Documentation/filesystems/dax.txt

   1 Direct Access for files
   2 -----------------------
   3
   4 Motivation
   5 ----------
   6
   7 The page cache is usually used to buffer reads and writes to files.
   8 It is also used to provide the pages which are mapped into userspace
   9 by a call to mmap.
  10
  11 For block devices that are memory-like, the page cache pages would be
  12 unnecessary copies of the original storage.  The DAX code removes the
  13 extra copy by performing reads and writes directly to the storage device.
  14 For file mappings, the storage device is mapped directly into userspace.
  15
  16
  17 Usage
  18 -----
  19
  20 If you have a block device which supports DAX, you can make a filesystem
  21 on it as usual.  The DAX code currently only supports files with a block
  22 size equal to your kernel's PAGE_SIZE, so you may need to specify a block
  23 size when creating the filesystem.  When mounting it, use the "-o dax"
  24 option on the command line or add 'dax' to the options in /etc/fstab.
  25
  26
  27 Implementation Tips for Block Driver Writers
  28 --------------------------------------------
  29
  30 To support DAX in your block driver, implement the 'direct_access'
  31 block device operation.  It is used to translate the sector number
  32 (expressed in units of 512-byte sectors) to a page frame number (pfn)
  33 that identifies the physical page for the memory.  It also returns a
  34 kernel virtual address that can be used to access the memory.
  35
  36 The direct_access method takes a 'size' parameter that indicates the
  37 number of bytes being requested.  The function should return the number
  38 of bytes that can be contiguously accessed at that offset.  It may also
  39 return a negative errno if an error occurs.
  40
  41 In order to support this method, the storage must be byte-accessible by
  42 the CPU at all times.  If your device uses paging techniques to expose
  43 a large amount of memory through a smaller window, then you cannot
  44 implement direct_access.  Equally, if your device can occasionally
  45 stall the CPU for an extended period, you should also not attempt to
  46 implement direct_access.
  47
  48 These block devices may be used for inspiration:
  49 - axonram: Axon DDR2 device driver
  50 - brd: RAM backed block device driver
  51 - dcssblk: s390 dcss block device driver
  52 - pmem: NVDIMM persistent memory driver
  53
  54
  55 Implementation Tips for Filesystem Writers
  56 ------------------------------------------
  57
  58 Filesystem support consists of
  59 - adding support to mark inodes as being DAX by setting the S_DAX flag in
  60   i_flags
  61 - implementing ->read_iter and ->write_iter operations which use dax_iomap_rw()
  62   when inode has S_DAX flag set
  63 - implementing an mmap file operation for DAX files which sets the
  64   VM_MIXEDMAP and VM_HUGEPAGE flags on the VMA, and setting the vm_ops to
  65   include handlers for fault, pmd_fault, page_mkwrite, pfn_mkwrite. These
  66   handlers should probably call dax_iomap_fault() (for fault and page_mkwrite
  67   handlers), dax_iomap_pmd_fault(), dax_pfn_mkwrite() passing the appropriate
  68   iomap operations.
  69 - calling iomap_zero_range() passing appropriate iomap operations instead of
  70   block_truncate_page() for DAX files
  71 - ensuring that there is sufficient locking between reads, writes,
  72   truncates and page faults
  73
  74 The iomap handlers for allocating blocks must make sure that allocated blocks
  75 are zeroed out and converted to written extents before being returned to avoid
  76 exposure of uninitialized data through mmap.
  77
  78 These filesystems may be used for inspiration:
  79 - ext2: see Documentation/filesystems/ext2.txt
  80 - ext4: see Documentation/filesystems/ext4.txt
  81 - xfs:  see Documentation/filesystems/xfs.txt
  82
  83
  84 Handling Media Errors
  85 ---------------------
  86
  87 The libnvdimm subsystem stores a record of known media error locations for
  88 each pmem block device (in gendisk->badblocks). If we fault at such location,
  89 or one with a latent error not yet discovered, the application can expect
  90 to receive a SIGBUS. Libnvdimm also allows clearing of these errors by simply
  91 writing the affected sectors (through the pmem driver, and if the underlying
  92 NVDIMM supports the clear_poison DSM defined by ACPI).
  93
  94 Since DAX IO normally doesn't go through the driver/bio path, applications or
  95 sysadmins have an option to restore the lost data from a prior backup/inbuilt
  96 redundancy in the following ways:
  97
  98 1. Delete the affected file, and restore from a backup (sysadmin route):
  99    This will free the file system blocks that were being used by the file,
 100    and the next time they're allocated, they will be zeroed first, which
 101    happens through the driver, and will clear bad sectors.
 102
 103 2. Truncate or hole-punch the part of the file that has a bad-block (at least
 104    an entire aligned sector has to be hole-punched, but not necessarily an
 105    entire filesystem block).
 106
 107 These are the two basic paths that allow DAX filesystems to continue operating
 108 in the presence of media errors. More robust error recovery mechanisms can be
 109 built on top of this in the future, for example, involving redundancy/mirroring
 110 provided at the block layer through DM, or additionally, at the filesystem
 111 level. These would have to rely on the above two tenets, that error clearing
 112 can happen either by sending an IO through the driver, or zeroing (also through
 113 the driver).
 114
 115
 116 Shortcomings
 117 ------------
 118
 119 Even if the kernel or its modules are stored on a filesystem that supports
 120 DAX on a block device that supports DAX, they will still be copied into RAM.
 121
 122 The DAX code does not work correctly on architectures which have virtually
 123 mapped caches such as ARM, MIPS and SPARC.
 124
 125 Calling get_user_pages() on a range of user memory that has been mmaped
 126 from a DAX file will fail when there are no 'struct page' to describe
 127 those pages.  This problem has been addressed in some device drivers
 128 by adding optional struct page support for pages under the control of
 129 the driver (see CONFIG_NVDIMM_PFN in drivers/nvdimm for an example of
 130 how to do this). In the non struct page cases O_DIRECT reads/writes to
 131 those memory ranges from a non-DAX file will fail (note that O_DIRECT
 132 reads/writes _of a DAX file_ do work, it is the memory that is being
 133 accessed that is key here).  Other things that will not work in the
 134 non struct page case include RDMA, sendfile() and splice().