HAMMER 61E/Many: Stabilization, Performance
[dragonfly.git] / sys / vfs / ufs / README
blobe49e2f21e35f2c97f5c56e017c660e9a49adb7ad
1 # $FreeBSD: src/sys/ufs/ffs/README,v 1.4 1999/12/03 00:34:26 billf Exp $
2 # $DragonFly: src/sys/vfs/ufs/README,v 1.4 2004/07/18 19:43:48 drhodus Exp $
4 Introduction
6 This package constitutes the alpha distribution of the soft update
7 code updates for the fast filesystem.
9 For More information on what Soft Updates is, see:
10 http://www.ece.cmu.edu/~ganger/papers/CSE-TR-254-95/
12 Status
14 My `filesystem torture tests' (described below) run for days without
15 a hitch (no panic's, hangs, filesystem corruption, or memory leaks).
16 However, I have had several panic's reported to me by folks that
17 are field testing the code which I have not yet been able to
18 reproduce or fix. Although these panic's are rare and do not cause
19 filesystem corruption, the code should only be put into production
20 on systems where the system administrator is aware that it is being
21 run, and knows how to turn it off if problems arise. Thus, you may
22 hand out this code to others, but please ensure that this status
23 message is included with any distributions. Please also include
24 the file ffs_softdep.stub.c in any distributions so that folks that
25 cannot abide by the need to redistribute source will not be left
26 with a kernel that will not link. It will resolve all the calls
27 into the soft update code and simply ignores the request to enable
28 them. Thus you will be able to ensure that your other hooks have
29 not broken anything and that your kernel is softdep-ready for those
30 that wish to use them. Please report problems back to me with
31 kernel backtraces of panics if possible. This is massively complex
32 code, and people only have to have their filesystems hosed once or
33 twice to avoid future changes like the plague. I want to find and
34 fix as many bugs as soon as possible so as to get the code rock
35 solid before it gets widely released. Please report any bugs that
36 you uncover to mckusick@mckusick.com.
38 Performance
40 Running the Andrew Benchmarks yields the following raw data:
42         Phase   Normal  Softdep     What it does
43           1       3s      <1s       Creating directories
44           2       8s       4s       Copying files
45           3       6s       6s       Recursive directory stats
46           4       8s       9s       Scanning each file
47           5      25s      25s       Compilation
49         Normal:  19.9u 29.2s 0:52.8 135+630io
50         Softdep: 20.3u 28.5s 0:47.8 103+363io
52 Another interesting datapoint are my `filesystem torture tests'.
53 They consist of 1000 runs of the andrew benchmarks, 1000 copy and
54 removes of /etc with randomly selected pauses of 0-60 seconds
55 between each copy and remove, and 500 find from / with randomly
56 selected pauses of 100 seconds between each run). The run of the
57 torture test compares as follows:
59 With soft updates: writes: 6 sync, 1,113,686 async; run time 19hr, 50min
60 Normal filesystem: writes: 1,459,147 sync, 487,031 async; run time 27hr, 15min
62 The upshot is 42% less I/O and 28% shorter running time.
64 Another interesting test point is a full MAKEDEV. Because it runs
65 as a shell script, it becomes mostly limited by the execution speed
66 of the machine on which it runs. Here are the numbers:
68 With soft updates:
70         labrat# time ./MAKEDEV std
71         2.2u 32.6s 0:34.82 100.0% 0+0k 11+36io 0pf+0w
73         labrat# ls | wc
74              522     522    3317
76 Without soft updates:
78         labrat# time ./MAKEDEV std
79         2.0u 40.5s 0:42.53 100.0% 0+0k 11+1221io 0pf+0w
81         labrat# ls | wc
82              522     522    3317
84 Of course, some of the system time is being pushed
85 to the syncer process, but that is a different story.
87 To show a benchmark designed to highlight the soft update code
88 consider a tar of zero-sized files and an rm -rf of a directory tree
89 that has at least 50 files or so at each level. Running a test with
90 a directory tree containing 28 directories holding 202 empty files
91 produces the following numbers:
93 With soft updates:
94 tar: 0.0u 0.5s 0:00.65 76.9% 0+0k 0+44io 0pf+0w (0 sync, 33 async writes)
95 rm: 0.0u 0.2s 0:00.20 100.0% 0+0k 0+37io 0pf+0w (0 sync, 72 async writes)
97 Normal filesystem:
98 tar: 0.0u 1.1s 0:07.27 16.5% 0+0k 60+586io 0pf+0w (523 sync, 0 async writes)
99 rm:  0.0u 0.5s 0:01.84 29.3% 0+0k 0+318io 0pf+0w (258 sync, 65 async writes)
101 The large reduction in writes is because inodes are clustered, so
102 most of a block gets allocated, then the whole block is written
103 out once rather than having the same block written once for each
104 inode allocated from it.  Similarly each directory block is written
105 once rather than once for each new directory entry. Effectively
106 what the update code is doing is allocating a bunch of inodes
107 and directory entries without writing anything, then ensuring that
108 the block containing the inodes is written first followed by the
109 directory block that references them.  If there were data in the
110 files it would further ensure that the data blocks were written
111 before their inodes claimed them.
113 Copyright Restrictions
115 Please familiarize yourself with the copyright restrictions
116 contained at the top of either the sys/ufs/ffs/softdep.h or
117 sys/ufs/ffs/ffs_softdep.c file. The key provision is similar
118 to the one used by the DB 2.0 package and goes as follows:
120     Redistributions in any form must be accompanied by information
121     on how to obtain complete source code for any accompanying
122     software that uses the this software. This source code must
123     either be included in the distribution or be available for
124     no more than the cost of distribution plus a nominal fee,
125     and must be freely redistributable under reasonable
126     conditions. For an executable file, complete source code
127     means the source code for all modules it contains. It does
128     not mean source code for modules or files that typically
129     accompany the operating system on which the executable file
130     runs, e.g., standard library modules or system header files.
132 The idea is to allow those of you freely redistributing your source
133 to use it while retaining for myself the right to peddle it for
134 money to the commercial UNIX vendors. Note that I have included a
135 stub file ffs_softdep.c.stub that is freely redistributable so that
136 you can put in all the necessary hooks to run the full soft updates
137 code, but still allow vendors that want to maintain proprietary
138 source to have a working system. I do plan to release the code with
139 a `Berkeley style' copyright once I have peddled it around to the
140 commercial vendors.  If you have concerns about this copyright,
141 feel free to contact me with them and we can try to resolve any
142 difficulties.
144 Soft Dependency Operation
146 The soft update implementation does NOT require ANY changes
147 to the on-disk format of your filesystems. Furthermore it is
148 not used by default for any filesystems. It must be enabled on
149 a filesystem by filesystem basis by running tunefs to set a
150 bit in the superblock indicating that the filesystem should be
151 managed using soft updates. If you wish to stop using
152 soft updates due to performance or reliability reasons,
153 you can simply run tunefs on it again to turn off the bit and
154 revert to normal operation. The additional dynamic memory load
155 placed on the kernel malloc arena is approximately equal to
156 the amount of memory used by vnodes plus inodes (for a system
157 with 1000 vnodes, the additional peak memory load is about 300K).
159 Kernel Changes
161 There are two new changes to the kernel functionality that are not
162 contained in in the soft update files. The first is a `trickle
163 sync' facility running in the kernel as process 3.  This trickle
164 sync process replaces the traditional `update' program (which should
165 be commented out of the /etc/rc startup script). When a vnode is
166 first written it is placed 30 seconds down on the trickle sync
167 queue. If it still exists and has dirty data when it reaches the
168 top of the queue, it is sync'ed.  This approach evens out the load
169 on the underlying I/O system and avoids writing short-lived files.
170 The papers on trickle-sync tend to favor aging based on buffers
171 rather than files. However, I sync on file age rather than buffer
172 age because the data structures are much smaller as there are
173 typically far fewer files than buffers. Although this can make the
174 I/O spikey when a big file times out, it is still much better than
175 the wholesale sync's that were happening before. It also adapts
176 much better to the soft update code where I want to control
177 aging to improve performance (inodes age in 10 seconds, directories
178 in 15 seconds, files in 30 seconds). This ensures that most
179 dependencies are gone (e.g., inodes are written when directory
180 entries want to go to disk) reducing the amount of rollback that
181 is needed.
183 The other main kernel change is to split the vnode freelist into
184 two separate lists.  One for vnodes that are still being used to
185 identify buffers and the other for those vnodes no longer identifying
186 any buffers.  The latter list is used by getnewvnode in preference
187 to the former.
189 Packaging of Kernel Changes
191 The sys subdirectory contains the changes and additions to the
192 kernel. My goal in writing this code was to minimize the changes
193 that need to be made to the kernel. Thus, most of the new code
194 is contained in the two new files softdep.h and ffs_softdep.c.
195 The rest of the kernel changes are simply inserting hooks to
196 call into these two new files. Although there has been some
197 structural reorganization of the filesystem code to accommodate
198 gathering the information required by the soft update code,
199 the actual ordering of filesystem operations when soft updates
200 are disabled is unchanged.
202 The kernel changes are packaged as a set of diffs. As I am
203 doing my development in BSD/OS, the diffs are relative to the
204 BSD/OS versions of the files. Because BSD/OS recently had
205 4.4BSD-Lite2 merged into it, the Lite2 files are a good starting
206 point for figuring out the changes. There are 40 files that
207 require change plus the two new files. Most of these files have
208 only a few lines of changes in them. However, four files have
209 fairly extensive changes: kern/vfs_subr.c, vfs/ufs/ufs_lookup.c,
210 vfs/ufs/ufs_vnops.c, and vfs/ffs/ffs_alloc.c. For these four
211 files, I have provided the original Lite2 version, the Lite2
212 version with the diffs merged in, and the diffs between the
213 BSD/OS and merged version. Even so, I expect that there will
214 be some difficulty in doing the merge; I am certainly willing
215 to assist in helping get the code merged into your system.
217 Packaging of Utility Changes
219 The utilities subdirectory contains the changes and additions
220 to the utilities. There are diffs to three utilities enclosed:
222     tunefs - add a flag to enable and disable soft updates
224     mount - print out whether soft updates are enabled and
225             also statistics on number of sync and async writes
227     fsck - tighter checks on acceptable errors and a slightly
228            different policy for what to put in lost+found on
229            filesystems using soft updates
231 In addition you should recompile vmstat so as to get reports
232 on the 13 new memory types used by the soft update code.
233 It is not necessary to use the new version of fsck, however it
234 would aid in my debugging if you do. Also, because of the time
235 lag between deleting a directory entry and the inode it
236 references, you will find a lot more files showing up in your
237 lost+found if you do not use the new version. Note that the
238 new version checks for the soft update flag in the superblock
239 and only uses the new algorithms if it is set. So, it will run
240 unchanged on the filesystems that are not using soft updates.
242 Operation
244 Once you have booted a kernel that incorporates the soft update
245 code and installed the updated utilities, do the following:
247 1) Comment out the update program in /etc/rc.
249 2) Run `tunefs -n enable' on one or more test filesystems.
251 3) Mount these filesystems and then type `mount' to ensure that
252    they have been enabled for soft updates.
254 4) Copy the test directory to a softdep filesystem, chdir into
255    it and run `./doit'. You may want to check out each of the
256    three subtests individually first: doit1 - andrew benchmarks,
257    doit2 - copy and removal of /etc, doit3 - find from /.
259 ====
260 Additional notes from Feb 13
262 When removing huge directories of files, it is possible to get
263 the incore state arbitrarily far ahead of the disk. Maintaining
264 all the associated depedency information can exhaust the kernel
265 malloc arena. To avoid this senario, I have put some limits on
266 the soft update code so that it will not be allowed to rampage
267 through all of the kernel memory. I enclose below the relevant
268 patches to vnode.h and vfs_subr.c (which allow the soft update
269 code to speed up the filesystem syncer process). I have also
270 included the diffs for ffs_softdep.c. I hope to make a pass over
271 ffs_softdep.c to isolate the differences with my standard version
272 so that these diffs are less painful to incorporate.
274 Since I know you like to play with tuning, I have put the relevant
275 knobs on sysctl debug variables. The tuning knobs can be viewed
276 with `sysctl debug' and set with `sysctl -w debug.<name>=value'.
277 The knobs are as follows:
279         debug.max_softdeps - limit on any given resource
280         debug.tickdelay - ticks to delay before allocating
281         debug.max_limit_hit - number of times tickdelay imposed
282         debug.rush_requests - number of rush requests to filesystem syncer
284 The max_softdeps limit is derived from vnodesdesired which in
285 turn is sized based on the amount of memory on the machine.
286 When the limit is hit, a process requesting a resource first
287 tries to speed up the filesystem syncer process. Such a
288 request is recorded as a rush_request. After syncdelay / 2 
289 unserviced rush requests (typically 15) are in the filesystem
290 syncers queue (i.e., it is more than 15 seconds behind in its 
291 work), the process requesting the memory is put to sleep for
292 tickdelay seconds. Such a delay is recorded in max_limit_hit.
293 Following this delay it is granted its memory without further
294 delay. I have tried the following experiments in which I
295 delete an MH directory containing 16,703 files:
297 Run #                   1               2               3
299 max_softdeps         4496            4496            4496
300 tickdelay        100 == 1 sec   20 == 0.2 sec   2 == 0.02 sec
301 max_limit_hit    16 == 16 sec   27 == 5.4 sec   203 == 4.1 sec
302 rush_requests         147             102              93
303 run time             57 sec          46 sec          45 sec
304 I/O's                 781             859             936
306 When run with no limits, it completes in 40 seconds. So, the
307 time spent in delay is directly added to the bottom line.
308 Shortening the tick delay does cut down the total running time,
309 but at the expense of generating more total I/O operations
310 due to the rush orders being sent to the filesystem syncer.
311 Although the number of rush orders decreases with a shorter
312 tick delay, there are more requests in each order, hence the
313 increase in I/O count. Also, although the I/O count does rise
314 with a shorter delay, it is still at least an order of magnitude 
315 less than without soft updates. Anyway, you may want to play
316 around with these value to see what works best and to see if
317 you can get an insight into how best to tune them. If you get
318 out of memory panic's, then you have max_softdeps set too high.
319 The max_limit_hit and rush_requests show be reset to zero
320 before each run. The minimum legal value for tickdelay is 2
321 (if you set it below that, the code will use 2).