fscache: Rewrite documentation
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / caching / backend-api.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 =================
4 Cache Backend API
5 =================
6
7 The FS-Cache system provides an API by which actual caches can be supplied to
8 FS-Cache for it to then serve out to network filesystems and other interested
9 parties.  This API is used by::
10
11         #include <linux/fscache-cache.h>.
12
13
14 Overview
15 ========
16
17 Interaction with the API is handled on three levels: cache, volume and data
18 storage, and each level has its own type of cookie object:
19
20         ======================= =======================
21         COOKIE                  C TYPE
22         ======================= =======================
23         Cache cookie            struct fscache_cache
24         Volume cookie           struct fscache_volume
25         Data storage cookie     struct fscache_cookie
26         ======================= =======================
27
28 Cookies are used to provide some filesystem data to the cache, manage state and
29 pin the cache during access in addition to acting as reference points for the
30 API functions.  Each cookie has a debugging ID that is included in trace points
31 to make it easier to correlate traces.  Note, though, that debugging IDs are
32 simply allocated from incrementing counters and will eventually wrap.
33
34 The cache backend and the network filesystem can both ask for cache cookies -
35 and if they ask for one of the same name, they'll get the same cookie.  Volume
36 and data cookies, however, are created at the behest of the filesystem only.
37
38
39 Cache Cookies
40 =============
41
42 Caches are represented in the API by cache cookies.  These are objects of
43 type::
44
45         struct fscache_cache {
46                 void            *cache_priv;
47                 unsigned int    debug_id;
48                 char            *name;
49                 ...
50         };
51
52 There are a few fields that the cache backend might be interested in.  The
53 ``debug_id`` can be used in tracing to match lines referring to the same cache
54 and ``name`` is the name the cache was registered with.  The ``cache_priv``
55 member is private data provided by the cache when it is brought online.  The
56 other fields are for internal use.
57
58
59 Registering a Cache
60 ===================
61
62 When a cache backend wants to bring a cache online, it should first register
63 the cache name and that will get it a cache cookie.  This is done with::
64
65         struct fscache_cache *fscache_acquire_cache(const char *name);
66
67 This will look up and potentially create a cache cookie.  The cache cookie may
68 have already been created by a network filesystem looking for it, in which case
69 that cache cookie will be used.  If the cache cookie is not in use by another
70 cache, it will be moved into the preparing state, otherwise it will return
71 busy.
72
73 If successful, the cache backend can then start setting up the cache.  In the
74 event that the initialisation fails, the cache backend should call::
75
76         void fscache_relinquish_cookie(struct fscache_cache *cache);
77
78 to reset and discard the cookie.
79
80
81 Bringing a Cache Online
82 =======================
83
84 Once the cache is set up, it can be brought online by calling::
85
86         int fscache_add_cache(struct fscache_cache *cache,
87                               const struct fscache_cache_ops *ops,
88                               void *cache_priv);
89
90 This stores the cache operations table pointer and cache private data into the
91 cache cookie and moves the cache to the active state, thereby allowing accesses
92 to take place.
93
94
95 Withdrawing a Cache From Service
96 ================================
97
98 The cache backend can withdraw a cache from service by calling this function::
99
100         void fscache_withdraw_cache(struct fscache_cache *cache);
101
102 This moves the cache to the withdrawn state to prevent new cache- and
103 volume-level accesses from starting and then waits for outstanding cache-level
104 accesses to complete.
105
106 The cache must then go through the data storage objects it has and tell fscache
107 to withdraw them, calling::
108
109         void fscache_withdraw_cookie(struct fscache_cookie *cookie);
110
111 on the cookie that each object belongs to.  This schedules the specified cookie
112 for withdrawal.  This gets offloaded to a workqueue.  The cache backend can
113 test for completion by calling::
114
115         bool fscache_are_objects_withdrawn(struct fscache_cookie *cache);
116
117 Once all the cookies are withdrawn, a cache backend can withdraw all the
118 volumes, calling::
119
120         void fscache_withdraw_volume(struct fscache_volume *volume);
121
122 to tell fscache that a volume has been withdrawn.  This waits for all
123 outstanding accesses on the volume to complete before returning.
124
125 When the the cache is completely withdrawn, fscache should be notified by
126 calling::
127
128         void fscache_cache_relinquish(struct fscache_cache *cache);
129
130 to clear fields in the cookie and discard the caller's ref on it.
131
132
133 Volume Cookies
134 ==============
135
136 Within a cache, the data storage objects are organised into logical volumes.
137 These are represented in the API as objects of type::
138
139         struct fscache_volume {
140                 struct fscache_cache            *cache;
141                 void                            *cache_priv;
142                 unsigned int                    debug_id;
143                 char                            *key;
144                 unsigned int                    key_hash;
145                 ...
146                 u8                              coherency_len;
147                 u8                              coherency[];
148         };
149
150 There are a number of fields here that are of interest to the caching backend:
151
152    * ``cache`` - The parent cache cookie.
153
154    * ``cache_priv`` - A place for the cache to stash private data.
155
156    * ``debug_id`` - A debugging ID for logging in tracepoints.
157
158    * ``key`` - A printable string with no '/' characters in it that represents
159      the index key for the volume.  The key is NUL-terminated and padded out to
160      a multiple of 4 bytes.
161
162    * ``key_hash`` - A hash of the index key.  This should work out the same, no
163      matter the cpu arch and endianness.
164
165    * ``coherency`` - A piece of coherency data that should be checked when the
166      volume is bound to in the cache.
167
168    * ``coherency_len`` - The amount of data in the coherency buffer.
169
170
171 Data Storage Cookies
172 ====================
173
174 A volume is a logical group of data storage objects, each of which is
175 represented to the network filesystem by a cookie.  Cookies are represented in
176 the API as objects of type::
177
178         struct fscache_cookie {
179                 struct fscache_volume           *volume;
180                 void                            *cache_priv;
181                 unsigned long                   flags;
182                 unsigned int                    debug_id;
183                 unsigned int                    inval_counter;
184                 loff_t                          object_size;
185                 u8                              advice;
186                 u32                             key_hash;
187                 u8                              key_len;
188                 u8                              aux_len;
189                 ...
190         };
191
192 The fields in the cookie that are of interest to the cache backend are:
193
194    * ``volume`` - The parent volume cookie.
195
196    * ``cache_priv`` - A place for the cache to stash private data.
197
198    * ``flags`` - A collection of bit flags, including:
199
200       * FSCACHE_COOKIE_NO_DATA_TO_READ - There is no data available in the
201         cache to be read as the cookie has been created or invalidated.
202
203       * FSCACHE_COOKIE_NEEDS_UPDATE - The coherency data and/or object size has
204         been changed and needs committing.
205
206       * FSCACHE_COOKIE_LOCAL_WRITE - The netfs's data has been modified
207         locally, so the cache object may be in an incoherent state with respect
208         to the server.
209
210       * FSCACHE_COOKIE_HAVE_DATA - The backend should set this if it
211         successfully stores data into the cache.
212
213       * FSCACHE_COOKIE_RETIRED - The cookie was invalidated when it was
214         relinquished and the cached data should be discarded.
215
216    * ``debug_id`` - A debugging ID for logging in tracepoints.
217
218    * ``inval_counter`` - The number of invalidations done on the cookie.
219
220    * ``advice`` - Information about how the cookie is to be used.
221
222    * ``key_hash`` - A hash of the index key.  This should work out the same, no
223      matter the cpu arch and endianness.
224
225    * ``key_len`` - The length of the index key.
226
227    * ``aux_len`` - The length of the coherency data buffer.
228
229 Each cookie has an index key, which may be stored inline to the cookie or
230 elsewhere.  A pointer to this can be obtained by calling::
231
232         void *fscache_get_key(struct fscache_cookie *cookie);
233
234 The index key is a binary blob, the storage for which is padded out to a
235 multiple of 4 bytes.
236
237 Each cookie also has a buffer for coherency data.  This may also be inline or
238 detached from the cookie and a pointer is obtained by calling::
239
240         void *fscache_get_aux(struct fscache_cookie *cookie);
241
242
243
244 Cookie Accounting
245 =================
246
247 Data storage cookies are counted and this is used to block cache withdrawal
248 completion until all objects have been destroyed.  The following functions are
249 provided to the cache to deal with that::
250
251         void fscache_count_object(struct fscache_cache *cache);
252         void fscache_uncount_object(struct fscache_cache *cache);
253         void fscache_wait_for_objects(struct fscache_cache *cache);
254
255 The count function records the allocation of an object in a cache and the
256 uncount function records its destruction.  Warning: by the time the uncount
257 function returns, the cache may have been destroyed.
258
259 The wait function can be used during the withdrawal procedure to wait for
260 fscache to finish withdrawing all the objects in the cache.  When it completes,
261 there will be no remaining objects referring to the cache object or any volume
262 objects.
263
264
265 Cache Management API
266 ====================
267
268 The cache backend implements the cache management API by providing a table of
269 operations that fscache can use to manage various aspects of the cache.  These
270 are held in a structure of type::
271
272         struct fscache_cache_ops {
273                 const char *name;
274                 ...
275         };
276
277 This contains a printable name for the cache backend driver plus a number of
278 pointers to methods to allow fscache to request management of the cache:
279
280    * Set up a volume cookie [optional]::
281
282         void (*acquire_volume)(struct fscache_volume *volume);
283
284      This method is called when a volume cookie is being created.  The caller
285      holds a cache-level access pin to prevent the cache from going away for
286      the duration.  This method should set up the resources to access a volume
287      in the cache and should not return until it has done so.
288
289      If successful, it can set ``cache_priv`` to its own data.
290
291
292    * Clean up volume cookie [optional]::
293
294        void (*free_volume)(struct fscache_volume *volume);
295
296      This method is called when a volume cookie is being released if
297      ``cache_priv`` is set.
298
299
300    * Look up a cookie in the cache [mandatory]::
301
302         bool (*lookup_cookie)(struct fscache_cookie *cookie);
303
304      This method is called to look up/create the resources needed to access the
305      data storage for a cookie.  It is called from a worker thread with a
306      volume-level access pin in the cache to prevent it from being withdrawn.
307
308      True should be returned if successful and false otherwise.  If false is
309      returned, the withdraw_cookie op (see below) will be called.
310
311      If lookup fails, but the object could still be created (e.g. it hasn't
312      been cached before), then::
313
314                 void fscache_cookie_lookup_negative(
315                         struct fscache_cookie *cookie);
316
317      can be called to let the network filesystem proceed and start downloading
318      stuff whilst the cache backend gets on with the job of creating things.
319
320      If successful, ``cookie->cache_priv`` can be set.
321
322
323    * Withdraw an object without any cookie access counts held [mandatory]::
324
325         void (*withdraw_cookie)(struct fscache_cookie *cookie);
326
327      This method is called to withdraw a cookie from service.  It will be
328      called when the cookie is relinquished by the netfs, withdrawn or culled
329      by the cache backend or closed after a period of non-use by fscache.
330
331      The caller doesn't hold any access pins, but it is called from a
332      non-reentrant work item to manage races between the various ways
333      withdrawal can occur.
334
335      The cookie will have the ``FSCACHE_COOKIE_RETIRED`` flag set on it if the
336      associated data is to be removed from the cache.
337
338
339    * Change the size of a data storage object [mandatory]::
340
341         void (*resize_cookie)(struct netfs_cache_resources *cres,
342                               loff_t new_size);
343
344      This method is called to inform the cache backend of a change in size of
345      the netfs file due to local truncation.  The cache backend should make all
346      of the changes it needs to make before returning as this is done under the
347      netfs inode mutex.
348
349      The caller holds a cookie-level access pin to prevent a race with
350      withdrawal and the netfs must have the cookie marked in-use to prevent
351      garbage collection or culling from removing any resources.
352
353
354    * Invalidate a data storage object [mandatory]::
355
356         bool (*invalidate_cookie)(struct fscache_cookie *cookie);
357
358      This is called when the network filesystem detects a third-party
359      modification or when an O_DIRECT write is made locally.  This requests
360      that the cache backend should throw away all the data in the cache for
361      this object and start afresh.  It should return true if successful and
362      false otherwise.
363
364      On entry, new I O/operations are blocked.  Once the cache is in a position
365      to accept I/O again, the backend should release the block by calling::
366
367         void fscache_resume_after_invalidation(struct fscache_cookie *cookie);
368
369      If the method returns false, caching will be withdrawn for this cookie.
370
371
372    * Prepare to make local modifications to the cache [mandatory]::
373
374         void (*prepare_to_write)(struct fscache_cookie *cookie);
375
376      This method is called when the network filesystem finds that it is going
377      to need to modify the contents of the cache due to local writes or
378      truncations.  This gives the cache a chance to note that a cache object
379      may be incoherent with respect to the server and may need writing back
380      later.  This may also cause the cached data to be scrapped on later
381      rebinding if not properly committed.
382
383
384    * Begin an operation for the netfs lib [mandatory]::
385
386         bool (*begin_operation)(struct netfs_cache_resources *cres,
387                                 enum fscache_want_state want_state);
388
389      This method is called when an I/O operation is being set up (read, write
390      or resize).  The caller holds an access pin on the cookie and must have
391      marked the cookie as in-use.
392
393      If it can, the backend should attach any resources it needs to keep around
394      to the netfs_cache_resources object and return true.
395
396      If it can't complete the setup, it should return false.
397
398      The want_state parameter indicates the state the caller needs the cache
399      object to be in and what it wants to do during the operation:
400
401         * ``FSCACHE_WANT_PARAMS`` - The caller just wants to access cache
402           object parameters; it doesn't need to do data I/O yet.
403
404         * ``FSCACHE_WANT_READ`` - The caller wants to read data.
405
406         * ``FSCACHE_WANT_WRITE`` - The caller wants to write to or resize the
407           cache object.
408
409      Note that there won't necessarily be anything attached to the cookie's
410      cache_priv yet if the cookie is still being created.
411
412
413 Data I/O API
414 ============
415
416 A cache backend provides a data I/O API by through the netfs library's ``struct
417 netfs_cache_ops`` attached to a ``struct netfs_cache_resources`` by the
418 ``begin_operation`` method described above.
419
420 See the Documentation/filesystems/netfs_library.rst for a description.
421
422
423 Miscellaneous Functions
424 =======================
425
426 FS-Cache provides some utilities that a cache backend may make use of:
427
428    * Note occurrence of an I/O error in a cache::
429
430         void fscache_io_error(struct fscache_cache *cache);
431
432      This tells FS-Cache that an I/O error occurred in the cache.  This
433      prevents any new I/O from being started on the cache.
434
435      This does not actually withdraw the cache.  That must be done separately.
436
437    * Note cessation of caching on a cookie due to failure::
438
439         void fscache_caching_failed(struct fscache_cookie *cookie);
440
441      This notes that a the caching that was being done on a cookie failed in
442      some way, for instance the backing storage failed to be created or
443      invalidation failed and that no further I/O operations should take place
444      on it until the cache is reset.
445
446    * Count I/O requests::
447
448         void fscache_count_read(void);
449         void fscache_count_write(void);
450
451      These record reads and writes from/to the cache.  The numbers are
452      displayed in /proc/fs/fscache/stats.
453
454    * Count out-of-space errors::
455
456         void fscache_count_no_write_space(void);
457         void fscache_count_no_create_space(void);
458
459      These record ENOSPC errors in the cache, divided into failures of data
460      writes and failures of filesystem object creations (e.g. mkdir).
461
462    * Count objects culled::
463
464         void fscache_count_culled(void);
465
466      This records the culling of an object.
467
468    * Get the cookie from a set of cache resources::
469
470         struct fscache_cookie *fscache_cres_cookie(struct netfs_cache_resources *cres)
471
472      Pull a pointer to the cookie from the cache resources.  This may return a
473      NULL cookie if no cookie was set.
474
475
476 API Function Reference
477 ======================
478
479 .. kernel-doc:: include/linux/fscache-cache.h