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1 MOTIVATION
3 Cleancache is a new optional feature provided by the VFS layer that
4 potentially dramatically increases page cache effectiveness for
5 many workloads in many environments at a negligible cost.
7 Cleancache can be thought of as a page-granularity victim cache for clean
8 pages that the kernel's pageframe replacement algorithm (PFRA) would like
9 to keep around, but can't since there isn't enough memory.  So when the
10 PFRA "evicts" a page, it first attempts to use cleancache code to
11 put the data contained in that page into "transcendent memory", memory
12 that is not directly accessible or addressable by the kernel and is
13 of unknown and possibly time-varying size.
15 Later, when a cleancache-enabled filesystem wishes to access a page
16 in a file on disk, it first checks cleancache to see if it already
17 contains it; if it does, the page of data is copied into the kernel
18 and a disk access is avoided.
20 Transcendent memory "drivers" for cleancache are currently implemented
21 in Xen (using hypervisor memory) and zcache (using in-kernel compressed
22 memory) and other implementations are in development.
24 FAQs are included below.
26 IMPLEMENTATION OVERVIEW
28 A cleancache "backend" that provides transcendent memory registers itself
29 to the kernel's cleancache "frontend" by calling cleancache_register_ops,
30 passing a pointer to a cleancache_ops structure with funcs set appropriately.
31 Note that cleancache_register_ops returns the previous settings so that
32 chaining can be performed if desired. The functions provided must conform to
33 certain semantics as follows:
35 Most important, cleancache is "ephemeral".  Pages which are copied into
36 cleancache have an indefinite lifetime which is completely unknowable
37 by the kernel and so may or may not still be in cleancache at any later time.
38 Thus, as its name implies, cleancache is not suitable for dirty pages.
39 Cleancache has complete discretion over what pages to preserve and what
40 pages to discard and when.
42 Mounting a cleancache-enabled filesystem should call "init_fs" to obtain a
43 pool id which, if positive, must be saved in the filesystem's superblock;
44 a negative return value indicates failure.  A "put_page" will copy a
45 (presumably about-to-be-evicted) page into cleancache and associate it with
46 the pool id, a file key, and a page index into the file.  (The combination
47 of a pool id, a file key, and an index is sometimes called a "handle".)
48 A "get_page" will copy the page, if found, from cleancache into kernel memory.
49 A "flush_page" will ensure the page no longer is present in cleancache;
50 a "flush_inode" will flush all pages associated with the specified file;
51 and, when a filesystem is unmounted, a "flush_fs" will flush all pages in
52 all files specified by the given pool id and also surrender the pool id.
54 An "init_shared_fs", like init_fs, obtains a pool id but tells cleancache
55 to treat the pool as shared using a 128-bit UUID as a key.  On systems
56 that may run multiple kernels (such as hard partitioned or virtualized
57 systems) that may share a clustered filesystem, and where cleancache
58 may be shared among those kernels, calls to init_shared_fs that specify the
59 same UUID will receive the same pool id, thus allowing the pages to
60 be shared.  Note that any security requirements must be imposed outside
61 of the kernel (e.g. by "tools" that control cleancache).  Or a
62 cleancache implementation can simply disable shared_init by always
63 returning a negative value.
65 If a get_page is successful on a non-shared pool, the page is flushed (thus
66 making cleancache an "exclusive" cache).  On a shared pool, the page
67 is NOT flushed on a successful get_page so that it remains accessible to
68 other sharers.  The kernel is responsible for ensuring coherency between
69 cleancache (shared or not), the page cache, and the filesystem, using
70 cleancache flush operations as required.
72 Note that cleancache must enforce put-put-get coherency and get-get
73 coherency.  For the former, if two puts are made to the same handle but
74 with different data, say AAA by the first put and BBB by the second, a
75 subsequent get can never return the stale data (AAA).  For get-get coherency,
76 if a get for a given handle fails, subsequent gets for that handle will
77 never succeed unless preceded by a successful put with that handle.
79 Last, cleancache provides no SMP serialization guarantees; if two
80 different Linux threads are simultaneously putting and flushing a page
81 with the same handle, the results are indeterminate.  Callers must
82 lock the page to ensure serial behavior.
84 CLEANCACHE PERFORMANCE METRICS
86 Cleancache monitoring is done by sysfs files in the
87 /sys/kernel/mm/cleancache directory.  The effectiveness of cleancache
88 can be measured (across all filesystems) with:
90 succ_gets       - number of gets that were successful
91 failed_gets     - number of gets that failed
92 puts            - number of puts attempted (all "succeed")
93 flushes         - number of flushes attempted
95 A backend implementatation may provide additional metrics.
97 FAQ
99 1) Where's the value? (Andrew Morton)
101 Cleancache provides a significant performance benefit to many workloads
102 in many environments with negligible overhead by improving the
103 effectiveness of the pagecache.  Clean pagecache pages are
104 saved in transcendent memory (RAM that is otherwise not directly
105 addressable to the kernel); fetching those pages later avoids "refaults"
106 and thus disk reads.
108 Cleancache (and its sister code "frontswap") provide interfaces for
109 this transcendent memory (aka "tmem"), which conceptually lies between
110 fast kernel-directly-addressable RAM and slower DMA/asynchronous devices.
111 Disallowing direct kernel or userland reads/writes to tmem
112 is ideal when data is transformed to a different form and size (such
113 as with compression) or secretly moved (as might be useful for write-
114 balancing for some RAM-like devices).  Evicted page-cache pages (and
115 swap pages) are a great use for this kind of slower-than-RAM-but-much-
116 faster-than-disk transcendent memory, and the cleancache (and frontswap)
117 "page-object-oriented" specification provides a nice way to read and
118 write -- and indirectly "name" -- the pages.
120 In the virtual case, the whole point of virtualization is to statistically
121 multiplex physical resources across the varying demands of multiple
122 virtual machines.  This is really hard to do with RAM and efforts to
123 do it well with no kernel change have essentially failed (except in some
124 well-publicized special-case workloads).  Cleancache -- and frontswap --
125 with a fairly small impact on the kernel, provide a huge amount
126 of flexibility for more dynamic, flexible RAM multiplexing.
127 Specifically, the Xen Transcendent Memory backend allows otherwise
128 "fallow" hypervisor-owned RAM to not only be "time-shared" between multiple
129 virtual machines, but the pages can be compressed and deduplicated to
130 optimize RAM utilization.  And when guest OS's are induced to surrender
131 underutilized RAM (e.g. with "self-ballooning"), page cache pages
132 are the first to go, and cleancache allows those pages to be
133 saved and reclaimed if overall host system memory conditions allow.
135 And the identical interface used for cleancache can be used in
136 physical systems as well.  The zcache driver acts as a memory-hungry
137 device that stores pages of data in a compressed state.  And
138 the proposed "RAMster" driver shares RAM across multiple physical
139 systems.
141 2) Why does cleancache have its sticky fingers so deep inside the
142    filesystems and VFS? (Andrew Morton and Christoph Hellwig)
144 The core hooks for cleancache in VFS are in most cases a single line
145 and the minimum set are placed precisely where needed to maintain
146 coherency (via cleancache_flush operations) between cleancache,
147 the page cache, and disk.  All hooks compile into nothingness if
148 cleancache is config'ed off and turn into a function-pointer-
149 compare-to-NULL if config'ed on but no backend claims the ops
150 functions, or to a compare-struct-element-to-negative if a
151 backend claims the ops functions but a filesystem doesn't enable
152 cleancache.
154 Some filesystems are built entirely on top of VFS and the hooks
155 in VFS are sufficient, so don't require an "init_fs" hook; the
156 initial implementation of cleancache didn't provide this hook.
157 But for some filesystems (such as btrfs), the VFS hooks are
158 incomplete and one or more hooks in fs-specific code are required.
159 And for some other filesystems, such as tmpfs, cleancache may
160 be counterproductive.  So it seemed prudent to require a filesystem
161 to "opt in" to use cleancache, which requires adding a hook in
162 each filesystem.  Not all filesystems are supported by cleancache
163 only because they haven't been tested.  The existing set should
164 be sufficient to validate the concept, the opt-in approach means
165 that untested filesystems are not affected, and the hooks in the
166 existing filesystems should make it very easy to add more
167 filesystems in the future.
169 The total impact of the hooks to existing fs and mm files is only
170 about 40 lines added (not counting comments and blank lines).
172 3) Why not make cleancache asynchronous and batched so it can
173    more easily interface with real devices with DMA instead
174    of copying each individual page? (Minchan Kim)
176 The one-page-at-a-time copy semantics simplifies the implementation
177 on both the frontend and backend and also allows the backend to
178 do fancy things on-the-fly like page compression and
179 page deduplication.  And since the data is "gone" (copied into/out
180 of the pageframe) before the cleancache get/put call returns,
181 a great deal of race conditions and potential coherency issues
182 are avoided.  While the interface seems odd for a "real device"
183 or for real kernel-addressable RAM, it makes perfect sense for
184 transcendent memory.
186 4) Why is non-shared cleancache "exclusive"?  And where is the
187    page "flushed" after a "get"? (Minchan Kim)
189 The main reason is to free up space in transcendent memory and
190 to avoid unnecessary cleancache_flush calls.  If you want inclusive,
191 the page can be "put" immediately following the "get".  If
192 put-after-get for inclusive becomes common, the interface could
193 be easily extended to add a "get_no_flush" call.
195 The flush is done by the cleancache backend implementation.
197 5) What's the performance impact?
199 Performance analysis has been presented at OLS'09 and LCA'10.
200 Briefly, performance gains can be significant on most workloads,
201 especially when memory pressure is high (e.g. when RAM is
202 overcommitted in a virtual workload); and because the hooks are
203 invoked primarily in place of or in addition to a disk read/write,
204 overhead is negligible even in worst case workloads.  Basically
205 cleancache replaces I/O with memory-copy-CPU-overhead; on older
206 single-core systems with slow memory-copy speeds, cleancache
207 has little value, but in newer multicore machines, especially
208 consolidated/virtualized machines, it has great value.
210 6) How do I add cleancache support for filesystem X? (Boaz Harrash)
212 Filesystems that are well-behaved and conform to certain
213 restrictions can utilize cleancache simply by making a call to
214 cleancache_init_fs at mount time.  Unusual, misbehaving, or
215 poorly layered filesystems must either add additional hooks
216 and/or undergo extensive additional testing... or should just
217 not enable the optional cleancache.
219 Some points for a filesystem to consider:
221 - The FS should be block-device-based (e.g. a ram-based FS such
222   as tmpfs should not enable cleancache)
223 - To ensure coherency/correctness, the FS must ensure that all
224   file removal or truncation operations either go through VFS or
225   add hooks to do the equivalent cleancache "flush" operations
226 - To ensure coherency/correctness, either inode numbers must
227   be unique across the lifetime of the on-disk file OR the
228   FS must provide an "encode_fh" function.
229 - The FS must call the VFS superblock alloc and deactivate routines
230   or add hooks to do the equivalent cleancache calls done there.
231 - To maximize performance, all pages fetched from the FS should
232   go through the do_mpag_readpage routine or the FS should add
233   hooks to do the equivalent (cf. btrfs)
234 - Currently, the FS blocksize must be the same as PAGESIZE.  This
235   is not an architectural restriction, but no backends currently
236   support anything different.
237 - A clustered FS should invoke the "shared_init_fs" cleancache
238   hook to get best performance for some backends.
240 7) Why not use the KVA of the inode as the key? (Christoph Hellwig)
242 If cleancache would use the inode virtual address instead of
243 inode/filehandle, the pool id could be eliminated.  But, this
244 won't work because cleancache retains pagecache data pages
245 persistently even when the inode has been pruned from the
246 inode unused list, and only flushes the data page if the file
247 gets removed/truncated.  So if cleancache used the inode kva,
248 there would be potential coherency issues if/when the inode
249 kva is reused for a different file.  Alternately, if cleancache
250 flushed the pages when the inode kva was freed, much of the value
251 of cleancache would be lost because the cache of pages in cleanache
252 is potentially much larger than the kernel pagecache and is most
253 useful if the pages survive inode cache removal.
255 8) Why is a global variable required?
257 The cleancache_enabled flag is checked in all of the frequently-used
258 cleancache hooks.  The alternative is a function call to check a static
259 variable. Since cleancache is enabled dynamically at runtime, systems
260 that don't enable cleancache would suffer thousands (possibly
261 tens-of-thousands) of unnecessary function calls per second.  So the
262 global variable allows cleancache to be enabled by default at compile
263 time, but have insignificant performance impact when cleancache remains
264 disabled at runtime.
266 9) Does cleanache work with KVM?
268 The memory model of KVM is sufficiently different that a cleancache
269 backend may have less value for KVM.  This remains to be tested,
270 especially in an overcommitted system.
272 10) Does cleancache work in userspace?  It sounds useful for
273    memory hungry caches like web browsers.  (Jamie Lokier)
275 No plans yet, though we agree it sounds useful, at least for
276 apps that bypass the page cache (e.g. O_DIRECT).
278 Last updated: Dan Magenheimer, April 13 2011