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[pandora-kernel.git] / Documentation / filesystems / relayfs.txt
1
2 relayfs - a high-speed data relay filesystem
3 ============================================
4
5 relayfs is a filesystem designed to provide an efficient mechanism for
6 tools and facilities to relay large and potentially sustained streams
7 of data from kernel space to user space.
8
9 The main abstraction of relayfs is the 'channel'.  A channel consists
10 of a set of per-cpu kernel buffers each represented by a file in the
11 relayfs filesystem.  Kernel clients write into a channel using
12 efficient write functions which automatically log to the current cpu's
13 channel buffer.  User space applications mmap() the per-cpu files and
14 retrieve the data as it becomes available.
15
16 The format of the data logged into the channel buffers is completely
17 up to the relayfs client; relayfs does however provide hooks which
18 allow clients to impose some structure on the buffer data.  Nor does
19 relayfs implement any form of data filtering - this also is left to
20 the client.  The purpose is to keep relayfs as simple as possible.
21
22 This document provides an overview of the relayfs API.  The details of
23 the function parameters are documented along with the functions in the
24 filesystem code - please see that for details.
25
26 Semantics
27 =========
28
29 Each relayfs channel has one buffer per CPU, each buffer has one or
30 more sub-buffers. Messages are written to the first sub-buffer until
31 it is too full to contain a new message, in which case it it is
32 written to the next (if available).  Messages are never split across
33 sub-buffers.  At this point, userspace can be notified so it empties
34 the first sub-buffer, while the kernel continues writing to the next.
35
36 When notified that a sub-buffer is full, the kernel knows how many
37 bytes of it are padding i.e. unused.  Userspace can use this knowledge
38 to copy only valid data.
39
40 After copying it, userspace can notify the kernel that a sub-buffer
41 has been consumed.
42
43 relayfs can operate in a mode where it will overwrite data not yet
44 collected by userspace, and not wait for it to consume it.
45
46 relayfs itself does not provide for communication of such data between
47 userspace and kernel, allowing the kernel side to remain simple and not
48 impose a single interface on userspace. It does provide a separate
49 helper though, described below.
50
51 klog, relay-app & librelay
52 ==========================
53
54 relayfs itself is ready to use, but to make things easier, two
55 additional systems are provided.  klog is a simple wrapper to make
56 writing formatted text or raw data to a channel simpler, regardless of
57 whether a channel to write into exists or not, or whether relayfs is
58 compiled into the kernel or is configured as a module.  relay-app is
59 the kernel counterpart of userspace librelay.c, combined these two
60 files provide glue to easily stream data to disk, without having to
61 bother with housekeeping.  klog and relay-app can be used together,
62 with klog providing high-level logging functions to the kernel and
63 relay-app taking care of kernel-user control and disk-logging chores.
64
65 It is possible to use relayfs without relay-app & librelay, but you'll
66 have to implement communication between userspace and kernel, allowing
67 both to convey the state of buffers (full, empty, amount of padding).
68
69 klog, relay-app and librelay can be found in the relay-apps tarball on
70 http://relayfs.sourceforge.net
71
72 The relayfs user space API
73 ==========================
74
75 relayfs implements basic file operations for user space access to
76 relayfs channel buffer data.  Here are the file operations that are
77 available and some comments regarding their behavior:
78
79 open()   enables user to open an _existing_ buffer.
80
81 mmap()   results in channel buffer being mapped into the caller's
82          memory space. Note that you can't do a partial mmap - you must
83          map the entire file, which is NRBUF * SUBBUFSIZE.
84
85 read()   read the contents of a channel buffer.  The bytes read are
86          'consumed' by the reader i.e. they won't be available again
87          to subsequent reads.  If the channel is being used in
88          no-overwrite mode (the default), it can be read at any time
89          even if there's an active kernel writer.  If the channel is
90          being used in overwrite mode and there are active channel
91          writers, results may be unpredictable - users should make
92          sure that all logging to the channel has ended before using
93          read() with overwrite mode.
94
95 poll()   POLLIN/POLLRDNORM/POLLERR supported.  User applications are
96          notified when sub-buffer boundaries are crossed.
97
98 close() decrements the channel buffer's refcount.  When the refcount
99         reaches 0 i.e. when no process or kernel client has the buffer
100         open, the channel buffer is freed.
101
102
103 In order for a user application to make use of relayfs files, the
104 relayfs filesystem must be mounted.  For example,
105
106         mount -t relayfs relayfs /mnt/relay
107
108 NOTE:   relayfs doesn't need to be mounted for kernel clients to create
109         or use channels - it only needs to be mounted when user space
110         applications need access to the buffer data.
111
112
113 The relayfs kernel API
114 ======================
115
116 Here's a summary of the API relayfs provides to in-kernel clients:
117
118
119   channel management functions:
120
121     relay_open(base_filename, parent, subbuf_size, n_subbufs,
122                callbacks)
123     relay_close(chan)
124     relay_flush(chan)
125     relay_reset(chan)
126     relayfs_create_dir(name, parent)
127     relayfs_remove_dir(dentry)
128
129   channel management typically called on instigation of userspace:
130
131     relay_subbufs_consumed(chan, cpu, subbufs_consumed)
132
133   write functions:
134
135     relay_write(chan, data, length)
136     __relay_write(chan, data, length)
137     relay_reserve(chan, length)
138
139   callbacks:
140
141     subbuf_start(buf, subbuf, prev_subbuf, prev_padding)
142     buf_mapped(buf, filp)
143     buf_unmapped(buf, filp)
144
145   helper functions:
146
147     relay_buf_full(buf)
148     subbuf_start_reserve(buf, length)
149
150
151 Creating a channel
152 ------------------
153
154 relay_open() is used to create a channel, along with its per-cpu
155 channel buffers.  Each channel buffer will have an associated file
156 created for it in the relayfs filesystem, which can be opened and
157 mmapped from user space if desired.  The files are named
158 basename0...basenameN-1 where N is the number of online cpus, and by
159 default will be created in the root of the filesystem.  If you want a
160 directory structure to contain your relayfs files, you can create it
161 with relayfs_create_dir() and pass the parent directory to
162 relay_open().  Clients are responsible for cleaning up any directory
163 structure they create when the channel is closed - use
164 relayfs_remove_dir() for that.
165
166 The total size of each per-cpu buffer is calculated by multiplying the
167 number of sub-buffers by the sub-buffer size passed into relay_open().
168 The idea behind sub-buffers is that they're basically an extension of
169 double-buffering to N buffers, and they also allow applications to
170 easily implement random-access-on-buffer-boundary schemes, which can
171 be important for some high-volume applications.  The number and size
172 of sub-buffers is completely dependent on the application and even for
173 the same application, different conditions will warrant different
174 values for these parameters at different times.  Typically, the right
175 values to use are best decided after some experimentation; in general,
176 though, it's safe to assume that having only 1 sub-buffer is a bad
177 idea - you're guaranteed to either overwrite data or lose events
178 depending on the channel mode being used.
179
180 Channel 'modes'
181 ---------------
182
183 relayfs channels can be used in either of two modes - 'overwrite' or
184 'no-overwrite'.  The mode is entirely determined by the implementation
185 of the subbuf_start() callback, as described below.  In 'overwrite'
186 mode, also known as 'flight recorder' mode, writes continuously cycle
187 around the buffer and will never fail, but will unconditionally
188 overwrite old data regardless of whether it's actually been consumed.
189 In no-overwrite mode, writes will fail i.e. data will be lost, if the
190 number of unconsumed sub-buffers equals the total number of
191 sub-buffers in the channel.  It should be clear that if there is no
192 consumer or if the consumer can't consume sub-buffers fast enought,
193 data will be lost in either case; the only difference is whether data
194 is lost from the beginning or the end of a buffer.
195
196 As explained above, a relayfs channel is made of up one or more
197 per-cpu channel buffers, each implemented as a circular buffer
198 subdivided into one or more sub-buffers.  Messages are written into
199 the current sub-buffer of the channel's current per-cpu buffer via the
200 write functions described below.  Whenever a message can't fit into
201 the current sub-buffer, because there's no room left for it, the
202 client is notified via the subbuf_start() callback that a switch to a
203 new sub-buffer is about to occur.  The client uses this callback to 1)
204 initialize the next sub-buffer if appropriate 2) finalize the previous
205 sub-buffer if appropriate and 3) return a boolean value indicating
206 whether or not to actually go ahead with the sub-buffer switch.
207
208 To implement 'no-overwrite' mode, the userspace client would provide
209 an implementation of the subbuf_start() callback something like the
210 following:
211
212 static int subbuf_start(struct rchan_buf *buf,
213                         void *subbuf,
214                         void *prev_subbuf,
215                         unsigned int prev_padding)
216 {
217         if (prev_subbuf)
218                 *((unsigned *)prev_subbuf) = prev_padding;
219
220         if (relay_buf_full(buf))
221                 return 0;
222
223         subbuf_start_reserve(buf, sizeof(unsigned int));
224
225         return 1;
226 }
227
228 If the current buffer is full i.e. all sub-buffers remain unconsumed,
229 the callback returns 0 to indicate that the buffer switch should not
230 occur yet i.e. until the consumer has had a chance to read the current
231 set of ready sub-buffers.  For the relay_buf_full() function to make
232 sense, the consumer is reponsible for notifying relayfs when
233 sub-buffers have been consumed via relay_subbufs_consumed().  Any
234 subsequent attempts to write into the buffer will again invoke the
235 subbuf_start() callback with the same parameters; only when the
236 consumer has consumed one or more of the ready sub-buffers will
237 relay_buf_full() return 0, in which case the buffer switch can
238 continue.
239
240 The implementation of the subbuf_start() callback for 'overwrite' mode
241 would be very similar:
242
243 static int subbuf_start(struct rchan_buf *buf,
244                         void *subbuf,
245                         void *prev_subbuf,
246                         unsigned int prev_padding)
247 {
248         if (prev_subbuf)
249                 *((unsigned *)prev_subbuf) = prev_padding;
250
251         subbuf_start_reserve(buf, sizeof(unsigned int));
252
253         return 1;
254 }
255
256 In this case, the relay_buf_full() check is meaningless and the
257 callback always returns 1, causing the buffer switch to occur
258 unconditionally.  It's also meaningless for the client to use the
259 relay_subbufs_consumed() function in this mode, as it's never
260 consulted.
261
262 The default subbuf_start() implementation, used if the client doesn't
263 define any callbacks, or doesn't define the subbuf_start() callback,
264 implements the simplest possible 'no-overwrite' mode i.e. it does
265 nothing but return 0.
266
267 Header information can be reserved at the beginning of each sub-buffer
268 by calling the subbuf_start_reserve() helper function from within the
269 subbuf_start() callback.  This reserved area can be used to store
270 whatever information the client wants.  In the example above, room is
271 reserved in each sub-buffer to store the padding count for that
272 sub-buffer.  This is filled in for the previous sub-buffer in the
273 subbuf_start() implementation; the padding value for the previous
274 sub-buffer is passed into the subbuf_start() callback along with a
275 pointer to the previous sub-buffer, since the padding value isn't
276 known until a sub-buffer is filled.  The subbuf_start() callback is
277 also called for the first sub-buffer when the channel is opened, to
278 give the client a chance to reserve space in it.  In this case the
279 previous sub-buffer pointer passed into the callback will be NULL, so
280 the client should check the value of the prev_subbuf pointer before
281 writing into the previous sub-buffer.
282
283 Writing to a channel
284 --------------------
285
286 kernel clients write data into the current cpu's channel buffer using
287 relay_write() or __relay_write().  relay_write() is the main logging
288 function - it uses local_irqsave() to protect the buffer and should be
289 used if you might be logging from interrupt context.  If you know
290 you'll never be logging from interrupt context, you can use
291 __relay_write(), which only disables preemption.  These functions
292 don't return a value, so you can't determine whether or not they
293 failed - the assumption is that you wouldn't want to check a return
294 value in the fast logging path anyway, and that they'll always succeed
295 unless the buffer is full and no-overwrite mode is being used, in
296 which case you can detect a failed write in the subbuf_start()
297 callback by calling the relay_buf_full() helper function.
298
299 relay_reserve() is used to reserve a slot in a channel buffer which
300 can be written to later.  This would typically be used in applications
301 that need to write directly into a channel buffer without having to
302 stage data in a temporary buffer beforehand.  Because the actual write
303 may not happen immediately after the slot is reserved, applications
304 using relay_reserve() can keep a count of the number of bytes actually
305 written, either in space reserved in the sub-buffers themselves or as
306 a separate array.  See the 'reserve' example in the relay-apps tarball
307 at http://relayfs.sourceforge.net for an example of how this can be
308 done.  Because the write is under control of the client and is
309 separated from the reserve, relay_reserve() doesn't protect the buffer
310 at all - it's up to the client to provide the appropriate
311 synchronization when using relay_reserve().
312
313 Closing a channel
314 -----------------
315
316 The client calls relay_close() when it's finished using the channel.
317 The channel and its associated buffers are destroyed when there are no
318 longer any references to any of the channel buffers.  relay_flush()
319 forces a sub-buffer switch on all the channel buffers, and can be used
320 to finalize and process the last sub-buffers before the channel is
321 closed.
322
323 Misc
324 ----
325
326 Some applications may want to keep a channel around and re-use it
327 rather than open and close a new channel for each use.  relay_reset()
328 can be used for this purpose - it resets a channel to its initial
329 state without reallocating channel buffer memory or destroying
330 existing mappings.  It should however only be called when it's safe to
331 do so i.e. when the channel isn't currently being written to.
332
333 Finally, there are a couple of utility callbacks that can be used for
334 different purposes.  buf_mapped() is called whenever a channel buffer
335 is mmapped from user space and buf_unmapped() is called when it's
336 unmapped.  The client can use this notification to trigger actions
337 within the kernel application, such as enabling/disabling logging to
338 the channel.
339
340
341 Resources
342 =========
343
344 For news, example code, mailing list, etc. see the relayfs homepage:
345
346     http://relayfs.sourceforge.net
347
348
349 Credits
350 =======
351
352 The ideas and specs for relayfs came about as a result of discussions
353 on tracing involving the following:
354
355 Michel Dagenais         <michel.dagenais@polymtl.ca>
356 Richard Moore           <richardj_moore@uk.ibm.com>
357 Bob Wisniewski          <bob@watson.ibm.com>
358 Karim Yaghmour          <karim@opersys.com>
359 Tom Zanussi             <zanussi@us.ibm.com>
360
361 Also thanks to Hubertus Franke for a lot of useful suggestions and bug
362 reports.