Merge branches 'clk-mvebu', 'clk-const', 'clk-imx' and 'clk-rockchip' into clk-next
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / netfs_library.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 =================================
4 Network Filesystem Helper Library
5 =================================
6
7 .. Contents:
8
9  - Overview.
10  - Buffered read helpers.
11    - Read helper functions.
12    - Read helper structures.
13    - Read helper operations.
14    - Read helper procedure.
15    - Read helper cache API.
16
17
18 Overview
19 ========
20
21 The network filesystem helper library is a set of functions designed to aid a
22 network filesystem in implementing VM/VFS operations.  For the moment, that
23 just includes turning various VM buffered read operations into requests to read
24 from the server.  The helper library, however, can also interpose other
25 services, such as local caching or local data encryption.
26
27 Note that the library module doesn't link against local caching directly, so
28 access must be provided by the netfs.
29
30
31 Buffered Read Helpers
32 =====================
33
34 The library provides a set of read helpers that handle the ->readpage(),
35 ->readahead() and much of the ->write_begin() VM operations and translate them
36 into a common call framework.
37
38 The following services are provided:
39
40  * Handle folios that span multiple pages.
41
42  * Insulate the netfs from VM interface changes.
43
44  * Allow the netfs to arbitrarily split reads up into pieces, even ones that
45    don't match folio sizes or folio alignments and that may cross folios.
46
47  * Allow the netfs to expand a readahead request in both directions to meet its
48    needs.
49
50  * Allow the netfs to partially fulfil a read, which will then be resubmitted.
51
52  * Handle local caching, allowing cached data and server-read data to be
53    interleaved for a single request.
54
55  * Handle clearing of bufferage that aren't on the server.
56
57  * Handle retrying of reads that failed, switching reads from the cache to the
58    server as necessary.
59
60  * In the future, this is a place that other services can be performed, such as
61    local encryption of data to be stored remotely or in the cache.
62
63 From the network filesystem, the helpers require a table of operations.  This
64 includes a mandatory method to issue a read operation along with a number of
65 optional methods.
66
67
68 Read Helper Functions
69 ---------------------
70
71 Three read helpers are provided::
72
73         void netfs_readahead(struct readahead_control *ractl,
74                              const struct netfs_read_request_ops *ops,
75                              void *netfs_priv);
76         int netfs_readpage(struct file *file,
77                            struct folio *folio,
78                            const struct netfs_read_request_ops *ops,
79                            void *netfs_priv);
80         int netfs_write_begin(struct file *file,
81                               struct address_space *mapping,
82                               loff_t pos,
83                               unsigned int len,
84                               unsigned int flags,
85                               struct folio **_folio,
86                               void **_fsdata,
87                               const struct netfs_read_request_ops *ops,
88                               void *netfs_priv);
89
90 Each corresponds to a VM operation, with the addition of a couple of parameters
91 for the use of the read helpers:
92
93  * ``ops``
94
95    A table of operations through which the helpers can talk to the filesystem.
96
97  * ``netfs_priv``
98
99    Filesystem private data (can be NULL).
100
101 Both of these values will be stored into the read request structure.
102
103 For ->readahead() and ->readpage(), the network filesystem should just jump
104 into the corresponding read helper; whereas for ->write_begin(), it may be a
105 little more complicated as the network filesystem might want to flush
106 conflicting writes or track dirty data and needs to put the acquired folio if
107 an error occurs after calling the helper.
108
109 The helpers manage the read request, calling back into the network filesystem
110 through the suppplied table of operations.  Waits will be performed as
111 necessary before returning for helpers that are meant to be synchronous.
112
113 If an error occurs and netfs_priv is non-NULL, ops->cleanup() will be called to
114 deal with it.  If some parts of the request are in progress when an error
115 occurs, the request will get partially completed if sufficient data is read.
116
117 Additionally, there is::
118
119   * void netfs_subreq_terminated(struct netfs_read_subrequest *subreq,
120                                  ssize_t transferred_or_error,
121                                  bool was_async);
122
123 which should be called to complete a read subrequest.  This is given the number
124 of bytes transferred or a negative error code, plus a flag indicating whether
125 the operation was asynchronous (ie. whether the follow-on processing can be
126 done in the current context, given this may involve sleeping).
127
128
129 Read Helper Structures
130 ----------------------
131
132 The read helpers make use of a couple of structures to maintain the state of
133 the read.  The first is a structure that manages a read request as a whole::
134
135         struct netfs_read_request {
136                 struct inode            *inode;
137                 struct address_space    *mapping;
138                 struct netfs_cache_resources cache_resources;
139                 void                    *netfs_priv;
140                 loff_t                  start;
141                 size_t                  len;
142                 loff_t                  i_size;
143                 const struct netfs_read_request_ops *netfs_ops;
144                 unsigned int            debug_id;
145                 ...
146         };
147
148 The above fields are the ones the netfs can use.  They are:
149
150  * ``inode``
151  * ``mapping``
152
153    The inode and the address space of the file being read from.  The mapping
154    may or may not point to inode->i_data.
155
156  * ``cache_resources``
157
158    Resources for the local cache to use, if present.
159
160  * ``netfs_priv``
161
162    The network filesystem's private data.  The value for this can be passed in
163    to the helper functions or set during the request.  The ->cleanup() op will
164    be called if this is non-NULL at the end.
165
166  * ``start``
167  * ``len``
168
169    The file position of the start of the read request and the length.  These
170    may be altered by the ->expand_readahead() op.
171
172  * ``i_size``
173
174    The size of the file at the start of the request.
175
176  * ``netfs_ops``
177
178    A pointer to the operation table.  The value for this is passed into the
179    helper functions.
180
181  * ``debug_id``
182
183    A number allocated to this operation that can be displayed in trace lines
184    for reference.
185
186
187 The second structure is used to manage individual slices of the overall read
188 request::
189
190         struct netfs_read_subrequest {
191                 struct netfs_read_request *rreq;
192                 loff_t                  start;
193                 size_t                  len;
194                 size_t                  transferred;
195                 unsigned long           flags;
196                 unsigned short          debug_index;
197                 ...
198         };
199
200 Each subrequest is expected to access a single source, though the helpers will
201 handle falling back from one source type to another.  The members are:
202
203  * ``rreq``
204
205    A pointer to the read request.
206
207  * ``start``
208  * ``len``
209
210    The file position of the start of this slice of the read request and the
211    length.
212
213  * ``transferred``
214
215    The amount of data transferred so far of the length of this slice.  The
216    network filesystem or cache should start the operation this far into the
217    slice.  If a short read occurs, the helpers will call again, having updated
218    this to reflect the amount read so far.
219
220  * ``flags``
221
222    Flags pertaining to the read.  There are two of interest to the filesystem
223    or cache:
224
225    * ``NETFS_SREQ_CLEAR_TAIL``
226
227      This can be set to indicate that the remainder of the slice, from
228      transferred to len, should be cleared.
229
230    * ``NETFS_SREQ_SEEK_DATA_READ``
231
232      This is a hint to the cache that it might want to try skipping ahead to
233      the next data (ie. using SEEK_DATA).
234
235  * ``debug_index``
236
237    A number allocated to this slice that can be displayed in trace lines for
238    reference.
239
240
241 Read Helper Operations
242 ----------------------
243
244 The network filesystem must provide the read helpers with a table of operations
245 through which it can issue requests and negotiate::
246
247         struct netfs_read_request_ops {
248                 void (*init_rreq)(struct netfs_read_request *rreq, struct file *file);
249                 bool (*is_cache_enabled)(struct inode *inode);
250                 int (*begin_cache_operation)(struct netfs_read_request *rreq);
251                 void (*expand_readahead)(struct netfs_read_request *rreq);
252                 bool (*clamp_length)(struct netfs_read_subrequest *subreq);
253                 void (*issue_op)(struct netfs_read_subrequest *subreq);
254                 bool (*is_still_valid)(struct netfs_read_request *rreq);
255                 int (*check_write_begin)(struct file *file, loff_t pos, unsigned len,
256                                          struct folio *folio, void **_fsdata);
257                 void (*done)(struct netfs_read_request *rreq);
258                 void (*cleanup)(struct address_space *mapping, void *netfs_priv);
259         };
260
261 The operations are as follows:
262
263  * ``init_rreq()``
264
265    [Optional] This is called to initialise the request structure.  It is given
266    the file for reference and can modify the ->netfs_priv value.
267
268  * ``is_cache_enabled()``
269
270    [Required] This is called by netfs_write_begin() to ask if the file is being
271    cached.  It should return true if it is being cached and false otherwise.
272
273  * ``begin_cache_operation()``
274
275    [Optional] This is called to ask the network filesystem to call into the
276    cache (if present) to initialise the caching state for this read.  The netfs
277    library module cannot access the cache directly, so the cache should call
278    something like fscache_begin_read_operation() to do this.
279
280    The cache gets to store its state in ->cache_resources and must set a table
281    of operations of its own there (though of a different type).
282
283    This should return 0 on success and an error code otherwise.  If an error is
284    reported, the operation may proceed anyway, just without local caching (only
285    out of memory and interruption errors cause failure here).
286
287  * ``expand_readahead()``
288
289    [Optional] This is called to allow the filesystem to expand the size of a
290    readahead read request.  The filesystem gets to expand the request in both
291    directions, though it's not permitted to reduce it as the numbers may
292    represent an allocation already made.  If local caching is enabled, it gets
293    to expand the request first.
294
295    Expansion is communicated by changing ->start and ->len in the request
296    structure.  Note that if any change is made, ->len must be increased by at
297    least as much as ->start is reduced.
298
299  * ``clamp_length()``
300
301    [Optional] This is called to allow the filesystem to reduce the size of a
302    subrequest.  The filesystem can use this, for example, to chop up a request
303    that has to be split across multiple servers or to put multiple reads in
304    flight.
305
306    This should return 0 on success and an error code on error.
307
308  * ``issue_op()``
309
310    [Required] The helpers use this to dispatch a subrequest to the server for
311    reading.  In the subrequest, ->start, ->len and ->transferred indicate what
312    data should be read from the server.
313
314    There is no return value; the netfs_subreq_terminated() function should be
315    called to indicate whether or not the operation succeeded and how much data
316    it transferred.  The filesystem also should not deal with setting folios
317    uptodate, unlocking them or dropping their refs - the helpers need to deal
318    with this as they have to coordinate with copying to the local cache.
319
320    Note that the helpers have the folios locked, but not pinned.  It is
321    possible to use the ITER_XARRAY iov iterator to refer to the range of the
322    inode that is being operated upon without the need to allocate large bvec
323    tables.
324
325  * ``is_still_valid()``
326
327    [Optional] This is called to find out if the data just read from the local
328    cache is still valid.  It should return true if it is still valid and false
329    if not.  If it's not still valid, it will be reread from the server.
330
331  * ``check_write_begin()``
332
333    [Optional] This is called from the netfs_write_begin() helper once it has
334    allocated/grabbed the folio to be modified to allow the filesystem to flush
335    conflicting state before allowing it to be modified.
336
337    It should return 0 if everything is now fine, -EAGAIN if the folio should be
338    regrabbed and any other error code to abort the operation.
339
340  * ``done``
341
342    [Optional] This is called after the folios in the request have all been
343    unlocked (and marked uptodate if applicable).
344
345  * ``cleanup``
346
347    [Optional] This is called as the request is being deallocated so that the
348    filesystem can clean up ->netfs_priv.
349
350
351
352 Read Helper Procedure
353 ---------------------
354
355 The read helpers work by the following general procedure:
356
357  * Set up the request.
358
359  * For readahead, allow the local cache and then the network filesystem to
360    propose expansions to the read request.  This is then proposed to the VM.
361    If the VM cannot fully perform the expansion, a partially expanded read will
362    be performed, though this may not get written to the cache in its entirety.
363
364  * Loop around slicing chunks off of the request to form subrequests:
365
366    * If a local cache is present, it gets to do the slicing, otherwise the
367      helpers just try to generate maximal slices.
368
369    * The network filesystem gets to clamp the size of each slice if it is to be
370      the source.  This allows rsize and chunking to be implemented.
371
372    * The helpers issue a read from the cache or a read from the server or just
373      clears the slice as appropriate.
374
375    * The next slice begins at the end of the last one.
376
377    * As slices finish being read, they terminate.
378
379  * When all the subrequests have terminated, the subrequests are assessed and
380    any that are short or have failed are reissued:
381
382    * Failed cache requests are issued against the server instead.
383
384    * Failed server requests just fail.
385
386    * Short reads against either source will be reissued against that source
387      provided they have transferred some more data:
388
389      * The cache may need to skip holes that it can't do DIO from.
390
391      * If NETFS_SREQ_CLEAR_TAIL was set, a short read will be cleared to the
392        end of the slice instead of reissuing.
393
394  * Once the data is read, the folios that have been fully read/cleared:
395
396    * Will be marked uptodate.
397
398    * If a cache is present, will be marked with PG_fscache.
399
400    * Unlocked
401
402  * Any folios that need writing to the cache will then have DIO writes issued.
403
404  * Synchronous operations will wait for reading to be complete.
405
406  * Writes to the cache will proceed asynchronously and the folios will have the
407    PG_fscache mark removed when that completes.
408
409  * The request structures will be cleaned up when everything has completed.
410
411
412 Read Helper Cache API
413 ---------------------
414
415 When implementing a local cache to be used by the read helpers, two things are
416 required: some way for the network filesystem to initialise the caching for a
417 read request and a table of operations for the helpers to call.
418
419 The network filesystem's ->begin_cache_operation() method is called to set up a
420 cache and this must call into the cache to do the work.  If using fscache, for
421 example, the cache would call::
422
423         int fscache_begin_read_operation(struct netfs_read_request *rreq,
424                                          struct fscache_cookie *cookie);
425
426 passing in the request pointer and the cookie corresponding to the file.
427
428 The netfs_read_request object contains a place for the cache to hang its
429 state::
430
431         struct netfs_cache_resources {
432                 const struct netfs_cache_ops    *ops;
433                 void                            *cache_priv;
434                 void                            *cache_priv2;
435         };
436
437 This contains an operations table pointer and two private pointers.  The
438 operation table looks like the following::
439
440         struct netfs_cache_ops {
441                 void (*end_operation)(struct netfs_cache_resources *cres);
442
443                 void (*expand_readahead)(struct netfs_cache_resources *cres,
444                                          loff_t *_start, size_t *_len, loff_t i_size);
445
446                 enum netfs_read_source (*prepare_read)(struct netfs_read_subrequest *subreq,
447                                                        loff_t i_size);
448
449                 int (*read)(struct netfs_cache_resources *cres,
450                             loff_t start_pos,
451                             struct iov_iter *iter,
452                             bool seek_data,
453                             netfs_io_terminated_t term_func,
454                             void *term_func_priv);
455
456                 int (*prepare_write)(struct netfs_cache_resources *cres,
457                                      loff_t *_start, size_t *_len, loff_t i_size,
458                                      bool no_space_allocated_yet);
459
460                 int (*write)(struct netfs_cache_resources *cres,
461                              loff_t start_pos,
462                              struct iov_iter *iter,
463                              netfs_io_terminated_t term_func,
464                              void *term_func_priv);
465
466                 int (*query_occupancy)(struct netfs_cache_resources *cres,
467                                        loff_t start, size_t len, size_t granularity,
468                                        loff_t *_data_start, size_t *_data_len);
469         };
470
471 With a termination handler function pointer::
472
473         typedef void (*netfs_io_terminated_t)(void *priv,
474                                               ssize_t transferred_or_error,
475                                               bool was_async);
476
477 The methods defined in the table are:
478
479  * ``end_operation()``
480
481    [Required] Called to clean up the resources at the end of the read request.
482
483  * ``expand_readahead()``
484
485    [Optional] Called at the beginning of a netfs_readahead() operation to allow
486    the cache to expand a request in either direction.  This allows the cache to
487    size the request appropriately for the cache granularity.
488
489    The function is passed poiners to the start and length in its parameters,
490    plus the size of the file for reference, and adjusts the start and length
491    appropriately.  It should return one of:
492
493    * ``NETFS_FILL_WITH_ZEROES``
494    * ``NETFS_DOWNLOAD_FROM_SERVER``
495    * ``NETFS_READ_FROM_CACHE``
496    * ``NETFS_INVALID_READ``
497
498    to indicate whether the slice should just be cleared or whether it should be
499    downloaded from the server or read from the cache - or whether slicing
500    should be given up at the current point.
501
502  * ``prepare_read()``
503
504    [Required] Called to configure the next slice of a request.  ->start and
505    ->len in the subrequest indicate where and how big the next slice can be;
506    the cache gets to reduce the length to match its granularity requirements.
507
508  * ``read()``
509
510    [Required] Called to read from the cache.  The start file offset is given
511    along with an iterator to read to, which gives the length also.  It can be
512    given a hint requesting that it seek forward from that start position for
513    data.
514
515    Also provided is a pointer to a termination handler function and private
516    data to pass to that function.  The termination function should be called
517    with the number of bytes transferred or an error code, plus a flag
518    indicating whether the termination is definitely happening in the caller's
519    context.
520
521  * ``prepare_write()``
522
523    [Required] Called to prepare a write to the cache to take place.  This
524    involves checking to see whether the cache has sufficient space to honour
525    the write.  ``*_start`` and ``*_len`` indicate the region to be written; the
526    region can be shrunk or it can be expanded to a page boundary either way as
527    necessary to align for direct I/O.  i_size holds the size of the object and
528    is provided for reference.  no_space_allocated_yet is set to true if the
529    caller is certain that no data has been written to that region - for example
530    if it tried to do a read from there already.
531
532  * ``write()``
533
534    [Required] Called to write to the cache.  The start file offset is given
535    along with an iterator to write from, which gives the length also.
536
537    Also provided is a pointer to a termination handler function and private
538    data to pass to that function.  The termination function should be called
539    with the number of bytes transferred or an error code, plus a flag
540    indicating whether the termination is definitely happening in the caller's
541    context.
542
543  * ``query_occupancy()``
544
545    [Required] Called to find out where the next piece of data is within a
546    particular region of the cache.  The start and length of the region to be
547    queried are passed in, along with the granularity to which the answer needs
548    to be aligned.  The function passes back the start and length of the data,
549    if any, available within that region.  Note that there may be a hole at the
550    front.
551
552    It returns 0 if some data was found, -ENODATA if there was no usable data
553    within the region or -ENOBUFS if there is no caching on this file.
554
555 Note that these methods are passed a pointer to the cache resource structure,
556 not the read request structure as they could be used in other situations where
557 there isn't a read request structure as well, such as writing dirty data to the
558 cache.
559
560
561 API Function Reference
562 ======================
563
564 .. kernel-doc:: include/linux/netfs.h
565 .. kernel-doc:: fs/netfs/read_helper.c