracking the discard state of
168 blocks.  However, we allow this bitset to have a different block size
169 from the cache blocks.  This is because we need to track the discard
170 state for all of the origin device (compare with the dirty bitset
171 which is just for the smaller cache device).
172
173 Target interface
174 ================
175
176 Constructor
177 -----------
178
179   ::
180
181    cache <metadata dev> <cache dev> <origin dev> <block size>
182          <#feature args> [<feature arg>]*
183          <policy> <#policy args> [policy args]*
184
185  ================ =======================================================
186  metadata dev     fast device holding the persistent metadata
187  cache dev        fast device holding cached data blocks
188  origin dev       slow device holding original data blocks
189  block size       cache unit size in sectors
190
191  #feature args    number of feature arguments passed
192  feature args     writethrough or passthrough (The default is writeback.)
193
194  policy           the replacement policy to use
195  #policy args     an even number of arguments corresponding to
196                   key/value pairs passed to the policy
197  policy args      key/value pairs passed to the policy
198                   E.g. 'sequential_threshold 1024'
199                   See cache-policies.txt for details.
200  ================ =======================================================
201
202 Optional feature arguments are:
203
204
205    ==================== ========================================================
206    writethrough         write through caching that prohibits cache block
207                         content from being different from origin block content.
208                         Without this argument, the default behaviour is to write
209                         back cache block contents later for performance reasons,
210                         so they may differ from the corresponding origin blocks.
211
212    passthrough          a degraded mode useful for various cache coherency
213                         situations (e.g., rolling back snapshots of
214                         underlying storage).     Reads and writes always go to
215                         the origin.     If a write goes to a cached origin
216                         block, then the cache block is invalidated.
217                         To enable passthrough mode the cache must be clean.
218
219    metadata2            use version 2 of the metadata.  This stores the dirty
220                         bits in a separate btree, which improves speed of
221                         shutting down the cache.
222
223    no_discard_passdown  disable passing down discards from the cache
224                         to the origin's data device.
225    ==================== ========================================================
226
227 A policy called 'default' is always registered.  This is an alias for
228 the policy we currently think is giving best all round performance.
229
230 As the default policy could vary between kernels, if you are relying on
231 the characteristics of a specific policy, always request it by name.
232
233 Status
234 ------
235
236 ::
237
238   <metadata block size> <#used metadata blocks>/<#total metadata blocks>
239   <cache block size> <#used cache blocks>/<#total cache blocks>
240   <#read hits> <#read misses> <#write hits> <#write misses>
241   <#demotions> <#promotions> <#dirty> <#features> <features>*
242   <#core args> <core args>* <policy name> <#policy args> <policy args>*
243   <cache metadata mode>
244
245
246 ========================= =====================================================
247 metadata block size       Fixed block size for each metadata block in
248                           sectors
249 #used metadata blocks     Number of metadata blocks used
250 #total metadata blocks    Total number of metadata blocks
251 cache block size          Configurable block size for the cache device
252                           in sectors
253 #used cache blocks        Number of blocks resident in the cache
254 #total cache blocks       Total number of cache blocks
255 #read hits                Number of times a READ bio has been mapped
256                           to the cache
257 #read misses              Number of times a READ bio has been mapped
258                           to the origin
259 #write hits               Number of times a WRITE bio has been mapped
260                           to the cache
261 #write misses             Number of times a WRITE bio has been
262                           mapped to the origin
263 #demotions                Number of times a block has been removed
264                           from the cache
265 #promotions               Number of times a block has been moved to
266                           the cache
267 #dirty                    Number of blocks in the cache that differ
268                           from the origin
269 #feature args             Number of feature args to follow
270 feature args              'writethrough' (optional)
271 #core args                Number of core arguments (must be even)
272 core args                 Key/value pairs for tuning the core
273                           e.g. migration_threshold
274 policy name               Name of the policy
275 #policy args              Number of policy arguments to follow (must be even)
276 policy args               Key/value pairs e.g. sequential_threshold
277 cache metadata mode       ro if read-only, rw if read-write
278
279                           In serious cases where even a read-only mode is
280                           deemed unsafe no further I/O will be permitted and
281                           the status will just contain the string 'Fail'.
282                           The userspace recovery tools should then be used.
283 needs_check               'needs_check' if set, '-' if not set
284                           A metadata operation has failed, resulting in the
285                           needs_check flag being set in the metadata's
286                           superblock.  The metadata device must be
287                           deactivated and checked/repaired before the
288                           cache can be made fully operational again.
289                           '-' indicates needs_check is not set.
290 ========================= =====================================================
291
292 Messages
293 --------
294
295 Policies will have different tunables, specific to each one, so we
296 need a generic way of getting and setting these.  Device-mapper
297 messages are used.  (A sysfs interface would also be possible.)
298
299 The message format is::
300
301    <key> <value>
302
303 E.g.::
304
305    dmsetup message my_cache 0 sequential_threshold 1024
306
307
308 Invalidation is removing an entry from the cache without writing it
309 back.  Cache blocks can be invalidated via the invalidate_cblocks
310 message, which takes an arbitrary number of cblock ranges.  Each cblock
311 range's end value is "one past the end", meaning 5-10 expresses a range
312 of values from 5 to 9.  Each cblock must be expressed as a decimal
313 value, in the future a variant message that takes cblock ranges
314 expressed in hexadecimal may be needed to better support efficient
315 invalidation of larger caches.  The cache must be in passthrough mode
316 when invalidate_cblocks is used::
317
318    invalidate_cblocks [<cblock>|<cblock begin>-<cblock end>]*
319
320 E.g.::
321
322    dmsetup message my_cache 0 invalidate_cblocks 2345 3456-4567 5678-6789
323
324 Examples
325 ========
326
327 The test suite can be found here:
328
329 https://github.com/jthornber/device-mapper-test-suite
330
331 ::
332
333   dmsetup create my_cache --table '0 41943040 cache /dev/mapper/metadata \
334           /dev/mapper/ssd /dev/mapper/origin 512 1 writeback default 0'
335   dmsetup create my_cache --table '0 41943040 cache /dev/mapper/metadata \
336           /dev/mapper/ssd /dev/mapper/origin 1024 1 writeback \
337           mq 4 sequential_threshold 1024 random_threshold 8'