]> mj.ucw.cz Git - libucw.git/blobdiff - lib/qache.c
More work on the caching module: added some debugging messages,
[libucw.git] / lib / qache.c
index 9f50b3c01d1575e2b3f46bc14559edede86071ab..eeda8fd1a47268b7a8e87e870906f7ff6448c917 100644 (file)
  *     (c) 2005 Martin Mares <mj@ucw.cz>
  */
 
-#include "sherlock/sherlock.h"
+#define LOCAL_DEBUG
 
-#include <sys/mman.h>
+#include "lib/lib.h"
+#include "lib/fastbuf.h"
+#include "lib/qache.h"
 
-/* FIXME: do we really need to msync() the regions on Linux? */
+#include <stdlib.h>
+#include <unistd.h>
+#include <fcntl.h>
+#include <sys/mman.h>
+#include <sys/user.h>
 
 /*
- *  On-disk format:
+ *  The cache lives in a mmapped file of the following format:
  *     qache_header
  *     qache_entry[max_entries]        table of entries and their keys
  *     u32 qache_hash[hash_size]       hash table pointing to keys
+ *     u32 block_next[num_blocks]      next block pointers
  *     padding                         to a multiple of block size
- *     blocks[]                        data blocks, each block starts with u32 next_ptr
+ *     blocks[]                        data blocks
  */
 
 struct qache_header {
   u32 magic;                           /* QCACHE_MAGIC */
   u32 block_size;                      /* Parameters as in qache_params */
+  u32 block_shift;                     /* block_size = 1 << block_shift */
   u32 num_blocks;
   u32 format_id;
   u32 entry_table_start;               /* Array of qache_entry's */
   u32 max_entries;
   u32 hash_table_start;                        /* Hash table containing all keys */
   u32 hash_size;
-  u32 lru_first;                       /* First entry in the LRU */
-  u32 first_free_entry;                        /* Head of the list of free entries */
-  u32 first_free_block;                        /* Head of the list of free blocks */
+  u32 next_table_start;                        /* Array of next pointers */
+  u32 first_data_block;
 };
 
 #define QACHE_MAGIC 0xb79f6d12
 
 struct qache_entry {
-  u32 lru_prev, lru_next;
-  u32 data_len;                                /* ~0 if a free entry */
-  u32 first_data_block;                        /* next free if a free entry */
+  u32 lru_prev, lru_next;              /* Entry #0: head of the cyclic LRU list */
+  u32 data_len;                                /* Entry #0: number of free blocks, Free entries: ~0U */
+  u32 first_data_block;                        /* Entry #0: first free block */
   qache_key_t key;
-  u32 hash_next;
+  u32 hash_next;                       /* Entry #0: first free entry, Free entries: next free */
 };
 
 struct qache {
   struct qache_header *hdr;
+  struct qache_entry *entry_table;
+  u32 *hash_table;
+  u32 *next_table;
   int fd;
   byte *mmap_data;
   uns file_size;
+  byte *file_name;
+  uns locked;
 };
+
+#define first_free_entry entry_table[0].hash_next
+#define first_free_block entry_table[0].first_data_block
+#define num_free_blocks entry_table[0].data_len
+
+static inline byte *
+format_key(qache_key_t *key)
+{
+  static byte keybuf[2*sizeof(qache_key_t)+1];
+  for (uns i=0; i<sizeof(qache_key_t); i++)
+    sprintf(keybuf+2*i, "%02x", (*key)[i]);
+  return keybuf;
+}
+
+static int
+qache_open_existing(struct qache *q, struct qache_params *par)
+{
+  if ((q->fd = open(q->file_name, O_RDWR, 0)) < 0)
+    return 0;
+
+  struct stat st;
+  byte *err = "stat failed";
+  if (fstat(q->fd, &st) < 0)
+    goto close_and_fail;
+
+  err = "invalid file size";
+  if (st.st_size < (int)sizeof(struct qache_header) || (st.st_size % par->block_size))
+    goto close_and_fail;
+  q->file_size = st.st_size;
+
+  err = "requested size change";
+  if (q->file_size != par->cache_size)
+    goto close_and_fail;
+
+  err = "cannot mmap";
+  if ((q->mmap_data = mmap(NULL, q->file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, q->fd, 0)) == MAP_FAILED)
+    goto close_and_fail;
+  struct qache_header *h = (struct qache_header *) q->mmap_data;
+
+  err = "incompatible format";
+  if (h->magic != QACHE_MAGIC ||
+      h->block_size != par->block_size ||
+      h->max_entries != par->max_entries ||
+      h->format_id != par->format_id)
+    goto unmap_and_fail;
+
+  err = "incomplete file";
+  if (h->num_blocks*h->block_size != q->file_size)
+    goto unmap_and_fail;
+
+  /* FIXME: Audit cache file contents */
+
+  log(L_INFO, "Cache %s: using existing data", q->file_name);
+  return 1;
+
+ unmap_and_fail:
+  munmap(q->mmap_data, q->file_size);
+ close_and_fail:
+  log(L_INFO, "Cache %s: ignoring old contents (%s)", q->file_name, err);
+  close(q->fd);
+  return 0;
+}
+
+static void
+qache_create(struct qache *q, struct qache_params *par)
+{
+  q->fd = open(q->file_name, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
+  if (q->fd < 0)
+    die("Cache %s: unable to create (%m)", q->file_name);
+  struct fastbuf *fb = bfdopen_shared(q->fd, 16384);
+
+  struct qache_header h;
+  bzero(&h, sizeof(h));
+  h.magic = QACHE_MAGIC;
+  h.block_size = par->block_size;
+  h.block_shift = fls(h.block_size);
+  h.num_blocks = par->cache_size >> h.block_shift;
+  h.format_id = par->format_id;
+  h.entry_table_start = sizeof(h);
+  h.max_entries = par->max_entries;
+  h.hash_table_start = h.entry_table_start + (h.max_entries+1) * sizeof(struct qache_entry);
+  h.hash_size = 1;
+  while (h.hash_size < h.max_entries)
+    h.hash_size *= 2;
+  h.next_table_start = h.hash_table_start + h.hash_size * 4;
+  h.first_data_block = (h.next_table_start + 4*h.num_blocks + h.block_size - 1) >> h.block_shift;
+  if (h.first_data_block >= h.num_blocks)
+    die("Cache %s: Requested size is too small even to hold the maintenance structures", q->file_name);
+  bwrite(fb, &h, sizeof(h));
+
+  /* Entry #0: heads of all lists */
+  ASSERT(btell(fb) == h.entry_table_start);
+  struct qache_entry ent;
+  bzero(&ent, sizeof(ent));
+  ent.first_data_block = h.first_data_block;
+  ent.data_len = h.num_blocks - h.first_data_block;
+  ent.hash_next = 1;
+  bwrite(fb, &ent, sizeof(ent));
+
+  /* Other entries */
+  bzero(&ent, sizeof(ent));
+  ent.data_len = ~0U;
+  for (uns i=1; i<=h.max_entries; i++)
+    {
+      ent.hash_next = (i == h.max_entries ? 0 : i+1);
+      bwrite(fb, &ent, sizeof(ent));
+    }
+
+  /* The hash table */
+  ASSERT(btell(fb) == h.hash_table_start);
+  for (uns i=0; i<h.hash_size; i++)
+    bputl(fb, 0);
+
+  /* The next pointers */
+  ASSERT(btell(fb) == h.next_table_start);
+  for (uns i=0; i<h.num_blocks; i++)
+    bputl(fb, (i < h.first_data_block || i == h.num_blocks-1) ? 0 : i+1);
+
+  /* Padding */
+  ASSERT(btell(fb) <= h.first_data_block << h.block_shift);
+  while (btell(fb) < h.first_data_block << h.block_shift)
+    bputc(fb, 0);
+
+  /* Data blocks */
+  for (uns i=h.first_data_block; i<h.num_blocks; i++)
+    for (uns j=0; j<h.block_size; j+=4)
+      bputl(fb, 0);
+
+  ASSERT(btell(fb) == par->cache_size);
+  bclose(fb);
+  log(L_INFO, "Cache %s: created (%d bytes, %d slots, %d buckets)", q->file_name, par->cache_size, h.max_entries, h.hash_size);
+
+  if ((q->mmap_data = mmap(NULL, par->cache_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, q->fd, 0)) == MAP_FAILED)
+    die("Cache %s: mmap failed (%m)", par->cache_size);
+  q->file_size = par->cache_size;
+}
+
+struct qache *
+qache_open(struct qache_params *par)
+{
+  struct qache *q = xmalloc_zero(sizeof(*q));
+  q->file_name = xstrdup(par->file_name);
+
+  ASSERT(par->block_size >= 8 && !(par->block_size & (par->block_size-1)));
+  par->cache_size = ALIGN(par->cache_size, par->block_size);
+
+  if (par->force_reset <= 0 && qache_open_existing(q, par))
+    ;
+  else if (par->force_reset < 0)
+    die("Cache %s: read-only access requested, but no data available");
+  else
+    qache_create(q, par);
+
+  /* FIXME: Remember `closed correctly' status */
+
+  q->hdr = (struct qache_header *) q->mmap_data;
+  q->entry_table = (struct qache_entry *) (q->mmap_data + q->hdr->entry_table_start);
+  q->hash_table = (u32 *) (q->mmap_data + q->hdr->hash_table_start);
+  q->next_table = (u32 *) (q->mmap_data + q->hdr->next_table_start);
+  return q;
+}
+
+void
+qache_close(struct qache *q, uns retain_data)
+{
+  munmap(q->mmap_data, q->file_size);
+  close(q->fd);
+  if (!retain_data && unlink(q->file_name) < 0)
+    log(L_ERROR, "Cache %s: unlink failed (%m)", q->file_name);
+  xfree(q->file_name);
+  xfree(q);
+}
+
+static void
+qache_msync(struct qache *q, uns start, uns len)
+{
+  len += (start % PAGE_SIZE);
+  start -= start % PAGE_SIZE;
+  len = ALIGN(len, PAGE_SIZE);
+  if (msync(q->mmap_data + start, len, MS_ASYNC | MS_INVALIDATE) < 0)
+    log(L_ERROR, "Cache %s: msync failed: %m", q->file_name);
+  /* FIXME: Do we need this on Linux? */
+}
+
+static void
+qache_msync_block(struct qache *q, uns blk)
+{
+  DBG("\tSyncing block %d", blk);
+  qache_msync(q, blk << q->hdr->block_shift, q->hdr->block_size);
+}
+
+static void
+qache_lock(struct qache *q)
+{
+  /* We cannot use flock() since it happily permits locking a shared fd (e.g., after fork()) multiple times */
+  ASSERT(!q->locked);
+  struct flock fl = { .l_type = F_WRLCK, .l_whence = SEEK_SET, .l_start = 0, .l_len = sizeof(struct qache_header) };
+  if (fcntl(q->fd, F_SETLKW, &fl) < 0)
+    die("fcntl lock on %s: %m", q->file_name);
+  q->locked = 1;
+  DBG("Locked cache %s", q->file_name);
+}
+
+static void
+qache_unlock(struct qache *q, uns dirty)
+{
+  ASSERT(q->locked);
+  if (dirty)                           /* Sync header, entry table and hash table */
+    qache_msync(q, 0, q->hdr->first_data_block << q->hdr->block_shift);
+  struct flock fl = { .l_type = F_UNLCK, .l_whence = SEEK_SET, .l_start = 0, .l_len = sizeof(struct qache_header) };
+  if (fcntl(q->fd, F_SETLKW, &fl) < 0)
+    die("fcntl unlock on %s: %m", q->file_name);
+  q->locked = 0;
+  DBG("Unlocked cache %s (dirty=%d)", q->file_name, dirty);
+}
+
+static uns
+qache_hash(struct qache *q, qache_key_t *key)
+{
+  uns h = ((*key)[0] << 24) | ((*key)[1] << 16) | ((*key)[2] << 8) | (*key)[3];
+  return h % q->hdr->hash_size;
+}
+
+static uns
+qache_hash_find(struct qache *q, qache_key_t *key, uns pos_hint)
+{
+  ASSERT(q->locked);
+
+  if (pos_hint && pos_hint <= q->hdr->max_entries && !memcmp(q->entry_table[pos_hint].key, key, sizeof(*key)))
+    return pos_hint;
+
+  uns h = qache_hash(q, key);
+  for (uns e = q->hash_table[h]; e; e=q->entry_table[e].hash_next)
+    if (!memcmp(q->entry_table[e].key, key, sizeof(*key)))
+      return e;
+  return 0;
+}
+
+static void
+qache_hash_insert(struct qache *q, uns e)
+{
+  uns h = qache_hash(q, &q->entry_table[e].key);
+  q->entry_table[e].hash_next = q->hash_table[h];
+  q->hash_table[h] = e;
+}
+
+static void
+qache_hash_remove(struct qache *q, uns e)
+{
+  struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+  uns f, *hh;
+  for (hh=&q->hash_table[qache_hash(q, &entry->key)]; f=*hh; hh=&(q->entry_table[f].hash_next))
+    if (!memcmp(q->entry_table[f].key, entry->key, sizeof(qache_key_t)))
+      {
+       *hh = entry->hash_next;
+       return;
+      }
+  ASSERT(0);
+}
+
+static uns
+qache_alloc_entry(struct qache *q)
+{
+  uns e = q->first_free_entry;
+  ASSERT(q->locked && e);
+  struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+  ASSERT(entry->data_len == ~0U);
+  q->first_free_entry = entry->hash_next;
+  entry->data_len = 0;
+  return e;
+}
+
+static void
+qache_free_entry(struct qache *q, uns e)
+{
+  struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+  ASSERT(q->locked && entry->data_len != ~0U);
+  entry->data_len = ~0U;
+  entry->hash_next = q->first_free_entry;
+  q->first_free_entry = e;
+}
+
+static inline void *
+get_block_start(struct qache *q, uns block)
+{
+  ASSERT(block && block < q->hdr->num_blocks);
+  return q->mmap_data + (block << q->hdr->block_shift);
+}
+
+static uns
+qache_alloc_block(struct qache *q)
+{
+  ASSERT(q->locked && q->num_free_blocks);
+  uns blk = q->first_free_block;
+  q->first_free_block = q->next_table[blk];
+  q->num_free_blocks--;
+  DBG("\tAllocated block %d", blk);
+  return blk;
+}
+
+static void
+qache_free_block(struct qache *q, uns blk)
+{
+  ASSERT(q->locked);
+  q->next_table[blk] = q->first_free_block;
+  q->first_free_block = blk;
+  q->num_free_blocks++;
+  DBG("\tFreed block %d", blk);
+}
+
+static void
+qache_lru_insert(struct qache *q, uns e)
+{
+  struct qache_entry *head = &q->entry_table[0];
+  struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+  ASSERT(q->locked && !entry->lru_prev && !entry->lru_next);
+  uns succe = head->lru_next;
+  struct qache_entry *succ = &q->entry_table[succe];
+  head->lru_next = e;
+  entry->lru_prev = 0;
+  entry->lru_next = succe;
+  succ->lru_prev = e;
+}
+
+static void
+qache_lru_remove(struct qache *q, uns e)
+{
+  ASSERT(q->locked);
+  struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+  q->entry_table[entry->lru_prev].lru_next = entry->lru_next;
+  q->entry_table[entry->lru_next].lru_prev = entry->lru_prev;
+  entry->lru_prev = entry->lru_next = 0;
+}
+
+static uns
+qache_lru_get(struct qache *q)
+{
+  return q->entry_table[0].lru_prev;
+}
+
+static void
+qache_ll_delete(struct qache *q, uns e)
+{
+  struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+  uns blk = entry->first_data_block;
+  while (entry->data_len)
+    {
+      uns next = q->next_table[blk];
+      qache_free_block(q, blk);
+      blk = next;
+      if (entry->data_len >= q->hdr->block_size)
+       entry->data_len -= q->hdr->block_size;
+      else
+       entry->data_len = 0;
+    }
+  qache_lru_remove(q, e);
+  qache_hash_remove(q, e);
+  qache_free_entry(q, e);
+}
+
+uns
+qache_insert(struct qache *q, qache_key_t *key, uns pos_hint, void *data, uns size)
+{
+  qache_lock(q);
+
+  uns e = qache_hash_find(q, key, pos_hint);
+  if (e)
+    {
+      qache_ll_delete(q ,e);
+      DBG("Insert <%s>: deleting old entry %d", format_key(key), e);
+    }
+
+  uns blocks = (size + q->hdr->block_size - 1) >> q->hdr->block_shift;
+  if (blocks > q->hdr->num_blocks - q->hdr->first_data_block)
+    {
+      qache_unlock(q, 0);
+      return 0;
+    }
+  while (q->num_free_blocks < blocks || !q->first_free_entry)
+    {
+      e = qache_lru_get(q);
+      DBG("Insert <%s>: evicting entry %d to make room for %d blocks", format_key(key), e, blocks);
+      ASSERT(e);
+      qache_ll_delete(q, e);
+    }
+  e = qache_alloc_entry(q);
+  struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+  entry->data_len = size;
+  memcpy(entry->key, key, sizeof(*key));
+  DBG("Insert <%s>: created entry %d with %d data blocks", format_key(key), e, blocks);
+
+  entry->first_data_block = 0;
+  while (size)
+    {
+      uns chunk = (size & (q->hdr->block_size-1)) ? : q->hdr->block_size;
+      uns blk = qache_alloc_block(q);
+      q->next_table[blk] = entry->first_data_block;
+      memcpy(get_block_start(q, blk), data+size-chunk, chunk);
+      qache_msync_block(q, blk);
+      entry->first_data_block = blk;
+      size -= chunk;
+    }
+
+  qache_lru_insert(q, e);
+  qache_hash_insert(q, e);
+  qache_unlock(q, 1);
+  return e;
+}
+
+uns
+qache_lookup(struct qache *q, qache_key_t *key, uns pos_hint, void **datap, uns *sizep, uns start)
+{
+  qache_lock(q);
+  uns e = qache_hash_find(q, key, pos_hint);
+  if (e)
+    {
+      struct qache_entry *entry = &q->entry_table[e];
+      DBG("Lookup <%s>: found entry %d", format_key(key), e);
+      qache_lru_remove(q, e);
+      qache_lru_insert(q, e);
+      if (sizep)
+       {
+         uns size = *sizep;
+         uns avail = (size > entry->data_len) ? 0 : entry->data_len - size;
+         uns xfer = MIN(*sizep, avail);
+         *sizep = avail;
+         if (datap)
+           {
+             if (!*datap)
+               *datap = xmalloc(xfer);
+             uns blk = entry->first_data_block;
+             while (start >= q->hdr->block_size)
+               {
+                 blk = q->next_table[blk];
+                 start -= q->hdr->block_size;
+               }
+             byte *data = *datap;
+             while (xfer)
+               {
+                 uns len = MIN(xfer, q->hdr->block_size - start);
+                 memcpy(data, get_block_start(q, blk), len);
+                 blk = q->next_table[blk];
+                 data += len;
+                 xfer -= len;
+                 start = 0;
+               }
+           }
+       }
+      else
+       ASSERT(!datap);
+      qache_unlock(q, 1);     /* Yes, modified -- we update the LRU */
+    }
+  else
+    {
+      DBG("Lookup <%s>: not found", format_key(key));
+      qache_unlock(q, 0);
+    }
+  return e;
+}
+
+uns
+qache_delete(struct qache *q, qache_key_t *key, uns pos_hint)
+{
+  qache_lock(q);
+  uns e = qache_hash_find(q, key, pos_hint);
+  if (e)
+    {
+      DBG("Delete <%s: deleting entry %d", format_key(key), e);
+      qache_ll_delete(q, e);
+    }
+  else
+    DBG("Delete <%s>: No match", format_key(key));
+  qache_unlock(q, 1);
+  return e;
+}
+
+void
+qache_debug(struct qache *q)
+{
+  log(L_DEBUG, "Cache %s: block_size=%d (%d data), num_blocks=%d (%d first data), %d slots, %d hash buckets",
+      q->file_name, q->hdr->block_size, q->hdr->block_size, q->hdr->num_blocks, q->hdr->first_data_block,
+      q->hdr->max_entries, q->hdr->hash_size);
+
+  log(L_DEBUG, "Table of cache entries:");
+  log(L_DEBUG, "\tEntry\tLruPrev\tLruNext\tDataLen\tDataBlk\tHashNxt\tKey");
+  for (uns e=0; e<=q->hdr->max_entries; e++)
+    {
+      struct qache_entry *ent = &q->entry_table[e];
+      log(L_DEBUG, "\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%s", e, ent->lru_prev, ent->lru_next, ent->data_len,
+         ent->first_data_block, ent->hash_next, format_key(&ent->key));
+    }
+
+  log(L_DEBUG, "Hash table:");
+  for (uns h=0; h<q->hdr->hash_size; h++)
+    log(L_DEBUG, "\t%04x\t%d", h, q->hash_table[h]);
+
+  log(L_DEBUG, "Next pointers:");
+  for (uns blk=q->hdr->first_data_block; blk<q->hdr->num_blocks; blk++)
+    log(L_DEBUG, "\t%d\t%d", blk, q->next_table[blk]);
+}
+
+#ifdef TEST
+
+int main(int argc UNUSED, char **argv UNUSED)
+{
+  struct qache_params par = {
+    .file_name = "tmp/test",
+    .block_size = 256,
+    .cache_size = 65536,
+    .max_entries = 123,
+    .force_reset = 0,
+    .format_id = 0xfeedcafe
+  };
+  struct qache *q = qache_open(&par);
+
+  qache_key_t key = { 0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9a, 0xbc, 0xde, 0xf0, 0x01, 0x23, 0x45, 0x67, 0x89, 0xab, 0xcd, 0xef };
+  byte data[1000] = { '1', '2', '3', '4', '5' };
+  for (uns i=0; i<100; i++)
+    {
+      qache_insert(q, &key, 0, data, 10*i);
+      key[15]++;
+    }
+  qache_debug(q);
+
+  qache_lookup(q, &key, 0, NULL, NULL, 0);
+
+  qache_close(q, 1);
+  return 0;
+}
+
+#endif