Add the rt linux 4.1.3-rt3 as base
[kvmfornfv.git] / kernel / 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/freezer.h>
68 #include <linux/kthread.h>
69 #include <linux/random.h>
70 #include <trace/events/bcache.h>
71
72 /* Bucket heap / gen */
73
74 uint8_t bch_inc_gen(struct cache *ca, struct bucket *b)
75 {
76         uint8_t ret = ++b->gen;
77
78         ca->set->need_gc = max(ca->set->need_gc, bucket_gc_gen(b));
79         WARN_ON_ONCE(ca->set->need_gc > BUCKET_GC_GEN_MAX);
80
81         return ret;
82 }
83
84 void bch_rescale_priorities(struct cache_set *c, int sectors)
85 {
86         struct cache *ca;
87         struct bucket *b;
88         unsigned next = c->nbuckets * c->sb.bucket_size / 1024;
89         unsigned i;
90         int r;
91
92         atomic_sub(sectors, &c->rescale);
93
94         do {
95                 r = atomic_read(&c->rescale);
96
97                 if (r >= 0)
98                         return;
99         } while (atomic_cmpxchg(&c->rescale, r, r + next) != r);
100
101         mutex_lock(&c->bucket_lock);
102
103         c->min_prio = USHRT_MAX;
104
105         for_each_cache(ca, c, i)
106                 for_each_bucket(b, ca)
107                         if (b->prio &&
108                             b->prio != BTREE_PRIO &&
109                             !atomic_read(&b->pin)) {
110                                 b->prio--;
111                                 c->min_prio = min(c->min_prio, b->prio);
112                         }
113
114         mutex_unlock(&c->bucket_lock);
115 }
116
117 /*
118  * Background allocation thread: scans for buckets to be invalidated,
119  * invalidates them, rewrites prios/gens (marking them as invalidated on disk),
120  * then optionally issues discard commands to the newly free buckets, then puts
121  * them on the various freelists.
122  */
123
124 static inline bool can_inc_bucket_gen(struct bucket *b)
125 {
126         return bucket_gc_gen(b) < BUCKET_GC_GEN_MAX;
127 }
128
129 bool bch_can_invalidate_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b)
130 {
131         BUG_ON(!ca->set->gc_mark_valid);
132
133         return (!GC_MARK(b) ||
134                 GC_MARK(b) == GC_MARK_RECLAIMABLE) &&
135                 !atomic_read(&b->pin) &&
136                 can_inc_bucket_gen(b);
137 }
138
139 void __bch_invalidate_one_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b)
140 {
141         lockdep_assert_held(&ca->set->bucket_lock);
142         BUG_ON(GC_MARK(b) && GC_MARK(b) != GC_MARK_RECLAIMABLE);
143
144         if (GC_SECTORS_USED(b))
145                 trace_bcache_invalidate(ca, b - ca->buckets);
146
147         bch_inc_gen(ca, b);
148         b->prio = INITIAL_PRIO;
149         atomic_inc(&b->pin);
150 }
151
152 static void bch_invalidate_one_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b)
153 {
154         __bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
155
156         fifo_push(&ca->free_inc, b - ca->buckets);
157 }
158
159 /*
160  * Determines what order we're going to reuse buckets, smallest bucket_prio()
161  * first: we also take into account the number of sectors of live data in that
162  * bucket, and in order for that multiply to make sense we have to scale bucket
163  *
164  * Thus, we scale the bucket priorities so that the bucket with the smallest
165  * prio is worth 1/8th of what INITIAL_PRIO is worth.
166  */
167
168 #define bucket_prio(b)                                                  \
169 ({                                                                      \
170         unsigned min_prio = (INITIAL_PRIO - ca->set->min_prio) / 8;     \
171                                                                         \
172         (b->prio - ca->set->min_prio + min_prio) * GC_SECTORS_USED(b);  \
173 })
174
175 #define bucket_max_cmp(l, r)    (bucket_prio(l) < bucket_prio(r))
176 #define bucket_min_cmp(l, r)    (bucket_prio(l) > bucket_prio(r))
177
178 static void invalidate_buckets_lru(struct cache *ca)
179 {
180         struct bucket *b;
181         ssize_t i;
182
183         ca->heap.used = 0;
184
185         for_each_bucket(b, ca) {
186                 if (!bch_can_invalidate_bucket(ca, b))
187                         continue;
188
189                 if (!heap_full(&ca->heap))
190                         heap_add(&ca->heap, b, bucket_max_cmp);
191                 else if (bucket_max_cmp(b, heap_peek(&ca->heap))) {
192                         ca->heap.data[0] = b;
193                         heap_sift(&ca->heap, 0, bucket_max_cmp);
194                 }
195         }
196
197         for (i = ca->heap.used / 2 - 1; i >= 0; --i)
198                 heap_sift(&ca->heap, i, bucket_min_cmp);
199
200         while (!fifo_full(&ca->free_inc)) {
201                 if (!heap_pop(&ca->heap, b, bucket_min_cmp)) {
202                         /*
203                          * We don't want to be calling invalidate_buckets()
204                          * multiple times when it can't do anything
205                          */
206                         ca->invalidate_needs_gc = 1;
207                         wake_up_gc(ca->set);
208                         return;
209                 }
210
211                 bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
212         }
213 }
214
215 static void invalidate_buckets_fifo(struct cache *ca)
216 {
217         struct bucket *b;
218         size_t checked = 0;
219
220         while (!fifo_full(&ca->free_inc)) {
221                 if (ca->fifo_last_bucket <  ca->sb.first_bucket ||
222                     ca->fifo_last_bucket >= ca->sb.nbuckets)
223                         ca->fifo_last_bucket = ca->sb.first_bucket;
224
225                 b = ca->buckets + ca->fifo_last_bucket++;
226
227                 if (bch_can_invalidate_bucket(ca, b))
228                         bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
229
230                 if (++checked >= ca->sb.nbuckets) {
231                         ca->invalidate_needs_gc = 1;
232                         wake_up_gc(ca->set);
233                         return;
234                 }
235         }
236 }
237
238 static void invalidate_buckets_random(struct cache *ca)
239 {
240         struct bucket *b;
241         size_t checked = 0;
242
243         while (!fifo_full(&ca->free_inc)) {
244                 size_t n;
245                 get_random_bytes(&n, sizeof(n));
246
247                 n %= (size_t) (ca->sb.nbuckets - ca->sb.first_bucket);
248                 n += ca->sb.first_bucket;
249
250                 b = ca->buckets + n;
251
252                 if (bch_can_invalidate_bucket(ca, b))
253                         bch_invalidate_one_bucket(ca, b);
254
255                 if (++checked >= ca->sb.nbuckets / 2) {
256                         ca->invalidate_needs_gc = 1;
257                         wake_up_gc(ca->set);
258                         return;
259                 }
260         }
261 }
262
263 static void invalidate_buckets(struct cache *ca)
264 {
265         BUG_ON(ca->invalidate_needs_gc);
266
267         switch (CACHE_REPLACEMENT(&ca->sb)) {
268         case CACHE_REPLACEMENT_LRU:
269                 invalidate_buckets_lru(ca);
270                 break;
271         case CACHE_REPLACEMENT_FIFO:
272                 invalidate_buckets_fifo(ca);
273                 break;
274         case CACHE_REPLACEMENT_RANDOM:
275                 invalidate_buckets_random(ca);
276                 break;
277         }
278 }
279
280 #define allocator_wait(ca, cond)                                        \
281 do {                                                                    \
282         while (1) {                                                     \
283                 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);                  \
284                 if (cond)                                               \
285                         break;                                          \
286                                                                         \
287                 mutex_unlock(&(ca)->set->bucket_lock);                  \
288                 if (kthread_should_stop())                              \
289                         return 0;                                       \
290                                                                         \
291                 try_to_freeze();                                        \
292                 schedule();                                             \
293                 mutex_lock(&(ca)->set->bucket_lock);                    \
294         }                                                               \
295         __set_current_state(TASK_RUNNING);                              \
296 } while (0)
297
298 static int bch_allocator_push(struct cache *ca, long bucket)
299 {
300         unsigned i;
301
302         /* Prios/gens are actually the most important reserve */
303         if (fifo_push(&ca->free[RESERVE_PRIO], bucket))
304                 return true;
305
306         for (i = 0; i < RESERVE_NR; i++)
307                 if (fifo_push(&ca->free[i], bucket))
308                         return true;
309
310         return false;
311 }
312
313 static int bch_allocator_thread(void *arg)
314 {
315         struct cache *ca = arg;
316
317         mutex_lock(&ca->set->bucket_lock);
318
319         while (1) {
320                 /*
321                  * First, we pull buckets off of the unused and free_inc lists,
322                  * possibly issue discards to them, then we add the bucket to
323                  * the free list:
324                  */
325                 while (!fifo_empty(&ca->free_inc)) {
326                         long bucket;
327
328                         fifo_pop(&ca->free_inc, bucket);
329
330                         if (ca->discard) {
331                                 mutex_unlock(&ca->set->bucket_lock);
332                                 blkdev_issue_discard(ca->bdev,
333                                         bucket_to_sector(ca->set, bucket),
334                                         ca->sb.bucket_size, GFP_KERNEL, 0);
335                                 mutex_lock(&ca->set->bucket_lock);
336                         }
337
338                         allocator_wait(ca, bch_allocator_push(ca, bucket));
339                         wake_up(&ca->set->btree_cache_wait);
340                         wake_up(&ca->set->bucket_wait);
341                 }
342
343                 /*
344                  * We've run out of free buckets, we need to find some buckets
345                  * we can invalidate. First, invalidate them in memory and add
346                  * them to the free_inc list:
347                  */
348
349 retry_invalidate:
350                 allocator_wait(ca, ca->set->gc_mark_valid &&
351                                !ca->invalidate_needs_gc);
352                 invalidate_buckets(ca);
353
354                 /*
355                  * Now, we write their new gens to disk so we can start writing
356                  * new stuff to them:
357                  */
358                 allocator_wait(ca, !atomic_read(&ca->set->prio_blocked));
359                 if (CACHE_SYNC(&ca->set->sb)) {
360                         /*
361                          * This could deadlock if an allocation with a btree
362                          * node locked ever blocked - having the btree node
363                          * locked would block garbage collection, but here we're
364                          * waiting on garbage collection before we invalidate
365                          * and free anything.
366                          *
367                          * But this should be safe since the btree code always
368                          * uses btree_check_reserve() before allocating now, and
369                          * if it fails it blocks without btree nodes locked.
370                          */
371                         if (!fifo_full(&ca->free_inc))
372                                 goto retry_invalidate;
373
374                         bch_prio_write(ca);
375                 }
376         }
377 }
378
379 /* Allocation */
380
381 long bch_bucket_alloc(struct cache *ca, unsigned reserve, bool wait)
382 {
383         DEFINE_WAIT(w);
384         struct bucket *b;
385         long r;
386
387         /* fastpath */
388         if (fifo_pop(&ca->free[RESERVE_NONE], r) ||
389             fifo_pop(&ca->free[reserve], r))
390                 goto out;
391
392         if (!wait) {
393                 trace_bcache_alloc_fail(ca, reserve);
394                 return -1;
395         }
396
397         do {
398                 prepare_to_wait(&ca->set->bucket_wait, &w,
399                                 TASK_UNINTERRUPTIBLE);
400
401                 mutex_unlock(&ca->set->bucket_lock);
402                 schedule();
403                 mutex_lock(&ca->set->bucket_lock);
404         } while (!fifo_pop(&ca->free[RESERVE_NONE], r) &&
405                  !fifo_pop(&ca->free[reserve], r));
406
407         finish_wait(&ca->set->bucket_wait, &w);
408 out:
409         wake_up_process(ca->alloc_thread);
410
411         trace_bcache_alloc(ca, reserve);
412
413         if (expensive_debug_checks(ca->set)) {
414                 size_t iter;
415                 long i;
416                 unsigned j;
417
418                 for (iter = 0; iter < prio_buckets(ca) * 2; iter++)
419                         BUG_ON(ca->prio_buckets[iter] == (uint64_t) r);
420
421                 for (j = 0; j < RESERVE_NR; j++)
422                         fifo_for_each(i, &ca->free[j], iter)
423                                 BUG_ON(i == r);
424                 fifo_for_each(i, &ca->free_inc, iter)
425                         BUG_ON(i == r);
426         }
427
428         b = ca->buckets + r;
429
430         BUG_ON(atomic_read(&b->pin) != 1);
431
432         SET_GC_SECTORS_USED(b, ca->sb.bucket_size);
433
434         if (reserve <= RESERVE_PRIO) {
435                 SET_GC_MARK(b, GC_MARK_METADATA);
436                 SET_GC_MOVE(b, 0);
437                 b->prio = BTREE_PRIO;
438         } else {
439                 SET_GC_MARK(b, GC_MARK_RECLAIMABLE);
440                 SET_GC_MOVE(b, 0);
441                 b->prio = INITIAL_PRIO;
442         }
443
444         return r;
445 }
446
447 void __bch_bucket_free(struct cache *ca, struct bucket *b)
448 {
449         SET_GC_MARK(b, 0);
450         SET_GC_SECTORS_USED(b, 0);
451 }
452
453 void bch_bucket_free(struct cache_set *c, struct bkey *k)
454 {
455         unsigned i;
456
457         for (i = 0; i < KEY_PTRS(k); i++)
458                 __bch_bucket_free(PTR_CACHE(c, k, i),
459                                   PTR_BUCKET(c, k, i));
460 }
461
462 int __bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned reserve,
463                            struct bkey *k, int n, bool wait)
464 {
465         int i;
466
467         lockdep_assert_held(&c->bucket_lock);
468         BUG_ON(!n || n > c->caches_loaded || n > 8);
469
470         bkey_init(k);
471
472         /* sort by free space/prio of oldest data in caches */
473
474         for (i = 0; i < n; i++) {
475                 struct cache *ca = c->cache_by_alloc[i];
476                 long b = bch_bucket_alloc(ca, reserve, wait);
477
478                 if (b == -1)
479                         goto err;
480
481                 k->ptr[i] = PTR(ca->buckets[b].gen,
482                                 bucket_to_sector(c, b),
483                                 ca->sb.nr_this_dev);
484
485                 SET_KEY_PTRS(k, i + 1);
486         }
487
488         return 0;
489 err:
490         bch_bucket_free(c, k);
491         bkey_put(c, k);
492         return -1;
493 }
494
495 int bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned reserve,
496                          struct bkey *k, int n, bool wait)
497 {
498         int ret;
499         mutex_lock(&c->bucket_lock);
500         ret = __bch_bucket_alloc_set(c, reserve, k, n, wait);
501         mutex_unlock(&c->bucket_lock);
502         return ret;
503 }
504
505 /* Sector allocator */
506
507 struct open_bucket {
508         struct list_head        list;
509         unsigned                last_write_point;
510         unsigned                sectors_free;
511         BKEY_PADDED(key);
512 };
513
514 /*
515  * We keep multiple buckets open for writes, and try to segregate different
516  * write streams for better cache utilization: first we look for a bucket where
517  * the last write to it was sequential with the current write, and failing that
518  * we look for a bucket that was last used by the same task.
519  *
520  * The ideas is if you've got multiple tasks pulling data into the cache at the
521  * same time, you'll get better cache utilization if you try to segregate their
522  * data and preserve locality.
523  *
524  * For example, say you've starting Firefox at the same time you're copying a
525  * bunch of files. Firefox will likely end up being fairly hot and stay in the
526  * cache awhile, but the data you copied might not be; if you wrote all that
527  * data to the same buckets it'd get invalidated at the same time.
528  *
529  * Both of those tasks will be doing fairly random IO so we can't rely on
530  * detecting sequential IO to segregate their data, but going off of the task
531  * should be a sane heuristic.
532  */
533 static struct open_bucket *pick_data_bucket(struct cache_set *c,
534                                             const struct bkey *search,
535                                             unsigned write_point,
536                                             struct bkey *alloc)
537 {
538         struct open_bucket *ret, *ret_task = NULL;
539
540         list_for_each_entry_reverse(ret, &c->data_buckets, list)
541                 if (!bkey_cmp(&ret->key, search))
542                         goto found;
543                 else if (ret->last_write_point == write_point)
544                         ret_task = ret;
545
546         ret = ret_task ?: list_first_entry(&c->data_buckets,
547                                            struct open_bucket, list);
548 found:
549         if (!ret->sectors_free && KEY_PTRS(alloc)) {
550                 ret->sectors_free = c->sb.bucket_size;
551                 bkey_copy(&ret->key, alloc);
552                 bkey_init(alloc);
553         }
554
555         if (!ret->sectors_free)
556                 ret = NULL;
557
558         return ret;
559 }
560
561 /*
562  * Allocates some space in the cache to write to, and k to point to the newly
563  * allocated space, and updates KEY_SIZE(k) and KEY_OFFSET(k) (to point to the
564  * end of the newly allocated space).
565  *
566  * May allocate fewer sectors than @sectors, KEY_SIZE(k) indicates how many
567  * sectors were actually allocated.
568  *
569  * If s->writeback is true, will not fail.
570  */
571 bool bch_alloc_sectors(struct cache_set *c, struct bkey *k, unsigned sectors,
572                        unsigned write_point, unsigned write_prio, bool wait)
573 {
574         struct open_bucket *b;
575         BKEY_PADDED(key) alloc;
576         unsigned i;
577
578         /*
579          * We might have to allocate a new bucket, which we can't do with a
580          * spinlock held. So if we have to allocate, we drop the lock, allocate
581          * and then retry. KEY_PTRS() indicates whether alloc points to
582          * allocated bucket(s).
583          */
584
585         bkey_init(&alloc.key);
586         spin_lock(&c->data_bucket_lock);
587
588         while (!(b = pick_data_bucket(c, k, write_point, &alloc.key))) {
589                 unsigned watermark = write_prio
590                         ? RESERVE_MOVINGGC
591                         : RESERVE_NONE;
592
593                 spin_unlock(&c->data_bucket_lock);
594
595                 if (bch_bucket_alloc_set(c, watermark, &alloc.key, 1, wait))
596                         return false;
597
598                 spin_lock(&c->data_bucket_lock);
599         }
600
601         /*
602          * If we had to allocate, we might race and not need to allocate the
603          * second time we call find_data_bucket(). If we allocated a bucket but
604          * didn't use it, drop the refcount bch_bucket_alloc_set() took:
605          */
606         if (KEY_PTRS(&alloc.key))
607                 bkey_put(c, &alloc.key);
608
609         for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++)
610                 EBUG_ON(ptr_stale(c, &b->key, i));
611
612         /* Set up the pointer to the space we're allocating: */
613
614         for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++)
615                 k->ptr[i] = b->key.ptr[i];
616
617         sectors = min(sectors, b->sectors_free);
618
619         SET_KEY_OFFSET(k, KEY_OFFSET(k) + sectors);
620         SET_KEY_SIZE(k, sectors);
621         SET_KEY_PTRS(k, KEY_PTRS(&b->key));
622
623         /*
624          * Move b to the end of the lru, and keep track of what this bucket was
625          * last used for:
626          */
627         list_move_tail(&b->list, &c->data_buckets);
628         bkey_copy_key(&b->key, k);
629         b->last_write_point = write_point;
630
631         b->sectors_free -= sectors;
632
633         for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++) {
634                 SET_PTR_OFFSET(&b->key, i, PTR_OFFSET(&b->key, i) + sectors);
635
636                 atomic_long_add(sectors,
637                                 &PTR_CACHE(c, &b->key, i)->sectors_written);
638         }
639
640         if (b->sectors_free < c->sb.block_size)
641                 b->sectors_free = 0;
642
643         /*
644          * k takes refcounts on the buckets it points to until it's inserted
645          * into the btree, but if we're done with this bucket we just transfer
646          * get_data_bucket()'s refcount.
647          */
648         if (b->sectors_free)
649                 for (i = 0; i < KEY_PTRS(&b->key); i++)
650                         atomic_inc(&PTR_BUCKET(c, &b->key, i)->pin);
651
652         spin_unlock(&c->data_bucket_lock);
653         return true;
654 }
655
656 /* Init */
657
658 void bch_open_buckets_free(struct cache_set *c)
659 {
660         struct open_bucket *b;
661
662         while (!list_empty(&c->data_buckets)) {
663                 b = list_first_entry(&c->data_buckets,
664                                      struct open_bucket, list);
665                 list_del(&b->list);
666                 kfree(b);
667         }
668 }
669
670 int bch_open_buckets_alloc(struct cache_set *c)
671 {
672         int i;
673
674         spin_lock_init(&c->data_bucket_lock);
675
676         for (i = 0; i < 6; i++) {
677                 struct open_bucket *b = kzalloc(sizeof(*b), GFP_KERNEL);
678                 if (!b)
679                         return -ENOMEM;
680
681                 list_add(&b->list, &c->data_buckets);
682         }
683
684         return 0;
685 }
686
687 int bch_cache_allocator_start(struct cache *ca)
688 {
689         struct task_struct *k = kthread_run(bch_allocator_thread,
690                                             ca, "bcache_allocator");
691         if (IS_ERR(k))
692                 return PTR_ERR(k);
693
694         ca->alloc_thread = k;
695         return 0;
696 }