README.txt

   1 'Ancient' module for OCaml
   2 ----------------------------------------------------------------------
   3 $Id: README.txt,v 1.4 2006-10-13 14:13:06 rich Exp $
   4
   5 What does this module do?
   6 ----------------------------------------------------------------------
   7
   8 This module allows you to use in-memory data structures which are
   9 larger than available memory and so are kept in swap.  If you try this
  10 in normal OCaml code, you'll find that the machine quickly descends
  11 into thrashing as the garbage collector repeatedly iterates over
  12 swapped memory structures.  This module lets you break that
  13 limitation.  Of course the module doesn't work by magic :-) If your
  14 program tries to access these large structures, they still need to be
  15 swapped back in, but it is suitable for large, sparsely accessed
  16 structures.
  17
  18 Secondly, this module allows you to share those structures between
  19 processes.  In this mode, the structures are backed by a disk file,
  20 and any process that has read/write access that disk file can map that
  21 file in and see the structures.
  22
  23 To understand what this module really does, you need to know a little
  24 bit of background about the OCaml garbage collector (GC).  OCaml's GC
  25 has two heaps, called the minor and major heaps.  The minor heap is
  26 used for short-term storage of small objects which are usually created
  27 and then quickly become unreachable.  Any objects which persist longer
  28 (or objects which are very big to start with) get moved into the major
  29 heap.  Objects in the major heap are assumed to be around for some
  30 time, and the major heap is GC'd more slowly.
  31
  32 This module adds a third heap, called the "ancient heap", which is
  33 never checked by the GC.  Objects must be moved into ancient manually,
  34 using a process called "marking".  Once an object is in the ancient
  35 heap, memory allocation is handled manually.  In particular objects in
  36 the ancient heap may need to be manually deallocated.  The ancient
  37 heap may either exist as ordinary memory, or may be backed by a file,
  38 which is how shared structures are possible.
  39
  40 Structures which are moved into ancient must be treated as STRICTLY
  41 NON-MUTABLE.  If an ancient structure is changed in any way then it
  42 may cause a crash.
  43
  44 There are some limitations which apply to ancient data structures.
  45 See the section "Shortcomings & bugs" below.
  46
  47 This module is most useful on 64 bit architectures where large address
  48 spaces are the norm.  We have successfully used it with a 38 GB
  49 address space backed by a file and shared between processes.
  50
  51 API
  52 ----------------------------------------------------------------------
  53
  54 Please see file ancient.mli .
  55
  56 Compiling
  57 ----------------------------------------------------------------------
  58
  59   cd mmalloc && ./configure
  60   make
  61
  62 Make sure you run this command before running any program which
  63 uses the Ancient module:
  64
  65   ulimit -s unlimited
  66
  67 Example
  68 ----------------------------------------------------------------------
  69
  70 Run:
  71
  72   ulimit -s unlimited
  73   wordsfile=/usr/share/dict/words
  74   baseaddr=0x440000000000               # System specific - see below.
  75   ./test_ancient_dict_write.opt $wordsfile dictionary.data $baseaddr
  76   ./test_ancient_dict_verify.opt $wordsfile dictionary.data
  77   ./test_ancient_dict_read.opt dictionary.data
  78
  79 (You can run several instances of test_ancient_dict_read.opt on the
  80 same machine to demonstrate sharing).
  81
  82 Shortcomings & bugs
  83 ----------------------------------------------------------------------
  84
  85 (0) Stack overflows are common when marking/sharing large structures
  86 because we use a recursive algorithm to visit the structures.  If you
  87 get random segfaults during marking/sharing, then try this before
  88 running your program:
  89
  90   ulimit -s unlimited
  91
  92 (1) Ad-hoc polymorphic primitives (structural equality, marshalling
  93 and hashing) do not work on ancient data structures, meaning that you
  94 will need to provide your own comparison and hashing functions.  For
  95 more details see Xavier Leroy's response here:
  96
  97 http://caml.inria.fr/pub/ml-archives/caml-list/2006/09/977818689f4ceb2178c592453df7a343.en.html
  98
  99 (2) Ancient.attach suggests setting a baseaddr parameter for newly
 100 created files (it has no effect when attaching existing files).  We
 101 strongly recommend this because in our tests we found that mmap would
 102 locate the memory segment inappropriately -- the basic problem is that
 103 because the file starts off with zero length, mmap thinks it can place
 104 it anywhere in memory and often does not leave it room to grow upwards
 105 without overwriting later memory mappings.  Unfortunately this
 106 introduces an unwanted architecture dependency in all programs which
 107 use the Ancient module with shared files, and it also requires
 108 programmers to guess at a good base address which will be valid in the
 109 future.  There are no other good solutions we have found --
 110 preallocating the file is tricky with the current mmalloc code.
 111
 112 (3) The current code requires you to first of all create the large
 113 data structures on the regular OCaml heap, then mark them as ancient,
 114 effectively copying them out of the OCaml heap, then garbage collect
 115 the (hopefully unreferenced) structures on the OCaml heap.  In other
 116 words, you need to have all the memory available as physical memory.
 117 The way to avoid this is to mark structures as ancient incrementally
 118 as they are created, or in chunks, whatever works for you.
 119
 120 We typically use Ancient to deal with web server logfiles, and in this
 121 case loading one file of data into memory and marking it as ancient
 122 before moving on to the next file works for us.
 123
 124 (4) Why do ancient structures need to be read-only / not mutated?  The
 125 reason is that you might create a new OCaml heap structure and point
 126 the ancient structure at this heap structure.  The heap structure has
 127 no apparent incoming pointers (the GC will not by its very nature
 128 check the ancient structure for pointers), and so the heap structure
 129 gets garbage collected.  At this point the ancient structure has a
 130 dangling pointer, which will usually result in some form of crash.
 131 Note that the restriction here is on creating pointers from ancient
 132 data to OCaml heap data.  In theory it should be possible to modify
 133 ancient data to point to other ancient data, but we have not tried
 134 this.
 135
 136 (5) [Limit on number of keys -- issue fixed]
 137
 138 (6) [Advanced topic] The _mark function in ancient_c.c makes no
 139 attempt to arrange the data structures in memory / on disk in a way
 140 which optimises them for access.  The worst example is when you have
 141 an array of large structures, where only a few fields in the structure
 142 will be accessed.  Typically these will end up on disk as:
 143
 144   array of N pointers
 145   structure 1
 146   field A
 147   field B
 148     ...
 149   field Z
 150   structure 2
 151   field A
 152   field B
 153     ...
 154   field Z
 155   structure 3
 156   field A
 157   field B
 158     ...
 159   field Z
 160    ...
 161    ...
 162    ...
 163   structure N
 164   field A
 165   field B
 166     ...
 167   field Z
 168
 169 If you then iterate accessing only fields A, you end up swapping the
 170 whole lot back into memory.  A better arrangement would have been:
 171
 172   array of N pointers
 173   structure 1
 174   structure 2
 175   structure 3
 176     ...
 177   structure N
 178   field A from structure 1
 179   field A from structure 2
 180   field A from structure 3
 181     ...
 182   field A from structure N
 183   field B from structure 1
 184   field B from structure 2
 185     etc.
 186
 187 which avoids loading unused fields at all.  In some circumstances we
 188 have shown that this could make a huge difference to performance, but
 189 we are not sure how to implement this cleanly in the current library.
 190
 191 [Update: I have fixed issue 6 manually for my Weblogs example and
 192 confirmed that it does make a huge difference to performance, although
 193 at considerable extra code complexity.  Interested people can see the
 194 weblogs library, file import_weblogs_ancient.ml.in].
 195
 196 (7) [Advanced topic] Certain techniques such as Address Space
 197 Randomisation (http://lwn.net/Articles/121845/) are probably not
 198 compatible with the Ancient module and shared files.  Because the
 199 ancient data structures contain real pointers, these pointers would be
 200 invalidated if the shared file was not mapped in at precisely the same
 201 base address in all processes which are sharing the file.
 202
 203 One solution might be to use private mappings and a list of fixups.
 204 In fact, the code actually builds a list of fixups currently while
 205 marking, because it needs to deal with precisely this issue (during
 206 marking, memory is allocated with realloc which might move the memory
 207 segment, thus real pointers cannot be stored while marking, but need
 208 to be fixed up afterwards).  The list of fixups would need to be
 209 stored alongside the memory segment (currently it is discarded after
 210 marking), and the file would need to be mapped in using MAP_PRIVATE
 211 (see below).
 212
 213 A possible problem with this is that because OCaml objects tend to be
 214 small and contain a lot of pointers, it is likely that fixing up the
 215 pointers would result in every page in the memory segment becoming
 216 dirty, which would basically cancel out any benefit of using shared
 217 mappings in the first place.  However it is likely that some users of
 218 this module have large amounts of opaque data and few pointers, and
 219 for them this would be worthwhile.
 220
 221 (8) Currently mmalloc is implemented so that the file is mapped in
 222 PROT_READ|PROT_WRITE and MAP_SHARED.  Ancient data structures are
 223 supposed to be immutable so strictly speaking write access shouldn't
 224 be required.  It may be worthwhile modifying mmalloc to allow
 225 read-only mappings, and private mappings.
 226
 227 (9) The library assumes that every OCaml object is at least one word
 228 long.  This seemed like a good assumption up until I found that
 229 zero-length arrays are valid zero word objects.  At the moment you
 230 cannot mark structures which contain zero-length arrays -- you will
 231 get an assert-failure in the _mark function.
 232
 233 Possibly there are other types of OCaml structure which are zero word
 234 objects and also cannot be marked.  I'm not sure what these will be:
 235 for example empty strings are stored as one word OCaml objects, so
 236 they are OK.
 237
 238 The solution to this bug is non-trivial.
 239
 240 Authors
 241 ----------------------------------------------------------------------
 242
 243 Primary code was written by Richard W.M. Jones <rich at annexia.org>
 244 with help from Markus Mottl, Martin Jambon, and invaluable advice from
 245 Xavier Leroy and Damien Doligez.
 246
 247 mmalloc was written by Mike Haertel and Fred Fish.
 248
 249 License
 250 ----------------------------------------------------------------------
 251
 252 The module is licensed under the LGPL + OCaml linking exception.  This
 253 module includes mmalloc which was originally distributed with gdb
 254 (although it has since been removed), and that code was distributed
 255 under the plain LGPL.
 256
 257 Latest version
 258 ----------------------------------------------------------------------
 259
 260 The latest version can be found on the website:
 261 http://merjis.com/developers/ancient