lib/db.c

   1 /*
   2  *      Sherlock Library -- Fast Database Management Routines
   3  *
   4  *      (c) 1999--2000 Martin Mares <mj@atrey.karlin.mff.cuni.cz>
   5  */
   6
   7 /*
   8  *  This library uses the standard algorithm for external hashing (page directory
   9  *  mapping topmost K bits of hash value to page address, directory splits and
  10  *  so on). Peculiarities of this implementation (aka design decisions):
  11  *
  12  *   o  We allow both fixed and variable length keys and values (this includes
  13  *      zero size values for cases you want to represent only a set of keys).
  14  *   o  We assume that key_size + val_size < page_size.
  15  *   o  We never shrink the directory nor free empty pages. (The reason is that
  16  *      if the database was once large, it's likely it will again become large soon.)
  17  *   o  The only pages which can be freed are those of the directory (during
  18  *      directory split), so we keep only a simple 32-entry free block list
  19  *      and we assume it's sorted.
  20  */
  21
  22 #include <stdio.h>
  23 #include <stdlib.h>
  24 #include <string.h>
  25 #include <fcntl.h>
  26 #include <unistd.h>
  27
  28 #include "lib.h"
  29 #include "lfs.h"
  30 #include "pagecache.h"
  31 #include "db.h"
  32 #include "db_internal.h"
  33
  34 struct sdbm *
  35 sdbm_open(struct sdbm_options *o)
  36 {
  37   struct sdbm *d;
  38   struct sdbm_root root, *r;
  39   uns cache_size = o->cache_size ? o->cache_size : 16;
  40
  41   d = xmalloc(sizeof(struct sdbm));
  42   bzero(d, sizeof(*d));
  43   d->flags = o->flags;
  44   d->fd = sh_open(o->name, ((d->flags & SDBM_WRITE) ? O_RDWR : O_RDONLY), 0666);
  45   if (d->fd >= 0)                       /* Already exists, let's check it */
  46     {
  47       if (read(d->fd, &root, sizeof(root)) != sizeof(root))
  48         goto bad;
  49       if (root.magic != SDBM_MAGIC || root.version != SDBM_VERSION)
  50         goto bad;
  51       d->file_size = sh_seek(d->fd, 0, SEEK_END);
  52       d->page_size = 1 << root.page_order;
  53       d->cache = pgc_open(d->page_size, cache_size);
  54       d->root_page = pgc_read(d->cache, d->fd, 0);
  55       d->root = (void *) d->root_page->data;
  56     }
  57   else if ((d->flags & SDBM_CREAT) && (d->fd = sh_open(o->name, O_RDWR | O_CREAT, 0666)) >= 0)
  58     {
  59       struct page *q;
  60       uns page_order = o->page_order;
  61       if (page_order < 10)
  62         page_order = 10;
  63       d->page_size = 1 << page_order;
  64       d->cache = pgc_open(d->page_size, cache_size);
  65       d->root_page = pgc_get_zero(d->cache, d->fd, 0);
  66       r = d->root = (void *) d->root_page->data;                 /* Build root page */
  67       r->magic = SDBM_MAGIC;
  68       r->version = SDBM_VERSION;
  69       r->page_order = page_order;
  70       r->key_size = o->key_size;
  71       r->val_size = o->val_size;
  72       r->dir_start = d->page_size;
  73       r->dir_order = 0;
  74       d->file_size = 3*d->page_size;
  75       q = pgc_get_zero(d->cache, d->fd, d->page_size);          /* Build page directory */
  76       ((u32 *)q->data)[0] = 2*d->page_size;
  77       pgc_put(d->cache, q);
  78       q = pgc_get_zero(d->cache, d->fd, 2*d->page_size);        /* Build single data page */
  79       pgc_put(d->cache, q);
  80     }
  81   else
  82     goto bad;
  83   d->dir_size = 1 << d->root->dir_order;
  84   d->dir_shift = 32 - d->root->dir_order;
  85   d->page_order = d->root->page_order;
  86   d->page_mask = d->page_size - 1;
  87   d->key_size = d->root->key_size;
  88   d->val_size = d->root->val_size;
  89   return d;
  90
  91 bad:
  92   sdbm_close(d);
  93   return NULL;
  94 }
  95
  96 void
  97 sdbm_close(struct sdbm *d)
  98 {
  99   if (d->root_page)
 100     pgc_put(d->cache, d->root_page);
 101   if (d->cache)
 102     pgc_close(d->cache);
 103   if (d->fd >= 0)
 104     close(d->fd);
 105   free(d);
 106 }
 107
 108 static uns
 109 sdbm_alloc_pages(struct sdbm *d, uns number)
 110 {
 111   uns where = d->file_size;
 112   uns size = number << d->page_order;
 113   if (d->file_size + size < d->file_size)       /* Wrap around? */
 114     die("SDB: Database file too large, giving up");
 115   d->file_size += size;
 116   return where;
 117 }
 118
 119 static uns
 120 sdbm_alloc_page(struct sdbm *d)
 121 {
 122   uns pos;
 123
 124   if (!d->root->free_pool[0].count)
 125     return sdbm_alloc_pages(d, 1);
 126   pos = d->root->free_pool[0].first;
 127   d->root->free_pool[0].first += d->page_size;
 128   if (!--d->root->free_pool[0].count)
 129     {
 130       memmove(d->root->free_pool, d->root->free_pool+1, SDBM_NUM_FREE_PAGE_POOLS * sizeof(d->root->free_pool[0]));
 131       d->root->free_pool[SDBM_NUM_FREE_PAGE_POOLS-1].count = 0;
 132     }
 133   pgc_mark_dirty(d->cache, d->root_page);
 134   return pos;
 135 }
 136
 137 static void
 138 sdbm_free_pages(struct sdbm *d, uns start, uns number)
 139 {
 140   uns i = 0;
 141
 142   while (d->root->free_pool[i].count)
 143     i++;
 144   d->root->free_pool[i].first = start;
 145   d->root->free_pool[i].count = number;
 146   pgc_mark_dirty(d->cache, d->root_page);
 147 }
 148
 149 static u32
 150 sdbm_hash(byte *key, uns keylen)
 151 {
 152   /*
 153    *  This used to be the same hash function as GDBM uses,
 154    *  but it turned out that it tends to give the same results
 155    *  on similar keys. Damn it.
 156    */
 157   u32 value = 0x238F13AF * keylen;
 158   while (keylen--)
 159     value = 37*value + *key++;
 160   return (1103515243 * value + 12345);
 161 }
 162
 163 static int
 164 sdbm_get_entry(struct sdbm *d, byte *pos, byte **key, uns *keylen, byte **val, uns *vallen)
 165 {
 166   byte *p = pos;
 167
 168   if (d->key_size >= 0)
 169     *keylen = d->key_size;
 170   else
 171     {
 172       *keylen = (p[0] << 8) | p[1];
 173       p += 2;
 174     }
 175   *key = p;
 176   p += *keylen;
 177   if (d->val_size >= 0)
 178     *vallen = d->val_size;
 179   else
 180     {
 181       *vallen = (p[0] << 8) | p[1];
 182       p += 2;
 183     }
 184   *val = p;
 185   p += *vallen;
 186   return p - pos;
 187 }
 188
 189 static int
 190 sdbm_entry_len(struct sdbm *d, uns keylen, uns vallen)
 191 {
 192   uns len = keylen + vallen;
 193   if (d->key_size < 0)
 194     len += 2;
 195   if (d->val_size < 0)
 196     len += 2;
 197   return len;
 198 }
 199
 200 static void
 201 sdbm_store_entry(struct sdbm *d, byte *pos, byte *key, uns keylen, byte *val, uns vallen)
 202 {
 203   if (d->key_size < 0)
 204     {
 205       *pos++ = keylen >> 8;
 206       *pos++ = keylen;
 207     }
 208   memmove(pos, key, keylen);
 209   pos += keylen;
 210   if (d->val_size < 0)
 211     {
 212       *pos++ = vallen >> 8;
 213       *pos++ = vallen;
 214     }
 215   memmove(pos, val, vallen);
 216 }
 217
 218 static uns
 219 sdbm_page_rank(struct sdbm *d, uns dirpos)
 220 {
 221   struct page *b;
 222   u32 pg, x;
 223   uns l, r;
 224   uns pm = d->page_mask;
 225
 226   b = pgc_read(d->cache, d->fd, d->root->dir_start + (dirpos & ~pm));
 227   pg = GET32(b->data, dirpos & pm);
 228   l = dirpos;
 229   while ((l & pm) && GET32(b->data, (l - 4) & pm) == pg)
 230     l -= 4;
 231   r = dirpos + 4;
 232   /* We heavily depend on unused directory entries being zero */
 233   while ((r & pm) && GET32(b->data, r & pm) == pg)
 234     r += 4;
 235   pgc_put(d->cache, b);
 236
 237   if (!(l & pm) && !(r & pm))
 238     {
 239       /* Note that if it spans page boundary, it must contain an integer number of pages */
 240       while (l)
 241         {
 242           b = pgc_read(d->cache, d->fd, d->root->dir_start + ((l - 4) & ~pm));
 243           x = GET32(b->data, 0);
 244           pgc_put(d->cache, b);
 245           if (x != pg)
 246             break;
 247           l -= d->page_size;
 248         }
 249       while (r < 4*d->dir_size)
 250         {
 251           b = pgc_read(d->cache, d->fd, d->root->dir_start + (r & ~pm));
 252           x = GET32(b->data, 0);
 253           pgc_put(d->cache, b);
 254           if (x != pg)
 255             break;
 256           r += d->page_size;
 257         }
 258     }
 259   return (r - l) >> 2;
 260 }
 261
 262 static void
 263 sdbm_expand_directory(struct sdbm *d)
 264 {
 265   struct page *b, *c;
 266   int i, ent;
 267   u32 *dir, *t;
 268
 269   if (4*d->dir_size < d->page_size)
 270     {
 271       /* It still fits within single page */
 272       b = pgc_read(d->cache, d->fd, d->root->dir_start);
 273       dir = (u32 *) b->data;
 274       for(i=d->dir_size-1; i>=0; i--)
 275         dir[2*i] = dir[2*i+1] = dir[i];
 276       pgc_mark_dirty(d->cache, b);
 277       pgc_put(d->cache, b);
 278     }
 279   else
 280     {
 281       uns old_dir = d->root->dir_start;
 282       uns old_dir_pages = 1 << (d->root->dir_order + 2 - d->page_order);
 283       uns page, new_dir;
 284       new_dir = d->root->dir_start = sdbm_alloc_pages(d, 2*old_dir_pages);
 285       ent = 1 << (d->page_order - 3);
 286       for(page=0; page < old_dir_pages; page++)
 287         {
 288           b = pgc_read(d->cache, d->fd, old_dir + (page << d->page_order));
 289           dir = (u32 *) b->data;
 290           c = pgc_get(d->cache, d->fd, new_dir + (page << (d->page_order + 1)));
 291           t = (u32 *) c->data;
 292           for(i=0; i<ent; i++)
 293             t[2*i] = t[2*i+1] = dir[i];
 294           pgc_put(d->cache, c);
 295           c = pgc_get(d->cache, d->fd, new_dir + (page << (d->page_order + 1)) + d->page_size);
 296           t = (u32 *) c->data;
 297           for(i=0; i<ent; i++)
 298             t[2*i] = t[2*i+1] = dir[ent+i];
 299           pgc_put(d->cache, c);
 300           pgc_put(d->cache, b);
 301         }
 302       if (!(d->flags & SDBM_FAST))
 303         {
 304           /*
 305            *  Unless in super-fast mode, fill old directory pages with zeroes.
 306            *  This slows us down a bit, but allows database reconstruction after
 307            *  the free list is lost.
 308            */
 309           for(page=0; page < old_dir_pages; page++)
 310             {
 311               b = pgc_get_zero(d->cache, d->fd, old_dir + (page << d->page_order));
 312               pgc_put(d->cache, b);
 313             }
 314         }
 315       sdbm_free_pages(d, old_dir, old_dir_pages);
 316     }
 317
 318   d->root->dir_order++;
 319   d->dir_size = 1 << d->root->dir_order;
 320   d->dir_shift = 32 - d->root->dir_order;
 321   pgc_mark_dirty(d->cache, d->root_page);
 322   if (!(d->flags & SDBM_FAST))
 323     sdbm_sync(d);
 324 }
 325
 326 static void
 327 sdbm_split_data(struct sdbm *d, struct sdbm_bucket *s, struct sdbm_bucket *d0, struct sdbm_bucket *d1, uns sigbit)
 328 {
 329   byte *sp = s->data;
 330   byte *dp[2] = { d0->data, d1->data };
 331   byte *K, *D;
 332   uns Kl, Dl, sz, i;
 333
 334   while (sp < s->data + s->used)
 335     {
 336       sz = sdbm_get_entry(d, sp, &K, &Kl, &D, &Dl);
 337       sp += sz;
 338       i = (sdbm_hash(K, Kl) & (1 << sigbit)) ? 1 : 0;
 339       sdbm_store_entry(d, dp[i], K, Kl, D, Dl);
 340       dp[i] += sz;
 341     }
 342   d0->used = dp[0] - d0->data;
 343   d1->used = dp[1] - d1->data;
 344 }
 345
 346 static void
 347 sdbm_split_dir(struct sdbm *d, uns dirpos, uns count, uns pos)
 348 {
 349   struct page *b;
 350   uns i;
 351
 352   count *= 4;
 353   while (count)
 354     {
 355       b = pgc_read(d->cache, d->fd, d->root->dir_start + (dirpos & ~d->page_mask));
 356       i = d->page_size - (dirpos & d->page_mask);
 357       if (i > count)
 358         i = count;
 359       count -= i;
 360       while (i)
 361         {
 362           GET32(b->data, dirpos & d->page_mask) = pos;
 363           dirpos += 4;
 364           i -= 4;
 365         }
 366       pgc_mark_dirty(d->cache, b);
 367       pgc_put(d->cache, b);
 368     }
 369 }
 370
 371 static inline uns
 372 sdbm_dirpos(struct sdbm *d, uns hash)
 373 {
 374   if (d->dir_shift != 32)               /* avoid shifting by 32 bits */
 375     return (hash >> d->dir_shift) << 2; /* offset in the directory */
 376   else
 377     return 0;
 378 }
 379
 380 static struct page *
 381 sdbm_split_page(struct sdbm *d, struct page *b, u32 hash)
 382 {
 383   struct page *p[2];
 384   uns i, rank, sigbit, rank_log, dirpos;
 385
 386   dirpos = sdbm_dirpos(d, hash);
 387   rank = sdbm_page_rank(d, dirpos);     /* rank = # of pointers to this page */
 388   if (rank == 1)
 389     {
 390       sdbm_expand_directory(d);
 391       rank = 2;
 392       dirpos *= 2;
 393     }
 394   rank_log = 1;                         /* rank_log = log2(rank) */
 395   while ((1U << rank_log) < rank)
 396     rank_log++;
 397   sigbit = d->dir_shift + rank_log - 1; /* sigbit = bit we split on */
 398   p[0] = b;
 399   p[1] = pgc_get(d->cache, d->fd, sdbm_alloc_page(d));
 400   sdbm_split_data(d, (void *) b->data, (void *) p[0]->data, (void *) p[1]->data, sigbit);
 401   sdbm_split_dir(d, (dirpos & ~(4*rank - 1))+2*rank, rank/2, p[1]->pos);
 402   pgc_mark_dirty(d->cache, p[0]);
 403   i = (hash & (1 << sigbit)) ? 1 : 0;
 404   pgc_put(d->cache, p[!i]);
 405   return p[i];
 406 }
 407
 408 static int
 409 sdbm_put_user(byte *D, uns Dl, byte *val, uns *vallen)
 410 {
 411   if (vallen)
 412     {
 413       if (*vallen < Dl)
 414         return 1;
 415       *vallen = Dl;
 416     }
 417   if (val)
 418     memcpy(val, D, Dl);
 419   return 0;
 420 }
 421
 422 static int
 423 sdbm_access(struct sdbm *d, byte *key, uns keylen, byte *val, uns *vallen, uns mode)    /* 0=read, 1=store, 2=replace */
 424 {
 425   struct page *p, *q;
 426   u32 hash, h, pos, size;
 427   struct sdbm_bucket *b;
 428   byte *c, *e;
 429   int rc;
 430
 431   if ((d->key_size >= 0 && keylen != (uns) d->key_size) || keylen > 65535)
 432     return SDBM_ERROR_BAD_KEY_SIZE;
 433   if (val && ((d->val_size >= 0 && *vallen != (uns) d->val_size) || *vallen >= 65535) && mode)
 434     return SDBM_ERROR_BAD_VAL_SIZE;
 435   if (!mode && !(d->flags & SDBM_WRITE))
 436     return SDBM_ERROR_READ_ONLY;
 437   hash = sdbm_hash(key, keylen);
 438   h = sdbm_dirpos(d, hash);
 439   p = pgc_read(d->cache, d->fd, d->root->dir_start + (h & ~d->page_mask));
 440   pos = GET32(p->data, h & d->page_mask);
 441   pgc_put(d->cache, p);
 442   q = pgc_read(d->cache, d->fd, pos);
 443   b = (void *) q->data;
 444   c = b->data;
 445   e = c + b->used;
 446   while (c < e)
 447     {
 448       byte *K, *D;
 449       uns Kl, Dl, s;
 450       s = sdbm_get_entry(d, c, &K, &Kl, &D, &Dl);
 451       if (Kl == keylen && !memcmp(K, key, Kl))
 452         {
 453           /* Gotcha! */
 454           switch (mode)
 455             {
 456             case 0:                     /* fetch: found */
 457               rc = sdbm_put_user(D, Dl, val, vallen);
 458               pgc_put(d->cache, q);
 459               return rc ? SDBM_ERROR_TOO_LARGE : 1;
 460             case 1:                     /* store: already present */
 461               pgc_put(d->cache, q);
 462               return 0;
 463             default:                    /* replace: delete the old one */
 464               memmove(c, c+s, e-(c+s));
 465               b->used -= s;
 466               goto insert;
 467             }
 468         }
 469       c += s;
 470     }
 471   if (!mode || !val)            /* fetch or delete: no success */
 472     {
 473       pgc_put(d->cache, q);
 474       return 0;
 475     }
 476
 477 insert:
 478   if (val)
 479     {
 480       size = sdbm_entry_len(d, keylen, *vallen);
 481       while (b->used + size > d->page_size - sizeof(struct sdbm_bucket))
 482         {
 483           /* Page overflow, need to split */
 484           if (size >= d->page_size - sizeof(struct sdbm_bucket))
 485             {
 486               pgc_put(d->cache, q);
 487               return SDBM_ERROR_GIANT;
 488             }
 489           q = sdbm_split_page(d, q, hash);
 490           b = (void *) q->data;
 491         }
 492       sdbm_store_entry(d, b->data + b->used, key, keylen, val, *vallen);
 493       b->used += size;
 494     }
 495   pgc_mark_dirty(d->cache, q);
 496   pgc_put(d->cache, q);
 497   if (d->flags & SDBM_SYNC)
 498     sdbm_sync(d);
 499   return 1;
 500 }
 501
 502 int
 503 sdbm_store(struct sdbm *d, byte *key, uns keylen, byte *val, uns vallen)
 504 {
 505   return sdbm_access(d, key, keylen, val, &vallen, 1);
 506 }
 507
 508 int
 509 sdbm_replace(struct sdbm *d, byte *key, uns keylen, byte *val, uns vallen)
 510 {
 511   return sdbm_access(d, key, keylen, val, &vallen, 2);
 512 }
 513
 514 int
 515 sdbm_delete(struct sdbm *d, byte *key, uns keylen)
 516 {
 517   return sdbm_access(d, key, keylen, NULL, NULL, 2);
 518 }
 519
 520 int
 521 sdbm_fetch(struct sdbm *d, byte *key, uns keylen, byte *val, uns *vallen)
 522 {
 523   return sdbm_access(d, key, keylen, val, vallen, 0);
 524 }
 525
 526 void
 527 sdbm_rewind(struct sdbm *d)
 528 {
 529   d->find_pos = d->page_size;
 530   d->find_free_list = 0;
 531 }
 532
 533 int
 534 sdbm_get_next(struct sdbm *d, byte *key, uns *keylen, byte *val, uns *vallen)
 535 {
 536   uns pos = d->find_pos;
 537   byte *K, *V;
 538   uns c, Kl, Vl;
 539   struct page *p;
 540   struct sdbm_bucket *b;
 541
 542   for(;;)
 543     {
 544       c = pos & d->page_mask;
 545       if (!c)
 546         {
 547           if (pos >= d->file_size)
 548             break;
 549           if (pos == d->root->dir_start)
 550             pos += (4*d->dir_size + d->page_size - 1) & ~d->page_mask;
 551           else if (pos == d->root->free_pool[d->find_free_list].first)
 552             pos += d->root->free_pool[d->find_free_list++].count << d->page_order;
 553           else
 554             pos += 4;
 555           continue;
 556         }
 557       p = pgc_read(d->cache, d->fd, pos & ~d->page_mask);
 558       b = (void *) p->data;
 559       if (c - 4 >= b->used)
 560         {
 561           pos = (pos & ~d->page_mask) + d->page_size;
 562           pgc_put(d->cache, p);
 563           continue;
 564         }
 565       c = sdbm_get_entry(d, p->data + c, &K, &Kl, &V, &Vl);
 566       d->find_pos = pos + c;
 567       c = sdbm_put_user(K, Kl, key, keylen) ||
 568           sdbm_put_user(V, Vl, val, vallen);
 569       pgc_put(d->cache, p);
 570       return c ? SDBM_ERROR_TOO_LARGE : 1;
 571     }
 572   d->find_pos = pos;
 573   return 0;
 574 }
 575
 576 void
 577 sdbm_sync(struct sdbm *d)
 578 {
 579   pgc_flush(d->cache);
 580   if (d->flags & SDBM_FSYNC)
 581     fsync(d->fd);
 582 }