Merge tag 'mac80211-for-davem-2016-07-06' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kerne...
[cascardo/linux.git] / drivers / md / bcache / alloc.c
1 /*
2  * Primary bucket allocation code
3  *
4  * Copyright 2012 Google, Inc.
5  *
6  * Allocation in bcache is done in terms of buckets:
7  *
8  * Each bucket has associated an 8 bit gen; this gen corresponds to the gen in
9  * btree pointers - they must match for the pointer to be considered valid.
10  *
11  * Thus (assuming a bucket has no dirty data or metadata in it) we can reuse a
12  * bucket simply by incrementing its gen.
13  *
14  * The gens (along with the priorities; it's really the gens are important but
15  * the code is named as if it's the priorities) are written in an arbitrary list
16  * of buckets on disk, with a pointer to them in the journal header.
17  *
18  * When we invalidate a bucket, we have to write its new gen to disk and wait
19  * for that write to complete before we use it - otherwise after a crash we
20  * could have pointers that appeared to be good but pointed to data that had
21  * been overwritten.
22  *
23  * Since the gens and priorities are all stored contiguously on disk, we can
24  * batch this up: We fill up the free_inc list with freshly invalidated buckets,
25  * call prio_write(), and when prio_write() finishes we pull buckets off the
26  * free_inc list and optionally discard them.
27  *
28  * free_inc isn't the only freelist - if it was, we'd often to sleep while
29  * priorities and gens were being written before we could allocate. c->free is a
30  * smaller freelist, and buckets on that list are always ready to be used.
31  *
32  * If we've got discards enabled, that happens when a bucket moves from the
33  * free_inc list to the free list.
34  *
35  * There is another freelist, because sometimes we have buckets that we know
36  * have nothing pointing into them - these we can reuse without waiting for
37  * priorities to be rewritten. These come from freed btree nodes and buckets
38  * that garbage collection discovered no longer had valid keys pointing into
39  * them (because they were overwritten). That's the unused list - buckets on the
40  * unused list move to the free list, optionally being discarded in the process.
41  *
42  * It's also important to ensure that gens don't wrap around - with respect to
43  * either the oldest gen in the btree or the gen on disk. This is quite
44  * difficult to do in practice, but we explicitly guard against it anyways - if
45  * a bucket is in danger of wrapping around we simply skip invalidating it that
46  * time around, and we garbage collect or rewrite the priorities sooner than we
47  * would have otherwise.
48  *
49  * bch_bucket_alloc() allocates a single bucket from a specific cache.
50  *
51  * bch_bucket_alloc_set() allocates one or more buckets from different caches
52  * out of a cache set.
53  *
54  * free_some_buckets() drives all the processes described above. It's called
55  * from bch_bucket_alloc() and a few other places that need to make sure free
56  * buckets are ready.
57  *
58  * invalidate_buckets_(lru|fifo)() find buckets that are available to be
59  * invalidated, and then invalidate them and stick them on the free_inc list -
60  * in either lru or fifo order.
61  */
62
63 #include "bcache.h"
64 #include "btree.h"
65
66 #include <linux/blkdev.h>
67 #include <linux/kthread.h>
68 #include <linux/random.h>
69 #include <trace/events/bcache.h>
70
71 /* Bucket heap / gen */
72
73 uint8_t bch_inc_gen(struct cache *ca, struct bucket *b)
74 {
75         uint8_t ret = ++b->gen;
76
77         ca->set->need_gc = max(ca->set->need_gc, bucket_gc_gen(b));
78         WARN_ON_ONCE(ca->set->need_gc > BUCKET_GC_GEN_MAX);
79
80         return ret;
81 }
82
83 void bch_rescale_priorities(struct cache_set *c, int sectors)
84 {
85         struct cache *ca;
86         struct bucket *b;
87         unsigned next = c->nbuckets * c->sb.bucket_size / 1024;
88         unsigned i;
89         int r;
90
91         atomic_sub(sectors, &c->rescale);
92
93         do {
94                 r = atomic_read(&c->rescale);
95
96                 if (r >= 0)
97                         return;
98         } while (atomic_cmpxchg(&c->rescale, r, r + next) != r);
99
100         mutex_lock(&c->bucket_lock);
101
102         c->min_prio = USHRT_MAX;
103
104         for_each_cache(ca, c, i)
105                 for_each_bucket(b, ca)
106                         if (b->prio &&
107                             b->prio != BTREE_PRIO &&
108                             !atomic_read(&b->pin)) {
109                                 b->prio--;
110                                 c->min_prio = min(c->min_prio, b->prio);
111                         }
112
113         mutex_unlock(&c->bucket_lock);
114 }
115
116 /*
117  * Background allocation thread: scans for buckets to be invalidated,
118  * invalidates them, rewrites prios/gens (marking them as invalidated on disk),
119  * then optionally issues discard commands to the newly free buckets, then puts
120  * them on the various freelists.
121  */
122
123 static inline bool can_inc_bucket_gen(struct bucket *b)
124 {
125         return bucket_gc_gen(b) < BUCKET_GC_GEN_MAX;
126 }
127
128 bool bch_can_invalidate_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b)
129 {
130         BUG_ON(!ca->set->gc_mark_valid);
131
132         return (!GC_MARK(b) ||
133                 GC_MARK(b) == GC_MARK_RECLAIMABLE) &&
134                 !atomic_read(&b->pin) &&
135                 can_inc_bucket_gen(b);
136 }
137
138 void __bch_invalidate_one_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b)
139 {
140         lockdep_assert_held(&ca->set->bucket_lock);
141         BUG_ON(GC_MARK(b) && GC_MARK(b) != GC_MARK_RECLAIMABLE);
142
143         if (GC_SECTORS_USED(b))
144                 trace_bcache_invalidate(ca, b - ca->buckets);
145
146         bch_inc_gen(ca, b);
147         b->prio = INITIAL_PRIO;
148         atomic_inc(&b->pin);
149 }
150
151 static void bch_invalidate_one_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b)
152 {
153         __bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
154
155         fifo_push(&ca->free_inc, b - ca->buckets);
156 }
157
158 /*
159  * Determines what order we're going to reuse buckets, smallest bucket_prio()
160  * first: we also take into account the number of sectors of live data in that
161  * bucket, and in order for that multiply to make sense we have to scale bucket
162  *
163  * Thus, we scale the bucket priorities so that the bucket with the smallest
164  * prio is worth 1/8th of what INITIAL_PRIO is worth.
165  */
166
167 #define bucket_prio(b)                                                  \
168 ({                                                                      \
169         unsigned min_prio = (INITIAL_PRIO - ca->set->min_prio) / 8;     \
170                                                                         \
171         (b->prio - ca->set->min_prio + min_prio) * GC_SECTORS_USED(b);  \
172 })
173
174 #define bucket_max_cmp(l, r)    (bucket_prio(l) < bucket_prio(r))
175 #define bucket_min_cmp(l, r)    (bucket_prio(l) > bucket_prio(r))
176
177 static void invalidate_buckets_lru(struct cache *ca)
178 {
179         struct bucket *b;
180         ssize_t i;
181
182         ca->heap.used = 0;
183
184         for_each_bucket(b, ca) {
185                 if (!bch_can_invalidate_bucket(ca, b))
186                         continue;
187
188                 if (!heap_full(&ca->heap))
189                         heap_add(&ca->heap, b, bucket_max_cmp);
190                 else if (bucket_max_cmp(b, heap_peek(&ca->heap))) {
191                         ca->heap.data[0] = b;
192                         heap_sift(&ca->heap, 0, bucket_max_cmp);
193                 }
194         }
195
196         for (i = ca->heap.used / 2 - 1; i >= 0; --i)
197                 heap_sift(&ca->heap, i, bucket_min_cmp);
198
199         while (!fifo_full(&ca->free_inc)) {
200                 if (!heap_pop(&ca->heap, b, bucket_min_cmp)) {
201                         /*
202                          * We don't want to be calling invalidate_buckets()
203                          * multiple times when it can't do anything
204                          */
205                         ca->invalidate_needs_gc = 1;
206                         wake_up_gc(ca->set);
207                         return;
208                 }
209
210                 bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
211         }
212 }
213
214 static void invalidate_buckets_fifo(struct cache *ca)
215 {
216         struct bucket *b;
217         size_t checked = 0;
218
219         while (!fifo_full(&ca->free_inc)) {
220                 if (ca->fifo_last_bucket <  ca->sb.first_bucket ||
221                     ca->fifo_last_bucket >= ca->sb.nbuckets)
222                         ca->fifo_last_bucket = ca->sb.first_bucket;
223
224                 b = ca->buckets + ca->fifo_last_bucket++;
225
226                 if (bch_can_invalidate_bucket(ca, b))
227                         bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
228
229                 if (++checked >= ca->sb.nbuckets) {
230                         ca->invalidate_needs_gc = 1;
231                         wake_up_gc(ca->set);
232                         return;
233                 }
234         }
235 }
236
237 static void invalidate_buckets_random(struct cache *ca)
238 {
239         struct bucket *b;
240         size_t checked = 0;
241
242         while (!fifo_full(&ca->free_inc)) {
243                 size_t n;
244                 get_random_bytes(&n, sizeof(n));
245
246                 n %= (size_t) (ca->sb.nbuckets - ca->sb.first_bucket);
247                 n += ca->sb.first_bucket;
248
249                 b = ca->buckets + n;
250
251                 if (bch_can_invalidate_bucket(ca, b))
252                         bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
253
254                 if (++checked >= ca->sb.nbuckets / 2) {
255                         ca->invalidate_needs_gc = 1;
256                         wake_up_gc(ca->set);
257                         return;
258                 }
259         }
260 }
261
262 static void invalidate_buckets(struct cache *ca)
263 {
264         BUG_ON(ca->invalidate_needs_gc);
265
266         switch (CACHE_REPLACEMENT(&ca->sb)) {
267         case CACHE_REPLACEMENT_LRU:
268                 invalidate_buckets_lru(ca);
269                 break;
270         case CACHE_REPLACEMENT_FIFO:
271                 invalidate_buckets_fifo(ca);
272                 break;
273         case CACHE_REPLACEMENT_RANDOM:
274                 invalidate_buckets_random(ca);
275                 break;
276         }
277 }
278
279 #define allocator_wait(ca, cond)                                        \
280 do {                                                                    \
281         while (1) {                                                     \
282                 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);                  \
283                 if (cond)                                               \
284                         break;                                          \
285                                                                         \
286                 mutex_unlock(&(ca)->set->bucket_lock);                  \
287                 if (kthread_should_stop())                              \
288                         return 0;                                       \
289                                                                         \
290                 schedule();                                             \
291                 mutex_lock(&(ca)->set->bucket_lock);                    \
292         }                                                               \
293         __set_current_state(TASK_RUNNING);                              \
294 } while (0)
295
296 static int bch_allocator_push(struct cache *ca, long bucket)
297 {
298         unsigned i;
299
300         /* Prios/gens are actually the most important reserve */
301         if (fifo_push(&ca->free[RESERVE_PRIO], bucket))
302                 return true;
303
304         for (i = 0; i < RESERVE_NR; i++)
305                 if (fifo_push(&ca->free[i], bucket))
306                         return true;
307
308         return false;
309 }
310
311 static int bch_allocator_thread(void *arg)
312 {
313         struct cache *ca = arg;
314
315         mutex_lock(&ca->set->bucket_lock);
316
317         while (1) {
318                 /*
319                  * First, we pull buckets off of the unused and free_inc lists,
320                  * possibly issue discards to them, then we add the bucket to
321                  * the free list:
322                  */
323                 while (!fifo_empty(&ca->free_inc)) {
324                         long bucket;
325
326                         fifo_pop(&ca->free_inc, bucket);
327
328                         if (ca->discard) {
329                                 mutex_unlock(&ca->set->bucket_lock);
330                                 blkdev_issue_discard(ca->bdev,
331                                         bucket_to_sector(ca->set, bucket),
332                                         ca->sb.bucket_size, GFP_KERNEL, 0);
333                                 mutex_lock(&ca->set->bucket_lock);
334                         }
335
336                         allocator_wait(ca, bch_allocator_push(ca, bucket));
337                         wake_up(&ca->set->btree_cache_wait);
338                         wake_up(&ca->set->bucket_wait);
339                 }
340
341                 /*
342                  * We've run out of free buckets, we need to find some buckets
343                  * we can invalidate. First, invalidate them in memory and add
344                  * them to the free_inc list:
345                  */
346
347 retry_invalidate:
348                 allocator_wait(ca, ca->set->gc_mark_valid &&
349                                !ca->invalidate_needs_gc);
350                 invalidate_buckets(ca);
351
352                 /*
353                  * Now, we write their new gens to disk so we can start writing
354                  * new stuff to them:
355                  */
356                 allocator_wait(ca, !atomic_read(&ca->set->prio_blocked));
357                 if (CACHE_SYNC(&ca->set->sb)) {
358                         /*
359                          * This could deadlock if an allocation with a btree
360                          * node locked ever blocked - having the btree node
361                          * locked would block garbage collection, but here we're
362                          * waiting on garbage collection before we invalidate
363                          * and free anything.
364                          *
365                          * But this should be safe since the btree code always
366                          * uses btree_check_reserve() before allocating now, and
367                          * if it fails it blocks without btree nodes locked.
368                          */
369                         if (!fifo_full(&ca->free_inc))
370                                 goto retry_invalidate;
371
372                         bch_prio_write(ca);
373                 }
374         }
375 }
376
377 /* Allocation */
378
379 long bch_bucket_alloc(struct cache *ca, unsigned reserve, bool wait)
380 {
381         DEFINE_WAIT(w);
382         struct bucket *b;
383         long r;
384
385         /* fastpath */
386         if (fifo_pop(&ca->free[RESERVE_NONE], r) ||
387             fifo_pop(&ca->free[reserve], r))
388                 goto out;
389
390         if (!wait) {
391                 trace_bcache_alloc_fail(ca, reserve);
392                 return -1;
393         }
394
395         do {
396                 prepare_to_wait(&ca->set->bucket_wait, &w,
397                                 TASK_UNINTERRUPTIBLE);
398
399                 mutex_unlock(&ca->set->bucket_lock);
400                 schedule();
401                 mutex_lock(&ca->set->bucket_lock);
402         } while (!fifo_pop(&ca->free[RESERVE_NONE], r) &&
403                  !fifo_pop(&ca->free[reserve], r));
404
405         finish_wait(&ca->set->bucket_wait, &w);
406 out:
407         wake_up_process(ca->alloc_thread);
408
409         trace_bcache_alloc(ca, reserve);
410
411         if (expensive_debug_checks(ca->set)) {
412                 size_t iter;
413                 long i;
414                 unsigned j;
415
416                 for (iter = 0; iter < prio_buckets(ca) * 2; iter++)
417                         BUG_ON(ca->prio_buckets[iter] == (uint64_t) r);
418
419                 for (j = 0; j < RESERVE_NR; j++)
420                         fifo_for_each(i, &ca->free[j], iter)
421                                 BUG_ON(i == r);
422                 fifo_for_each(i, &ca->free_inc, iter)
423                         BUG_ON(i == r);
424         }
425
426         b = ca->buckets + r;
427
428         BUG_ON(atomic_read(&b->pin) != 1);
429
430         SET_GC_SECTORS_USED(b, ca->sb.bucket_size);
431
432         if (reserve <= RESERVE_PRIO) {
433                 SET_GC_MARK(b, GC_MARK_METADATA);
434                 SET_GC_MOVE(b, 0);
435                 b->prio = BTREE_PRIO;
436         } else {
437                 SET_GC_MARK(b, GC_MARK_RECLAIMABLE);
438                 SET_GC_MOVE(b, 0);
439                 b->prio = INITIAL_PRIO;
440         }
441
442         return r;
443 }
444
445 void __bch_bucket_free(struct cache *ca, struct bucket *b)
446 {
447         SET_GC_MARK(b, 0);
448         SET_GC_SECTORS_USED(b, 0);
449 }
450
451 void bch_bucket_free(struct cache_set *c, struct bkey *k)
452 {
453         unsigned i;
454
455         for (i = 0; i < KEY_PTRS(k); i++)
456                 __bch_bucket_free(PTR_CACHE(c, k, i),
457                                   PTR_BUCKET(c, k, i));
458 }
459
460 int __bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned reserve,
461                            struct bkey *k, int n, bool wait)
462 {
463         int i;
464
465         lockdep_assert_held(&c->bucket_lock);
466         BUG_ON(!n || n > c->caches_loaded || n > 8);
467
468         bkey_init(k);
469
470         /* sort by free space/prio of oldest data in caches */
471
472         for (i = 0; i < n; i++) {
473                 struct cache *ca = c->cache_by_alloc[i];
474                 long b = bch_bucket_alloc(ca, reserve, wait);
475
476                 if (b == -1)
477                         goto err;
478
479                 k->ptr[i] = PTR(ca->buckets[b].gen,
480                                 bucket_to_sector(c, b),
481                                 ca->sb.nr_this_dev);
482
483                 SET_KEY_PTRS(k, i + 1);
484         }
485
486         return 0;
487 err:
488         bch_bucket_free(c, k);
489         bkey_put(c, k);
490         return -1;
491 }
492
493 int bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned reserve,
494                          struct bkey *k, int n, bool wait)
495 {
496         int ret;
497         mutex_lock(&c->bucket_lock);
498         ret = __bch_bucket_alloc_set(c, reserve, k, n, wait);
499         mutex_unlock(&c->bucket_lock);
500         return ret;
501 }
502
503 /* Sector allocator */
504
505 struct open_bucket {
506         struct list_head        list;
507         unsigned                last_write_point;
508         unsigned                sectors_free;
509         BKEY_PADDED(key);
510 };
511
512 /*
513  * We keep multiple buckets open for writes, and try to segregate different
514  * write streams for better cache utilization: first we look for a bucket where
515  * the last write to it was sequential with the current write, and failing that
516  * we look for a bucket that was last used by the same task.
517  *
518  * The ideas is if you've got multiple tasks pulling data into the cache at the
519  * same time, you'll get better cache utilization if you try to segregate their
520  * data and preserve locality.
521  *
522  * For example, say you've starting Firefox at the same time you're copying a
523  * bunch of files. Firefox will likely end up being fairly hot and stay in the
524  * cache awhile, but the data you copied might not be; if you wrote all that
525  * data to the same buckets it'd get invalidated at the same time.
526  *
527  * Both of those tasks will be doing fairly random IO so we can't rely on
528  * detecting sequential IO to segregate their data, but going off of the task
529  * should be a sane heuristic.
530  */
531 static struct open_bucket *pick_data_bucket(struct cache_set *c,
532                                             const struct bkey *search,
533                                             unsigned write_point,
534                                             struct bkey *alloc)
535 {
536         struct open_bucket *ret, *ret_task = NULL;
537
538         list_for_each_entry_reverse(ret, &c->data_buckets, list)
539                 if (!bkey_cmp(&ret->key, search))
540                         goto found;
541                 else if (ret->last_write_point == write_point)
542                         ret_task = ret;
543
544         ret = ret_task ?: list_first_entry(&c->data_buckets,
545                                            struct open_bucket, list);
546 found:
547         if (!ret->sectors_free && KEY_PTRS(alloc)) {
548                 ret->sectors_free = c->sb.bucket_size;
549                 bkey_copy(&ret->key, alloc);
550                 bkey_init(alloc);
551         }
552
553         if (!ret->sectors_free)
554                 ret = NULL;
555
556         return ret;
557 }
558
559 /*
560  * Allocates some space in the cache to write to, and k to point to the newly
561  * allocated space, and updates KEY_SIZE(k) and KEY_OFFSET(k) (to point to the
562  * end of the newly allocated space).
563  *
564  * May allocate fewer sectors than @sectors, KEY_SIZE(k) indicates how many
565  * sectors were actually allocated.
566  *
567  * If s->writeback is true, will not fail.
568  */
569 bool bch_alloc_sectors(struct cache_set *c, struct bkey *k, unsigned sectors,
570                        unsigned write_point, unsigned write_prio, bool wait)
571 {
572         struct open_bucket *b;
573         BKEY_PADDED(key) alloc;
574         unsigned i;
575
576         /*
577          * We might have to allocate a new bucket, which we can't do with a
578          * spinlock held. So if we have to allocate, we drop the lock, allocate
579          * and then retry. KEY_PTRS() indicates whether alloc points to
580          * allocated bucket(s).
581          */
582
583         bkey_init(&alloc.key);
584         spin_lock(&c->data_bucket_lock);
585
586         while (!(b = pick_data_bucket(c, k, write_point, &alloc.key))) {
587                 unsigned watermark = write_prio
588                         ? RESERVE_MOVINGGC
589                         : RESERVE_NONE;
590
591                 spin_unlock(&c->data_bucket_lock);
592
593                 if (bch_bucket_alloc_set(c, watermark, &alloc.key, 1, wait))
594                         return false;
595
596                 spin_lock(&c->data_bucket_lock);
597         }
598
599         /*
600          * If we had to allocate, we might race and not need to allocate the
601          * second time we call find_data_bucket(). If we allocated a bucket but
602          * didn't use it, drop the refcount bch_bucket_alloc_set() took:
603          */
604         if (KEY_PTRS(&alloc.key))
605                 bkey_put(c, &alloc.key);
606
607         for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++)
608                 EBUG_ON(ptr_stale(c, &b->key, i));
609
610         /* Set up the pointer to the space we're allocating: */
611
612         for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++)
613                 k->ptr[i] = b->key.ptr[i];
614
615         sectors = min(sectors, b->sectors_free);
616
617         SET_KEY_OFFSET(k, KEY_OFFSET(k) + sectors);
618         SET_KEY_SIZE(k, sectors);
619         SET_KEY_PTRS(k, KEY_PTRS(&b->key));
620
621         /*
622          * Move b to the end of the lru, and keep track of what this bucket was
623          * last used for:
624          */
625         list_move_tail(&b->list, &c->data_buckets);
626         bkey_copy_key(&b->key, k);
627         b->last_write_point = write_point;
628
629         b->sectors_free -= sectors;
630
631         for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++) {
632                 SET_PTR_OFFSET(&b->key, i, PTR_OFFSET(&b->key, i) + sectors);
633
634                 atomic_long_add(sectors,
635                                 &PTR_CACHE(c, &b->key, i)->sectors_written);
636         }
637
638         if (b->sectors_free < c->sb.block_size)
639                 b->sectors_free = 0;
640
641         /*
642          * k takes refcounts on the buckets it points to until it's inserted
643          * into the btree, but if we're done with this bucket we just transfer
644          * get_data_bucket()'s refcount.
645          */
646         if (b->sectors_free)
647                 for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++)
648                         atomic_inc(&PTR_BUCKET(c, &b->key, i)->pin);
649
650         spin_unlock(&c->data_bucket_lock);
651         return true;
652 }
653
654 /* Init */
655
656 void bch_open_buckets_free(struct cache_set *c)
657 {
658         struct open_bucket *b;
659
660         while (!list_empty(&c->data_buckets)) {
661                 b = list_first_entry(&c->data_buckets,
662                                      struct open_bucket, list);
663                 list_del(&b->list);
664                 kfree(b);
665         }
666 }
667
668 int bch_open_buckets_alloc(struct cache_set *c)
669 {
670         int i;
671
672         spin_lock_init(&c->data_bucket_lock);
673
674         for (i = 0; i < 6; i++) {
675                 struct open_bucket *b = kzalloc(sizeof(*b), GFP_KERNEL);
676                 if (!b)
677                         return -ENOMEM;
678
679                 list_add(&b->list, &c->data_buckets);
680         }
681
682         return 0;
683 }
684
685 int bch_cache_allocator_start(struct cache *ca)
686 {
687         struct task_struct *k = kthread_run(bch_allocator_thread,
688                                             ca, "bcache_allocator");
689         if (IS_ERR(k))
690                 return PTR_ERR(k);
691
692         ca->alloc_thread = k;
693         return 0;
694 }