]> git.ozlabs.org Git - ccan/blobdiff - ccan/ntdb/doc/design.txt
ntdb: next-generation trivial key-value database
[ccan] / ccan / ntdb / doc / design.txt
diff --git a/ccan/ntdb/doc/design.txt b/ccan/ntdb/doc/design.txt
new file mode 100644 (file)
index 0000000..bd680f0
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,1270 @@
+NTDB: Redesigning The Trivial DataBase
+
+Rusty Russell, IBM Corporation
+
+19 June 2012
+
+Abstract
+
+The Trivial DataBase on-disk format is 32 bits; with usage cases
+heading towards the 4G limit, that must change. This required
+breakage provides an opportunity to revisit TDB's other design
+decisions and reassess them.
+
+1 Introduction
+
+The Trivial DataBase was originally written by Andrew Tridgell as
+a simple key/data pair storage system with the same API as dbm,
+but allowing multiple readers and writers while being small
+enough (< 1000 lines of C) to include in SAMBA. The simple design
+created in 1999 has proven surprisingly robust and performant,
+used in Samba versions 3 and 4 as well as numerous other
+projects. Its useful life was greatly increased by the
+(backwards-compatible!) addition of transaction support in 2005.
+
+The wider variety and greater demands of TDB-using code has lead
+to some organic growth of the API, as well as some compromises on
+the implementation. None of these, by themselves, are seen as
+show-stoppers, but the cumulative effect is to a loss of elegance
+over the initial, simple TDB implementation. Here is a table of
+the approximate number of lines of implementation code and number
+of API functions at the end of each year:
+
+
++-----------+----------------+--------------------------------+
+| Year End  | API Functions  | Lines of C Code Implementation |
++-----------+----------------+--------------------------------+
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   1999    |      13        |              1195              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2000    |      24        |              1725              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2001    |      32        |              2228              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2002    |      35        |              2481              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2003    |      35        |              2552              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2004    |      40        |              2584              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2005    |      38        |              2647              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2006    |      52        |              3754              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2007    |      66        |              4398              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2008    |      71        |              4768              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+|   2009    |      73        |              5715              |
++-----------+----------------+--------------------------------+
+
+
+This review is an attempt to catalog and address all the known
+issues with TDB and create solutions which address the problems
+without significantly increasing complexity; all involved are far
+too aware of the dangers of second system syndrome in rewriting a
+successful project like this.
+
+Note: the final decision was to make ntdb a separate library,
+with a separarate 'ntdb' namespace so both can potentially be
+linked together. This document still refers to “tdb” everywhere,
+for simplicity.
+
+2 API Issues
+
+2.1 tdb_open_ex Is Not Expandable
+
+The tdb_open() call was expanded to tdb_open_ex(), which added an
+optional hashing function and an optional logging function
+argument. Additional arguments to open would require the
+introduction of a tdb_open_ex2 call etc.
+
+2.1.1 Proposed Solution<attributes>
+
+tdb_open() will take a linked-list of attributes:
+
+enum tdb_attribute {
+
+    TDB_ATTRIBUTE_LOG = 0,
+
+    TDB_ATTRIBUTE_HASH = 1
+
+};
+
+struct tdb_attribute_base {
+
+    enum tdb_attribute attr;
+
+    union tdb_attribute *next;
+
+};
+
+struct tdb_attribute_log {
+
+    struct tdb_attribute_base base; /* .attr = TDB_ATTRIBUTE_LOG
+*/
+
+    tdb_log_func log_fn;
+
+    void *log_private;
+
+};
+
+struct tdb_attribute_hash {
+
+    struct tdb_attribute_base base; /* .attr = TDB_ATTRIBUTE_HASH
+*/
+
+    tdb_hash_func hash_fn;
+
+    void *hash_private;
+
+};
+
+union tdb_attribute {
+
+    struct tdb_attribute_base base;
+
+    struct tdb_attribute_log log;
+
+    struct tdb_attribute_hash hash;
+
+};
+
+This allows future attributes to be added, even if this expands
+the size of the union.
+
+2.1.2 Status
+
+Complete.
+
+2.2 tdb_traverse Makes Impossible Guarantees
+
+tdb_traverse (and tdb_firstkey/tdb_nextkey) predate transactions,
+and it was thought that it was important to guarantee that all
+records which exist at the start and end of the traversal would
+be included, and no record would be included twice.
+
+This adds complexity (see[Reliable-Traversal-Adds]) and does not
+work anyway for records which are altered (in particular, those
+which are expanded may be effectively deleted and re-added behind
+the traversal).
+
+2.2.1 <traverse-Proposed-Solution>Proposed Solution
+
+Abandon the guarantee. You will see every record if no changes
+occur during your traversal, otherwise you will see some subset.
+You can prevent changes by using a transaction or the locking
+API.
+
+2.2.2 Status
+
+Complete. Delete-during-traverse will still delete every record,
+too (assuming no other changes).
+
+2.3 Nesting of Transactions Is Fraught
+
+TDB has alternated between allowing nested transactions and not
+allowing them. Various paths in the Samba codebase assume that
+transactions will nest, and in a sense they can: the operation is
+only committed to disk when the outer transaction is committed.
+There are two problems, however:
+
+1. Canceling the inner transaction will cause the outer
+  transaction commit to fail, and will not undo any operations
+  since the inner transaction began. This problem is soluble with
+  some additional internal code.
+
+2. An inner transaction commit can be cancelled by the outer
+  transaction. This is desirable in the way which Samba's
+  database initialization code uses transactions, but could be a
+  surprise to any users expecting a successful transaction commit
+  to expose changes to others.
+
+The current solution is to specify the behavior at tdb_open(),
+with the default currently that nested transactions are allowed.
+This flag can also be changed at runtime.
+
+2.3.1 Proposed Solution
+
+Given the usage patterns, it seems that the“least-surprise”
+behavior of disallowing nested transactions should become the
+default. Additionally, it seems the outer transaction is the only
+code which knows whether inner transactions should be allowed, so
+a flag to indicate this could be added to tdb_transaction_start.
+However, this behavior can be simulated with a wrapper which uses
+tdb_add_flags() and tdb_remove_flags(), so the API should not be
+expanded for this relatively-obscure case.
+
+2.3.2 Status
+
+Complete; the nesting flag has been removed.
+
+2.4 Incorrect Hash Function is Not Detected
+
+tdb_open_ex() allows the calling code to specify a different hash
+function to use, but does not check that all other processes
+accessing this tdb are using the same hash function. The result
+is that records are missing from tdb_fetch().
+
+2.4.1 Proposed Solution
+
+The header should contain an example hash result (eg. the hash of
+0xdeadbeef), and tdb_open_ex() should check that the given hash
+function produces the same answer, or fail the tdb_open call.
+
+2.4.2 Status
+
+Complete.
+
+2.5 tdb_set_max_dead/TDB_VOLATILE Expose Implementation
+
+In response to scalability issues with the free list ([TDB-Freelist-Is]
+) two API workarounds have been incorporated in TDB:
+tdb_set_max_dead() and the TDB_VOLATILE flag to tdb_open. The
+latter actually calls the former with an argument of“5”.
+
+This code allows deleted records to accumulate without putting
+them in the free list. On delete we iterate through each chain
+and free them in a batch if there are more than max_dead entries.
+These are never otherwise recycled except as a side-effect of a
+tdb_repack.
+
+2.5.1 Proposed Solution
+
+With the scalability problems of the freelist solved, this API
+can be removed. The TDB_VOLATILE flag may still be useful as a
+hint that store and delete of records will be at least as common
+as fetch in order to allow some internal tuning, but initially
+will become a no-op.
+
+2.5.2 Status
+
+Complete. Unknown flags cause tdb_open() to fail as well, so they
+can be detected at runtime.
+
+2.6 <TDB-Files-Cannot>TDB Files Cannot Be Opened Multiple Times
+  In The Same Process
+
+No process can open the same TDB twice; we check and disallow it.
+This is an unfortunate side-effect of fcntl locks, which operate
+on a per-file rather than per-file-descriptor basis, and do not
+nest. Thus, closing any file descriptor on a file clears all the
+locks obtained by this process, even if they were placed using a
+different file descriptor!
+
+Note that even if this were solved, deadlock could occur if
+operations were nested: this is a more manageable programming
+error in most cases.
+
+2.6.1 Proposed Solution
+
+We could lobby POSIX to fix the perverse rules, or at least lobby
+Linux to violate them so that the most common implementation does
+not have this restriction. This would be a generally good idea
+for other fcntl lock users.
+
+Samba uses a wrapper which hands out the same tdb_context to
+multiple callers if this happens, and does simple reference
+counting. We should do this inside the tdb library, which already
+emulates lock nesting internally; it would need to recognize when
+deadlock occurs within a single process. This would create a new
+failure mode for tdb operations (while we currently handle
+locking failures, they are impossible in normal use and a process
+encountering them can do little but give up).
+
+I do not see benefit in an additional tdb_open flag to indicate
+whether re-opening is allowed, as though there may be some
+benefit to adding a call to detect when a tdb_context is shared,
+to allow other to create such an API.
+
+2.6.2 Status
+
+Complete.
+
+2.7 TDB API Is Not POSIX Thread-safe
+
+The TDB API uses an error code which can be queried after an
+operation to determine what went wrong. This programming model
+does not work with threads, unless specific additional guarantees
+are given by the implementation. In addition, even
+otherwise-independent threads cannot open the same TDB (as in[TDB-Files-Cannot]
+).
+
+2.7.1 Proposed Solution
+
+Reachitecting the API to include a tdb_errcode pointer would be a
+great deal of churn, but fortunately most functions return 0 on
+success and -1 on error: we can change these to return 0 on
+success and a negative error code on error, and the API remains
+similar to previous. The tdb_fetch, tdb_firstkey and tdb_nextkey
+functions need to take a TDB_DATA pointer and return an error
+code. It is also simpler to have tdb_nextkey replace its key
+argument in place, freeing up any old .dptr.
+
+Internal locking is required to make sure that fcntl locks do not
+overlap between threads, and also that the global list of tdbs is
+maintained.
+
+The aim is that building tdb with -DTDB_PTHREAD will result in a
+pthread-safe version of the library, and otherwise no overhead
+will exist. Alternatively, a hooking mechanism similar to that
+proposed for[Proposed-Solution-locking-hook] could be used to
+enable pthread locking at runtime.
+
+2.7.2 Status
+
+Incomplete; API has been changed but thread safety has not been
+implemented.
+
+2.8 *_nonblock Functions And *_mark Functions Expose
+  Implementation
+
+CTDB[footnote:
+Clustered TDB, see http://ctdb.samba.org
+] wishes to operate on TDB in a non-blocking manner. This is
+currently done as follows:
+
+1. Call the _nonblock variant of an API function (eg.
+  tdb_lockall_nonblock). If this fails:
+
+2. Fork a child process, and wait for it to call the normal
+  variant (eg. tdb_lockall).
+
+3. If the child succeeds, call the _mark variant to indicate we
+  already have the locks (eg. tdb_lockall_mark).
+
+4. Upon completion, tell the child to release the locks (eg.
+  tdb_unlockall).
+
+5. Indicate to tdb that it should consider the locks removed (eg.
+  tdb_unlockall_mark).
+
+There are several issues with this approach. Firstly, adding two
+new variants of each function clutters the API for an obscure
+use, and so not all functions have three variants. Secondly, it
+assumes that all paths of the functions ask for the same locks,
+otherwise the parent process will have to get a lock which the
+child doesn't have under some circumstances. I don't believe this
+is currently the case, but it constrains the implementation.
+
+2.8.1 <Proposed-Solution-locking-hook>Proposed Solution
+
+Implement a hook for locking methods, so that the caller can
+control the calls to create and remove fcntl locks. In this
+scenario, ctdbd would operate as follows:
+
+1. Call the normal API function, eg tdb_lockall().
+
+2. When the lock callback comes in, check if the child has the
+  lock. Initially, this is always false. If so, return 0.
+  Otherwise, try to obtain it in non-blocking mode. If that
+  fails, return EWOULDBLOCK.
+
+3. Release locks in the unlock callback as normal.
+
+4. If tdb_lockall() fails, see if we recorded a lock failure; if
+  so, call the child to repeat the operation.
+
+5. The child records what locks it obtains, and returns that
+  information to the parent.
+
+6. When the child has succeeded, goto 1.
+
+This is flexible enough to handle any potential locking scenario,
+even when lock requirements change. It can be optimized so that
+the parent does not release locks, just tells the child which
+locks it doesn't need to obtain.
+
+It also keeps the complexity out of the API, and in ctdbd where
+it is needed.
+
+2.8.2 Status
+
+Complete.
+
+2.9 tdb_chainlock Functions Expose Implementation
+
+tdb_chainlock locks some number of records, including the record
+indicated by the given key. This gave atomicity guarantees;
+no-one can start a transaction, alter, read or delete that key
+while the lock is held.
+
+It also makes the same guarantee for any other key in the chain,
+which is an internal implementation detail and potentially a
+cause for deadlock.
+
+2.9.1 Proposed Solution
+
+None. It would be nice to have an explicit single entry lock
+which effected no other keys. Unfortunately, this won't work for
+an entry which doesn't exist. Thus while chainlock may be
+implemented more efficiently for the existing case, it will still
+have overlap issues with the non-existing case. So it is best to
+keep the current (lack of) guarantee about which records will be
+effected to avoid constraining our implementation.
+
+2.10 Signal Handling is Not Race-Free
+
+The tdb_setalarm_sigptr() call allows the caller's signal handler
+to indicate that the tdb locking code should return with a
+failure, rather than trying again when a signal is received (and
+errno == EAGAIN). This is usually used to implement timeouts.
+
+Unfortunately, this does not work in the case where the signal is
+received before the tdb code enters the fcntl() call to place the
+lock: the code will sleep within the fcntl() code, unaware that
+the signal wants it to exit. In the case of long timeouts, this
+does not happen in practice.
+
+2.10.1 Proposed Solution
+
+The locking hooks proposed in[Proposed-Solution-locking-hook]
+would allow the user to decide on whether to fail the lock
+acquisition on a signal. This allows the caller to choose their
+own compromise: they could narrow the race by checking
+immediately before the fcntl call.[footnote:
+It may be possible to make this race-free in some implementations
+by having the signal handler alter the struct flock to make it
+invalid. This will cause the fcntl() lock call to fail with
+EINVAL if the signal occurs before the kernel is entered,
+otherwise EAGAIN.
+]
+
+2.10.2 Status
+
+Complete.
+
+2.11 The API Uses Gratuitous Typedefs, Capitals
+
+typedefs are useful for providing source compatibility when types
+can differ across implementations, or arguably in the case of
+function pointer definitions which are hard for humans to parse.
+Otherwise it is simply obfuscation and pollutes the namespace.
+
+Capitalization is usually reserved for compile-time constants and
+macros.
+
+  TDB_CONTEXT There is no reason to use this over 'struct
+  tdb_context'; the definition isn't visible to the API user
+  anyway.
+
+  TDB_DATA There is no reason to use this over struct TDB_DATA;
+  the struct needs to be understood by the API user.
+
+  struct TDB_DATA This would normally be called 'struct
+  tdb_data'.
+
+  enum TDB_ERROR Similarly, this would normally be enum
+  tdb_error.
+
+2.11.1 Proposed Solution
+
+None. Introducing lower case variants would please pedants like
+myself, but if it were done the existing ones should be kept.
+There is little point forcing a purely cosmetic change upon tdb
+users.
+
+2.12 <tdb_log_func-Doesnt-Take>tdb_log_func Doesn't Take The
+  Private Pointer
+
+For API compatibility reasons, the logging function needs to call
+tdb_get_logging_private() to retrieve the pointer registered by
+the tdb_open_ex for logging.
+
+2.12.1 Proposed Solution
+
+It should simply take an extra argument, since we are prepared to
+break the API/ABI.
+
+2.12.2 Status
+
+Complete.
+
+2.13 Various Callback Functions Are Not Typesafe
+
+The callback functions in tdb_set_logging_function (after[tdb_log_func-Doesnt-Take]
+ is resolved), tdb_parse_record, tdb_traverse, tdb_traverse_read
+and tdb_check all take void * and must internally convert it to
+the argument type they were expecting.
+
+If this type changes, the compiler will not produce warnings on
+the callers, since it only sees void *.
+
+2.13.1 Proposed Solution
+
+With careful use of macros, we can create callback functions
+which give a warning when used on gcc and the types of the
+callback and its private argument differ. Unsupported compilers
+will not give a warning, which is no worse than now. In addition,
+the callbacks become clearer, as they need not use void * for
+their parameter.
+
+See CCAN's typesafe_cb module at
+http://ccan.ozlabs.org/info/typesafe_cb.html
+
+2.13.2 Status
+
+Complete.
+
+2.14 TDB_CLEAR_IF_FIRST Must Be Specified On All Opens,
+  tdb_reopen_all Problematic
+
+The TDB_CLEAR_IF_FIRST flag to tdb_open indicates that the TDB
+file should be cleared if the caller discovers it is the only
+process with the TDB open. However, if any caller does not
+specify TDB_CLEAR_IF_FIRST it will not be detected, so will have
+the TDB erased underneath them (usually resulting in a crash).
+
+There is a similar issue on fork(); if the parent exits (or
+otherwise closes the tdb) before the child calls tdb_reopen_all()
+to establish the lock used to indicate the TDB is opened by
+someone, a TDB_CLEAR_IF_FIRST opener at that moment will believe
+it alone has opened the TDB and will erase it.
+
+2.14.1 Proposed Solution
+
+Remove TDB_CLEAR_IF_FIRST. Other workarounds are possible, but
+see[TDB_CLEAR_IF_FIRST-Imposes-Performance].
+
+2.14.2 Status
+
+Complete. An open hook is provided to replicate this
+functionality if required.
+
+2.15 Extending The Header Is Difficult
+
+We have reserved (zeroed) words in the TDB header, which can be
+used for future features. If the future features are compulsory,
+the version number must be updated to prevent old code from
+accessing the database. But if the future feature is optional, we
+have no way of telling if older code is accessing the database or
+not.
+
+2.15.1 Proposed Solution
+
+The header should contain a“format variant” value (64-bit). This
+is divided into two 32-bit parts:
+
+1. The lower part reflects the format variant understood by code
+  accessing the database.
+
+2. The upper part reflects the format variant you must understand
+  to write to the database (otherwise you can only open for
+  reading).
+
+The latter field can only be written at creation time, the former
+should be written under the OPEN_LOCK when opening the database
+for writing, if the variant of the code is lower than the current
+lowest variant.
+
+This should allow backwards-compatible features to be added, and
+detection if older code (which doesn't understand the feature)
+writes to the database.
+
+2.15.2 Status
+
+Complete.
+
+2.16 Record Headers Are Not Expandible
+
+If we later want to add (say) checksums on keys and data, it
+would require another format change, which we'd like to avoid.
+
+2.16.1 Proposed Solution
+
+We often have extra padding at the tail of a record. If we ensure
+that the first byte (if any) of this padding is zero, we will
+have a way for future changes to detect code which doesn't
+understand a new format: the new code would write (say) a 1 at
+the tail, and thus if there is no tail or the first byte is 0, we
+would know the extension is not present on that record.
+
+2.16.2 Status
+
+Complete.
+
+2.17 TDB Does Not Use Talloc
+
+Many users of TDB (particularly Samba) use the talloc allocator,
+and thus have to wrap TDB in a talloc context to use it
+conveniently.
+
+2.17.1 Proposed Solution
+
+The allocation within TDB is not complicated enough to justify
+the use of talloc, and I am reluctant to force another
+(excellent) library on TDB users. Nonetheless a compromise is
+possible. An attribute (see[attributes]) can be added later to
+tdb_open() to provide an alternate allocation mechanism,
+specifically for talloc but usable by any other allocator (which
+would ignore the“context” argument).
+
+This would form a talloc heirarchy as expected, but the caller
+would still have to attach a destructor to the tdb context
+returned from tdb_open to close it. All TDB_DATA fields would be
+children of the tdb_context, and the caller would still have to
+manage them (using talloc_free() or talloc_steal()).
+
+2.17.2 Status
+
+Complete, using the NTDB_ATTRIBUTE_ALLOCATOR attribute.
+
+3 Performance And Scalability Issues
+
+3.1 <TDB_CLEAR_IF_FIRST-Imposes-Performance>TDB_CLEAR_IF_FIRST
+  Imposes Performance Penalty
+
+When TDB_CLEAR_IF_FIRST is specified, a 1-byte read lock is
+placed at offset 4 (aka. the ACTIVE_LOCK). While these locks
+never conflict in normal tdb usage, they do add substantial
+overhead for most fcntl lock implementations when the kernel
+scans to detect if a lock conflict exists. This is often a single
+linked list, making the time to acquire and release a fcntl lock
+O(N) where N is the number of processes with the TDB open, not
+the number actually doing work.
+
+In a Samba server it is common to have huge numbers of clients
+sitting idle, and thus they have weaned themselves off the
+TDB_CLEAR_IF_FIRST flag.[footnote:
+There is a flag to tdb_reopen_all() which is used for this
+optimization: if the parent process will outlive the child, the
+child does not need the ACTIVE_LOCK. This is a workaround for
+this very performance issue.
+]
+
+3.1.1 Proposed Solution
+
+Remove the flag. It was a neat idea, but even trivial servers
+tend to know when they are initializing for the first time and
+can simply unlink the old tdb at that point.
+
+3.1.2 Status
+
+Complete.
+
+3.2 TDB Files Have a 4G Limit
+
+This seems to be becoming an issue (so much for“trivial”!),
+particularly for ldb.
+
+3.2.1 Proposed Solution
+
+A new, incompatible TDB format which uses 64 bit offsets
+internally rather than 32 bit as now. For simplicity of endian
+conversion (which TDB does on the fly if required), all values
+will be 64 bit on disk. In practice, some upper bits may be used
+for other purposes, but at least 56 bits will be available for
+file offsets.
+
+tdb_open() will automatically detect the old version, and even
+create them if TDB_VERSION6 is specified to tdb_open.
+
+32 bit processes will still be able to access TDBs larger than 4G
+(assuming that their off_t allows them to seek to 64 bits), they
+will gracefully fall back as they fail to mmap. This can happen
+already with large TDBs.
+
+Old versions of tdb will fail to open the new TDB files (since 28
+August 2009, commit 398d0c29290: prior to that any unrecognized
+file format would be erased and initialized as a fresh tdb!)
+
+3.2.2 Status
+
+Complete.
+
+3.3 TDB Records Have a 4G Limit
+
+This has not been a reported problem, and the API uses size_t
+which can be 64 bit on 64 bit platforms. However, other limits
+may have made such an issue moot.
+
+3.3.1 Proposed Solution
+
+Record sizes will be 64 bit, with an error returned on 32 bit
+platforms which try to access such records (the current
+implementation would return TDB_ERR_OOM in a similar case). It
+seems unlikely that 32 bit keys will be a limitation, so the
+implementation may not support this (see[sub:Records-Incur-A]).
+
+3.3.2 Status
+
+Complete.
+
+3.4 Hash Size Is Determined At TDB Creation Time
+
+TDB contains a number of hash chains in the header; the number is
+specified at creation time, and defaults to 131. This is such a
+bottleneck on large databases (as each hash chain gets quite
+long), that LDB uses 10,000 for this hash. In general it is
+impossible to know what the 'right' answer is at database
+creation time.
+
+3.4.1 <sub:Hash-Size-Solution>Proposed Solution
+
+After comprehensive performance testing on various scalable hash
+variants[footnote:
+http://rusty.ozlabs.org/?p=89 and http://rusty.ozlabs.org/?p=94
+This was annoying because I was previously convinced that an
+expanding tree of hashes would be very close to optimal.
+], it became clear that it is hard to beat a straight linear hash
+table which doubles in size when it reaches saturation.
+Unfortunately, altering the hash table introduces serious locking
+complications: the entire hash table needs to be locked to
+enlarge the hash table, and others might be holding locks.
+Particularly insidious are insertions done under tdb_chainlock.
+
+Thus an expanding layered hash will be used: an array of hash
+groups, with each hash group exploding into pointers to lower
+hash groups once it fills, turning into a hash tree. This has
+implications for locking: we must lock the entire group in case
+we need to expand it, yet we don't know how deep the tree is at
+that point.
+
+Note that bits from the hash table entries should be stolen to
+hold more hash bits to reduce the penalty of collisions. We can
+use the otherwise-unused lower 3 bits. If we limit the size of
+the database to 64 exabytes, we can use the top 8 bits of the
+hash entry as well. These 11 bits would reduce false positives
+down to 1 in 2000 which is more than we need: we can use one of
+the bits to indicate that the extra hash bits are valid. This
+means we can choose not to re-hash all entries when we expand a
+hash group; simply use the next bits we need and mark them
+invalid.
+
+3.4.2 Status
+
+Ignore. Scaling the hash automatically proved inefficient at
+small hash sizes; we default to a 8192-element hash (changable
+via NTDB_ATTRIBUTE_HASHSIZE), and when buckets clash we expand to
+an array of hash entries. This scales slightly better than the
+tdb chain (due to the 8 top bits containing extra hash).
+
+3.5 <TDB-Freelist-Is>TDB Freelist Is Highly Contended
+
+TDB uses a single linked list for the free list. Allocation
+occurs as follows, using heuristics which have evolved over time:
+
+1. Get the free list lock for this whole operation.
+
+2. Multiply length by 1.25, so we always over-allocate by 25%.
+
+3. Set the slack multiplier to 1.
+
+4. Examine the current freelist entry: if it is > length but <
+  the current best case, remember it as the best case.
+
+5. Multiply the slack multiplier by 1.05.
+
+6. If our best fit so far is less than length * slack multiplier,
+  return it. The slack will be turned into a new free record if
+  it's large enough.
+
+7. Otherwise, go onto the next freelist entry.
+
+Deleting a record occurs as follows:
+
+1. Lock the hash chain for this whole operation.
+
+2. Walk the chain to find the record, keeping the prev pointer
+  offset.
+
+3. If max_dead is non-zero:
+
+  (a) Walk the hash chain again and count the dead records.
+
+  (b) If it's more than max_dead, bulk free all the dead ones
+    (similar to steps 4 and below, but the lock is only obtained
+    once).
+
+  (c) Simply mark this record as dead and return.
+
+4. Get the free list lock for the remainder of this operation.
+
+5. <right-merging>Examine the following block to see if it is
+  free; if so, enlarge the current block and remove that block
+  from the free list. This was disabled, as removal from the free
+  list was O(entries-in-free-list).
+
+6. Examine the preceeding block to see if it is free: for this
+  reason, each block has a 32-bit tailer which indicates its
+  length. If it is free, expand it to cover our new block and
+  return.
+
+7. Otherwise, prepend ourselves to the free list.
+
+Disabling right-merging (step[right-merging]) causes
+fragmentation; the other heuristics proved insufficient to
+address this, so the final answer to this was that when we expand
+the TDB file inside a transaction commit, we repack the entire
+tdb.
+
+The single list lock limits our allocation rate; due to the other
+issues this is not currently seen as a bottleneck.
+
+3.5.1 Proposed Solution
+
+The first step is to remove all the current heuristics, as they
+obviously interact, then examine them once the lock contention is
+addressed.
+
+The free list must be split to reduce contention. Assuming
+perfect free merging, we can at most have 1 free list entry for
+each entry. This implies that the number of free lists is related
+to the size of the hash table, but as it is rare to walk a large
+number of free list entries we can use far fewer, say 1/32 of the
+number of hash buckets.
+
+It seems tempting to try to reuse the hash implementation which
+we use for records here, but we have two ways of searching for
+free entries: for allocation we search by size (and possibly
+zone) which produces too many clashes for our hash table to
+handle well, and for coalescing we search by address. Thus an
+array of doubly-linked free lists seems preferable.
+
+There are various benefits in using per-size free lists (see[sub:TDB-Becomes-Fragmented]
+) but it's not clear this would reduce contention in the common
+case where all processes are allocating/freeing the same size.
+Thus we almost certainly need to divide in other ways: the most
+obvious is to divide the file into zones, and using a free list
+(or table of free lists) for each. This approximates address
+ordering.
+
+Unfortunately it is difficult to know what heuristics should be
+used to determine zone sizes, and our transaction code relies on
+being able to create a“recovery area” by simply appending to the
+file (difficult if it would need to create a new zone header).
+Thus we use a linked-list of free tables; currently we only ever
+create one, but if there is more than one we choose one at random
+to use. In future we may use heuristics to add new free tables on
+contention. We only expand the file when all free tables are
+exhausted.
+
+The basic algorithm is as follows. Freeing is simple:
+
+1. Identify the correct free list.
+
+2. Lock the corresponding list.
+
+3. Re-check the list (we didn't have a lock, sizes could have
+  changed): relock if necessary.
+
+4. Place the freed entry in the list.
+
+Allocation is a little more complicated, as we perform delayed
+coalescing at this point:
+
+1. Pick a free table; usually the previous one.
+
+2. Lock the corresponding list.
+
+3. If the top entry is -large enough, remove it from the list and
+  return it.
+
+4. Otherwise, coalesce entries in the list.If there was no entry
+  large enough, unlock the list and try the next largest list
+
+5. If no list has an entry which meets our needs, try the next
+  free table.
+
+6. If no zone satisfies, expand the file.
+
+This optimizes rapid insert/delete of free list entries by not
+coalescing them all the time.. First-fit address ordering
+ordering seems to be fairly good for keeping fragmentation low
+(see[sub:TDB-Becomes-Fragmented]). Note that address ordering
+does not need a tailer to coalesce, though if we needed one we
+could have one cheaply: see[sub:Records-Incur-A].
+
+Each free entry has the free table number in the header: less
+than 255. It also contains a doubly-linked list for easy
+deletion.
+
+3.6 <sub:TDB-Becomes-Fragmented>TDB Becomes Fragmented
+
+Much of this is a result of allocation strategy[footnote:
+The Memory Fragmentation Problem: Solved? Johnstone & Wilson 1995
+ftp://ftp.cs.utexas.edu/pub/garbage/malloc/ismm98.ps
+] and deliberate hobbling of coalescing; internal fragmentation
+(aka overallocation) is deliberately set at 25%, and external
+fragmentation is only cured by the decision to repack the entire
+db when a transaction commit needs to enlarge the file.
+
+3.6.1 Proposed Solution
+
+The 25% overhead on allocation works in practice for ldb because
+indexes tend to expand by one record at a time. This internal
+fragmentation can be resolved by having an“expanded” bit in the
+header to note entries that have previously expanded, and
+allocating more space for them.
+
+There are is a spectrum of possible solutions for external
+fragmentation: one is to use a fragmentation-avoiding allocation
+strategy such as best-fit address-order allocator. The other end
+of the spectrum would be to use a bump allocator (very fast and
+simple) and simply repack the file when we reach the end.
+
+There are three problems with efficient fragmentation-avoiding
+allocators: they are non-trivial, they tend to use a single free
+list for each size, and there's no evidence that tdb allocation
+patterns will match those recorded for general allocators (though
+it seems likely).
+
+Thus we don't spend too much effort on external fragmentation; we
+will be no worse than the current code if we need to repack on
+occasion. More effort is spent on reducing freelist contention,
+and reducing overhead.
+
+3.7 <sub:Records-Incur-A>Records Incur A 28-Byte Overhead
+
+Each TDB record has a header as follows:
+
+struct tdb_record {
+
+        tdb_off_t next; /* offset of the next record in the list
+*/
+
+        tdb_len_t rec_len; /* total byte length of record */
+
+        tdb_len_t key_len; /* byte length of key */
+
+        tdb_len_t data_len; /* byte length of data */
+
+        uint32_t full_hash; /* the full 32 bit hash of the key */
+
+        uint32_t magic;   /* try to catch errors */
+
+        /* the following union is implied:
+
+                union {
+
+                        char record[rec_len];
+
+                        struct {
+
+                                char key[key_len];
+
+                                char data[data_len];
+
+                        }
+
+                        uint32_t totalsize; (tailer)
+
+                }
+
+        */
+
+};
+
+Naively, this would double to a 56-byte overhead on a 64 bit
+implementation.
+
+3.7.1 Proposed Solution
+
+We can use various techniques to reduce this for an allocated
+block:
+
+1. The 'next' pointer is not required, as we are using a flat
+  hash table.
+
+2. 'rec_len' can instead be expressed as an addition to key_len
+  and data_len (it accounts for wasted or overallocated length in
+  the record). Since the record length is always a multiple of 8,
+  we can conveniently fit it in 32 bits (representing up to 35
+  bits).
+
+3. 'key_len' and 'data_len' can be reduced. I'm unwilling to
+  restrict 'data_len' to 32 bits, but instead we can combine the
+  two into one 64-bit field and using a 5 bit value which
+  indicates at what bit to divide the two. Keys are unlikely to
+  scale as fast as data, so I'm assuming a maximum key size of 32
+  bits.
+
+4. 'full_hash' is used to avoid a memcmp on the“miss” case, but
+  this is diminishing returns after a handful of bits (at 10
+  bits, it reduces 99.9% of false memcmp). As an aside, as the
+  lower bits are already incorporated in the hash table
+  resolution, the upper bits should be used here. Note that it's
+  not clear that these bits will be a win, given the extra bits
+  in the hash table itself (see[sub:Hash-Size-Solution]).
+
+5. 'magic' does not need to be enlarged: it currently reflects
+  one of 5 values (used, free, dead, recovery, and
+  unused_recovery). It is useful for quick sanity checking
+  however, and should not be eliminated.
+
+6. 'tailer' is only used to coalesce free blocks (so a block to
+  the right can find the header to check if this block is free).
+  This can be replaced by a single 'free' bit in the header of
+  the following block (and the tailer only exists in free
+  blocks).[footnote:
+This technique from Thomas Standish. Data Structure Techniques.
+Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1980.
+] The current proposed coalescing algorithm doesn't need this,
+  however.
+
+This produces a 16 byte used header like this:
+
+struct tdb_used_record {
+
+        uint32_t used_magic : 16,
+
+
+
+                 key_data_divide: 5,
+
+                 top_hash: 11;
+
+        uint32_t extra_octets;
+
+        uint64_t key_and_data_len;
+
+};
+
+And a free record like this:
+
+struct tdb_free_record {
+
+        uint64_t free_magic: 8,
+
+                   prev : 56;
+
+
+
+        uint64_t free_table: 8,
+
+                 total_length : 56
+
+        uint64_t next;;
+
+};
+
+Note that by limiting valid offsets to 56 bits, we can pack
+everything we need into 3 64-byte words, meaning our minimum
+record size is 8 bytes.
+
+3.7.2 Status
+
+Complete.
+
+3.8 Transaction Commit Requires 4 fdatasync
+
+The current transaction algorithm is:
+
+1. write_recovery_data();
+
+2. sync();
+
+3. write_recovery_header();
+
+4. sync();
+
+5. overwrite_with_new_data();
+
+6. sync();
+
+7. remove_recovery_header();
+
+8. sync();
+
+On current ext3, each sync flushes all data to disk, so the next
+3 syncs are relatively expensive. But this could become a
+performance bottleneck on other filesystems such as ext4.
+
+3.8.1 Proposed Solution
+
+Neil Brown points out that this is overzealous, and only one sync
+is needed:
+
+1. Bundle the recovery data, a transaction counter and a strong
+  checksum of the new data.
+
+2. Strong checksum that whole bundle.
+
+3. Store the bundle in the database.
+
+4. Overwrite the oldest of the two recovery pointers in the
+  header (identified using the transaction counter) with the
+  offset of this bundle.
+
+5. sync.
+
+6. Write the new data to the file.
+
+Checking for recovery means identifying the latest bundle with a
+valid checksum and using the new data checksum to ensure that it
+has been applied. This is more expensive than the current check,
+but need only be done at open. For running databases, a separate
+header field can be used to indicate a transaction in progress;
+we need only check for recovery if this is set.
+
+3.8.2 Status
+
+Deferred.
+
+3.9 <sub:TDB-Does-Not>TDB Does Not Have Snapshot Support
+
+3.9.1 Proposed Solution
+
+None. At some point you say“use a real database” (but see[replay-attribute]
+).
+
+But as a thought experiment, if we implemented transactions to
+only overwrite free entries (this is tricky: there must not be a
+header in each entry which indicates whether it is free, but use
+of presence in metadata elsewhere), and a pointer to the hash
+table, we could create an entirely new commit without destroying
+existing data. Then it would be easy to implement snapshots in a
+similar way.
+
+This would not allow arbitrary changes to the database, such as
+tdb_repack does, and would require more space (since we have to
+preserve the current and future entries at once). If we used hash
+trees rather than one big hash table, we might only have to
+rewrite some sections of the hash, too.
+
+We could then implement snapshots using a similar method, using
+multiple different hash tables/free tables.
+
+3.9.2 Status
+
+Deferred.
+
+3.10 Transactions Cannot Operate in Parallel
+
+This would be useless for ldb, as it hits the index records with
+just about every update. It would add significant complexity in
+resolving clashes, and cause the all transaction callers to write
+their code to loop in the case where the transactions spuriously
+failed.
+
+3.10.1 Proposed Solution
+
+None (but see[replay-attribute]). We could solve a small part of
+the problem by providing read-only transactions. These would
+allow one write transaction to begin, but it could not commit
+until all r/o transactions are done. This would require a new
+RO_TRANSACTION_LOCK, which would be upgraded on commit.
+
+3.10.2 Status
+
+Deferred.
+
+3.11 Default Hash Function Is Suboptimal
+
+The Knuth-inspired multiplicative hash used by tdb is fairly slow
+(especially if we expand it to 64 bits), and works best when the
+hash bucket size is a prime number (which also means a slow
+modulus). In addition, it is highly predictable which could
+potentially lead to a Denial of Service attack in some TDB uses.
+
+3.11.1 Proposed Solution
+
+The Jenkins lookup3 hash[footnote:
+http://burtleburtle.net/bob/c/lookup3.c
+] is a fast and superbly-mixing hash. It's used by the Linux
+kernel and almost everything else. This has the particular
+properties that it takes an initial seed, and produces two 32 bit
+hash numbers, which we can combine into a 64-bit hash.
+
+The seed should be created at tdb-creation time from some random
+source, and placed in the header. This is far from foolproof, but
+adds a little bit of protection against hash bombing.
+
+3.11.2 Status
+
+Complete.
+
+3.12 <Reliable-Traversal-Adds>Reliable Traversal Adds Complexity
+
+We lock a record during traversal iteration, and try to grab that
+lock in the delete code. If that grab on delete fails, we simply
+mark it deleted and continue onwards; traversal checks for this
+condition and does the delete when it moves off the record.
+
+If traversal terminates, the dead record may be left
+indefinitely.
+
+3.12.1 Proposed Solution
+
+Remove reliability guarantees; see[traverse-Proposed-Solution].
+
+3.12.2 Status
+
+Complete.
+
+3.13 Fcntl Locking Adds Overhead
+
+Placing a fcntl lock means a system call, as does removing one.
+This is actually one reason why transactions can be faster
+(everything is locked once at transaction start). In the
+uncontended case, this overhead can theoretically be eliminated.
+
+3.13.1 Proposed Solution
+
+None.
+
+We tried this before with spinlock support, in the early days of
+TDB, and it didn't make much difference except in manufactured
+benchmarks.
+
+We could use spinlocks (with futex kernel support under Linux),
+but it means that we lose automatic cleanup when a process dies
+with a lock. There is a method of auto-cleanup under Linux, but
+it's not supported by other operating systems. We could
+reintroduce a clear-if-first-style lock and sweep for dead
+futexes on open, but that wouldn't help the normal case of one
+concurrent opener dying. Increasingly elaborate repair schemes
+could be considered, but they require an ABI change (everyone
+must use them) anyway, so there's no need to do this at the same
+time as everything else.
+
+3.14 Some Transactions Don't Require Durability
+
+Volker points out that gencache uses a CLEAR_IF_FIRST tdb for
+normal (fast) usage, and occasionally empties the results into a
+transactional TDB. This kind of usage prioritizes performance
+over durability: as long as we are consistent, data can be lost.
+
+This would be more neatly implemented inside tdb: a“soft”
+transaction commit (ie. syncless) which meant that data may be
+reverted on a crash.
+
+3.14.1 Proposed Solution
+
+None.
+
+Unfortunately any transaction scheme which overwrites old data
+requires a sync before that overwrite to avoid the possibility of
+corruption.
+
+It seems possible to use a scheme similar to that described in[sub:TDB-Does-Not]
+,where transactions are committed without overwriting existing
+data, and an array of top-level pointers were available in the
+header. If the transaction is“soft” then we would not need a sync
+at all: existing processes would pick up the new hash table and
+free list and work with that.
+
+At some later point, a sync would allow recovery of the old data
+into the free lists (perhaps when the array of top-level pointers
+filled). On crash, tdb_open() would examine the array of top
+levels, and apply the transactions until it encountered an
+invalid checksum.
+
+3.15 Tracing Is Fragile, Replay Is External
+
+The current TDB has compile-time-enabled tracing code, but it
+often breaks as it is not enabled by default. In a similar way,
+the ctdb code has an external wrapper which does replay tracing
+so it can coordinate cluster-wide transactions.
+
+3.15.1 Proposed Solution<replay-attribute>
+
+Tridge points out that an attribute can be later added to
+tdb_open (see[attributes]) to provide replay/trace hooks, which
+could become the basis for this and future parallel transactions
+and snapshot support.
+
+3.15.2 Status
+
+Deferred.