bfq: update internal depth state when queue depth changes
[platform/kernel/linux-rpi.git] / block / bfq-iosched.c
1 /*
2  * Budget Fair Queueing (BFQ) I/O scheduler.
3  *
4  * Based on ideas and code from CFQ:
5  * Copyright (C) 2003 Jens Axboe <axboe@kernel.dk>
6  *
7  * Copyright (C) 2008 Fabio Checconi <fabio@gandalf.sssup.it>
8  *                    Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
9  *
10  * Copyright (C) 2010 Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
11  *                    Arianna Avanzini <avanzini@google.com>
12  *
13  * Copyright (C) 2017 Paolo Valente <paolo.valente@linaro.org>
14  *
15  *  This program is free software; you can redistribute it and/or
16  *  modify it under the terms of the GNU General Public License as
17  *  published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
18  *  License, or (at your option) any later version.
19  *
20  *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
21  *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
22  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
23  *  General Public License for more details.
24  *
25  * BFQ is a proportional-share I/O scheduler, with some extra
26  * low-latency capabilities. BFQ also supports full hierarchical
27  * scheduling through cgroups. Next paragraphs provide an introduction
28  * on BFQ inner workings. Details on BFQ benefits, usage and
29  * limitations can be found in Documentation/block/bfq-iosched.txt.
30  *
31  * BFQ is a proportional-share storage-I/O scheduling algorithm based
32  * on the slice-by-slice service scheme of CFQ. But BFQ assigns
33  * budgets, measured in number of sectors, to processes instead of
34  * time slices. The device is not granted to the in-service process
35  * for a given time slice, but until it has exhausted its assigned
36  * budget. This change from the time to the service domain enables BFQ
37  * to distribute the device throughput among processes as desired,
38  * without any distortion due to throughput fluctuations, or to device
39  * internal queueing. BFQ uses an ad hoc internal scheduler, called
40  * B-WF2Q+, to schedule processes according to their budgets. More
41  * precisely, BFQ schedules queues associated with processes. Each
42  * process/queue is assigned a user-configurable weight, and B-WF2Q+
43  * guarantees that each queue receives a fraction of the throughput
44  * proportional to its weight. Thanks to the accurate policy of
45  * B-WF2Q+, BFQ can afford to assign high budgets to I/O-bound
46  * processes issuing sequential requests (to boost the throughput),
47  * and yet guarantee a low latency to interactive and soft real-time
48  * applications.
49  *
50  * In particular, to provide these low-latency guarantees, BFQ
51  * explicitly privileges the I/O of two classes of time-sensitive
52  * applications: interactive and soft real-time. In more detail, BFQ
53  * behaves this way if the low_latency parameter is set (default
54  * configuration). This feature enables BFQ to provide applications in
55  * these classes with a very low latency.
56  *
57  * To implement this feature, BFQ constantly tries to detect whether
58  * the I/O requests in a bfq_queue come from an interactive or a soft
59  * real-time application. For brevity, in these cases, the queue is
60  * said to be interactive or soft real-time. In both cases, BFQ
61  * privileges the service of the queue, over that of non-interactive
62  * and non-soft-real-time queues. This privileging is performed,
63  * mainly, by raising the weight of the queue. So, for brevity, we
64  * call just weight-raising periods the time periods during which a
65  * queue is privileged, because deemed interactive or soft real-time.
66  *
67  * The detection of soft real-time queues/applications is described in
68  * detail in the comments on the function
69  * bfq_bfqq_softrt_next_start. On the other hand, the detection of an
70  * interactive queue works as follows: a queue is deemed interactive
71  * if it is constantly non empty only for a limited time interval,
72  * after which it does become empty. The queue may be deemed
73  * interactive again (for a limited time), if it restarts being
74  * constantly non empty, provided that this happens only after the
75  * queue has remained empty for a given minimum idle time.
76  *
77  * By default, BFQ computes automatically the above maximum time
78  * interval, i.e., the time interval after which a constantly
79  * non-empty queue stops being deemed interactive. Since a queue is
80  * weight-raised while it is deemed interactive, this maximum time
81  * interval happens to coincide with the (maximum) duration of the
82  * weight-raising for interactive queues.
83  *
84  * Finally, BFQ also features additional heuristics for
85  * preserving both a low latency and a high throughput on NCQ-capable,
86  * rotational or flash-based devices, and to get the job done quickly
87  * for applications consisting in many I/O-bound processes.
88  *
89  * NOTE: if the main or only goal, with a given device, is to achieve
90  * the maximum-possible throughput at all times, then do switch off
91  * all low-latency heuristics for that device, by setting low_latency
92  * to 0.
93  *
94  * BFQ is described in [1], where also a reference to the initial,
95  * more theoretical paper on BFQ can be found. The interested reader
96  * can find in the latter paper full details on the main algorithm, as
97  * well as formulas of the guarantees and formal proofs of all the
98  * properties.  With respect to the version of BFQ presented in these
99  * papers, this implementation adds a few more heuristics, such as the
100  * ones that guarantee a low latency to interactive and soft real-time
101  * applications, and a hierarchical extension based on H-WF2Q+.
102  *
103  * B-WF2Q+ is based on WF2Q+, which is described in [2], together with
104  * H-WF2Q+, while the augmented tree used here to implement B-WF2Q+
105  * with O(log N) complexity derives from the one introduced with EEVDF
106  * in [3].
107  *
108  * [1] P. Valente, A. Avanzini, "Evolution of the BFQ Storage I/O
109  *     Scheduler", Proceedings of the First Workshop on Mobile System
110  *     Technologies (MST-2015), May 2015.
111  *     http://algogroup.unimore.it/people/paolo/disk_sched/mst-2015.pdf
112  *
113  * [2] Jon C.R. Bennett and H. Zhang, "Hierarchical Packet Fair Queueing
114  *     Algorithms", IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(5):675-689,
115  *     Oct 1997.
116  *
117  * http://www.cs.cmu.edu/~hzhang/papers/TON-97-Oct.ps.gz
118  *
119  * [3] I. Stoica and H. Abdel-Wahab, "Earliest Eligible Virtual Deadline
120  *     First: A Flexible and Accurate Mechanism for Proportional Share
121  *     Resource Allocation", technical report.
122  *
123  * http://www.cs.berkeley.edu/~istoica/papers/eevdf-tr-95.pdf
124  */
125 #include <linux/module.h>
126 #include <linux/slab.h>
127 #include <linux/blkdev.h>
128 #include <linux/cgroup.h>
129 #include <linux/elevator.h>
130 #include <linux/ktime.h>
131 #include <linux/rbtree.h>
132 #include <linux/ioprio.h>
133 #include <linux/sbitmap.h>
134 #include <linux/delay.h>
135
136 #include "blk.h"
137 #include "blk-mq.h"
138 #include "blk-mq-tag.h"
139 #include "blk-mq-sched.h"
140 #include "bfq-iosched.h"
141 #include "blk-wbt.h"
142
143 #define BFQ_BFQQ_FNS(name)                                              \
144 void bfq_mark_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                       \
145 {                                                                       \
146         __set_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);                        \
147 }                                                                       \
148 void bfq_clear_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                      \
149 {                                                                       \
150         __clear_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);              \
151 }                                                                       \
152 int bfq_bfqq_##name(const struct bfq_queue *bfqq)                       \
153 {                                                                       \
154         return test_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);          \
155 }
156
157 BFQ_BFQQ_FNS(just_created);
158 BFQ_BFQQ_FNS(busy);
159 BFQ_BFQQ_FNS(wait_request);
160 BFQ_BFQQ_FNS(non_blocking_wait_rq);
161 BFQ_BFQQ_FNS(fifo_expire);
162 BFQ_BFQQ_FNS(has_short_ttime);
163 BFQ_BFQQ_FNS(sync);
164 BFQ_BFQQ_FNS(IO_bound);
165 BFQ_BFQQ_FNS(in_large_burst);
166 BFQ_BFQQ_FNS(coop);
167 BFQ_BFQQ_FNS(split_coop);
168 BFQ_BFQQ_FNS(softrt_update);
169 #undef BFQ_BFQQ_FNS                                             \
170
171 /* Expiration time of sync (0) and async (1) requests, in ns. */
172 static const u64 bfq_fifo_expire[2] = { NSEC_PER_SEC / 4, NSEC_PER_SEC / 8 };
173
174 /* Maximum backwards seek (magic number lifted from CFQ), in KiB. */
175 static const int bfq_back_max = 16 * 1024;
176
177 /* Penalty of a backwards seek, in number of sectors. */
178 static const int bfq_back_penalty = 2;
179
180 /* Idling period duration, in ns. */
181 static u64 bfq_slice_idle = NSEC_PER_SEC / 125;
182
183 /* Minimum number of assigned budgets for which stats are safe to compute. */
184 static const int bfq_stats_min_budgets = 194;
185
186 /* Default maximum budget values, in sectors and number of requests. */
187 static const int bfq_default_max_budget = 16 * 1024;
188
189 /*
190  * When a sync request is dispatched, the queue that contains that
191  * request, and all the ancestor entities of that queue, are charged
192  * with the number of sectors of the request. In constrast, if the
193  * request is async, then the queue and its ancestor entities are
194  * charged with the number of sectors of the request, multiplied by
195  * the factor below. This throttles the bandwidth for async I/O,
196  * w.r.t. to sync I/O, and it is done to counter the tendency of async
197  * writes to steal I/O throughput to reads.
198  *
199  * The current value of this parameter is the result of a tuning with
200  * several hardware and software configurations. We tried to find the
201  * lowest value for which writes do not cause noticeable problems to
202  * reads. In fact, the lower this parameter, the stabler I/O control,
203  * in the following respect.  The lower this parameter is, the less
204  * the bandwidth enjoyed by a group decreases
205  * - when the group does writes, w.r.t. to when it does reads;
206  * - when other groups do reads, w.r.t. to when they do writes.
207  */
208 static const int bfq_async_charge_factor = 3;
209
210 /* Default timeout values, in jiffies, approximating CFQ defaults. */
211 const int bfq_timeout = HZ / 8;
212
213 /*
214  * Time limit for merging (see comments in bfq_setup_cooperator). Set
215  * to the slowest value that, in our tests, proved to be effective in
216  * removing false positives, while not causing true positives to miss
217  * queue merging.
218  *
219  * As can be deduced from the low time limit below, queue merging, if
220  * successful, happens at the very beggining of the I/O of the involved
221  * cooperating processes, as a consequence of the arrival of the very
222  * first requests from each cooperator.  After that, there is very
223  * little chance to find cooperators.
224  */
225 static const unsigned long bfq_merge_time_limit = HZ/10;
226
227 static struct kmem_cache *bfq_pool;
228
229 /* Below this threshold (in ns), we consider thinktime immediate. */
230 #define BFQ_MIN_TT              (2 * NSEC_PER_MSEC)
231
232 /* hw_tag detection: parallel requests threshold and min samples needed. */
233 #define BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD  4
234 #define BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES    32
235
236 #define BFQQ_SEEK_THR           (sector_t)(8 * 100)
237 #define BFQQ_SECT_THR_NONROT    (sector_t)(2 * 32)
238 #define BFQQ_CLOSE_THR          (sector_t)(8 * 1024)
239 #define BFQQ_SEEKY(bfqq)        (hweight32(bfqq->seek_history) > 19)
240
241 /* Min number of samples required to perform peak-rate update */
242 #define BFQ_RATE_MIN_SAMPLES    32
243 /* Min observation time interval required to perform a peak-rate update (ns) */
244 #define BFQ_RATE_MIN_INTERVAL   (300*NSEC_PER_MSEC)
245 /* Target observation time interval for a peak-rate update (ns) */
246 #define BFQ_RATE_REF_INTERVAL   NSEC_PER_SEC
247
248 /*
249  * Shift used for peak-rate fixed precision calculations.
250  * With
251  * - the current shift: 16 positions
252  * - the current type used to store rate: u32
253  * - the current unit of measure for rate: [sectors/usec], or, more precisely,
254  *   [(sectors/usec) / 2^BFQ_RATE_SHIFT] to take into account the shift,
255  * the range of rates that can be stored is
256  * [1 / 2^BFQ_RATE_SHIFT, 2^(32 - BFQ_RATE_SHIFT)] sectors/usec =
257  * [1 / 2^16, 2^16] sectors/usec = [15e-6, 65536] sectors/usec =
258  * [15, 65G] sectors/sec
259  * Which, assuming a sector size of 512B, corresponds to a range of
260  * [7.5K, 33T] B/sec
261  */
262 #define BFQ_RATE_SHIFT          16
263
264 /*
265  * When configured for computing the duration of the weight-raising
266  * for interactive queues automatically (see the comments at the
267  * beginning of this file), BFQ does it using the following formula:
268  * duration = (ref_rate / r) * ref_wr_duration,
269  * where r is the peak rate of the device, and ref_rate and
270  * ref_wr_duration are two reference parameters.  In particular,
271  * ref_rate is the peak rate of the reference storage device (see
272  * below), and ref_wr_duration is about the maximum time needed, with
273  * BFQ and while reading two files in parallel, to load typical large
274  * applications on the reference device (see the comments on
275  * max_service_from_wr below, for more details on how ref_wr_duration
276  * is obtained).  In practice, the slower/faster the device at hand
277  * is, the more/less it takes to load applications with respect to the
278  * reference device.  Accordingly, the longer/shorter BFQ grants
279  * weight raising to interactive applications.
280  *
281  * BFQ uses two different reference pairs (ref_rate, ref_wr_duration),
282  * depending on whether the device is rotational or non-rotational.
283  *
284  * In the following definitions, ref_rate[0] and ref_wr_duration[0]
285  * are the reference values for a rotational device, whereas
286  * ref_rate[1] and ref_wr_duration[1] are the reference values for a
287  * non-rotational device. The reference rates are not the actual peak
288  * rates of the devices used as a reference, but slightly lower
289  * values. The reason for using slightly lower values is that the
290  * peak-rate estimator tends to yield slightly lower values than the
291  * actual peak rate (it can yield the actual peak rate only if there
292  * is only one process doing I/O, and the process does sequential
293  * I/O).
294  *
295  * The reference peak rates are measured in sectors/usec, left-shifted
296  * by BFQ_RATE_SHIFT.
297  */
298 static int ref_rate[2] = {14000, 33000};
299 /*
300  * To improve readability, a conversion function is used to initialize
301  * the following array, which entails that the array can be
302  * initialized only in a function.
303  */
304 static int ref_wr_duration[2];
305
306 /*
307  * BFQ uses the above-detailed, time-based weight-raising mechanism to
308  * privilege interactive tasks. This mechanism is vulnerable to the
309  * following false positives: I/O-bound applications that will go on
310  * doing I/O for much longer than the duration of weight
311  * raising. These applications have basically no benefit from being
312  * weight-raised at the beginning of their I/O. On the opposite end,
313  * while being weight-raised, these applications
314  * a) unjustly steal throughput to applications that may actually need
315  * low latency;
316  * b) make BFQ uselessly perform device idling; device idling results
317  * in loss of device throughput with most flash-based storage, and may
318  * increase latencies when used purposelessly.
319  *
320  * BFQ tries to reduce these problems, by adopting the following
321  * countermeasure. To introduce this countermeasure, we need first to
322  * finish explaining how the duration of weight-raising for
323  * interactive tasks is computed.
324  *
325  * For a bfq_queue deemed as interactive, the duration of weight
326  * raising is dynamically adjusted, as a function of the estimated
327  * peak rate of the device, so as to be equal to the time needed to
328  * execute the 'largest' interactive task we benchmarked so far. By
329  * largest task, we mean the task for which each involved process has
330  * to do more I/O than for any of the other tasks we benchmarked. This
331  * reference interactive task is the start-up of LibreOffice Writer,
332  * and in this task each process/bfq_queue needs to have at most ~110K
333  * sectors transferred.
334  *
335  * This last piece of information enables BFQ to reduce the actual
336  * duration of weight-raising for at least one class of I/O-bound
337  * applications: those doing sequential or quasi-sequential I/O. An
338  * example is file copy. In fact, once started, the main I/O-bound
339  * processes of these applications usually consume the above 110K
340  * sectors in much less time than the processes of an application that
341  * is starting, because these I/O-bound processes will greedily devote
342  * almost all their CPU cycles only to their target,
343  * throughput-friendly I/O operations. This is even more true if BFQ
344  * happens to be underestimating the device peak rate, and thus
345  * overestimating the duration of weight raising. But, according to
346  * our measurements, once transferred 110K sectors, these processes
347  * have no right to be weight-raised any longer.
348  *
349  * Basing on the last consideration, BFQ ends weight-raising for a
350  * bfq_queue if the latter happens to have received an amount of
351  * service at least equal to the following constant. The constant is
352  * set to slightly more than 110K, to have a minimum safety margin.
353  *
354  * This early ending of weight-raising reduces the amount of time
355  * during which interactive false positives cause the two problems
356  * described at the beginning of these comments.
357  */
358 static const unsigned long max_service_from_wr = 120000;
359
360 #define RQ_BIC(rq)              icq_to_bic((rq)->elv.priv[0])
361 #define RQ_BFQQ(rq)             ((rq)->elv.priv[1])
362
363 struct bfq_queue *bic_to_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
364 {
365         return bic->bfqq[is_sync];
366 }
367
368 void bic_set_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq, bool is_sync)
369 {
370         bic->bfqq[is_sync] = bfqq;
371 }
372
373 struct bfq_data *bic_to_bfqd(struct bfq_io_cq *bic)
374 {
375         return bic->icq.q->elevator->elevator_data;
376 }
377
378 /**
379  * icq_to_bic - convert iocontext queue structure to bfq_io_cq.
380  * @icq: the iocontext queue.
381  */
382 static struct bfq_io_cq *icq_to_bic(struct io_cq *icq)
383 {
384         /* bic->icq is the first member, %NULL will convert to %NULL */
385         return container_of(icq, struct bfq_io_cq, icq);
386 }
387
388 /**
389  * bfq_bic_lookup - search into @ioc a bic associated to @bfqd.
390  * @bfqd: the lookup key.
391  * @ioc: the io_context of the process doing I/O.
392  * @q: the request queue.
393  */
394 static struct bfq_io_cq *bfq_bic_lookup(struct bfq_data *bfqd,
395                                         struct io_context *ioc,
396                                         struct request_queue *q)
397 {
398         if (ioc) {
399                 unsigned long flags;
400                 struct bfq_io_cq *icq;
401
402                 spin_lock_irqsave(q->queue_lock, flags);
403                 icq = icq_to_bic(ioc_lookup_icq(ioc, q));
404                 spin_unlock_irqrestore(q->queue_lock, flags);
405
406                 return icq;
407         }
408
409         return NULL;
410 }
411
412 /*
413  * Scheduler run of queue, if there are requests pending and no one in the
414  * driver that will restart queueing.
415  */
416 void bfq_schedule_dispatch(struct bfq_data *bfqd)
417 {
418         if (bfqd->queued != 0) {
419                 bfq_log(bfqd, "schedule dispatch");
420                 blk_mq_run_hw_queues(bfqd->queue, true);
421         }
422 }
423
424 #define bfq_class_idle(bfqq)    ((bfqq)->ioprio_class == IOPRIO_CLASS_IDLE)
425 #define bfq_class_rt(bfqq)      ((bfqq)->ioprio_class == IOPRIO_CLASS_RT)
426
427 #define bfq_sample_valid(samples)       ((samples) > 80)
428
429 /*
430  * Lifted from AS - choose which of rq1 and rq2 that is best served now.
431  * We choose the request that is closesr to the head right now.  Distance
432  * behind the head is penalized and only allowed to a certain extent.
433  */
434 static struct request *bfq_choose_req(struct bfq_data *bfqd,
435                                       struct request *rq1,
436                                       struct request *rq2,
437                                       sector_t last)
438 {
439         sector_t s1, s2, d1 = 0, d2 = 0;
440         unsigned long back_max;
441 #define BFQ_RQ1_WRAP    0x01 /* request 1 wraps */
442 #define BFQ_RQ2_WRAP    0x02 /* request 2 wraps */
443         unsigned int wrap = 0; /* bit mask: requests behind the disk head? */
444
445         if (!rq1 || rq1 == rq2)
446                 return rq2;
447         if (!rq2)
448                 return rq1;
449
450         if (rq_is_sync(rq1) && !rq_is_sync(rq2))
451                 return rq1;
452         else if (rq_is_sync(rq2) && !rq_is_sync(rq1))
453                 return rq2;
454         if ((rq1->cmd_flags & REQ_META) && !(rq2->cmd_flags & REQ_META))
455                 return rq1;
456         else if ((rq2->cmd_flags & REQ_META) && !(rq1->cmd_flags & REQ_META))
457                 return rq2;
458
459         s1 = blk_rq_pos(rq1);
460         s2 = blk_rq_pos(rq2);
461
462         /*
463          * By definition, 1KiB is 2 sectors.
464          */
465         back_max = bfqd->bfq_back_max * 2;
466
467         /*
468          * Strict one way elevator _except_ in the case where we allow
469          * short backward seeks which are biased as twice the cost of a
470          * similar forward seek.
471          */
472         if (s1 >= last)
473                 d1 = s1 - last;
474         else if (s1 + back_max >= last)
475                 d1 = (last - s1) * bfqd->bfq_back_penalty;
476         else
477                 wrap |= BFQ_RQ1_WRAP;
478
479         if (s2 >= last)
480                 d2 = s2 - last;
481         else if (s2 + back_max >= last)
482                 d2 = (last - s2) * bfqd->bfq_back_penalty;
483         else
484                 wrap |= BFQ_RQ2_WRAP;
485
486         /* Found required data */
487
488         /*
489          * By doing switch() on the bit mask "wrap" we avoid having to
490          * check two variables for all permutations: --> faster!
491          */
492         switch (wrap) {
493         case 0: /* common case for CFQ: rq1 and rq2 not wrapped */
494                 if (d1 < d2)
495                         return rq1;
496                 else if (d2 < d1)
497                         return rq2;
498
499                 if (s1 >= s2)
500                         return rq1;
501                 else
502                         return rq2;
503
504         case BFQ_RQ2_WRAP:
505                 return rq1;
506         case BFQ_RQ1_WRAP:
507                 return rq2;
508         case BFQ_RQ1_WRAP|BFQ_RQ2_WRAP: /* both rqs wrapped */
509         default:
510                 /*
511                  * Since both rqs are wrapped,
512                  * start with the one that's further behind head
513                  * (--> only *one* back seek required),
514                  * since back seek takes more time than forward.
515                  */
516                 if (s1 <= s2)
517                         return rq1;
518                 else
519                         return rq2;
520         }
521 }
522
523 /*
524  * Async I/O can easily starve sync I/O (both sync reads and sync
525  * writes), by consuming all tags. Similarly, storms of sync writes,
526  * such as those that sync(2) may trigger, can starve sync reads.
527  * Limit depths of async I/O and sync writes so as to counter both
528  * problems.
529  */
530 static void bfq_limit_depth(unsigned int op, struct blk_mq_alloc_data *data)
531 {
532         struct bfq_data *bfqd = data->q->elevator->elevator_data;
533
534         if (op_is_sync(op) && !op_is_write(op))
535                 return;
536
537         data->shallow_depth =
538                 bfqd->word_depths[!!bfqd->wr_busy_queues][op_is_sync(op)];
539
540         bfq_log(bfqd, "[%s] wr_busy %d sync %d depth %u",
541                         __func__, bfqd->wr_busy_queues, op_is_sync(op),
542                         data->shallow_depth);
543 }
544
545 static struct bfq_queue *
546 bfq_rq_pos_tree_lookup(struct bfq_data *bfqd, struct rb_root *root,
547                      sector_t sector, struct rb_node **ret_parent,
548                      struct rb_node ***rb_link)
549 {
550         struct rb_node **p, *parent;
551         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
552
553         parent = NULL;
554         p = &root->rb_node;
555         while (*p) {
556                 struct rb_node **n;
557
558                 parent = *p;
559                 bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
560
561                 /*
562                  * Sort strictly based on sector. Smallest to the left,
563                  * largest to the right.
564                  */
565                 if (sector > blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
566                         n = &(*p)->rb_right;
567                 else if (sector < blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
568                         n = &(*p)->rb_left;
569                 else
570                         break;
571                 p = n;
572                 bfqq = NULL;
573         }
574
575         *ret_parent = parent;
576         if (rb_link)
577                 *rb_link = p;
578
579         bfq_log(bfqd, "rq_pos_tree_lookup %llu: returning %d",
580                 (unsigned long long)sector,
581                 bfqq ? bfqq->pid : 0);
582
583         return bfqq;
584 }
585
586 static bool bfq_too_late_for_merging(struct bfq_queue *bfqq)
587 {
588         return bfqq->service_from_backlogged > 0 &&
589                 time_is_before_jiffies(bfqq->first_IO_time +
590                                        bfq_merge_time_limit);
591 }
592
593 void bfq_pos_tree_add_move(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
594 {
595         struct rb_node **p, *parent;
596         struct bfq_queue *__bfqq;
597
598         if (bfqq->pos_root) {
599                 rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
600                 bfqq->pos_root = NULL;
601         }
602
603         /*
604          * bfqq cannot be merged any longer (see comments in
605          * bfq_setup_cooperator): no point in adding bfqq into the
606          * position tree.
607          */
608         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
609                 return;
610
611         if (bfq_class_idle(bfqq))
612                 return;
613         if (!bfqq->next_rq)
614                 return;
615
616         bfqq->pos_root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
617         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, bfqq->pos_root,
618                         blk_rq_pos(bfqq->next_rq), &parent, &p);
619         if (!__bfqq) {
620                 rb_link_node(&bfqq->pos_node, parent, p);
621                 rb_insert_color(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
622         } else
623                 bfqq->pos_root = NULL;
624 }
625
626 /*
627  * Tell whether there are active queues or groups with differentiated weights.
628  */
629 static bool bfq_differentiated_weights(struct bfq_data *bfqd)
630 {
631         /*
632          * For weights to differ, at least one of the trees must contain
633          * at least two nodes.
634          */
635         return (!RB_EMPTY_ROOT(&bfqd->queue_weights_tree) &&
636                 (bfqd->queue_weights_tree.rb_node->rb_left ||
637                  bfqd->queue_weights_tree.rb_node->rb_right)
638 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
639                ) ||
640                (!RB_EMPTY_ROOT(&bfqd->group_weights_tree) &&
641                 (bfqd->group_weights_tree.rb_node->rb_left ||
642                  bfqd->group_weights_tree.rb_node->rb_right)
643 #endif
644                );
645 }
646
647 /*
648  * The following function returns true if every queue must receive the
649  * same share of the throughput (this condition is used when deciding
650  * whether idling may be disabled, see the comments in the function
651  * bfq_better_to_idle()).
652  *
653  * Such a scenario occurs when:
654  * 1) all active queues have the same weight,
655  * 2) all active groups at the same level in the groups tree have the same
656  *    weight,
657  * 3) all active groups at the same level in the groups tree have the same
658  *    number of children.
659  *
660  * Unfortunately, keeping the necessary state for evaluating exactly the
661  * above symmetry conditions would be quite complex and time-consuming.
662  * Therefore this function evaluates, instead, the following stronger
663  * sub-conditions, for which it is much easier to maintain the needed
664  * state:
665  * 1) all active queues have the same weight,
666  * 2) all active groups have the same weight,
667  * 3) all active groups have at most one active child each.
668  * In particular, the last two conditions are always true if hierarchical
669  * support and the cgroups interface are not enabled, thus no state needs
670  * to be maintained in this case.
671  */
672 static bool bfq_symmetric_scenario(struct bfq_data *bfqd)
673 {
674         return !bfq_differentiated_weights(bfqd);
675 }
676
677 /*
678  * If the weight-counter tree passed as input contains no counter for
679  * the weight of the input entity, then add that counter; otherwise just
680  * increment the existing counter.
681  *
682  * Note that weight-counter trees contain few nodes in mostly symmetric
683  * scenarios. For example, if all queues have the same weight, then the
684  * weight-counter tree for the queues may contain at most one node.
685  * This holds even if low_latency is on, because weight-raised queues
686  * are not inserted in the tree.
687  * In most scenarios, the rate at which nodes are created/destroyed
688  * should be low too.
689  */
690 void bfq_weights_tree_add(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_entity *entity,
691                           struct rb_root *root)
692 {
693         struct rb_node **new = &(root->rb_node), *parent = NULL;
694
695         /*
696          * Do not insert if the entity is already associated with a
697          * counter, which happens if:
698          *   1) the entity is associated with a queue,
699          *   2) a request arrival has caused the queue to become both
700          *      non-weight-raised, and hence change its weight, and
701          *      backlogged; in this respect, each of the two events
702          *      causes an invocation of this function,
703          *   3) this is the invocation of this function caused by the
704          *      second event. This second invocation is actually useless,
705          *      and we handle this fact by exiting immediately. More
706          *      efficient or clearer solutions might possibly be adopted.
707          */
708         if (entity->weight_counter)
709                 return;
710
711         while (*new) {
712                 struct bfq_weight_counter *__counter = container_of(*new,
713                                                 struct bfq_weight_counter,
714                                                 weights_node);
715                 parent = *new;
716
717                 if (entity->weight == __counter->weight) {
718                         entity->weight_counter = __counter;
719                         goto inc_counter;
720                 }
721                 if (entity->weight < __counter->weight)
722                         new = &((*new)->rb_left);
723                 else
724                         new = &((*new)->rb_right);
725         }
726
727         entity->weight_counter = kzalloc(sizeof(struct bfq_weight_counter),
728                                          GFP_ATOMIC);
729
730         /*
731          * In the unlucky event of an allocation failure, we just
732          * exit. This will cause the weight of entity to not be
733          * considered in bfq_differentiated_weights, which, in its
734          * turn, causes the scenario to be deemed wrongly symmetric in
735          * case entity's weight would have been the only weight making
736          * the scenario asymmetric. On the bright side, no unbalance
737          * will however occur when entity becomes inactive again (the
738          * invocation of this function is triggered by an activation
739          * of entity). In fact, bfq_weights_tree_remove does nothing
740          * if !entity->weight_counter.
741          */
742         if (unlikely(!entity->weight_counter))
743                 return;
744
745         entity->weight_counter->weight = entity->weight;
746         rb_link_node(&entity->weight_counter->weights_node, parent, new);
747         rb_insert_color(&entity->weight_counter->weights_node, root);
748
749 inc_counter:
750         entity->weight_counter->num_active++;
751 }
752
753 /*
754  * Decrement the weight counter associated with the entity, and, if the
755  * counter reaches 0, remove the counter from the tree.
756  * See the comments to the function bfq_weights_tree_add() for considerations
757  * about overhead.
758  */
759 void __bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
760                                struct bfq_entity *entity,
761                                struct rb_root *root)
762 {
763         if (!entity->weight_counter)
764                 return;
765
766         entity->weight_counter->num_active--;
767         if (entity->weight_counter->num_active > 0)
768                 goto reset_entity_pointer;
769
770         rb_erase(&entity->weight_counter->weights_node, root);
771         kfree(entity->weight_counter);
772
773 reset_entity_pointer:
774         entity->weight_counter = NULL;
775 }
776
777 /*
778  * Invoke __bfq_weights_tree_remove on bfqq and all its inactive
779  * parent entities.
780  */
781 void bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
782                              struct bfq_queue *bfqq)
783 {
784         struct bfq_entity *entity = bfqq->entity.parent;
785
786         __bfq_weights_tree_remove(bfqd, &bfqq->entity,
787                                   &bfqd->queue_weights_tree);
788
789         for_each_entity(entity) {
790                 struct bfq_sched_data *sd = entity->my_sched_data;
791
792                 if (sd->next_in_service || sd->in_service_entity) {
793                         /*
794                          * entity is still active, because either
795                          * next_in_service or in_service_entity is not
796                          * NULL (see the comments on the definition of
797                          * next_in_service for details on why
798                          * in_service_entity must be checked too).
799                          *
800                          * As a consequence, the weight of entity is
801                          * not to be removed. In addition, if entity
802                          * is active, then its parent entities are
803                          * active as well, and thus their weights are
804                          * not to be removed either. In the end, this
805                          * loop must stop here.
806                          */
807                         break;
808                 }
809                 __bfq_weights_tree_remove(bfqd, entity,
810                                           &bfqd->group_weights_tree);
811         }
812 }
813
814 /*
815  * Return expired entry, or NULL to just start from scratch in rbtree.
816  */
817 static struct request *bfq_check_fifo(struct bfq_queue *bfqq,
818                                       struct request *last)
819 {
820         struct request *rq;
821
822         if (bfq_bfqq_fifo_expire(bfqq))
823                 return NULL;
824
825         bfq_mark_bfqq_fifo_expire(bfqq);
826
827         rq = rq_entry_fifo(bfqq->fifo.next);
828
829         if (rq == last || ktime_get_ns() < rq->fifo_time)
830                 return NULL;
831
832         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "check_fifo: returned %p", rq);
833         return rq;
834 }
835
836 static struct request *bfq_find_next_rq(struct bfq_data *bfqd,
837                                         struct bfq_queue *bfqq,
838                                         struct request *last)
839 {
840         struct rb_node *rbnext = rb_next(&last->rb_node);
841         struct rb_node *rbprev = rb_prev(&last->rb_node);
842         struct request *next, *prev = NULL;
843
844         /* Follow expired path, else get first next available. */
845         next = bfq_check_fifo(bfqq, last);
846         if (next)
847                 return next;
848
849         if (rbprev)
850                 prev = rb_entry_rq(rbprev);
851
852         if (rbnext)
853                 next = rb_entry_rq(rbnext);
854         else {
855                 rbnext = rb_first(&bfqq->sort_list);
856                 if (rbnext && rbnext != &last->rb_node)
857                         next = rb_entry_rq(rbnext);
858         }
859
860         return bfq_choose_req(bfqd, next, prev, blk_rq_pos(last));
861 }
862
863 /* see the definition of bfq_async_charge_factor for details */
864 static unsigned long bfq_serv_to_charge(struct request *rq,
865                                         struct bfq_queue *bfqq)
866 {
867         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfqq->wr_coeff > 1)
868                 return blk_rq_sectors(rq);
869
870         return blk_rq_sectors(rq) * bfq_async_charge_factor;
871 }
872
873 /**
874  * bfq_updated_next_req - update the queue after a new next_rq selection.
875  * @bfqd: the device data the queue belongs to.
876  * @bfqq: the queue to update.
877  *
878  * If the first request of a queue changes we make sure that the queue
879  * has enough budget to serve at least its first request (if the
880  * request has grown).  We do this because if the queue has not enough
881  * budget for its first request, it has to go through two dispatch
882  * rounds to actually get it dispatched.
883  */
884 static void bfq_updated_next_req(struct bfq_data *bfqd,
885                                  struct bfq_queue *bfqq)
886 {
887         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
888         struct request *next_rq = bfqq->next_rq;
889         unsigned long new_budget;
890
891         if (!next_rq)
892                 return;
893
894         if (bfqq == bfqd->in_service_queue)
895                 /*
896                  * In order not to break guarantees, budgets cannot be
897                  * changed after an entity has been selected.
898                  */
899                 return;
900
901         new_budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
902                            bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq));
903         if (entity->budget != new_budget) {
904                 entity->budget = new_budget;
905                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "updated next rq: new budget %lu",
906                                          new_budget);
907                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, false);
908         }
909 }
910
911 static unsigned int bfq_wr_duration(struct bfq_data *bfqd)
912 {
913         u64 dur;
914
915         if (bfqd->bfq_wr_max_time > 0)
916                 return bfqd->bfq_wr_max_time;
917
918         dur = bfqd->rate_dur_prod;
919         do_div(dur, bfqd->peak_rate);
920
921         /*
922          * Limit duration between 3 and 25 seconds. The upper limit
923          * has been conservatively set after the following worst case:
924          * on a QEMU/KVM virtual machine
925          * - running in a slow PC
926          * - with a virtual disk stacked on a slow low-end 5400rpm HDD
927          * - serving a heavy I/O workload, such as the sequential reading
928          *   of several files
929          * mplayer took 23 seconds to start, if constantly weight-raised.
930          *
931          * As for higher values than that accomodating the above bad
932          * scenario, tests show that higher values would often yield
933          * the opposite of the desired result, i.e., would worsen
934          * responsiveness by allowing non-interactive applications to
935          * preserve weight raising for too long.
936          *
937          * On the other end, lower values than 3 seconds make it
938          * difficult for most interactive tasks to complete their jobs
939          * before weight-raising finishes.
940          */
941         return clamp_val(dur, msecs_to_jiffies(3000), msecs_to_jiffies(25000));
942 }
943
944 /* switch back from soft real-time to interactive weight raising */
945 static void switch_back_to_interactive_wr(struct bfq_queue *bfqq,
946                                           struct bfq_data *bfqd)
947 {
948         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
949         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
950         bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
951 }
952
953 static void
954 bfq_bfqq_resume_state(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd,
955                       struct bfq_io_cq *bic, bool bfq_already_existing)
956 {
957         unsigned int old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
958         bool busy = bfq_already_existing && bfq_bfqq_busy(bfqq);
959
960         if (bic->saved_has_short_ttime)
961                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
962         else
963                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
964
965         if (bic->saved_IO_bound)
966                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
967         else
968                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
969
970         bfqq->ttime = bic->saved_ttime;
971         bfqq->wr_coeff = bic->saved_wr_coeff;
972         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt;
973         bfqq->last_wr_start_finish = bic->saved_last_wr_start_finish;
974         bfqq->wr_cur_max_time = bic->saved_wr_cur_max_time;
975
976         if (bfqq->wr_coeff > 1 && (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
977             time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
978                                    bfqq->wr_cur_max_time))) {
979                 if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
980                     !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
981                     time_is_after_eq_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
982                                              bfq_wr_duration(bfqd))) {
983                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
984                 } else {
985                         bfqq->wr_coeff = 1;
986                         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
987                                      "resume state: switching off wr");
988                 }
989         }
990
991         /* make sure weight will be updated, however we got here */
992         bfqq->entity.prio_changed = 1;
993
994         if (likely(!busy))
995                 return;
996
997         if (old_wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1)
998                 bfqd->wr_busy_queues++;
999         else if (old_wr_coeff > 1 && bfqq->wr_coeff == 1)
1000                 bfqd->wr_busy_queues--;
1001 }
1002
1003 static int bfqq_process_refs(struct bfq_queue *bfqq)
1004 {
1005         return bfqq->ref - bfqq->allocated - bfqq->entity.on_st;
1006 }
1007
1008 /* Empty burst list and add just bfqq (see comments on bfq_handle_burst) */
1009 static void bfq_reset_burst_list(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1010 {
1011         struct bfq_queue *item;
1012         struct hlist_node *n;
1013
1014         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqd->burst_list, burst_list_node)
1015                 hlist_del_init(&item->burst_list_node);
1016         hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1017         bfqd->burst_size = 1;
1018         bfqd->burst_parent_entity = bfqq->entity.parent;
1019 }
1020
1021 /* Add bfqq to the list of queues in current burst (see bfq_handle_burst) */
1022 static void bfq_add_to_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1023 {
1024         /* Increment burst size to take into account also bfqq */
1025         bfqd->burst_size++;
1026
1027         if (bfqd->burst_size == bfqd->bfq_large_burst_thresh) {
1028                 struct bfq_queue *pos, *bfqq_item;
1029                 struct hlist_node *n;
1030
1031                 /*
1032                  * Enough queues have been activated shortly after each
1033                  * other to consider this burst as large.
1034                  */
1035                 bfqd->large_burst = true;
1036
1037                 /*
1038                  * We can now mark all queues in the burst list as
1039                  * belonging to a large burst.
1040                  */
1041                 hlist_for_each_entry(bfqq_item, &bfqd->burst_list,
1042                                      burst_list_node)
1043                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq_item);
1044                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1045
1046                 /*
1047                  * From now on, and until the current burst finishes, any
1048                  * new queue being activated shortly after the last queue
1049                  * was inserted in the burst can be immediately marked as
1050                  * belonging to a large burst. So the burst list is not
1051                  * needed any more. Remove it.
1052                  */
1053                 hlist_for_each_entry_safe(pos, n, &bfqd->burst_list,
1054                                           burst_list_node)
1055                         hlist_del_init(&pos->burst_list_node);
1056         } else /*
1057                 * Burst not yet large: add bfqq to the burst list. Do
1058                 * not increment the ref counter for bfqq, because bfqq
1059                 * is removed from the burst list before freeing bfqq
1060                 * in put_queue.
1061                 */
1062                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1063 }
1064
1065 /*
1066  * If many queues belonging to the same group happen to be created
1067  * shortly after each other, then the processes associated with these
1068  * queues have typically a common goal. In particular, bursts of queue
1069  * creations are usually caused by services or applications that spawn
1070  * many parallel threads/processes. Examples are systemd during boot,
1071  * or git grep. To help these processes get their job done as soon as
1072  * possible, it is usually better to not grant either weight-raising
1073  * or device idling to their queues.
1074  *
1075  * In this comment we describe, firstly, the reasons why this fact
1076  * holds, and, secondly, the next function, which implements the main
1077  * steps needed to properly mark these queues so that they can then be
1078  * treated in a different way.
1079  *
1080  * The above services or applications benefit mostly from a high
1081  * throughput: the quicker the requests of the activated queues are
1082  * cumulatively served, the sooner the target job of these queues gets
1083  * completed. As a consequence, weight-raising any of these queues,
1084  * which also implies idling the device for it, is almost always
1085  * counterproductive. In most cases it just lowers throughput.
1086  *
1087  * On the other hand, a burst of queue creations may be caused also by
1088  * the start of an application that does not consist of a lot of
1089  * parallel I/O-bound threads. In fact, with a complex application,
1090  * several short processes may need to be executed to start-up the
1091  * application. In this respect, to start an application as quickly as
1092  * possible, the best thing to do is in any case to privilege the I/O
1093  * related to the application with respect to all other
1094  * I/O. Therefore, the best strategy to start as quickly as possible
1095  * an application that causes a burst of queue creations is to
1096  * weight-raise all the queues created during the burst. This is the
1097  * exact opposite of the best strategy for the other type of bursts.
1098  *
1099  * In the end, to take the best action for each of the two cases, the
1100  * two types of bursts need to be distinguished. Fortunately, this
1101  * seems relatively easy, by looking at the sizes of the bursts. In
1102  * particular, we found a threshold such that only bursts with a
1103  * larger size than that threshold are apparently caused by
1104  * services or commands such as systemd or git grep. For brevity,
1105  * hereafter we call just 'large' these bursts. BFQ *does not*
1106  * weight-raise queues whose creation occurs in a large burst. In
1107  * addition, for each of these queues BFQ performs or does not perform
1108  * idling depending on which choice boosts the throughput more. The
1109  * exact choice depends on the device and request pattern at
1110  * hand.
1111  *
1112  * Unfortunately, false positives may occur while an interactive task
1113  * is starting (e.g., an application is being started). The
1114  * consequence is that the queues associated with the task do not
1115  * enjoy weight raising as expected. Fortunately these false positives
1116  * are very rare. They typically occur if some service happens to
1117  * start doing I/O exactly when the interactive task starts.
1118  *
1119  * Turning back to the next function, it implements all the steps
1120  * needed to detect the occurrence of a large burst and to properly
1121  * mark all the queues belonging to it (so that they can then be
1122  * treated in a different way). This goal is achieved by maintaining a
1123  * "burst list" that holds, temporarily, the queues that belong to the
1124  * burst in progress. The list is then used to mark these queues as
1125  * belonging to a large burst if the burst does become large. The main
1126  * steps are the following.
1127  *
1128  * . when the very first queue is created, the queue is inserted into the
1129  *   list (as it could be the first queue in a possible burst)
1130  *
1131  * . if the current burst has not yet become large, and a queue Q that does
1132  *   not yet belong to the burst is activated shortly after the last time
1133  *   at which a new queue entered the burst list, then the function appends
1134  *   Q to the burst list
1135  *
1136  * . if, as a consequence of the previous step, the burst size reaches
1137  *   the large-burst threshold, then
1138  *
1139  *     . all the queues in the burst list are marked as belonging to a
1140  *       large burst
1141  *
1142  *     . the burst list is deleted; in fact, the burst list already served
1143  *       its purpose (keeping temporarily track of the queues in a burst,
1144  *       so as to be able to mark them as belonging to a large burst in the
1145  *       previous sub-step), and now is not needed any more
1146  *
1147  *     . the device enters a large-burst mode
1148  *
1149  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created while
1150  *   the device is in large-burst mode and shortly after the last time
1151  *   at which a queue either entered the burst list or was marked as
1152  *   belonging to the current large burst, then Q is immediately marked
1153  *   as belonging to a large burst.
1154  *
1155  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created a while
1156  *   later, i.e., not shortly after, than the last time at which a queue
1157  *   either entered the burst list or was marked as belonging to the
1158  *   current large burst, then the current burst is deemed as finished and:
1159  *
1160  *        . the large-burst mode is reset if set
1161  *
1162  *        . the burst list is emptied
1163  *
1164  *        . Q is inserted in the burst list, as Q may be the first queue
1165  *          in a possible new burst (then the burst list contains just Q
1166  *          after this step).
1167  */
1168 static void bfq_handle_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1169 {
1170         /*
1171          * If bfqq is already in the burst list or is part of a large
1172          * burst, or finally has just been split, then there is
1173          * nothing else to do.
1174          */
1175         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node) ||
1176             bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1177             time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
1178                                      msecs_to_jiffies(10)))
1179                 return;
1180
1181         /*
1182          * If bfqq's creation happens late enough, or bfqq belongs to
1183          * a different group than the burst group, then the current
1184          * burst is finished, and related data structures must be
1185          * reset.
1186          *
1187          * In this respect, consider the special case where bfqq is
1188          * the very first queue created after BFQ is selected for this
1189          * device. In this case, last_ins_in_burst and
1190          * burst_parent_entity are not yet significant when we get
1191          * here. But it is easy to verify that, whether or not the
1192          * following condition is true, bfqq will end up being
1193          * inserted into the burst list. In particular the list will
1194          * happen to contain only bfqq. And this is exactly what has
1195          * to happen, as bfqq may be the first queue of the first
1196          * burst.
1197          */
1198         if (time_is_before_jiffies(bfqd->last_ins_in_burst +
1199             bfqd->bfq_burst_interval) ||
1200             bfqq->entity.parent != bfqd->burst_parent_entity) {
1201                 bfqd->large_burst = false;
1202                 bfq_reset_burst_list(bfqd, bfqq);
1203                 goto end;
1204         }
1205
1206         /*
1207          * If we get here, then bfqq is being activated shortly after the
1208          * last queue. So, if the current burst is also large, we can mark
1209          * bfqq as belonging to this large burst immediately.
1210          */
1211         if (bfqd->large_burst) {
1212                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1213                 goto end;
1214         }
1215
1216         /*
1217          * If we get here, then a large-burst state has not yet been
1218          * reached, but bfqq is being activated shortly after the last
1219          * queue. Then we add bfqq to the burst.
1220          */
1221         bfq_add_to_burst(bfqd, bfqq);
1222 end:
1223         /*
1224          * At this point, bfqq either has been added to the current
1225          * burst or has caused the current burst to terminate and a
1226          * possible new burst to start. In particular, in the second
1227          * case, bfqq has become the first queue in the possible new
1228          * burst.  In both cases last_ins_in_burst needs to be moved
1229          * forward.
1230          */
1231         bfqd->last_ins_in_burst = jiffies;
1232 }
1233
1234 static int bfq_bfqq_budget_left(struct bfq_queue *bfqq)
1235 {
1236         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1237
1238         return entity->budget - entity->service;
1239 }
1240
1241 /*
1242  * If enough samples have been computed, return the current max budget
1243  * stored in bfqd, which is dynamically updated according to the
1244  * estimated disk peak rate; otherwise return the default max budget
1245  */
1246 static int bfq_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
1247 {
1248         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1249                 return bfq_default_max_budget;
1250         else
1251                 return bfqd->bfq_max_budget;
1252 }
1253
1254 /*
1255  * Return min budget, which is a fraction of the current or default
1256  * max budget (trying with 1/32)
1257  */
1258 static int bfq_min_budget(struct bfq_data *bfqd)
1259 {
1260         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1261                 return bfq_default_max_budget / 32;
1262         else
1263                 return bfqd->bfq_max_budget / 32;
1264 }
1265
1266 /*
1267  * The next function, invoked after the input queue bfqq switches from
1268  * idle to busy, updates the budget of bfqq. The function also tells
1269  * whether the in-service queue should be expired, by returning
1270  * true. The purpose of expiring the in-service queue is to give bfqq
1271  * the chance to possibly preempt the in-service queue, and the reason
1272  * for preempting the in-service queue is to achieve one of the two
1273  * goals below.
1274  *
1275  * 1. Guarantee to bfqq its reserved bandwidth even if bfqq has
1276  * expired because it has remained idle. In particular, bfqq may have
1277  * expired for one of the following two reasons:
1278  *
1279  * - BFQQE_NO_MORE_REQUESTS bfqq did not enjoy any device idling
1280  *   and did not make it to issue a new request before its last
1281  *   request was served;
1282  *
1283  * - BFQQE_TOO_IDLE bfqq did enjoy device idling, but did not issue
1284  *   a new request before the expiration of the idling-time.
1285  *
1286  * Even if bfqq has expired for one of the above reasons, the process
1287  * associated with the queue may be however issuing requests greedily,
1288  * and thus be sensitive to the bandwidth it receives (bfqq may have
1289  * remained idle for other reasons: CPU high load, bfqq not enjoying
1290  * idling, I/O throttling somewhere in the path from the process to
1291  * the I/O scheduler, ...). But if, after every expiration for one of
1292  * the above two reasons, bfqq has to wait for the service of at least
1293  * one full budget of another queue before being served again, then
1294  * bfqq is likely to get a much lower bandwidth or resource time than
1295  * its reserved ones. To address this issue, two countermeasures need
1296  * to be taken.
1297  *
1298  * First, the budget and the timestamps of bfqq need to be updated in
1299  * a special way on bfqq reactivation: they need to be updated as if
1300  * bfqq did not remain idle and did not expire. In fact, if they are
1301  * computed as if bfqq expired and remained idle until reactivation,
1302  * then the process associated with bfqq is treated as if, instead of
1303  * being greedy, it stopped issuing requests when bfqq remained idle,
1304  * and restarts issuing requests only on this reactivation. In other
1305  * words, the scheduler does not help the process recover the "service
1306  * hole" between bfqq expiration and reactivation. As a consequence,
1307  * the process receives a lower bandwidth than its reserved one. In
1308  * contrast, to recover this hole, the budget must be updated as if
1309  * bfqq was not expired at all before this reactivation, i.e., it must
1310  * be set to the value of the remaining budget when bfqq was
1311  * expired. Along the same line, timestamps need to be assigned the
1312  * value they had the last time bfqq was selected for service, i.e.,
1313  * before last expiration. Thus timestamps need to be back-shifted
1314  * with respect to their normal computation (see [1] for more details
1315  * on this tricky aspect).
1316  *
1317  * Secondly, to allow the process to recover the hole, the in-service
1318  * queue must be expired too, to give bfqq the chance to preempt it
1319  * immediately. In fact, if bfqq has to wait for a full budget of the
1320  * in-service queue to be completed, then it may become impossible to
1321  * let the process recover the hole, even if the back-shifted
1322  * timestamps of bfqq are lower than those of the in-service queue. If
1323  * this happens for most or all of the holes, then the process may not
1324  * receive its reserved bandwidth. In this respect, it is worth noting
1325  * that, being the service of outstanding requests unpreemptible, a
1326  * little fraction of the holes may however be unrecoverable, thereby
1327  * causing a little loss of bandwidth.
1328  *
1329  * The last important point is detecting whether bfqq does need this
1330  * bandwidth recovery. In this respect, the next function deems the
1331  * process associated with bfqq greedy, and thus allows it to recover
1332  * the hole, if: 1) the process is waiting for the arrival of a new
1333  * request (which implies that bfqq expired for one of the above two
1334  * reasons), and 2) such a request has arrived soon. The first
1335  * condition is controlled through the flag non_blocking_wait_rq,
1336  * while the second through the flag arrived_in_time. If both
1337  * conditions hold, then the function computes the budget in the
1338  * above-described special way, and signals that the in-service queue
1339  * should be expired. Timestamp back-shifting is done later in
1340  * __bfq_activate_entity.
1341  *
1342  * 2. Reduce latency. Even if timestamps are not backshifted to let
1343  * the process associated with bfqq recover a service hole, bfqq may
1344  * however happen to have, after being (re)activated, a lower finish
1345  * timestamp than the in-service queue.  That is, the next budget of
1346  * bfqq may have to be completed before the one of the in-service
1347  * queue. If this is the case, then preempting the in-service queue
1348  * allows this goal to be achieved, apart from the unpreemptible,
1349  * outstanding requests mentioned above.
1350  *
1351  * Unfortunately, regardless of which of the above two goals one wants
1352  * to achieve, service trees need first to be updated to know whether
1353  * the in-service queue must be preempted. To have service trees
1354  * correctly updated, the in-service queue must be expired and
1355  * rescheduled, and bfqq must be scheduled too. This is one of the
1356  * most costly operations (in future versions, the scheduling
1357  * mechanism may be re-designed in such a way to make it possible to
1358  * know whether preemption is needed without needing to update service
1359  * trees). In addition, queue preemptions almost always cause random
1360  * I/O, and thus loss of throughput. Because of these facts, the next
1361  * function adopts the following simple scheme to avoid both costly
1362  * operations and too frequent preemptions: it requests the expiration
1363  * of the in-service queue (unconditionally) only for queues that need
1364  * to recover a hole, or that either are weight-raised or deserve to
1365  * be weight-raised.
1366  */
1367 static bool bfq_bfqq_update_budg_for_activation(struct bfq_data *bfqd,
1368                                                 struct bfq_queue *bfqq,
1369                                                 bool arrived_in_time,
1370                                                 bool wr_or_deserves_wr)
1371 {
1372         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1373
1374         if (bfq_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq) && arrived_in_time) {
1375                 /*
1376                  * We do not clear the flag non_blocking_wait_rq here, as
1377                  * the latter is used in bfq_activate_bfqq to signal
1378                  * that timestamps need to be back-shifted (and is
1379                  * cleared right after).
1380                  */
1381
1382                 /*
1383                  * In next assignment we rely on that either
1384                  * entity->service or entity->budget are not updated
1385                  * on expiration if bfqq is empty (see
1386                  * __bfq_bfqq_recalc_budget). Thus both quantities
1387                  * remain unchanged after such an expiration, and the
1388                  * following statement therefore assigns to
1389                  * entity->budget the remaining budget on such an
1390                  * expiration.
1391                  */
1392                 entity->budget = min_t(unsigned long,
1393                                        bfq_bfqq_budget_left(bfqq),
1394                                        bfqq->max_budget);
1395
1396                 /*
1397                  * At this point, we have used entity->service to get
1398                  * the budget left (needed for updating
1399                  * entity->budget). Thus we finally can, and have to,
1400                  * reset entity->service. The latter must be reset
1401                  * because bfqq would otherwise be charged again for
1402                  * the service it has received during its previous
1403                  * service slot(s).
1404                  */
1405                 entity->service = 0;
1406
1407                 return true;
1408         }
1409
1410         /*
1411          * We can finally complete expiration, by setting service to 0.
1412          */
1413         entity->service = 0;
1414         entity->budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
1415                                bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq));
1416         bfq_clear_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
1417         return wr_or_deserves_wr;
1418 }
1419
1420 /*
1421  * Return the farthest past time instant according to jiffies
1422  * macros.
1423  */
1424 static unsigned long bfq_smallest_from_now(void)
1425 {
1426         return jiffies - MAX_JIFFY_OFFSET;
1427 }
1428
1429 static void bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(struct bfq_data *bfqd,
1430                                              struct bfq_queue *bfqq,
1431                                              unsigned int old_wr_coeff,
1432                                              bool wr_or_deserves_wr,
1433                                              bool interactive,
1434                                              bool in_burst,
1435                                              bool soft_rt)
1436 {
1437         if (old_wr_coeff == 1 && wr_or_deserves_wr) {
1438                 /* start a weight-raising period */
1439                 if (interactive) {
1440                         bfqq->service_from_wr = 0;
1441                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1442                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1443                 } else {
1444                         /*
1445                          * No interactive weight raising in progress
1446                          * here: assign minus infinity to
1447                          * wr_start_at_switch_to_srt, to make sure
1448                          * that, at the end of the soft-real-time
1449                          * weight raising periods that is starting
1450                          * now, no interactive weight-raising period
1451                          * may be wrongly considered as still in
1452                          * progress (and thus actually started by
1453                          * mistake).
1454                          */
1455                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1456                                 bfq_smallest_from_now();
1457                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1458                                 BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1459                         bfqq->wr_cur_max_time =
1460                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1461                 }
1462
1463                 /*
1464                  * If needed, further reduce budget to make sure it is
1465                  * close to bfqq's backlog, so as to reduce the
1466                  * scheduling-error component due to a too large
1467                  * budget. Do not care about throughput consequences,
1468                  * but only about latency. Finally, do not assign a
1469                  * too small budget either, to avoid increasing
1470                  * latency by causing too frequent expirations.
1471                  */
1472                 bfqq->entity.budget = min_t(unsigned long,
1473                                             bfqq->entity.budget,
1474                                             2 * bfq_min_budget(bfqd));
1475         } else if (old_wr_coeff > 1) {
1476                 if (interactive) { /* update wr coeff and duration */
1477                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1478                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1479                 } else if (in_burst)
1480                         bfqq->wr_coeff = 1;
1481                 else if (soft_rt) {
1482                         /*
1483                          * The application is now or still meeting the
1484                          * requirements for being deemed soft rt.  We
1485                          * can then correctly and safely (re)charge
1486                          * the weight-raising duration for the
1487                          * application with the weight-raising
1488                          * duration for soft rt applications.
1489                          *
1490                          * In particular, doing this recharge now, i.e.,
1491                          * before the weight-raising period for the
1492                          * application finishes, reduces the probability
1493                          * of the following negative scenario:
1494                          * 1) the weight of a soft rt application is
1495                          *    raised at startup (as for any newly
1496                          *    created application),
1497                          * 2) since the application is not interactive,
1498                          *    at a certain time weight-raising is
1499                          *    stopped for the application,
1500                          * 3) at that time the application happens to
1501                          *    still have pending requests, and hence
1502                          *    is destined to not have a chance to be
1503                          *    deemed soft rt before these requests are
1504                          *    completed (see the comments to the
1505                          *    function bfq_bfqq_softrt_next_start()
1506                          *    for details on soft rt detection),
1507                          * 4) these pending requests experience a high
1508                          *    latency because the application is not
1509                          *    weight-raised while they are pending.
1510                          */
1511                         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
1512                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time) {
1513                                 bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1514                                         bfqq->last_wr_start_finish;
1515
1516                                 bfqq->wr_cur_max_time =
1517                                         bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1518                                 bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1519                                         BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1520                         }
1521                         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1522                 }
1523         }
1524 }
1525
1526 static bool bfq_bfqq_idle_for_long_time(struct bfq_data *bfqd,
1527                                         struct bfq_queue *bfqq)
1528 {
1529         return bfqq->dispatched == 0 &&
1530                 time_is_before_jiffies(
1531                         bfqq->budget_timeout +
1532                         bfqd->bfq_wr_min_idle_time);
1533 }
1534
1535 static void bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(struct bfq_data *bfqd,
1536                                              struct bfq_queue *bfqq,
1537                                              int old_wr_coeff,
1538                                              struct request *rq,
1539                                              bool *interactive)
1540 {
1541         bool soft_rt, in_burst, wr_or_deserves_wr,
1542                 bfqq_wants_to_preempt,
1543                 idle_for_long_time = bfq_bfqq_idle_for_long_time(bfqd, bfqq),
1544                 /*
1545                  * See the comments on
1546                  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation for
1547                  * details on the usage of the next variable.
1548                  */
1549                 arrived_in_time =  ktime_get_ns() <=
1550                         bfqq->ttime.last_end_request +
1551                         bfqd->bfq_slice_idle * 3;
1552
1553
1554         /*
1555          * bfqq deserves to be weight-raised if:
1556          * - it is sync,
1557          * - it does not belong to a large burst,
1558          * - it has been idle for enough time or is soft real-time,
1559          * - is linked to a bfq_io_cq (it is not shared in any sense).
1560          */
1561         in_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1562         soft_rt = bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
1563                 !in_burst &&
1564                 time_is_before_jiffies(bfqq->soft_rt_next_start) &&
1565                 bfqq->dispatched == 0;
1566         *interactive = !in_burst && idle_for_long_time;
1567         wr_or_deserves_wr = bfqd->low_latency &&
1568                 (bfqq->wr_coeff > 1 ||
1569                  (bfq_bfqq_sync(bfqq) &&
1570                   bfqq->bic && (*interactive || soft_rt)));
1571
1572         /*
1573          * Using the last flag, update budget and check whether bfqq
1574          * may want to preempt the in-service queue.
1575          */
1576         bfqq_wants_to_preempt =
1577                 bfq_bfqq_update_budg_for_activation(bfqd, bfqq,
1578                                                     arrived_in_time,
1579                                                     wr_or_deserves_wr);
1580
1581         /*
1582          * If bfqq happened to be activated in a burst, but has been
1583          * idle for much more than an interactive queue, then we
1584          * assume that, in the overall I/O initiated in the burst, the
1585          * I/O associated with bfqq is finished. So bfqq does not need
1586          * to be treated as a queue belonging to a burst
1587          * anymore. Accordingly, we reset bfqq's in_large_burst flag
1588          * if set, and remove bfqq from the burst list if it's
1589          * there. We do not decrement burst_size, because the fact
1590          * that bfqq does not need to belong to the burst list any
1591          * more does not invalidate the fact that bfqq was created in
1592          * a burst.
1593          */
1594         if (likely(!bfq_bfqq_just_created(bfqq)) &&
1595             idle_for_long_time &&
1596             time_is_before_jiffies(
1597                     bfqq->budget_timeout +
1598                     msecs_to_jiffies(10000))) {
1599                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
1600                 bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1601         }
1602
1603         bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
1604
1605
1606         if (!bfq_bfqq_IO_bound(bfqq)) {
1607                 if (arrived_in_time) {
1608                         bfqq->requests_within_timer++;
1609                         if (bfqq->requests_within_timer >=
1610                             bfqd->bfq_requests_within_timer)
1611                                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1612                 } else
1613                         bfqq->requests_within_timer = 0;
1614         }
1615
1616         if (bfqd->low_latency) {
1617                 if (unlikely(time_is_after_jiffies(bfqq->split_time)))
1618                         /* wraparound */
1619                         bfqq->split_time =
1620                                 jiffies - bfqd->bfq_wr_min_idle_time - 1;
1621
1622                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
1623                                            bfqd->bfq_wr_min_idle_time)) {
1624                         bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(bfqd, bfqq,
1625                                                          old_wr_coeff,
1626                                                          wr_or_deserves_wr,
1627                                                          *interactive,
1628                                                          in_burst,
1629                                                          soft_rt);
1630
1631                         if (old_wr_coeff != bfqq->wr_coeff)
1632                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
1633                 }
1634         }
1635
1636         bfqq->last_idle_bklogged = jiffies;
1637         bfqq->service_from_backlogged = 0;
1638         bfq_clear_bfqq_softrt_update(bfqq);
1639
1640         bfq_add_bfqq_busy(bfqd, bfqq);
1641
1642         /*
1643          * Expire in-service queue only if preemption may be needed
1644          * for guarantees. In this respect, the function
1645          * next_queue_may_preempt just checks a simple, necessary
1646          * condition, and not a sufficient condition based on
1647          * timestamps. In fact, for the latter condition to be
1648          * evaluated, timestamps would need first to be updated, and
1649          * this operation is quite costly (see the comments on the
1650          * function bfq_bfqq_update_budg_for_activation).
1651          */
1652         if (bfqd->in_service_queue && bfqq_wants_to_preempt &&
1653             bfqd->in_service_queue->wr_coeff < bfqq->wr_coeff &&
1654             next_queue_may_preempt(bfqd))
1655                 bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqd->in_service_queue,
1656                                 false, BFQQE_PREEMPTED);
1657 }
1658
1659 static void bfq_add_request(struct request *rq)
1660 {
1661         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
1662         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
1663         struct request *next_rq, *prev;
1664         unsigned int old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
1665         bool interactive = false;
1666
1667         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "add_request %d", rq_is_sync(rq));
1668         bfqq->queued[rq_is_sync(rq)]++;
1669         bfqd->queued++;
1670
1671         elv_rb_add(&bfqq->sort_list, rq);
1672
1673         /*
1674          * Check if this request is a better next-serve candidate.
1675          */
1676         prev = bfqq->next_rq;
1677         next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, rq, bfqd->last_position);
1678         bfqq->next_rq = next_rq;
1679
1680         /*
1681          * Adjust priority tree position, if next_rq changes.
1682          */
1683         if (prev != bfqq->next_rq)
1684                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
1685
1686         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq)) /* switching to busy ... */
1687                 bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(bfqd, bfqq, old_wr_coeff,
1688                                                  rq, &interactive);
1689         else {
1690                 if (bfqd->low_latency && old_wr_coeff == 1 && !rq_is_sync(rq) &&
1691                     time_is_before_jiffies(
1692                                 bfqq->last_wr_start_finish +
1693                                 bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async)) {
1694                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1695                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1696
1697                         bfqd->wr_busy_queues++;
1698                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
1699                 }
1700                 if (prev != bfqq->next_rq)
1701                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
1702         }
1703
1704         /*
1705          * Assign jiffies to last_wr_start_finish in the following
1706          * cases:
1707          *
1708          * . if bfqq is not going to be weight-raised, because, for
1709          *   non weight-raised queues, last_wr_start_finish stores the
1710          *   arrival time of the last request; as of now, this piece
1711          *   of information is used only for deciding whether to
1712          *   weight-raise async queues
1713          *
1714          * . if bfqq is not weight-raised, because, if bfqq is now
1715          *   switching to weight-raised, then last_wr_start_finish
1716          *   stores the time when weight-raising starts
1717          *
1718          * . if bfqq is interactive, because, regardless of whether
1719          *   bfqq is currently weight-raised, the weight-raising
1720          *   period must start or restart (this case is considered
1721          *   separately because it is not detected by the above
1722          *   conditions, if bfqq is already weight-raised)
1723          *
1724          * last_wr_start_finish has to be updated also if bfqq is soft
1725          * real-time, because the weight-raising period is constantly
1726          * restarted on idle-to-busy transitions for these queues, but
1727          * this is already done in bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch if
1728          * needed.
1729          */
1730         if (bfqd->low_latency &&
1731                 (old_wr_coeff == 1 || bfqq->wr_coeff == 1 || interactive))
1732                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1733 }
1734
1735 static struct request *bfq_find_rq_fmerge(struct bfq_data *bfqd,
1736                                           struct bio *bio,
1737                                           struct request_queue *q)
1738 {
1739         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq;
1740
1741
1742         if (bfqq)
1743                 return elv_rb_find(&bfqq->sort_list, bio_end_sector(bio));
1744
1745         return NULL;
1746 }
1747
1748 static sector_t get_sdist(sector_t last_pos, struct request *rq)
1749 {
1750         if (last_pos)
1751                 return abs(blk_rq_pos(rq) - last_pos);
1752
1753         return 0;
1754 }
1755
1756 #if 0 /* Still not clear if we can do without next two functions */
1757 static void bfq_activate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
1758 {
1759         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
1760
1761         bfqd->rq_in_driver++;
1762 }
1763
1764 static void bfq_deactivate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
1765 {
1766         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
1767
1768         bfqd->rq_in_driver--;
1769 }
1770 #endif
1771
1772 static void bfq_remove_request(struct request_queue *q,
1773                                struct request *rq)
1774 {
1775         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
1776         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
1777         const int sync = rq_is_sync(rq);
1778
1779         if (bfqq->next_rq == rq) {
1780                 bfqq->next_rq = bfq_find_next_rq(bfqd, bfqq, rq);
1781                 bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
1782         }
1783
1784         if (rq->queuelist.prev != &rq->queuelist)
1785                 list_del_init(&rq->queuelist);
1786         bfqq->queued[sync]--;
1787         bfqd->queued--;
1788         elv_rb_del(&bfqq->sort_list, rq);
1789
1790         elv_rqhash_del(q, rq);
1791         if (q->last_merge == rq)
1792                 q->last_merge = NULL;
1793
1794         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
1795                 bfqq->next_rq = NULL;
1796
1797                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && bfqq != bfqd->in_service_queue) {
1798                         bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
1799                         /*
1800                          * bfqq emptied. In normal operation, when
1801                          * bfqq is empty, bfqq->entity.service and
1802                          * bfqq->entity.budget must contain,
1803                          * respectively, the service received and the
1804                          * budget used last time bfqq emptied. These
1805                          * facts do not hold in this case, as at least
1806                          * this last removal occurred while bfqq is
1807                          * not in service. To avoid inconsistencies,
1808                          * reset both bfqq->entity.service and
1809                          * bfqq->entity.budget, if bfqq has still a
1810                          * process that may issue I/O requests to it.
1811                          */
1812                         bfqq->entity.budget = bfqq->entity.service = 0;
1813                 }
1814
1815                 /*
1816                  * Remove queue from request-position tree as it is empty.
1817                  */
1818                 if (bfqq->pos_root) {
1819                         rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
1820                         bfqq->pos_root = NULL;
1821                 }
1822         } else {
1823                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
1824         }
1825
1826         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
1827                 bfqq->meta_pending--;
1828
1829 }
1830
1831 static bool bfq_bio_merge(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct bio *bio)
1832 {
1833         struct request_queue *q = hctx->queue;
1834         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
1835         struct request *free = NULL;
1836         /*
1837          * bfq_bic_lookup grabs the queue_lock: invoke it now and
1838          * store its return value for later use, to avoid nesting
1839          * queue_lock inside the bfqd->lock. We assume that the bic
1840          * returned by bfq_bic_lookup does not go away before
1841          * bfqd->lock is taken.
1842          */
1843         struct bfq_io_cq *bic = bfq_bic_lookup(bfqd, current->io_context, q);
1844         bool ret;
1845
1846         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
1847
1848         if (bic)
1849                 bfqd->bio_bfqq = bic_to_bfqq(bic, op_is_sync(bio->bi_opf));
1850         else
1851                 bfqd->bio_bfqq = NULL;
1852         bfqd->bio_bic = bic;
1853
1854         ret = blk_mq_sched_try_merge(q, bio, &free);
1855
1856         if (free)
1857                 blk_mq_free_request(free);
1858         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
1859
1860         return ret;
1861 }
1862
1863 static int bfq_request_merge(struct request_queue *q, struct request **req,
1864                              struct bio *bio)
1865 {
1866         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
1867         struct request *__rq;
1868
1869         __rq = bfq_find_rq_fmerge(bfqd, bio, q);
1870         if (__rq && elv_bio_merge_ok(__rq, bio)) {
1871                 *req = __rq;
1872                 return ELEVATOR_FRONT_MERGE;
1873         }
1874
1875         return ELEVATOR_NO_MERGE;
1876 }
1877
1878 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq);
1879
1880 static void bfq_request_merged(struct request_queue *q, struct request *req,
1881                                enum elv_merge type)
1882 {
1883         if (type == ELEVATOR_FRONT_MERGE &&
1884             rb_prev(&req->rb_node) &&
1885             blk_rq_pos(req) <
1886             blk_rq_pos(container_of(rb_prev(&req->rb_node),
1887                                     struct request, rb_node))) {
1888                 struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(req);
1889                 struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
1890                 struct request *prev, *next_rq;
1891
1892                 /* Reposition request in its sort_list */
1893                 elv_rb_del(&bfqq->sort_list, req);
1894                 elv_rb_add(&bfqq->sort_list, req);
1895
1896                 /* Choose next request to be served for bfqq */
1897                 prev = bfqq->next_rq;
1898                 next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, req,
1899                                          bfqd->last_position);
1900                 bfqq->next_rq = next_rq;
1901                 /*
1902                  * If next_rq changes, update both the queue's budget to
1903                  * fit the new request and the queue's position in its
1904                  * rq_pos_tree.
1905                  */
1906                 if (prev != bfqq->next_rq) {
1907                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
1908                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
1909                 }
1910         }
1911 }
1912
1913 /*
1914  * This function is called to notify the scheduler that the requests
1915  * rq and 'next' have been merged, with 'next' going away.  BFQ
1916  * exploits this hook to address the following issue: if 'next' has a
1917  * fifo_time lower that rq, then the fifo_time of rq must be set to
1918  * the value of 'next', to not forget the greater age of 'next'.
1919  *
1920  * NOTE: in this function we assume that rq is in a bfq_queue, basing
1921  * on that rq is picked from the hash table q->elevator->hash, which,
1922  * in its turn, is filled only with I/O requests present in
1923  * bfq_queues, while BFQ is in use for the request queue q. In fact,
1924  * the function that fills this hash table (elv_rqhash_add) is called
1925  * only by bfq_insert_request.
1926  */
1927 static void bfq_requests_merged(struct request_queue *q, struct request *rq,
1928                                 struct request *next)
1929 {
1930         struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(rq),
1931                 *next_bfqq = bfq_init_rq(next);
1932
1933         /*
1934          * If next and rq belong to the same bfq_queue and next is older
1935          * than rq, then reposition rq in the fifo (by substituting next
1936          * with rq). Otherwise, if next and rq belong to different
1937          * bfq_queues, never reposition rq: in fact, we would have to
1938          * reposition it with respect to next's position in its own fifo,
1939          * which would most certainly be too expensive with respect to
1940          * the benefits.
1941          */
1942         if (bfqq == next_bfqq &&
1943             !list_empty(&rq->queuelist) && !list_empty(&next->queuelist) &&
1944             next->fifo_time < rq->fifo_time) {
1945                 list_del_init(&rq->queuelist);
1946                 list_replace_init(&next->queuelist, &rq->queuelist);
1947                 rq->fifo_time = next->fifo_time;
1948         }
1949
1950         if (bfqq->next_rq == next)
1951                 bfqq->next_rq = rq;
1952
1953         bfqg_stats_update_io_merged(bfqq_group(bfqq), next->cmd_flags);
1954 }
1955
1956 /* Must be called with bfqq != NULL */
1957 static void bfq_bfqq_end_wr(struct bfq_queue *bfqq)
1958 {
1959         if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
1960                 bfqq->bfqd->wr_busy_queues--;
1961         bfqq->wr_coeff = 1;
1962         bfqq->wr_cur_max_time = 0;
1963         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1964         /*
1965          * Trigger a weight change on the next invocation of
1966          * __bfq_entity_update_weight_prio.
1967          */
1968         bfqq->entity.prio_changed = 1;
1969 }
1970
1971 void bfq_end_wr_async_queues(struct bfq_data *bfqd,
1972                              struct bfq_group *bfqg)
1973 {
1974         int i, j;
1975
1976         for (i = 0; i < 2; i++)
1977                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
1978                         if (bfqg->async_bfqq[i][j])
1979                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_bfqq[i][j]);
1980         if (bfqg->async_idle_bfqq)
1981                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_idle_bfqq);
1982 }
1983
1984 static void bfq_end_wr(struct bfq_data *bfqd)
1985 {
1986         struct bfq_queue *bfqq;
1987
1988         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
1989
1990         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
1991                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
1992         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
1993                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
1994         bfq_end_wr_async(bfqd);
1995
1996         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
1997 }
1998
1999 static sector_t bfq_io_struct_pos(void *io_struct, bool request)
2000 {
2001         if (request)
2002                 return blk_rq_pos(io_struct);
2003         else
2004                 return ((struct bio *)io_struct)->bi_iter.bi_sector;
2005 }
2006
2007 static int bfq_rq_close_to_sector(void *io_struct, bool request,
2008                                   sector_t sector)
2009 {
2010         return abs(bfq_io_struct_pos(io_struct, request) - sector) <=
2011                BFQQ_CLOSE_THR;
2012 }
2013
2014 static struct bfq_queue *bfqq_find_close(struct bfq_data *bfqd,
2015                                          struct bfq_queue *bfqq,
2016                                          sector_t sector)
2017 {
2018         struct rb_root *root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
2019         struct rb_node *parent, *node;
2020         struct bfq_queue *__bfqq;
2021
2022         if (RB_EMPTY_ROOT(root))
2023                 return NULL;
2024
2025         /*
2026          * First, if we find a request starting at the end of the last
2027          * request, choose it.
2028          */
2029         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, root, sector, &parent, NULL);
2030         if (__bfqq)
2031                 return __bfqq;
2032
2033         /*
2034          * If the exact sector wasn't found, the parent of the NULL leaf
2035          * will contain the closest sector (rq_pos_tree sorted by
2036          * next_request position).
2037          */
2038         __bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
2039         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2040                 return __bfqq;
2041
2042         if (blk_rq_pos(__bfqq->next_rq) < sector)
2043                 node = rb_next(&__bfqq->pos_node);
2044         else
2045                 node = rb_prev(&__bfqq->pos_node);
2046         if (!node)
2047                 return NULL;
2048
2049         __bfqq = rb_entry(node, struct bfq_queue, pos_node);
2050         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2051                 return __bfqq;
2052
2053         return NULL;
2054 }
2055
2056 static struct bfq_queue *bfq_find_close_cooperator(struct bfq_data *bfqd,
2057                                                    struct bfq_queue *cur_bfqq,
2058                                                    sector_t sector)
2059 {
2060         struct bfq_queue *bfqq;
2061
2062         /*
2063          * We shall notice if some of the queues are cooperating,
2064          * e.g., working closely on the same area of the device. In
2065          * that case, we can group them together and: 1) don't waste
2066          * time idling, and 2) serve the union of their requests in
2067          * the best possible order for throughput.
2068          */
2069         bfqq = bfqq_find_close(bfqd, cur_bfqq, sector);
2070         if (!bfqq || bfqq == cur_bfqq)
2071                 return NULL;
2072
2073         return bfqq;
2074 }
2075
2076 static struct bfq_queue *
2077 bfq_setup_merge(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2078 {
2079         int process_refs, new_process_refs;
2080         struct bfq_queue *__bfqq;
2081
2082         /*
2083          * If there are no process references on the new_bfqq, then it is
2084          * unsafe to follow the ->new_bfqq chain as other bfqq's in the chain
2085          * may have dropped their last reference (not just their last process
2086          * reference).
2087          */
2088         if (!bfqq_process_refs(new_bfqq))
2089                 return NULL;
2090
2091         /* Avoid a circular list and skip interim queue merges. */
2092         while ((__bfqq = new_bfqq->new_bfqq)) {
2093                 if (__bfqq == bfqq)
2094                         return NULL;
2095                 new_bfqq = __bfqq;
2096         }
2097
2098         process_refs = bfqq_process_refs(bfqq);
2099         new_process_refs = bfqq_process_refs(new_bfqq);
2100         /*
2101          * If the process for the bfqq has gone away, there is no
2102          * sense in merging the queues.
2103          */
2104         if (process_refs == 0 || new_process_refs == 0)
2105                 return NULL;
2106
2107         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "scheduling merge with queue %d",
2108                 new_bfqq->pid);
2109
2110         /*
2111          * Merging is just a redirection: the requests of the process
2112          * owning one of the two queues are redirected to the other queue.
2113          * The latter queue, in its turn, is set as shared if this is the
2114          * first time that the requests of some process are redirected to
2115          * it.
2116          *
2117          * We redirect bfqq to new_bfqq and not the opposite, because
2118          * we are in the context of the process owning bfqq, thus we
2119          * have the io_cq of this process. So we can immediately
2120          * configure this io_cq to redirect the requests of the
2121          * process to new_bfqq. In contrast, the io_cq of new_bfqq is
2122          * not available any more (new_bfqq->bic == NULL).
2123          *
2124          * Anyway, even in case new_bfqq coincides with the in-service
2125          * queue, redirecting requests the in-service queue is the
2126          * best option, as we feed the in-service queue with new
2127          * requests close to the last request served and, by doing so,
2128          * are likely to increase the throughput.
2129          */
2130         bfqq->new_bfqq = new_bfqq;
2131         new_bfqq->ref += process_refs;
2132         return new_bfqq;
2133 }
2134
2135 static bool bfq_may_be_close_cooperator(struct bfq_queue *bfqq,
2136                                         struct bfq_queue *new_bfqq)
2137 {
2138         if (bfq_too_late_for_merging(new_bfqq))
2139                 return false;
2140
2141         if (bfq_class_idle(bfqq) || bfq_class_idle(new_bfqq) ||
2142             (bfqq->ioprio_class != new_bfqq->ioprio_class))
2143                 return false;
2144
2145         /*
2146          * If either of the queues has already been detected as seeky,
2147          * then merging it with the other queue is unlikely to lead to
2148          * sequential I/O.
2149          */
2150         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) || BFQQ_SEEKY(new_bfqq))
2151                 return false;
2152
2153         /*
2154          * Interleaved I/O is known to be done by (some) applications
2155          * only for reads, so it does not make sense to merge async
2156          * queues.
2157          */
2158         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || !bfq_bfqq_sync(new_bfqq))
2159                 return false;
2160
2161         return true;
2162 }
2163
2164 /*
2165  * Attempt to schedule a merge of bfqq with the currently in-service
2166  * queue or with a close queue among the scheduled queues.  Return
2167  * NULL if no merge was scheduled, a pointer to the shared bfq_queue
2168  * structure otherwise.
2169  *
2170  * The OOM queue is not allowed to participate to cooperation: in fact, since
2171  * the requests temporarily redirected to the OOM queue could be redirected
2172  * again to dedicated queues at any time, the state needed to correctly
2173  * handle merging with the OOM queue would be quite complex and expensive
2174  * to maintain. Besides, in such a critical condition as an out of memory,
2175  * the benefits of queue merging may be little relevant, or even negligible.
2176  *
2177  * WARNING: queue merging may impair fairness among non-weight raised
2178  * queues, for at least two reasons: 1) the original weight of a
2179  * merged queue may change during the merged state, 2) even being the
2180  * weight the same, a merged queue may be bloated with many more
2181  * requests than the ones produced by its originally-associated
2182  * process.
2183  */
2184 static struct bfq_queue *
2185 bfq_setup_cooperator(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
2186                      void *io_struct, bool request)
2187 {
2188         struct bfq_queue *in_service_bfqq, *new_bfqq;
2189
2190         /*
2191          * Prevent bfqq from being merged if it has been created too
2192          * long ago. The idea is that true cooperating processes, and
2193          * thus their associated bfq_queues, are supposed to be
2194          * created shortly after each other. This is the case, e.g.,
2195          * for KVM/QEMU and dump I/O threads. Basing on this
2196          * assumption, the following filtering greatly reduces the
2197          * probability that two non-cooperating processes, which just
2198          * happen to do close I/O for some short time interval, have
2199          * their queues merged by mistake.
2200          */
2201         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
2202                 return NULL;
2203
2204         if (bfqq->new_bfqq)
2205                 return bfqq->new_bfqq;
2206
2207         if (!io_struct || unlikely(bfqq == &bfqd->oom_bfqq))
2208                 return NULL;
2209
2210         /* If there is only one backlogged queue, don't search. */
2211         if (bfqd->busy_queues == 1)
2212                 return NULL;
2213
2214         in_service_bfqq = bfqd->in_service_queue;
2215
2216         if (in_service_bfqq && in_service_bfqq != bfqq &&
2217             likely(in_service_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2218             bfq_rq_close_to_sector(io_struct, request,
2219                                    bfqd->in_serv_last_pos) &&
2220             bfqq->entity.parent == in_service_bfqq->entity.parent &&
2221             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, in_service_bfqq)) {
2222                 new_bfqq = bfq_setup_merge(bfqq, in_service_bfqq);
2223                 if (new_bfqq)
2224                         return new_bfqq;
2225         }
2226         /*
2227          * Check whether there is a cooperator among currently scheduled
2228          * queues. The only thing we need is that the bio/request is not
2229          * NULL, as we need it to establish whether a cooperator exists.
2230          */
2231         new_bfqq = bfq_find_close_cooperator(bfqd, bfqq,
2232                         bfq_io_struct_pos(io_struct, request));
2233
2234         if (new_bfqq && likely(new_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2235             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, new_bfqq))
2236                 return bfq_setup_merge(bfqq, new_bfqq);
2237
2238         return NULL;
2239 }
2240
2241 static void bfq_bfqq_save_state(struct bfq_queue *bfqq)
2242 {
2243         struct bfq_io_cq *bic = bfqq->bic;
2244
2245         /*
2246          * If !bfqq->bic, the queue is already shared or its requests
2247          * have already been redirected to a shared queue; both idle window
2248          * and weight raising state have already been saved. Do nothing.
2249          */
2250         if (!bic)
2251                 return;
2252
2253         bic->saved_ttime = bfqq->ttime;
2254         bic->saved_has_short_ttime = bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
2255         bic->saved_IO_bound = bfq_bfqq_IO_bound(bfqq);
2256         bic->saved_in_large_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
2257         bic->was_in_burst_list = !hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node);
2258         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2259                      !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
2260                      bfqq->bfqd->low_latency)) {
2261                 /*
2262                  * bfqq being merged right after being created: bfqq
2263                  * would have deserved interactive weight raising, but
2264                  * did not make it to be set in a weight-raised state,
2265                  * because of this early merge. Store directly the
2266                  * weight-raising state that would have been assigned
2267                  * to bfqq, so that to avoid that bfqq unjustly fails
2268                  * to enjoy weight raising if split soon.
2269                  */
2270                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->bfqd->bfq_wr_coeff;
2271                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqq->bfqd);
2272                 bic->saved_last_wr_start_finish = jiffies;
2273         } else {
2274                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2275                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt =
2276                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2277                 bic->saved_last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2278                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2279         }
2280 }
2281
2282 static void
2283 bfq_merge_bfqqs(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_io_cq *bic,
2284                 struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2285 {
2286         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "merging with queue %lu",
2287                 (unsigned long)new_bfqq->pid);
2288         /* Save weight raising and idle window of the merged queues */
2289         bfq_bfqq_save_state(bfqq);
2290         bfq_bfqq_save_state(new_bfqq);
2291         if (bfq_bfqq_IO_bound(bfqq))
2292                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(new_bfqq);
2293         bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
2294
2295         /*
2296          * If bfqq is weight-raised, then let new_bfqq inherit
2297          * weight-raising. To reduce false positives, neglect the case
2298          * where bfqq has just been created, but has not yet made it
2299          * to be weight-raised (which may happen because EQM may merge
2300          * bfqq even before bfq_add_request is executed for the first
2301          * time for bfqq). Handling this case would however be very
2302          * easy, thanks to the flag just_created.
2303          */
2304         if (new_bfqq->wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1) {
2305                 new_bfqq->wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2306                 new_bfqq->wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2307                 new_bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2308                 new_bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
2309                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2310                 if (bfq_bfqq_busy(new_bfqq))
2311                         bfqd->wr_busy_queues++;
2312                 new_bfqq->entity.prio_changed = 1;
2313         }
2314
2315         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* bfqq has given its wr to new_bfqq */
2316                 bfqq->wr_coeff = 1;
2317                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
2318                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2319                         bfqd->wr_busy_queues--;
2320         }
2321
2322         bfq_log_bfqq(bfqd, new_bfqq, "merge_bfqqs: wr_busy %d",
2323                      bfqd->wr_busy_queues);
2324
2325         /*
2326          * Merge queues (that is, let bic redirect its requests to new_bfqq)
2327          */
2328         bic_set_bfqq(bic, new_bfqq, 1);
2329         bfq_mark_bfqq_coop(new_bfqq);
2330         /*
2331          * new_bfqq now belongs to at least two bics (it is a shared queue):
2332          * set new_bfqq->bic to NULL. bfqq either:
2333          * - does not belong to any bic any more, and hence bfqq->bic must
2334          *   be set to NULL, or
2335          * - is a queue whose owning bics have already been redirected to a
2336          *   different queue, hence the queue is destined to not belong to
2337          *   any bic soon and bfqq->bic is already NULL (therefore the next
2338          *   assignment causes no harm).
2339          */
2340         new_bfqq->bic = NULL;
2341         bfqq->bic = NULL;
2342         /* release process reference to bfqq */
2343         bfq_put_queue(bfqq);
2344 }
2345
2346 static bool bfq_allow_bio_merge(struct request_queue *q, struct request *rq,
2347                                 struct bio *bio)
2348 {
2349         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2350         bool is_sync = op_is_sync(bio->bi_opf);
2351         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq, *new_bfqq;
2352
2353         /*
2354          * Disallow merge of a sync bio into an async request.
2355          */
2356         if (is_sync && !rq_is_sync(rq))
2357                 return false;
2358
2359         /*
2360          * Lookup the bfqq that this bio will be queued with. Allow
2361          * merge only if rq is queued there.
2362          */
2363         if (!bfqq)
2364                 return false;
2365
2366         /*
2367          * We take advantage of this function to perform an early merge
2368          * of the queues of possible cooperating processes.
2369          */
2370         new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, bio, false);
2371         if (new_bfqq) {
2372                 /*
2373                  * bic still points to bfqq, then it has not yet been
2374                  * redirected to some other bfq_queue, and a queue
2375                  * merge beween bfqq and new_bfqq can be safely
2376                  * fulfillled, i.e., bic can be redirected to new_bfqq
2377                  * and bfqq can be put.
2378                  */
2379                 bfq_merge_bfqqs(bfqd, bfqd->bio_bic, bfqq,
2380                                 new_bfqq);
2381                 /*
2382                  * If we get here, bio will be queued into new_queue,
2383                  * so use new_bfqq to decide whether bio and rq can be
2384                  * merged.
2385                  */
2386                 bfqq = new_bfqq;
2387
2388                 /*
2389                  * Change also bqfd->bio_bfqq, as
2390                  * bfqd->bio_bic now points to new_bfqq, and
2391                  * this function may be invoked again (and then may
2392                  * use again bqfd->bio_bfqq).
2393                  */
2394                 bfqd->bio_bfqq = bfqq;
2395         }
2396
2397         return bfqq == RQ_BFQQ(rq);
2398 }
2399
2400 /*
2401  * Set the maximum time for the in-service queue to consume its
2402  * budget. This prevents seeky processes from lowering the throughput.
2403  * In practice, a time-slice service scheme is used with seeky
2404  * processes.
2405  */
2406 static void bfq_set_budget_timeout(struct bfq_data *bfqd,
2407                                    struct bfq_queue *bfqq)
2408 {
2409         unsigned int timeout_coeff;
2410
2411         if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
2412                 timeout_coeff = 1;
2413         else
2414                 timeout_coeff = bfqq->entity.weight / bfqq->entity.orig_weight;
2415
2416         bfqd->last_budget_start = ktime_get();
2417
2418         bfqq->budget_timeout = jiffies +
2419                 bfqd->bfq_timeout * timeout_coeff;
2420 }
2421
2422 static void __bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd,
2423                                        struct bfq_queue *bfqq)
2424 {
2425         if (bfqq) {
2426                 bfq_clear_bfqq_fifo_expire(bfqq);
2427
2428                 bfqd->budgets_assigned = (bfqd->budgets_assigned * 7 + 256) / 8;
2429
2430                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish) &&
2431                     bfqq->wr_coeff > 1 &&
2432                     bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
2433                     time_is_before_jiffies(bfqq->budget_timeout)) {
2434                         /*
2435                          * For soft real-time queues, move the start
2436                          * of the weight-raising period forward by the
2437                          * time the queue has not received any
2438                          * service. Otherwise, a relatively long
2439                          * service delay is likely to cause the
2440                          * weight-raising period of the queue to end,
2441                          * because of the short duration of the
2442                          * weight-raising period of a soft real-time
2443                          * queue.  It is worth noting that this move
2444                          * is not so dangerous for the other queues,
2445                          * because soft real-time queues are not
2446                          * greedy.
2447                          *
2448                          * To not add a further variable, we use the
2449                          * overloaded field budget_timeout to
2450                          * determine for how long the queue has not
2451                          * received service, i.e., how much time has
2452                          * elapsed since the queue expired. However,
2453                          * this is a little imprecise, because
2454                          * budget_timeout is set to jiffies if bfqq
2455                          * not only expires, but also remains with no
2456                          * request.
2457                          */
2458                         if (time_after(bfqq->budget_timeout,
2459                                        bfqq->last_wr_start_finish))
2460                                 bfqq->last_wr_start_finish +=
2461                                         jiffies - bfqq->budget_timeout;
2462                         else
2463                                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2464                 }
2465
2466                 bfq_set_budget_timeout(bfqd, bfqq);
2467                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
2468                              "set_in_service_queue, cur-budget = %d",
2469                              bfqq->entity.budget);
2470         }
2471
2472         bfqd->in_service_queue = bfqq;
2473 }
2474
2475 /*
2476  * Get and set a new queue for service.
2477  */
2478 static struct bfq_queue *bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd)
2479 {
2480         struct bfq_queue *bfqq = bfq_get_next_queue(bfqd);
2481
2482         __bfq_set_in_service_queue(bfqd, bfqq);
2483         return bfqq;
2484 }
2485
2486 static void bfq_arm_slice_timer(struct bfq_data *bfqd)
2487 {
2488         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
2489         u32 sl;
2490
2491         bfq_mark_bfqq_wait_request(bfqq);
2492
2493         /*
2494          * We don't want to idle for seeks, but we do want to allow
2495          * fair distribution of slice time for a process doing back-to-back
2496          * seeks. So allow a little bit of time for him to submit a new rq.
2497          */
2498         sl = bfqd->bfq_slice_idle;
2499         /*
2500          * Unless the queue is being weight-raised or the scenario is
2501          * asymmetric, grant only minimum idle time if the queue
2502          * is seeky. A long idling is preserved for a weight-raised
2503          * queue, or, more in general, in an asymmetric scenario,
2504          * because a long idling is needed for guaranteeing to a queue
2505          * its reserved share of the throughput (in particular, it is
2506          * needed if the queue has a higher weight than some other
2507          * queue).
2508          */
2509         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1 &&
2510             bfq_symmetric_scenario(bfqd))
2511                 sl = min_t(u64, sl, BFQ_MIN_TT);
2512
2513         bfqd->last_idling_start = ktime_get();
2514         hrtimer_start(&bfqd->idle_slice_timer, ns_to_ktime(sl),
2515                       HRTIMER_MODE_REL);
2516         bfqg_stats_set_start_idle_time(bfqq_group(bfqq));
2517 }
2518
2519 /*
2520  * In autotuning mode, max_budget is dynamically recomputed as the
2521  * amount of sectors transferred in timeout at the estimated peak
2522  * rate. This enables BFQ to utilize a full timeslice with a full
2523  * budget, even if the in-service queue is served at peak rate. And
2524  * this maximises throughput with sequential workloads.
2525  */
2526 static unsigned long bfq_calc_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
2527 {
2528         return (u64)bfqd->peak_rate * USEC_PER_MSEC *
2529                 jiffies_to_msecs(bfqd->bfq_timeout)>>BFQ_RATE_SHIFT;
2530 }
2531
2532 /*
2533  * Update parameters related to throughput and responsiveness, as a
2534  * function of the estimated peak rate. See comments on
2535  * bfq_calc_max_budget(), and on the ref_wr_duration array.
2536  */
2537 static void update_thr_responsiveness_params(struct bfq_data *bfqd)
2538 {
2539         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0) {
2540                 bfqd->bfq_max_budget =
2541                         bfq_calc_max_budget(bfqd);
2542                 bfq_log(bfqd, "new max_budget = %d", bfqd->bfq_max_budget);
2543         }
2544 }
2545
2546 static void bfq_reset_rate_computation(struct bfq_data *bfqd,
2547                                        struct request *rq)
2548 {
2549         if (rq != NULL) { /* new rq dispatch now, reset accordingly */
2550                 bfqd->last_dispatch = bfqd->first_dispatch = ktime_get_ns();
2551                 bfqd->peak_rate_samples = 1;
2552                 bfqd->sequential_samples = 0;
2553                 bfqd->tot_sectors_dispatched = bfqd->last_rq_max_size =
2554                         blk_rq_sectors(rq);
2555         } else /* no new rq dispatched, just reset the number of samples */
2556                 bfqd->peak_rate_samples = 0; /* full re-init on next disp. */
2557
2558         bfq_log(bfqd,
2559                 "reset_rate_computation at end, sample %u/%u tot_sects %llu",
2560                 bfqd->peak_rate_samples, bfqd->sequential_samples,
2561                 bfqd->tot_sectors_dispatched);
2562 }
2563
2564 static void bfq_update_rate_reset(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
2565 {
2566         u32 rate, weight, divisor;
2567
2568         /*
2569          * For the convergence property to hold (see comments on
2570          * bfq_update_peak_rate()) and for the assessment to be
2571          * reliable, a minimum number of samples must be present, and
2572          * a minimum amount of time must have elapsed. If not so, do
2573          * not compute new rate. Just reset parameters, to get ready
2574          * for a new evaluation attempt.
2575          */
2576         if (bfqd->peak_rate_samples < BFQ_RATE_MIN_SAMPLES ||
2577             bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_MIN_INTERVAL)
2578                 goto reset_computation;
2579
2580         /*
2581          * If a new request completion has occurred after last
2582          * dispatch, then, to approximate the rate at which requests
2583          * have been served by the device, it is more precise to
2584          * extend the observation interval to the last completion.
2585          */
2586         bfqd->delta_from_first =
2587                 max_t(u64, bfqd->delta_from_first,
2588                       bfqd->last_completion - bfqd->first_dispatch);
2589
2590         /*
2591          * Rate computed in sects/usec, and not sects/nsec, for
2592          * precision issues.
2593          */
2594         rate = div64_ul(bfqd->tot_sectors_dispatched<<BFQ_RATE_SHIFT,
2595                         div_u64(bfqd->delta_from_first, NSEC_PER_USEC));
2596
2597         /*
2598          * Peak rate not updated if:
2599          * - the percentage of sequential dispatches is below 3/4 of the
2600          *   total, and rate is below the current estimated peak rate
2601          * - rate is unreasonably high (> 20M sectors/sec)
2602          */
2603         if ((bfqd->sequential_samples < (3 * bfqd->peak_rate_samples)>>2 &&
2604              rate <= bfqd->peak_rate) ||
2605                 rate > 20<<BFQ_RATE_SHIFT)
2606                 goto reset_computation;
2607
2608         /*
2609          * We have to update the peak rate, at last! To this purpose,
2610          * we use a low-pass filter. We compute the smoothing constant
2611          * of the filter as a function of the 'weight' of the new
2612          * measured rate.
2613          *
2614          * As can be seen in next formulas, we define this weight as a
2615          * quantity proportional to how sequential the workload is,
2616          * and to how long the observation time interval is.
2617          *
2618          * The weight runs from 0 to 8. The maximum value of the
2619          * weight, 8, yields the minimum value for the smoothing
2620          * constant. At this minimum value for the smoothing constant,
2621          * the measured rate contributes for half of the next value of
2622          * the estimated peak rate.
2623          *
2624          * So, the first step is to compute the weight as a function
2625          * of how sequential the workload is. Note that the weight
2626          * cannot reach 9, because bfqd->sequential_samples cannot
2627          * become equal to bfqd->peak_rate_samples, which, in its
2628          * turn, holds true because bfqd->sequential_samples is not
2629          * incremented for the first sample.
2630          */
2631         weight = (9 * bfqd->sequential_samples) / bfqd->peak_rate_samples;
2632
2633         /*
2634          * Second step: further refine the weight as a function of the
2635          * duration of the observation interval.
2636          */
2637         weight = min_t(u32, 8,
2638                        div_u64(weight * bfqd->delta_from_first,
2639                                BFQ_RATE_REF_INTERVAL));
2640
2641         /*
2642          * Divisor ranging from 10, for minimum weight, to 2, for
2643          * maximum weight.
2644          */
2645         divisor = 10 - weight;
2646
2647         /*
2648          * Finally, update peak rate:
2649          *
2650          * peak_rate = peak_rate * (divisor-1) / divisor  +  rate / divisor
2651          */
2652         bfqd->peak_rate *= divisor-1;
2653         bfqd->peak_rate /= divisor;
2654         rate /= divisor; /* smoothing constant alpha = 1/divisor */
2655
2656         bfqd->peak_rate += rate;
2657
2658         /*
2659          * For a very slow device, bfqd->peak_rate can reach 0 (see
2660          * the minimum representable values reported in the comments
2661          * on BFQ_RATE_SHIFT). Push to 1 if this happens, to avoid
2662          * divisions by zero where bfqd->peak_rate is used as a
2663          * divisor.
2664          */
2665         bfqd->peak_rate = max_t(u32, 1, bfqd->peak_rate);
2666
2667         update_thr_responsiveness_params(bfqd);
2668
2669 reset_computation:
2670         bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
2671 }
2672
2673 /*
2674  * Update the read/write peak rate (the main quantity used for
2675  * auto-tuning, see update_thr_responsiveness_params()).
2676  *
2677  * It is not trivial to estimate the peak rate (correctly): because of
2678  * the presence of sw and hw queues between the scheduler and the
2679  * device components that finally serve I/O requests, it is hard to
2680  * say exactly when a given dispatched request is served inside the
2681  * device, and for how long. As a consequence, it is hard to know
2682  * precisely at what rate a given set of requests is actually served
2683  * by the device.
2684  *
2685  * On the opposite end, the dispatch time of any request is trivially
2686  * available, and, from this piece of information, the "dispatch rate"
2687  * of requests can be immediately computed. So, the idea in the next
2688  * function is to use what is known, namely request dispatch times
2689  * (plus, when useful, request completion times), to estimate what is
2690  * unknown, namely in-device request service rate.
2691  *
2692  * The main issue is that, because of the above facts, the rate at
2693  * which a certain set of requests is dispatched over a certain time
2694  * interval can vary greatly with respect to the rate at which the
2695  * same requests are then served. But, since the size of any
2696  * intermediate queue is limited, and the service scheme is lossless
2697  * (no request is silently dropped), the following obvious convergence
2698  * property holds: the number of requests dispatched MUST become
2699  * closer and closer to the number of requests completed as the
2700  * observation interval grows. This is the key property used in
2701  * the next function to estimate the peak service rate as a function
2702  * of the observed dispatch rate. The function assumes to be invoked
2703  * on every request dispatch.
2704  */
2705 static void bfq_update_peak_rate(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
2706 {
2707         u64 now_ns = ktime_get_ns();
2708
2709         if (bfqd->peak_rate_samples == 0) { /* first dispatch */
2710                 bfq_log(bfqd, "update_peak_rate: goto reset, samples %d",
2711                         bfqd->peak_rate_samples);
2712                 bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
2713                 goto update_last_values; /* will add one sample */
2714         }
2715
2716         /*
2717          * Device idle for very long: the observation interval lasting
2718          * up to this dispatch cannot be a valid observation interval
2719          * for computing a new peak rate (similarly to the late-
2720          * completion event in bfq_completed_request()). Go to
2721          * update_rate_and_reset to have the following three steps
2722          * taken:
2723          * - close the observation interval at the last (previous)
2724          *   request dispatch or completion
2725          * - compute rate, if possible, for that observation interval
2726          * - start a new observation interval with this dispatch
2727          */
2728         if (now_ns - bfqd->last_dispatch > 100*NSEC_PER_MSEC &&
2729             bfqd->rq_in_driver == 0)
2730                 goto update_rate_and_reset;
2731
2732         /* Update sampling information */
2733         bfqd->peak_rate_samples++;
2734
2735         if ((bfqd->rq_in_driver > 0 ||
2736                 now_ns - bfqd->last_completion < BFQ_MIN_TT)
2737              && get_sdist(bfqd->last_position, rq) < BFQQ_SEEK_THR)
2738                 bfqd->sequential_samples++;
2739
2740         bfqd->tot_sectors_dispatched += blk_rq_sectors(rq);
2741
2742         /* Reset max observed rq size every 32 dispatches */
2743         if (likely(bfqd->peak_rate_samples % 32))
2744                 bfqd->last_rq_max_size =
2745                         max_t(u32, blk_rq_sectors(rq), bfqd->last_rq_max_size);
2746         else
2747                 bfqd->last_rq_max_size = blk_rq_sectors(rq);
2748
2749         bfqd->delta_from_first = now_ns - bfqd->first_dispatch;
2750
2751         /* Target observation interval not yet reached, go on sampling */
2752         if (bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_REF_INTERVAL)
2753                 goto update_last_values;
2754
2755 update_rate_and_reset:
2756         bfq_update_rate_reset(bfqd, rq);
2757 update_last_values:
2758         bfqd->last_position = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
2759         if (RQ_BFQQ(rq) == bfqd->in_service_queue)
2760                 bfqd->in_serv_last_pos = bfqd->last_position;
2761         bfqd->last_dispatch = now_ns;
2762 }
2763
2764 /*
2765  * Remove request from internal lists.
2766  */
2767 static void bfq_dispatch_remove(struct request_queue *q, struct request *rq)
2768 {
2769         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2770
2771         /*
2772          * For consistency, the next instruction should have been
2773          * executed after removing the request from the queue and
2774          * dispatching it.  We execute instead this instruction before
2775          * bfq_remove_request() (and hence introduce a temporary
2776          * inconsistency), for efficiency.  In fact, should this
2777          * dispatch occur for a non in-service bfqq, this anticipated
2778          * increment prevents two counters related to bfqq->dispatched
2779          * from risking to be, first, uselessly decremented, and then
2780          * incremented again when the (new) value of bfqq->dispatched
2781          * happens to be taken into account.
2782          */
2783         bfqq->dispatched++;
2784         bfq_update_peak_rate(q->elevator->elevator_data, rq);
2785
2786         bfq_remove_request(q, rq);
2787 }
2788
2789 static void __bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
2790 {
2791         /*
2792          * If this bfqq is shared between multiple processes, check
2793          * to make sure that those processes are still issuing I/Os
2794          * within the mean seek distance. If not, it may be time to
2795          * break the queues apart again.
2796          */
2797         if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && BFQQ_SEEKY(bfqq))
2798                 bfq_mark_bfqq_split_coop(bfqq);
2799
2800         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
2801                 if (bfqq->dispatched == 0)
2802                         /*
2803                          * Overloading budget_timeout field to store
2804                          * the time at which the queue remains with no
2805                          * backlog and no outstanding request; used by
2806                          * the weight-raising mechanism.
2807                          */
2808                         bfqq->budget_timeout = jiffies;
2809
2810                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, true);
2811         } else {
2812                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, true);
2813                 /*
2814                  * Resort priority tree of potential close cooperators.
2815                  */
2816                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2817         }
2818
2819         /*
2820          * All in-service entities must have been properly deactivated
2821          * or requeued before executing the next function, which
2822          * resets all in-service entites as no more in service.
2823          */
2824         __bfq_bfqd_reset_in_service(bfqd);
2825 }
2826
2827 /**
2828  * __bfq_bfqq_recalc_budget - try to adapt the budget to the @bfqq behavior.
2829  * @bfqd: device data.
2830  * @bfqq: queue to update.
2831  * @reason: reason for expiration.
2832  *
2833  * Handle the feedback on @bfqq budget at queue expiration.
2834  * See the body for detailed comments.
2835  */
2836 static void __bfq_bfqq_recalc_budget(struct bfq_data *bfqd,
2837                                      struct bfq_queue *bfqq,
2838                                      enum bfqq_expiration reason)
2839 {
2840         struct request *next_rq;
2841         int budget, min_budget;
2842
2843         min_budget = bfq_min_budget(bfqd);
2844
2845         if (bfqq->wr_coeff == 1)
2846                 budget = bfqq->max_budget;
2847         else /*
2848               * Use a constant, low budget for weight-raised queues,
2849               * to help achieve a low latency. Keep it slightly higher
2850               * than the minimum possible budget, to cause a little
2851               * bit fewer expirations.
2852               */
2853                 budget = 2 * min_budget;
2854
2855         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last budg %d, budg left %d",
2856                 bfqq->entity.budget, bfq_bfqq_budget_left(bfqq));
2857         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last max_budg %d, min budg %d",
2858                 budget, bfq_min_budget(bfqd));
2859         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: sync %d, seeky %d",
2860                 bfq_bfqq_sync(bfqq), BFQQ_SEEKY(bfqd->in_service_queue));
2861
2862         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1) {
2863                 switch (reason) {
2864                 /*
2865                  * Caveat: in all the following cases we trade latency
2866                  * for throughput.
2867                  */
2868                 case BFQQE_TOO_IDLE:
2869                         /*
2870                          * This is the only case where we may reduce
2871                          * the budget: if there is no request of the
2872                          * process still waiting for completion, then
2873                          * we assume (tentatively) that the timer has
2874                          * expired because the batch of requests of
2875                          * the process could have been served with a
2876                          * smaller budget.  Hence, betting that
2877                          * process will behave in the same way when it
2878                          * becomes backlogged again, we reduce its
2879                          * next budget.  As long as we guess right,
2880                          * this budget cut reduces the latency
2881                          * experienced by the process.
2882                          *
2883                          * However, if there are still outstanding
2884                          * requests, then the process may have not yet
2885                          * issued its next request just because it is
2886                          * still waiting for the completion of some of
2887                          * the still outstanding ones.  So in this
2888                          * subcase we do not reduce its budget, on the
2889                          * contrary we increase it to possibly boost
2890                          * the throughput, as discussed in the
2891                          * comments to the BUDGET_TIMEOUT case.
2892                          */
2893                         if (bfqq->dispatched > 0) /* still outstanding reqs */
2894                                 budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
2895                         else {
2896                                 if (budget > 5 * min_budget)
2897                                         budget -= 4 * min_budget;
2898                                 else
2899                                         budget = min_budget;
2900                         }
2901                         break;
2902                 case BFQQE_BUDGET_TIMEOUT:
2903                         /*
2904                          * We double the budget here because it gives
2905                          * the chance to boost the throughput if this
2906                          * is not a seeky process (and has bumped into
2907                          * this timeout because of, e.g., ZBR).
2908                          */
2909                         budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
2910                         break;
2911                 case BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED:
2912                         /*
2913                          * The process still has backlog, and did not
2914                          * let either the budget timeout or the disk
2915                          * idling timeout expire. Hence it is not
2916                          * seeky, has a short thinktime and may be
2917                          * happy with a higher budget too. So
2918                          * definitely increase the budget of this good
2919                          * candidate to boost the disk throughput.
2920                          */
2921                         budget = min(budget * 4, bfqd->bfq_max_budget);
2922                         break;
2923                 case BFQQE_NO_MORE_REQUESTS:
2924                         /*
2925                          * For queues that expire for this reason, it
2926                          * is particularly important to keep the
2927                          * budget close to the actual service they
2928                          * need. Doing so reduces the timestamp
2929                          * misalignment problem described in the
2930                          * comments in the body of
2931                          * __bfq_activate_entity. In fact, suppose
2932                          * that a queue systematically expires for
2933                          * BFQQE_NO_MORE_REQUESTS and presents a
2934                          * new request in time to enjoy timestamp
2935                          * back-shifting. The larger the budget of the
2936                          * queue is with respect to the service the
2937                          * queue actually requests in each service
2938                          * slot, the more times the queue can be
2939                          * reactivated with the same virtual finish
2940                          * time. It follows that, even if this finish
2941                          * time is pushed to the system virtual time
2942                          * to reduce the consequent timestamp
2943                          * misalignment, the queue unjustly enjoys for
2944                          * many re-activations a lower finish time
2945                          * than all newly activated queues.
2946                          *
2947                          * The service needed by bfqq is measured
2948                          * quite precisely by bfqq->entity.service.
2949                          * Since bfqq does not enjoy device idling,
2950                          * bfqq->entity.service is equal to the number
2951                          * of sectors that the process associated with
2952                          * bfqq requested to read/write before waiting
2953                          * for request completions, or blocking for
2954                          * other reasons.
2955                          */
2956                         budget = max_t(int, bfqq->entity.service, min_budget);
2957                         break;
2958                 default:
2959                         return;
2960                 }
2961         } else if (!bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
2962                 /*
2963                  * Async queues get always the maximum possible
2964                  * budget, as for them we do not care about latency
2965                  * (in addition, their ability to dispatch is limited
2966                  * by the charging factor).
2967                  */
2968                 budget = bfqd->bfq_max_budget;
2969         }
2970
2971         bfqq->max_budget = budget;
2972
2973         if (bfqd->budgets_assigned >= bfq_stats_min_budgets &&
2974             !bfqd->bfq_user_max_budget)
2975                 bfqq->max_budget = min(bfqq->max_budget, bfqd->bfq_max_budget);
2976
2977         /*
2978          * If there is still backlog, then assign a new budget, making
2979          * sure that it is large enough for the next request.  Since
2980          * the finish time of bfqq must be kept in sync with the
2981          * budget, be sure to call __bfq_bfqq_expire() *after* this
2982          * update.
2983          *
2984          * If there is no backlog, then no need to update the budget;
2985          * it will be updated on the arrival of a new request.
2986          */
2987         next_rq = bfqq->next_rq;
2988         if (next_rq)
2989                 bfqq->entity.budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
2990                                             bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq));
2991
2992         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "head sect: %u, new budget %d",
2993                         next_rq ? blk_rq_sectors(next_rq) : 0,
2994                         bfqq->entity.budget);
2995 }
2996
2997 /*
2998  * Return true if the process associated with bfqq is "slow". The slow
2999  * flag is used, in addition to the budget timeout, to reduce the
3000  * amount of service provided to seeky processes, and thus reduce
3001  * their chances to lower the throughput. More details in the comments
3002  * on the function bfq_bfqq_expire().
3003  *
3004  * An important observation is in order: as discussed in the comments
3005  * on the function bfq_update_peak_rate(), with devices with internal
3006  * queues, it is hard if ever possible to know when and for how long
3007  * an I/O request is processed by the device (apart from the trivial
3008  * I/O pattern where a new request is dispatched only after the
3009  * previous one has been completed). This makes it hard to evaluate
3010  * the real rate at which the I/O requests of each bfq_queue are
3011  * served.  In fact, for an I/O scheduler like BFQ, serving a
3012  * bfq_queue means just dispatching its requests during its service
3013  * slot (i.e., until the budget of the queue is exhausted, or the
3014  * queue remains idle, or, finally, a timeout fires). But, during the
3015  * service slot of a bfq_queue, around 100 ms at most, the device may
3016  * be even still processing requests of bfq_queues served in previous
3017  * service slots. On the opposite end, the requests of the in-service
3018  * bfq_queue may be completed after the service slot of the queue
3019  * finishes.
3020  *
3021  * Anyway, unless more sophisticated solutions are used
3022  * (where possible), the sum of the sizes of the requests dispatched
3023  * during the service slot of a bfq_queue is probably the only
3024  * approximation available for the service received by the bfq_queue
3025  * during its service slot. And this sum is the quantity used in this
3026  * function to evaluate the I/O speed of a process.
3027  */
3028 static bool bfq_bfqq_is_slow(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3029                                  bool compensate, enum bfqq_expiration reason,
3030                                  unsigned long *delta_ms)
3031 {
3032         ktime_t delta_ktime;
3033         u32 delta_usecs;
3034         bool slow = BFQQ_SEEKY(bfqq); /* if delta too short, use seekyness */
3035
3036         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq))
3037                 return false;
3038
3039         if (compensate)
3040                 delta_ktime = bfqd->last_idling_start;
3041         else
3042                 delta_ktime = ktime_get();
3043         delta_ktime = ktime_sub(delta_ktime, bfqd->last_budget_start);
3044         delta_usecs = ktime_to_us(delta_ktime);
3045
3046         /* don't use too short time intervals */
3047         if (delta_usecs < 1000) {
3048                 if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue))
3049                          /*
3050                           * give same worst-case guarantees as idling
3051                           * for seeky
3052                           */
3053                         *delta_ms = BFQ_MIN_TT / NSEC_PER_MSEC;
3054                 else /* charge at least one seek */
3055                         *delta_ms = bfq_slice_idle / NSEC_PER_MSEC;
3056
3057                 return slow;
3058         }
3059
3060         *delta_ms = delta_usecs / USEC_PER_MSEC;
3061
3062         /*
3063          * Use only long (> 20ms) intervals to filter out excessive
3064          * spikes in service rate estimation.
3065          */
3066         if (delta_usecs > 20000) {
3067                 /*
3068                  * Caveat for rotational devices: processes doing I/O
3069                  * in the slower disk zones tend to be slow(er) even
3070                  * if not seeky. In this respect, the estimated peak
3071                  * rate is likely to be an average over the disk
3072                  * surface. Accordingly, to not be too harsh with
3073                  * unlucky processes, a process is deemed slow only if
3074                  * its rate has been lower than half of the estimated
3075                  * peak rate.
3076                  */
3077                 slow = bfqq->entity.service < bfqd->bfq_max_budget / 2;
3078         }
3079
3080         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "bfq_bfqq_is_slow: slow %d", slow);
3081
3082         return slow;
3083 }
3084
3085 /*
3086  * To be deemed as soft real-time, an application must meet two
3087  * requirements. First, the application must not require an average
3088  * bandwidth higher than the approximate bandwidth required to playback or
3089  * record a compressed high-definition video.
3090  * The next function is invoked on the completion of the last request of a
3091  * batch, to compute the next-start time instant, soft_rt_next_start, such
3092  * that, if the next request of the application does not arrive before
3093  * soft_rt_next_start, then the above requirement on the bandwidth is met.
3094  *
3095  * The second requirement is that the request pattern of the application is
3096  * isochronous, i.e., that, after issuing a request or a batch of requests,
3097  * the application stops issuing new requests until all its pending requests
3098  * have been completed. After that, the application may issue a new batch,
3099  * and so on.
3100  * For this reason the next function is invoked to compute
3101  * soft_rt_next_start only for applications that meet this requirement,
3102  * whereas soft_rt_next_start is set to infinity for applications that do
3103  * not.
3104  *
3105  * Unfortunately, even a greedy (i.e., I/O-bound) application may
3106  * happen to meet, occasionally or systematically, both the above
3107  * bandwidth and isochrony requirements. This may happen at least in
3108  * the following circumstances. First, if the CPU load is high. The
3109  * application may stop issuing requests while the CPUs are busy
3110  * serving other processes, then restart, then stop again for a while,
3111  * and so on. The other circumstances are related to the storage
3112  * device: the storage device is highly loaded or reaches a low-enough
3113  * throughput with the I/O of the application (e.g., because the I/O
3114  * is random and/or the device is slow). In all these cases, the
3115  * I/O of the application may be simply slowed down enough to meet
3116  * the bandwidth and isochrony requirements. To reduce the probability
3117  * that greedy applications are deemed as soft real-time in these
3118  * corner cases, a further rule is used in the computation of
3119  * soft_rt_next_start: the return value of this function is forced to
3120  * be higher than the maximum between the following two quantities.
3121  *
3122  * (a) Current time plus: (1) the maximum time for which the arrival
3123  *     of a request is waited for when a sync queue becomes idle,
3124  *     namely bfqd->bfq_slice_idle, and (2) a few extra jiffies. We
3125  *     postpone for a moment the reason for adding a few extra
3126  *     jiffies; we get back to it after next item (b).  Lower-bounding
3127  *     the return value of this function with the current time plus
3128  *     bfqd->bfq_slice_idle tends to filter out greedy applications,
3129  *     because the latter issue their next request as soon as possible
3130  *     after the last one has been completed. In contrast, a soft
3131  *     real-time application spends some time processing data, after a
3132  *     batch of its requests has been completed.
3133  *
3134  * (b) Current value of bfqq->soft_rt_next_start. As pointed out
3135  *     above, greedy applications may happen to meet both the
3136  *     bandwidth and isochrony requirements under heavy CPU or
3137  *     storage-device load. In more detail, in these scenarios, these
3138  *     applications happen, only for limited time periods, to do I/O
3139  *     slowly enough to meet all the requirements described so far,
3140  *     including the filtering in above item (a). These slow-speed
3141  *     time intervals are usually interspersed between other time
3142  *     intervals during which these applications do I/O at a very high
3143  *     speed. Fortunately, exactly because of the high speed of the
3144  *     I/O in the high-speed intervals, the values returned by this
3145  *     function happen to be so high, near the end of any such
3146  *     high-speed interval, to be likely to fall *after* the end of
3147  *     the low-speed time interval that follows. These high values are
3148  *     stored in bfqq->soft_rt_next_start after each invocation of
3149  *     this function. As a consequence, if the last value of
3150  *     bfqq->soft_rt_next_start is constantly used to lower-bound the
3151  *     next value that this function may return, then, from the very
3152  *     beginning of a low-speed interval, bfqq->soft_rt_next_start is
3153  *     likely to be constantly kept so high that any I/O request
3154  *     issued during the low-speed interval is considered as arriving
3155  *     to soon for the application to be deemed as soft
3156  *     real-time. Then, in the high-speed interval that follows, the
3157  *     application will not be deemed as soft real-time, just because
3158  *     it will do I/O at a high speed. And so on.
3159  *
3160  * Getting back to the filtering in item (a), in the following two
3161  * cases this filtering might be easily passed by a greedy
3162  * application, if the reference quantity was just
3163  * bfqd->bfq_slice_idle:
3164  * 1) HZ is so low that the duration of a jiffy is comparable to or
3165  *    higher than bfqd->bfq_slice_idle. This happens, e.g., on slow
3166  *    devices with HZ=100. The time granularity may be so coarse
3167  *    that the approximation, in jiffies, of bfqd->bfq_slice_idle
3168  *    is rather lower than the exact value.
3169  * 2) jiffies, instead of increasing at a constant rate, may stop increasing
3170  *    for a while, then suddenly 'jump' by several units to recover the lost
3171  *    increments. This seems to happen, e.g., inside virtual machines.
3172  * To address this issue, in the filtering in (a) we do not use as a
3173  * reference time interval just bfqd->bfq_slice_idle, but
3174  * bfqd->bfq_slice_idle plus a few jiffies. In particular, we add the
3175  * minimum number of jiffies for which the filter seems to be quite
3176  * precise also in embedded systems and KVM/QEMU virtual machines.
3177  */
3178 static unsigned long bfq_bfqq_softrt_next_start(struct bfq_data *bfqd,
3179                                                 struct bfq_queue *bfqq)
3180 {
3181         return max3(bfqq->soft_rt_next_start,
3182                     bfqq->last_idle_bklogged +
3183                     HZ * bfqq->service_from_backlogged /
3184                     bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate,
3185                     jiffies + nsecs_to_jiffies(bfqq->bfqd->bfq_slice_idle) + 4);
3186 }
3187
3188 /**
3189  * bfq_bfqq_expire - expire a queue.
3190  * @bfqd: device owning the queue.
3191  * @bfqq: the queue to expire.
3192  * @compensate: if true, compensate for the time spent idling.
3193  * @reason: the reason causing the expiration.
3194  *
3195  * If the process associated with bfqq does slow I/O (e.g., because it
3196  * issues random requests), we charge bfqq with the time it has been
3197  * in service instead of the service it has received (see
3198  * bfq_bfqq_charge_time for details on how this goal is achieved). As
3199  * a consequence, bfqq will typically get higher timestamps upon
3200  * reactivation, and hence it will be rescheduled as if it had
3201  * received more service than what it has actually received. In the
3202  * end, bfqq receives less service in proportion to how slowly its
3203  * associated process consumes its budgets (and hence how seriously it
3204  * tends to lower the throughput). In addition, this time-charging
3205  * strategy guarantees time fairness among slow processes. In
3206  * contrast, if the process associated with bfqq is not slow, we
3207  * charge bfqq exactly with the service it has received.
3208  *
3209  * Charging time to the first type of queues and the exact service to
3210  * the other has the effect of using the WF2Q+ policy to schedule the
3211  * former on a timeslice basis, without violating service domain
3212  * guarantees among the latter.
3213  */
3214 void bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd,
3215                      struct bfq_queue *bfqq,
3216                      bool compensate,
3217                      enum bfqq_expiration reason)
3218 {
3219         bool slow;
3220         unsigned long delta = 0;
3221         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
3222         int ref;
3223
3224         /*
3225          * Check whether the process is slow (see bfq_bfqq_is_slow).
3226          */
3227         slow = bfq_bfqq_is_slow(bfqd, bfqq, compensate, reason, &delta);
3228
3229         /*
3230          * As above explained, charge slow (typically seeky) and
3231          * timed-out queues with the time and not the service
3232          * received, to favor sequential workloads.
3233          *
3234          * Processes doing I/O in the slower disk zones will tend to
3235          * be slow(er) even if not seeky. Therefore, since the
3236          * estimated peak rate is actually an average over the disk
3237          * surface, these processes may timeout just for bad luck. To
3238          * avoid punishing them, do not charge time to processes that
3239          * succeeded in consuming at least 2/3 of their budget. This
3240          * allows BFQ to preserve enough elasticity to still perform
3241          * bandwidth, and not time, distribution with little unlucky
3242          * or quasi-sequential processes.
3243          */
3244         if (bfqq->wr_coeff == 1 &&
3245             (slow ||
3246              (reason == BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
3247               bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  entity->budget / 3)))
3248                 bfq_bfqq_charge_time(bfqd, bfqq, delta);
3249
3250         if (reason == BFQQE_TOO_IDLE &&
3251             entity->service <= 2 * entity->budget / 10)
3252                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
3253
3254         if (bfqd->low_latency && bfqq->wr_coeff == 1)
3255                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
3256
3257         if (bfqd->low_latency && bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
3258             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
3259                 /*
3260                  * If we get here, and there are no outstanding
3261                  * requests, then the request pattern is isochronous
3262                  * (see the comments on the function
3263                  * bfq_bfqq_softrt_next_start()). Thus we can compute
3264                  * soft_rt_next_start. If, instead, the queue still
3265                  * has outstanding requests, then we have to wait for
3266                  * the completion of all the outstanding requests to
3267                  * discover whether the request pattern is actually
3268                  * isochronous.
3269                  */
3270                 if (bfqq->dispatched == 0)
3271                         bfqq->soft_rt_next_start =
3272                                 bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
3273                 else {
3274                         /*
3275                          * Schedule an update of soft_rt_next_start to when
3276                          * the task may be discovered to be isochronous.
3277                          */
3278                         bfq_mark_bfqq_softrt_update(bfqq);
3279                 }
3280         }
3281
3282         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
3283                 "expire (%d, slow %d, num_disp %d, short_ttime %d)", reason,
3284                 slow, bfqq->dispatched, bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq));
3285
3286         /*
3287          * Increase, decrease or leave budget unchanged according to
3288          * reason.
3289          */
3290         __bfq_bfqq_recalc_budget(bfqd, bfqq, reason);
3291         ref = bfqq->ref;
3292         __bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq);
3293
3294         if (ref == 1) /* bfqq is gone, no more actions on it */
3295                 return;
3296
3297         /* mark bfqq as waiting a request only if a bic still points to it */
3298         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
3299             reason != BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
3300             reason != BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED) {
3301                 bfq_mark_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
3302                 /*
3303                  * Not setting service to 0, because, if the next rq
3304                  * arrives in time, the queue will go on receiving
3305                  * service with this same budget (as if it never expired)
3306                  */
3307         } else
3308                 entity->service = 0;
3309
3310         /*
3311          * Reset the received-service counter for every parent entity.
3312          * Differently from what happens with bfqq->entity.service,
3313          * the resetting of this counter never needs to be postponed
3314          * for parent entities. In fact, in case bfqq may have a
3315          * chance to go on being served using the last, partially
3316          * consumed budget, bfqq->entity.service needs to be kept,
3317          * because if bfqq then actually goes on being served using
3318          * the same budget, the last value of bfqq->entity.service is
3319          * needed to properly decrement bfqq->entity.budget by the
3320          * portion already consumed. In contrast, it is not necessary
3321          * to keep entity->service for parent entities too, because
3322          * the bubble up of the new value of bfqq->entity.budget will
3323          * make sure that the budgets of parent entities are correct,
3324          * even in case bfqq and thus parent entities go on receiving
3325          * service with the same budget.
3326          */
3327         entity = entity->parent;
3328         for_each_entity(entity)
3329                 entity->service = 0;
3330 }
3331
3332 /*
3333  * Budget timeout is not implemented through a dedicated timer, but
3334  * just checked on request arrivals and completions, as well as on
3335  * idle timer expirations.
3336  */
3337 static bool bfq_bfqq_budget_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
3338 {
3339         return time_is_before_eq_jiffies(bfqq->budget_timeout);
3340 }
3341
3342 /*
3343  * If we expire a queue that is actively waiting (i.e., with the
3344  * device idled) for the arrival of a new request, then we may incur
3345  * the timestamp misalignment problem described in the body of the
3346  * function __bfq_activate_entity. Hence we return true only if this
3347  * condition does not hold, or if the queue is slow enough to deserve
3348  * only to be kicked off for preserving a high throughput.
3349  */
3350 static bool bfq_may_expire_for_budg_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
3351 {
3352         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
3353                 "may_budget_timeout: wait_request %d left %d timeout %d",
3354                 bfq_bfqq_wait_request(bfqq),
3355                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3,
3356                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq));
3357
3358         return (!bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
3359                 bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3)
3360                 &&
3361                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
3362 }
3363
3364 /*
3365  * For a queue that becomes empty, device idling is allowed only if
3366  * this function returns true for the queue. As a consequence, since
3367  * device idling plays a critical role in both throughput boosting and
3368  * service guarantees, the return value of this function plays a
3369  * critical role in both these aspects as well.
3370  *
3371  * In a nutshell, this function returns true only if idling is
3372  * beneficial for throughput or, even if detrimental for throughput,
3373  * idling is however necessary to preserve service guarantees (low
3374  * latency, desired throughput distribution, ...). In particular, on
3375  * NCQ-capable devices, this function tries to return false, so as to
3376  * help keep the drives' internal queues full, whenever this helps the
3377  * device boost the throughput without causing any service-guarantee
3378  * issue.
3379  *
3380  * In more detail, the return value of this function is obtained by,
3381  * first, computing a number of boolean variables that take into
3382  * account throughput and service-guarantee issues, and, then,
3383  * combining these variables in a logical expression. Most of the
3384  * issues taken into account are not trivial. We discuss these issues
3385  * individually while introducing the variables.
3386  */
3387 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq)
3388 {
3389         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
3390         bool rot_without_queueing =
3391                 !blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && !bfqd->hw_tag,
3392                 bfqq_sequential_and_IO_bound,
3393                 idling_boosts_thr, idling_boosts_thr_without_issues,
3394                 idling_needed_for_service_guarantees,
3395                 asymmetric_scenario;
3396
3397         if (bfqd->strict_guarantees)
3398                 return true;
3399
3400         /*
3401          * Idling is performed only if slice_idle > 0. In addition, we
3402          * do not idle if
3403          * (a) bfqq is async
3404          * (b) bfqq is in the idle io prio class: in this case we do
3405          * not idle because we want to minimize the bandwidth that
3406          * queues in this class can steal to higher-priority queues
3407          */
3408         if (bfqd->bfq_slice_idle == 0 || !bfq_bfqq_sync(bfqq) ||
3409             bfq_class_idle(bfqq))
3410                 return false;
3411
3412         bfqq_sequential_and_IO_bound = !BFQQ_SEEKY(bfqq) &&
3413                 bfq_bfqq_IO_bound(bfqq) && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
3414
3415         /*
3416          * The next variable takes into account the cases where idling
3417          * boosts the throughput.
3418          *
3419          * The value of the variable is computed considering, first, that
3420          * idling is virtually always beneficial for the throughput if:
3421          * (a) the device is not NCQ-capable and rotational, or
3422          * (b) regardless of the presence of NCQ, the device is rotational and
3423          *     the request pattern for bfqq is I/O-bound and sequential, or
3424          * (c) regardless of whether it is rotational, the device is
3425          *     not NCQ-capable and the request pattern for bfqq is
3426          *     I/O-bound and sequential.
3427          *
3428          * Secondly, and in contrast to the above item (b), idling an
3429          * NCQ-capable flash-based device would not boost the
3430          * throughput even with sequential I/O; rather it would lower
3431          * the throughput in proportion to how fast the device
3432          * is. Accordingly, the next variable is true if any of the
3433          * above conditions (a), (b) or (c) is true, and, in
3434          * particular, happens to be false if bfqd is an NCQ-capable
3435          * flash-based device.
3436          */
3437         idling_boosts_thr = rot_without_queueing ||
3438                 ((!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) || !bfqd->hw_tag) &&
3439                  bfqq_sequential_and_IO_bound);
3440
3441         /*
3442          * The value of the next variable,
3443          * idling_boosts_thr_without_issues, is equal to that of
3444          * idling_boosts_thr, unless a special case holds. In this
3445          * special case, described below, idling may cause problems to
3446          * weight-raised queues.
3447          *
3448          * When the request pool is saturated (e.g., in the presence
3449          * of write hogs), if the processes associated with
3450          * non-weight-raised queues ask for requests at a lower rate,
3451          * then processes associated with weight-raised queues have a
3452          * higher probability to get a request from the pool
3453          * immediately (or at least soon) when they need one. Thus
3454          * they have a higher probability to actually get a fraction
3455          * of the device throughput proportional to their high
3456          * weight. This is especially true with NCQ-capable drives,
3457          * which enqueue several requests in advance, and further
3458          * reorder internally-queued requests.
3459          *
3460          * For this reason, we force to false the value of
3461          * idling_boosts_thr_without_issues if there are weight-raised
3462          * busy queues. In this case, and if bfqq is not weight-raised,
3463          * this guarantees that the device is not idled for bfqq (if,
3464          * instead, bfqq is weight-raised, then idling will be
3465          * guaranteed by another variable, see below). Combined with
3466          * the timestamping rules of BFQ (see [1] for details), this
3467          * behavior causes bfqq, and hence any sync non-weight-raised
3468          * queue, to get a lower number of requests served, and thus
3469          * to ask for a lower number of requests from the request
3470          * pool, before the busy weight-raised queues get served
3471          * again. This often mitigates starvation problems in the
3472          * presence of heavy write workloads and NCQ, thereby
3473          * guaranteeing a higher application and system responsiveness
3474          * in these hostile scenarios.
3475          */
3476         idling_boosts_thr_without_issues = idling_boosts_thr &&
3477                 bfqd->wr_busy_queues == 0;
3478
3479         /*
3480          * There is then a case where idling must be performed not
3481          * for throughput concerns, but to preserve service
3482          * guarantees.
3483          *
3484          * To introduce this case, we can note that allowing the drive
3485          * to enqueue more than one request at a time, and hence
3486          * delegating de facto final scheduling decisions to the
3487          * drive's internal scheduler, entails loss of control on the
3488          * actual request service order. In particular, the critical
3489          * situation is when requests from different processes happen
3490          * to be present, at the same time, in the internal queue(s)
3491          * of the drive. In such a situation, the drive, by deciding
3492          * the service order of the internally-queued requests, does
3493          * determine also the actual throughput distribution among
3494          * these processes. But the drive typically has no notion or
3495          * concern about per-process throughput distribution, and
3496          * makes its decisions only on a per-request basis. Therefore,
3497          * the service distribution enforced by the drive's internal
3498          * scheduler is likely to coincide with the desired
3499          * device-throughput distribution only in a completely
3500          * symmetric scenario where:
3501          * (i)  each of these processes must get the same throughput as
3502          *      the others;
3503          * (ii) all these processes have the same I/O pattern
3504                 (either sequential or random).
3505          * In fact, in such a scenario, the drive will tend to treat
3506          * the requests of each of these processes in about the same
3507          * way as the requests of the others, and thus to provide
3508          * each of these processes with about the same throughput
3509          * (which is exactly the desired throughput distribution). In
3510          * contrast, in any asymmetric scenario, device idling is
3511          * certainly needed to guarantee that bfqq receives its
3512          * assigned fraction of the device throughput (see [1] for
3513          * details).
3514          *
3515          * We address this issue by controlling, actually, only the
3516          * symmetry sub-condition (i), i.e., provided that
3517          * sub-condition (i) holds, idling is not performed,
3518          * regardless of whether sub-condition (ii) holds. In other
3519          * words, only if sub-condition (i) holds, then idling is
3520          * allowed, and the device tends to be prevented from queueing
3521          * many requests, possibly of several processes. The reason
3522          * for not controlling also sub-condition (ii) is that we
3523          * exploit preemption to preserve guarantees in case of
3524          * symmetric scenarios, even if (ii) does not hold, as
3525          * explained in the next two paragraphs.
3526          *
3527          * Even if a queue, say Q, is expired when it remains idle, Q
3528          * can still preempt the new in-service queue if the next
3529          * request of Q arrives soon (see the comments on
3530          * bfq_bfqq_update_budg_for_activation). If all queues and
3531          * groups have the same weight, this form of preemption,
3532          * combined with the hole-recovery heuristic described in the
3533          * comments on function bfq_bfqq_update_budg_for_activation,
3534          * are enough to preserve a correct bandwidth distribution in
3535          * the mid term, even without idling. In fact, even if not
3536          * idling allows the internal queues of the device to contain
3537          * many requests, and thus to reorder requests, we can rather
3538          * safely assume that the internal scheduler still preserves a
3539          * minimum of mid-term fairness. The motivation for using
3540          * preemption instead of idling is that, by not idling,
3541          * service guarantees are preserved without minimally
3542          * sacrificing throughput. In other words, both a high
3543          * throughput and its desired distribution are obtained.
3544          *
3545          * More precisely, this preemption-based, idleless approach
3546          * provides fairness in terms of IOPS, and not sectors per
3547          * second. This can be seen with a simple example. Suppose
3548          * that there are two queues with the same weight, but that
3549          * the first queue receives requests of 8 sectors, while the
3550          * second queue receives requests of 1024 sectors. In
3551          * addition, suppose that each of the two queues contains at
3552          * most one request at a time, which implies that each queue
3553          * always remains idle after it is served. Finally, after
3554          * remaining idle, each queue receives very quickly a new
3555          * request. It follows that the two queues are served
3556          * alternatively, preempting each other if needed. This
3557          * implies that, although both queues have the same weight,
3558          * the queue with large requests receives a service that is
3559          * 1024/8 times as high as the service received by the other
3560          * queue.
3561          *
3562          * On the other hand, device idling is performed, and thus
3563          * pure sector-domain guarantees are provided, for the
3564          * following queues, which are likely to need stronger
3565          * throughput guarantees: weight-raised queues, and queues
3566          * with a higher weight than other queues. When such queues
3567          * are active, sub-condition (i) is false, which triggers
3568          * device idling.
3569          *
3570          * According to the above considerations, the next variable is
3571          * true (only) if sub-condition (i) holds. To compute the
3572          * value of this variable, we not only use the return value of
3573          * the function bfq_symmetric_scenario(), but also check
3574          * whether bfqq is being weight-raised, because
3575          * bfq_symmetric_scenario() does not take into account also
3576          * weight-raised queues (see comments on
3577          * bfq_weights_tree_add()).
3578          *
3579          * As a side note, it is worth considering that the above
3580          * device-idling countermeasures may however fail in the
3581          * following unlucky scenario: if idling is (correctly)
3582          * disabled in a time period during which all symmetry
3583          * sub-conditions hold, and hence the device is allowed to
3584          * enqueue many requests, but at some later point in time some
3585          * sub-condition stops to hold, then it may become impossible
3586          * to let requests be served in the desired order until all
3587          * the requests already queued in the device have been served.
3588          */
3589         asymmetric_scenario = bfqq->wr_coeff > 1 ||
3590                 !bfq_symmetric_scenario(bfqd);
3591
3592         /*
3593          * Finally, there is a case where maximizing throughput is the
3594          * best choice even if it may cause unfairness toward
3595          * bfqq. Such a case is when bfqq became active in a burst of
3596          * queue activations. Queues that became active during a large
3597          * burst benefit only from throughput, as discussed in the
3598          * comments on bfq_handle_burst. Thus, if bfqq became active
3599          * in a burst and not idling the device maximizes throughput,
3600          * then the device must no be idled, because not idling the
3601          * device provides bfqq and all other queues in the burst with
3602          * maximum benefit. Combining this and the above case, we can
3603          * now establish when idling is actually needed to preserve
3604          * service guarantees.
3605          */
3606         idling_needed_for_service_guarantees =
3607                 asymmetric_scenario && !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
3608
3609         /*
3610          * We have now all the components we need to compute the
3611          * return value of the function, which is true only if idling
3612          * either boosts the throughput (without issues), or is
3613          * necessary to preserve service guarantees.
3614          */
3615         return idling_boosts_thr_without_issues ||
3616                 idling_needed_for_service_guarantees;
3617 }
3618
3619 /*
3620  * If the in-service queue is empty but the function bfq_better_to_idle
3621  * returns true, then:
3622  * 1) the queue must remain in service and cannot be expired, and
3623  * 2) the device must be idled to wait for the possible arrival of a new
3624  *    request for the queue.
3625  * See the comments on the function bfq_better_to_idle for the reasons
3626  * why performing device idling is the best choice to boost the throughput
3627  * and preserve service guarantees when bfq_better_to_idle itself
3628  * returns true.
3629  */
3630 static bool bfq_bfqq_must_idle(struct bfq_queue *bfqq)
3631 {
3632         return RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_better_to_idle(bfqq);
3633 }
3634
3635 /*
3636  * Select a queue for service.  If we have a current queue in service,
3637  * check whether to continue servicing it, or retrieve and set a new one.
3638  */
3639 static struct bfq_queue *bfq_select_queue(struct bfq_data *bfqd)
3640 {
3641         struct bfq_queue *bfqq;
3642         struct request *next_rq;
3643         enum bfqq_expiration reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
3644
3645         bfqq = bfqd->in_service_queue;
3646         if (!bfqq)
3647                 goto new_queue;
3648
3649         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: already in-service queue");
3650
3651         /*
3652          * Do not expire bfqq for budget timeout if bfqq may be about
3653          * to enjoy device idling. The reason why, in this case, we
3654          * prevent bfqq from expiring is the same as in the comments
3655          * on the case where bfq_bfqq_must_idle() returns true, in
3656          * bfq_completed_request().
3657          */
3658         if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq) &&
3659             !bfq_bfqq_must_idle(bfqq))
3660                 goto expire;
3661
3662 check_queue:
3663         /*
3664          * This loop is rarely executed more than once. Even when it
3665          * happens, it is much more convenient to re-execute this loop
3666          * than to return NULL and trigger a new dispatch to get a
3667          * request served.
3668          */
3669         next_rq = bfqq->next_rq;
3670         /*
3671          * If bfqq has requests queued and it has enough budget left to
3672          * serve them, keep the queue, otherwise expire it.
3673          */
3674         if (next_rq) {
3675                 if (bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq) >
3676                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
3677                         /*
3678                          * Expire the queue for budget exhaustion,
3679                          * which makes sure that the next budget is
3680                          * enough to serve the next request, even if
3681                          * it comes from the fifo expired path.
3682                          */
3683                         reason = BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED;
3684                         goto expire;
3685                 } else {
3686                         /*
3687                          * The idle timer may be pending because we may
3688                          * not disable disk idling even when a new request
3689                          * arrives.
3690                          */
3691                         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
3692                                 /*
3693                                  * If we get here: 1) at least a new request
3694                                  * has arrived but we have not disabled the
3695                                  * timer because the request was too small,
3696                                  * 2) then the block layer has unplugged
3697                                  * the device, causing the dispatch to be
3698                                  * invoked.
3699                                  *
3700                                  * Since the device is unplugged, now the
3701                                  * requests are probably large enough to
3702                                  * provide a reasonable throughput.
3703                                  * So we disable idling.
3704                                  */
3705                                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
3706                                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
3707                         }
3708                         goto keep_queue;
3709                 }
3710         }
3711
3712         /*
3713          * No requests pending. However, if the in-service queue is idling
3714          * for a new request, or has requests waiting for a completion and
3715          * may idle after their completion, then keep it anyway.
3716          */
3717         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
3718             (bfqq->dispatched != 0 && bfq_better_to_idle(bfqq))) {
3719                 bfqq = NULL;
3720                 goto keep_queue;
3721         }
3722
3723         reason = BFQQE_NO_MORE_REQUESTS;
3724 expire:
3725         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, reason);
3726 new_queue:
3727         bfqq = bfq_set_in_service_queue(bfqd);
3728         if (bfqq) {
3729                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: checking new queue");
3730                 goto check_queue;
3731         }
3732 keep_queue:
3733         if (bfqq)
3734                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: returned this queue");
3735         else
3736                 bfq_log(bfqd, "select_queue: no queue returned");
3737
3738         return bfqq;
3739 }
3740
3741 static void bfq_update_wr_data(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
3742 {
3743         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
3744
3745         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* queue is being weight-raised */
3746                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
3747                         "raising period dur %u/%u msec, old coeff %u, w %d(%d)",
3748                         jiffies_to_msecs(jiffies - bfqq->last_wr_start_finish),
3749                         jiffies_to_msecs(bfqq->wr_cur_max_time),
3750                         bfqq->wr_coeff,
3751                         bfqq->entity.weight, bfqq->entity.orig_weight);
3752
3753                 if (entity->prio_changed)
3754                         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "WARN: pending prio change");
3755
3756                 /*
3757                  * If the queue was activated in a burst, or too much
3758                  * time has elapsed from the beginning of this
3759                  * weight-raising period, then end weight raising.
3760                  */
3761                 if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
3762                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
3763                 else if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
3764                                                 bfqq->wr_cur_max_time)) {
3765                         if (bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time ||
3766                         time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
3767                                                bfq_wr_duration(bfqd)))
3768                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
3769                         else {
3770                                 switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
3771                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
3772                         }
3773                 }
3774                 if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
3775                     bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
3776                     bfqq->service_from_wr > max_service_from_wr) {
3777                         /* see comments on max_service_from_wr */
3778                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
3779                 }
3780         }
3781         /*
3782          * To improve latency (for this or other queues), immediately
3783          * update weight both if it must be raised and if it must be
3784          * lowered. Since, entity may be on some active tree here, and
3785          * might have a pending change of its ioprio class, invoke
3786          * next function with the last parameter unset (see the
3787          * comments on the function).
3788          */
3789         if ((entity->weight > entity->orig_weight) != (bfqq->wr_coeff > 1))
3790                 __bfq_entity_update_weight_prio(bfq_entity_service_tree(entity),
3791                                                 entity, false);
3792 }
3793
3794 /*
3795  * Dispatch next request from bfqq.
3796  */
3797 static struct request *bfq_dispatch_rq_from_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
3798                                                  struct bfq_queue *bfqq)
3799 {
3800         struct request *rq = bfqq->next_rq;
3801         unsigned long service_to_charge;
3802
3803         service_to_charge = bfq_serv_to_charge(rq, bfqq);
3804
3805         bfq_bfqq_served(bfqq, service_to_charge);
3806
3807         bfq_dispatch_remove(bfqd->queue, rq);
3808
3809         /*
3810          * If weight raising has to terminate for bfqq, then next
3811          * function causes an immediate update of bfqq's weight,
3812          * without waiting for next activation. As a consequence, on
3813          * expiration, bfqq will be timestamped as if has never been
3814          * weight-raised during this service slot, even if it has
3815          * received part or even most of the service as a
3816          * weight-raised queue. This inflates bfqq's timestamps, which
3817          * is beneficial, as bfqq is then more willing to leave the
3818          * device immediately to possible other weight-raised queues.
3819          */
3820         bfq_update_wr_data(bfqd, bfqq);
3821
3822         /*
3823          * Expire bfqq, pretending that its budget expired, if bfqq
3824          * belongs to CLASS_IDLE and other queues are waiting for
3825          * service.
3826          */
3827         if (bfqd->busy_queues > 1 && bfq_class_idle(bfqq))
3828                 goto expire;
3829
3830         return rq;
3831
3832 expire:
3833         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED);
3834         return rq;
3835 }
3836
3837 static bool bfq_has_work(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
3838 {
3839         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
3840
3841         /*
3842          * Avoiding lock: a race on bfqd->busy_queues should cause at
3843          * most a call to dispatch for nothing
3844          */
3845         return !list_empty_careful(&bfqd->dispatch) ||
3846                 bfqd->busy_queues > 0;
3847 }
3848
3849 static struct request *__bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
3850 {
3851         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
3852         struct request *rq = NULL;
3853         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
3854
3855         if (!list_empty(&bfqd->dispatch)) {
3856                 rq = list_first_entry(&bfqd->dispatch, struct request,
3857                                       queuelist);
3858                 list_del_init(&rq->queuelist);
3859
3860                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
3861
3862                 if (bfqq) {
3863                         /*
3864                          * Increment counters here, because this
3865                          * dispatch does not follow the standard
3866                          * dispatch flow (where counters are
3867                          * incremented)
3868                          */
3869                         bfqq->dispatched++;
3870
3871                         goto inc_in_driver_start_rq;
3872                 }
3873
3874                 /*
3875                  * We exploit the bfq_finish_requeue_request hook to
3876                  * decrement rq_in_driver, but
3877                  * bfq_finish_requeue_request will not be invoked on
3878                  * this request. So, to avoid unbalance, just start
3879                  * this request, without incrementing rq_in_driver. As
3880                  * a negative consequence, rq_in_driver is deceptively
3881                  * lower than it should be while this request is in
3882                  * service. This may cause bfq_schedule_dispatch to be
3883                  * invoked uselessly.
3884                  *
3885                  * As for implementing an exact solution, the
3886                  * bfq_finish_requeue_request hook, if defined, is
3887                  * probably invoked also on this request. So, by
3888                  * exploiting this hook, we could 1) increment
3889                  * rq_in_driver here, and 2) decrement it in
3890                  * bfq_finish_requeue_request. Such a solution would
3891                  * let the value of the counter be always accurate,
3892                  * but it would entail using an extra interface
3893                  * function. This cost seems higher than the benefit,
3894                  * being the frequency of non-elevator-private
3895                  * requests very low.
3896                  */
3897                 goto start_rq;
3898         }
3899
3900         bfq_log(bfqd, "dispatch requests: %d busy queues", bfqd->busy_queues);
3901
3902         if (bfqd->busy_queues == 0)
3903                 goto exit;
3904
3905         /*
3906          * Force device to serve one request at a time if
3907          * strict_guarantees is true. Forcing this service scheme is
3908          * currently the ONLY way to guarantee that the request
3909          * service order enforced by the scheduler is respected by a
3910          * queueing device. Otherwise the device is free even to make
3911          * some unlucky request wait for as long as the device
3912          * wishes.
3913          *
3914          * Of course, serving one request at at time may cause loss of
3915          * throughput.
3916          */
3917         if (bfqd->strict_guarantees && bfqd->rq_in_driver > 0)
3918                 goto exit;
3919
3920         bfqq = bfq_select_queue(bfqd);
3921         if (!bfqq)
3922                 goto exit;
3923
3924         rq = bfq_dispatch_rq_from_bfqq(bfqd, bfqq);
3925
3926         if (rq) {
3927 inc_in_driver_start_rq:
3928                 bfqd->rq_in_driver++;
3929 start_rq:
3930                 rq->rq_flags |= RQF_STARTED;
3931         }
3932 exit:
3933         return rq;
3934 }
3935
3936 #if defined(CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED) && defined(CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP)
3937 static void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
3938                                       struct request *rq,
3939                                       struct bfq_queue *in_serv_queue,
3940                                       bool idle_timer_disabled)
3941 {
3942         struct bfq_queue *bfqq = rq ? RQ_BFQQ(rq) : NULL;
3943
3944         if (!idle_timer_disabled && !bfqq)
3945                 return;
3946
3947         /*
3948          * rq and bfqq are guaranteed to exist until this function
3949          * ends, for the following reasons. First, rq can be
3950          * dispatched to the device, and then can be completed and
3951          * freed, only after this function ends. Second, rq cannot be
3952          * merged (and thus freed because of a merge) any longer,
3953          * because it has already started. Thus rq cannot be freed
3954          * before this function ends, and, since rq has a reference to
3955          * bfqq, the same guarantee holds for bfqq too.
3956          *
3957          * In addition, the following queue lock guarantees that
3958          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
3959          */
3960         spin_lock_irq(q->queue_lock);
3961         if (idle_timer_disabled)
3962                 /*
3963                  * Since the idle timer has been disabled,
3964                  * in_serv_queue contained some request when
3965                  * __bfq_dispatch_request was invoked above, which
3966                  * implies that rq was picked exactly from
3967                  * in_serv_queue. Thus in_serv_queue == bfqq, and is
3968                  * therefore guaranteed to exist because of the above
3969                  * arguments.
3970                  */
3971                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(in_serv_queue));
3972         if (bfqq) {
3973                 struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
3974
3975                 bfqg_stats_update_avg_queue_size(bfqg);
3976                 bfqg_stats_set_start_empty_time(bfqg);
3977                 bfqg_stats_update_io_remove(bfqg, rq->cmd_flags);
3978         }
3979         spin_unlock_irq(q->queue_lock);
3980 }
3981 #else
3982 static inline void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
3983                                              struct request *rq,
3984                                              struct bfq_queue *in_serv_queue,
3985                                              bool idle_timer_disabled) {}
3986 #endif
3987
3988 static struct request *bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
3989 {
3990         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
3991         struct request *rq;
3992         struct bfq_queue *in_serv_queue;
3993         bool waiting_rq, idle_timer_disabled;
3994
3995         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
3996
3997         in_serv_queue = bfqd->in_service_queue;
3998         waiting_rq = in_serv_queue && bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
3999
4000         rq = __bfq_dispatch_request(hctx);
4001
4002         idle_timer_disabled =
4003                 waiting_rq && !bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
4004
4005         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
4006
4007         bfq_update_dispatch_stats(hctx->queue, rq, in_serv_queue,
4008                                   idle_timer_disabled);
4009
4010         return rq;
4011 }
4012
4013 /*
4014  * Task holds one reference to the queue, dropped when task exits.  Each rq
4015  * in-flight on this queue also holds a reference, dropped when rq is freed.
4016  *
4017  * Scheduler lock must be held here. Recall not to use bfqq after calling
4018  * this function on it.
4019  */
4020 void bfq_put_queue(struct bfq_queue *bfqq)
4021 {
4022 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
4023         struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
4024 #endif
4025
4026         if (bfqq->bfqd)
4027                 bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "put_queue: %p %d",
4028                              bfqq, bfqq->ref);
4029
4030         bfqq->ref--;
4031         if (bfqq->ref)
4032                 return;
4033
4034         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node)) {
4035                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
4036                 /*
4037                  * Decrement also burst size after the removal, if the
4038                  * process associated with bfqq is exiting, and thus
4039                  * does not contribute to the burst any longer. This
4040                  * decrement helps filter out false positives of large
4041                  * bursts, when some short-lived process (often due to
4042                  * the execution of commands by some service) happens
4043                  * to start and exit while a complex application is
4044                  * starting, and thus spawning several processes that
4045                  * do I/O (and that *must not* be treated as a large
4046                  * burst, see comments on bfq_handle_burst).
4047                  *
4048                  * In particular, the decrement is performed only if:
4049                  * 1) bfqq is not a merged queue, because, if it is,
4050                  * then this free of bfqq is not triggered by the exit
4051                  * of the process bfqq is associated with, but exactly
4052                  * by the fact that bfqq has just been merged.
4053                  * 2) burst_size is greater than 0, to handle
4054                  * unbalanced decrements. Unbalanced decrements may
4055                  * happen in te following case: bfqq is inserted into
4056                  * the current burst list--without incrementing
4057                  * bust_size--because of a split, but the current
4058                  * burst list is not the burst list bfqq belonged to
4059                  * (see comments on the case of a split in
4060                  * bfq_set_request).
4061                  */
4062                 if (bfqq->bic && bfqq->bfqd->burst_size > 0)
4063                         bfqq->bfqd->burst_size--;
4064         }
4065
4066         kmem_cache_free(bfq_pool, bfqq);
4067 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
4068         bfqg_and_blkg_put(bfqg);
4069 #endif
4070 }
4071
4072 static void bfq_put_cooperator(struct bfq_queue *bfqq)
4073 {
4074         struct bfq_queue *__bfqq, *next;
4075
4076         /*
4077          * If this queue was scheduled to merge with another queue, be
4078          * sure to drop the reference taken on that queue (and others in
4079          * the merge chain). See bfq_setup_merge and bfq_merge_bfqqs.
4080          */
4081         __bfqq = bfqq->new_bfqq;
4082         while (__bfqq) {
4083                 if (__bfqq == bfqq)
4084                         break;
4085                 next = __bfqq->new_bfqq;
4086                 bfq_put_queue(__bfqq);
4087                 __bfqq = next;
4088         }
4089 }
4090
4091 static void bfq_exit_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
4092 {
4093         if (bfqq == bfqd->in_service_queue) {
4094                 __bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq);
4095                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
4096         }
4097
4098         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "exit_bfqq: %p, %d", bfqq, bfqq->ref);
4099
4100         bfq_put_cooperator(bfqq);
4101
4102         bfq_put_queue(bfqq); /* release process reference */
4103 }
4104
4105 static void bfq_exit_icq_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
4106 {
4107         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
4108         struct bfq_data *bfqd;
4109
4110         if (bfqq)
4111                 bfqd = bfqq->bfqd; /* NULL if scheduler already exited */
4112
4113         if (bfqq && bfqd) {
4114                 unsigned long flags;
4115
4116                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
4117                 bfq_exit_bfqq(bfqd, bfqq);
4118                 bic_set_bfqq(bic, NULL, is_sync);
4119                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
4120         }
4121 }
4122
4123 static void bfq_exit_icq(struct io_cq *icq)
4124 {
4125         struct bfq_io_cq *bic = icq_to_bic(icq);
4126
4127         bfq_exit_icq_bfqq(bic, true);
4128         bfq_exit_icq_bfqq(bic, false);
4129 }
4130
4131 /*
4132  * Update the entity prio values; note that the new values will not
4133  * be used until the next (re)activation.
4134  */
4135 static void
4136 bfq_set_next_ioprio_data(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_io_cq *bic)
4137 {
4138         struct task_struct *tsk = current;
4139         int ioprio_class;
4140         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
4141
4142         if (!bfqd)
4143                 return;
4144
4145         ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
4146         switch (ioprio_class) {
4147         default:
4148                 dev_err(bfqq->bfqd->queue->backing_dev_info->dev,
4149                         "bfq: bad prio class %d\n", ioprio_class);
4150                 /* fall through */
4151         case IOPRIO_CLASS_NONE:
4152                 /*
4153                  * No prio set, inherit CPU scheduling settings.
4154                  */
4155                 bfqq->new_ioprio = task_nice_ioprio(tsk);
4156                 bfqq->new_ioprio_class = task_nice_ioclass(tsk);
4157                 break;
4158         case IOPRIO_CLASS_RT:
4159                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
4160                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_RT;
4161                 break;
4162         case IOPRIO_CLASS_BE:
4163                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
4164                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
4165                 break;
4166         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
4167                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_IDLE;
4168                 bfqq->new_ioprio = 7;
4169                 break;
4170         }
4171
4172         if (bfqq->new_ioprio >= IOPRIO_BE_NR) {
4173                 pr_crit("bfq_set_next_ioprio_data: new_ioprio %d\n",
4174                         bfqq->new_ioprio);
4175                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_BE_NR;
4176         }
4177
4178         bfqq->entity.new_weight = bfq_ioprio_to_weight(bfqq->new_ioprio);
4179         bfqq->entity.prio_changed = 1;
4180 }
4181
4182 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
4183                                        struct bio *bio, bool is_sync,
4184                                        struct bfq_io_cq *bic);
4185
4186 static void bfq_check_ioprio_change(struct bfq_io_cq *bic, struct bio *bio)
4187 {
4188         struct bfq_data *bfqd = bic_to_bfqd(bic);
4189         struct bfq_queue *bfqq;
4190         int ioprio = bic->icq.ioc->ioprio;
4191
4192         /*
4193          * This condition may trigger on a newly created bic, be sure to
4194          * drop the lock before returning.
4195          */
4196         if (unlikely(!bfqd) || likely(bic->ioprio == ioprio))
4197                 return;
4198
4199         bic->ioprio = ioprio;
4200
4201         bfqq = bic_to_bfqq(bic, false);
4202         if (bfqq) {
4203                 /* release process reference on this queue */
4204                 bfq_put_queue(bfqq);
4205                 bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, BLK_RW_ASYNC, bic);
4206                 bic_set_bfqq(bic, bfqq, false);
4207         }
4208
4209         bfqq = bic_to_bfqq(bic, true);
4210         if (bfqq)
4211                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
4212 }
4213
4214 static void bfq_init_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
4215                           struct bfq_io_cq *bic, pid_t pid, int is_sync)
4216 {
4217         RB_CLEAR_NODE(&bfqq->entity.rb_node);
4218         INIT_LIST_HEAD(&bfqq->fifo);
4219         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->burst_list_node);
4220
4221         bfqq->ref = 0;
4222         bfqq->bfqd = bfqd;
4223
4224         if (bic)
4225                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
4226
4227         if (is_sync) {
4228                 /*
4229                  * No need to mark as has_short_ttime if in
4230                  * idle_class, because no device idling is performed
4231                  * for queues in idle class
4232                  */
4233                 if (!bfq_class_idle(bfqq))
4234                         /* tentatively mark as has_short_ttime */
4235                         bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4236                 bfq_mark_bfqq_sync(bfqq);
4237                 bfq_mark_bfqq_just_created(bfqq);
4238         } else
4239                 bfq_clear_bfqq_sync(bfqq);
4240
4241         /* set end request to minus infinity from now */
4242         bfqq->ttime.last_end_request = ktime_get_ns() + 1;
4243
4244         bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
4245
4246         bfqq->pid = pid;
4247
4248         /* Tentative initial value to trade off between thr and lat */
4249         bfqq->max_budget = (2 * bfq_max_budget(bfqd)) / 3;
4250         bfqq->budget_timeout = bfq_smallest_from_now();
4251
4252         bfqq->wr_coeff = 1;
4253         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
4254         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
4255         bfqq->split_time = bfq_smallest_from_now();
4256
4257         /*
4258          * To not forget the possibly high bandwidth consumed by a
4259          * process/queue in the recent past,
4260          * bfq_bfqq_softrt_next_start() returns a value at least equal
4261          * to the current value of bfqq->soft_rt_next_start (see
4262          * comments on bfq_bfqq_softrt_next_start).  Set
4263          * soft_rt_next_start to now, to mean that bfqq has consumed
4264          * no bandwidth so far.
4265          */
4266         bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
4267
4268         /* first request is almost certainly seeky */
4269         bfqq->seek_history = 1;
4270 }
4271
4272 static struct bfq_queue **bfq_async_queue_prio(struct bfq_data *bfqd,
4273                                                struct bfq_group *bfqg,
4274                                                int ioprio_class, int ioprio)
4275 {
4276         switch (ioprio_class) {
4277         case IOPRIO_CLASS_RT:
4278                 return &bfqg->async_bfqq[0][ioprio];
4279         case IOPRIO_CLASS_NONE:
4280                 ioprio = IOPRIO_NORM;
4281                 /* fall through */
4282         case IOPRIO_CLASS_BE:
4283                 return &bfqg->async_bfqq[1][ioprio];
4284         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
4285                 return &bfqg->async_idle_bfqq;
4286         default:
4287                 return NULL;
4288         }
4289 }
4290
4291 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
4292                                        struct bio *bio, bool is_sync,
4293                                        struct bfq_io_cq *bic)
4294 {
4295         const int ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
4296         const int ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
4297         struct bfq_queue **async_bfqq = NULL;
4298         struct bfq_queue *bfqq;
4299         struct bfq_group *bfqg;
4300
4301         rcu_read_lock();
4302
4303         bfqg = bfq_find_set_group(bfqd, bio_blkcg(bio));
4304         if (!bfqg) {
4305                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
4306                 goto out;
4307         }
4308
4309         if (!is_sync) {
4310                 async_bfqq = bfq_async_queue_prio(bfqd, bfqg, ioprio_class,
4311                                                   ioprio);
4312                 bfqq = *async_bfqq;
4313                 if (bfqq)
4314                         goto out;
4315         }
4316
4317         bfqq = kmem_cache_alloc_node(bfq_pool,
4318                                      GFP_NOWAIT | __GFP_ZERO | __GFP_NOWARN,
4319                                      bfqd->queue->node);
4320
4321         if (bfqq) {
4322                 bfq_init_bfqq(bfqd, bfqq, bic, current->pid,
4323                               is_sync);
4324                 bfq_init_entity(&bfqq->entity, bfqg);
4325                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "allocated");
4326         } else {
4327                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
4328                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "using oom bfqq");
4329                 goto out;
4330         }
4331
4332         /*
4333          * Pin the queue now that it's allocated, scheduler exit will
4334          * prune it.
4335          */
4336         if (async_bfqq) {
4337                 bfqq->ref++; /*
4338                               * Extra group reference, w.r.t. sync
4339                               * queue. This extra reference is removed
4340                               * only if bfqq->bfqg disappears, to
4341                               * guarantee that this queue is not freed
4342                               * until its group goes away.
4343                               */
4344                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_queue, bfqq not in async: %p, %d",
4345                              bfqq, bfqq->ref);
4346                 *async_bfqq = bfqq;
4347         }
4348
4349 out:
4350         bfqq->ref++; /* get a process reference to this queue */
4351         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_queue, at end: %p, %d", bfqq, bfqq->ref);
4352         rcu_read_unlock();
4353         return bfqq;
4354 }
4355
4356 static void bfq_update_io_thinktime(struct bfq_data *bfqd,
4357                                     struct bfq_queue *bfqq)
4358 {
4359         struct bfq_ttime *ttime = &bfqq->ttime;
4360         u64 elapsed = ktime_get_ns() - bfqq->ttime.last_end_request;
4361
4362         elapsed = min_t(u64, elapsed, 2ULL * bfqd->bfq_slice_idle);
4363
4364         ttime->ttime_samples = (7*bfqq->ttime.ttime_samples + 256) / 8;
4365         ttime->ttime_total = div_u64(7*ttime->ttime_total + 256*elapsed,  8);
4366         ttime->ttime_mean = div64_ul(ttime->ttime_total + 128,
4367                                      ttime->ttime_samples);
4368 }
4369
4370 static void
4371 bfq_update_io_seektime(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
4372                        struct request *rq)
4373 {
4374         bfqq->seek_history <<= 1;
4375         bfqq->seek_history |=
4376                 get_sdist(bfqq->last_request_pos, rq) > BFQQ_SEEK_THR &&
4377                 (!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) ||
4378                  blk_rq_sectors(rq) < BFQQ_SECT_THR_NONROT);
4379 }
4380
4381 static void bfq_update_has_short_ttime(struct bfq_data *bfqd,
4382                                        struct bfq_queue *bfqq,
4383                                        struct bfq_io_cq *bic)
4384 {
4385         bool has_short_ttime = true;
4386
4387         /*
4388          * No need to update has_short_ttime if bfqq is async or in
4389          * idle io prio class, or if bfq_slice_idle is zero, because
4390          * no device idling is performed for bfqq in this case.
4391          */
4392         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfq_class_idle(bfqq) ||
4393             bfqd->bfq_slice_idle == 0)
4394                 return;
4395
4396         /* Idle window just restored, statistics are meaningless. */
4397         if (time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
4398                                      bfqd->bfq_wr_min_idle_time))
4399                 return;
4400
4401         /* Think time is infinite if no process is linked to
4402          * bfqq. Otherwise check average think time to
4403          * decide whether to mark as has_short_ttime
4404          */
4405         if (atomic_read(&bic->icq.ioc->active_ref) == 0 ||
4406             (bfq_sample_valid(bfqq->ttime.ttime_samples) &&
4407              bfqq->ttime.ttime_mean > bfqd->bfq_slice_idle))
4408                 has_short_ttime = false;
4409
4410         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "update_has_short_ttime: has_short_ttime %d",
4411                      has_short_ttime);
4412
4413         if (has_short_ttime)
4414                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4415         else
4416                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4417 }
4418
4419 /*
4420  * Called when a new fs request (rq) is added to bfqq.  Check if there's
4421  * something we should do about it.
4422  */
4423 static void bfq_rq_enqueued(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
4424                             struct request *rq)
4425 {
4426         struct bfq_io_cq *bic = RQ_BIC(rq);
4427
4428         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
4429                 bfqq->meta_pending++;
4430
4431         bfq_update_io_thinktime(bfqd, bfqq);
4432         bfq_update_has_short_ttime(bfqd, bfqq, bic);
4433         bfq_update_io_seektime(bfqd, bfqq, rq);
4434
4435         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4436                      "rq_enqueued: has_short_ttime=%d (seeky %d)",
4437                      bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq), BFQQ_SEEKY(bfqq));
4438
4439         bfqq->last_request_pos = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
4440
4441         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
4442                 bool small_req = bfqq->queued[rq_is_sync(rq)] == 1 &&
4443                                  blk_rq_sectors(rq) < 32;
4444                 bool budget_timeout = bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
4445
4446                 /*
4447                  * There is just this request queued: if the request
4448                  * is small and the queue is not to be expired, then
4449                  * just exit.
4450                  *
4451                  * In this way, if the device is being idled to wait
4452                  * for a new request from the in-service queue, we
4453                  * avoid unplugging the device and committing the
4454                  * device to serve just a small request. On the
4455                  * contrary, we wait for the block layer to decide
4456                  * when to unplug the device: hopefully, new requests
4457                  * will be merged to this one quickly, then the device
4458                  * will be unplugged and larger requests will be
4459                  * dispatched.
4460                  */
4461                 if (small_req && !budget_timeout)
4462                         return;
4463
4464                 /*
4465                  * A large enough request arrived, or the queue is to
4466                  * be expired: in both cases disk idling is to be
4467                  * stopped, so clear wait_request flag and reset
4468                  * timer.
4469                  */
4470                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
4471                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
4472
4473                 /*
4474                  * The queue is not empty, because a new request just
4475                  * arrived. Hence we can safely expire the queue, in
4476                  * case of budget timeout, without risking that the
4477                  * timestamps of the queue are not updated correctly.
4478                  * See [1] for more details.
4479                  */
4480                 if (budget_timeout)
4481                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
4482                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
4483         }
4484 }
4485
4486 /* returns true if it causes the idle timer to be disabled */
4487 static bool __bfq_insert_request(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
4488 {
4489         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq),
4490                 *new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, rq, true);
4491         bool waiting, idle_timer_disabled = false;
4492
4493         if (new_bfqq) {
4494                 if (bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1) != bfqq)
4495                         new_bfqq = bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1);
4496                 /*
4497                  * Release the request's reference to the old bfqq
4498                  * and make sure one is taken to the shared queue.
4499                  */
4500                 new_bfqq->allocated++;
4501                 bfqq->allocated--;
4502                 new_bfqq->ref++;
4503                 /*
4504                  * If the bic associated with the process
4505                  * issuing this request still points to bfqq
4506                  * (and thus has not been already redirected
4507                  * to new_bfqq or even some other bfq_queue),
4508                  * then complete the merge and redirect it to
4509                  * new_bfqq.
4510                  */
4511                 if (bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1) == bfqq)
4512                         bfq_merge_bfqqs(bfqd, RQ_BIC(rq),
4513                                         bfqq, new_bfqq);
4514
4515                 bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
4516                 /*
4517                  * rq is about to be enqueued into new_bfqq,
4518                  * release rq reference on bfqq
4519                  */
4520                 bfq_put_queue(bfqq);
4521                 rq->elv.priv[1] = new_bfqq;
4522                 bfqq = new_bfqq;
4523         }
4524
4525         waiting = bfqq && bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
4526         bfq_add_request(rq);
4527         idle_timer_disabled = waiting && !bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
4528
4529         rq->fifo_time = ktime_get_ns() + bfqd->bfq_fifo_expire[rq_is_sync(rq)];
4530         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqq->fifo);
4531
4532         bfq_rq_enqueued(bfqd, bfqq, rq);
4533
4534         return idle_timer_disabled;
4535 }
4536
4537 #if defined(CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED) && defined(CONFIG_DEBUG_BLK_CGROUP)
4538 static void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
4539                                     struct bfq_queue *bfqq,
4540                                     bool idle_timer_disabled,
4541                                     unsigned int cmd_flags)
4542 {
4543         if (!bfqq)
4544                 return;
4545
4546         /*
4547          * bfqq still exists, because it can disappear only after
4548          * either it is merged with another queue, or the process it
4549          * is associated with exits. But both actions must be taken by
4550          * the same process currently executing this flow of
4551          * instructions.
4552          *
4553          * In addition, the following queue lock guarantees that
4554          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
4555          */
4556         spin_lock_irq(q->queue_lock);
4557         bfqg_stats_update_io_add(bfqq_group(bfqq), bfqq, cmd_flags);
4558         if (idle_timer_disabled)
4559                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(bfqq));
4560         spin_unlock_irq(q->queue_lock);
4561 }
4562 #else
4563 static inline void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
4564                                            struct bfq_queue *bfqq,
4565                                            bool idle_timer_disabled,
4566                                            unsigned int cmd_flags) {}
4567 #endif
4568
4569 static void bfq_insert_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct request *rq,
4570                                bool at_head)
4571 {
4572         struct request_queue *q = hctx->queue;
4573         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
4574         struct bfq_queue *bfqq;
4575         bool idle_timer_disabled = false;
4576         unsigned int cmd_flags;
4577
4578         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
4579         if (blk_mq_sched_try_insert_merge(q, rq)) {
4580                 spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
4581                 return;
4582         }
4583
4584         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
4585
4586         blk_mq_sched_request_inserted(rq);
4587
4588         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
4589         bfqq = bfq_init_rq(rq);
4590         if (at_head || blk_rq_is_passthrough(rq)) {
4591                 if (at_head)
4592                         list_add(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
4593                 else
4594                         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
4595         } else { /* bfqq is assumed to be non null here */
4596                 idle_timer_disabled = __bfq_insert_request(bfqd, rq);
4597                 /*
4598                  * Update bfqq, because, if a queue merge has occurred
4599                  * in __bfq_insert_request, then rq has been
4600                  * redirected into a new queue.
4601                  */
4602                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
4603
4604                 if (rq_mergeable(rq)) {
4605                         elv_rqhash_add(q, rq);
4606                         if (!q->last_merge)
4607                                 q->last_merge = rq;
4608                 }
4609         }
4610
4611         /*
4612          * Cache cmd_flags before releasing scheduler lock, because rq
4613          * may disappear afterwards (for example, because of a request
4614          * merge).
4615          */
4616         cmd_flags = rq->cmd_flags;
4617
4618         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
4619
4620         bfq_update_insert_stats(q, bfqq, idle_timer_disabled,
4621                                 cmd_flags);
4622 }
4623
4624 static void bfq_insert_requests(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
4625                                 struct list_head *list, bool at_head)
4626 {
4627         while (!list_empty(list)) {
4628                 struct request *rq;
4629
4630                 rq = list_first_entry(list, struct request, queuelist);
4631                 list_del_init(&rq->queuelist);
4632                 bfq_insert_request(hctx, rq, at_head);
4633         }
4634 }
4635
4636 static void bfq_update_hw_tag(struct bfq_data *bfqd)
4637 {
4638         bfqd->max_rq_in_driver = max_t(int, bfqd->max_rq_in_driver,
4639                                        bfqd->rq_in_driver);
4640
4641         if (bfqd->hw_tag == 1)
4642                 return;
4643
4644         /*
4645          * This sample is valid if the number of outstanding requests
4646          * is large enough to allow a queueing behavior.  Note that the
4647          * sum is not exact, as it's not taking into account deactivated
4648          * requests.
4649          */
4650         if (bfqd->rq_in_driver + bfqd->queued < BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
4651                 return;
4652
4653         if (bfqd->hw_tag_samples++ < BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES)
4654                 return;
4655
4656         bfqd->hw_tag = bfqd->max_rq_in_driver > BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD;
4657         bfqd->max_rq_in_driver = 0;
4658         bfqd->hw_tag_samples = 0;
4659 }
4660
4661 static void bfq_completed_request(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd)
4662 {
4663         u64 now_ns;
4664         u32 delta_us;
4665
4666         bfq_update_hw_tag(bfqd);
4667
4668         bfqd->rq_in_driver--;
4669         bfqq->dispatched--;
4670
4671         if (!bfqq->dispatched && !bfq_bfqq_busy(bfqq)) {
4672                 /*
4673                  * Set budget_timeout (which we overload to store the
4674                  * time at which the queue remains with no backlog and
4675                  * no outstanding request; used by the weight-raising
4676                  * mechanism).
4677                  */
4678                 bfqq->budget_timeout = jiffies;
4679
4680                 bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq);
4681         }
4682
4683         now_ns = ktime_get_ns();
4684
4685         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns;
4686
4687         /*
4688          * Using us instead of ns, to get a reasonable precision in
4689          * computing rate in next check.
4690          */
4691         delta_us = div_u64(now_ns - bfqd->last_completion, NSEC_PER_USEC);
4692
4693         /*
4694          * If the request took rather long to complete, and, according
4695          * to the maximum request size recorded, this completion latency
4696          * implies that the request was certainly served at a very low
4697          * rate (less than 1M sectors/sec), then the whole observation
4698          * interval that lasts up to this time instant cannot be a
4699          * valid time interval for computing a new peak rate.  Invoke
4700          * bfq_update_rate_reset to have the following three steps
4701          * taken:
4702          * - close the observation interval at the last (previous)
4703          *   request dispatch or completion
4704          * - compute rate, if possible, for that observation interval
4705          * - reset to zero samples, which will trigger a proper
4706          *   re-initialization of the observation interval on next
4707          *   dispatch
4708          */
4709         if (delta_us > BFQ_MIN_TT/NSEC_PER_USEC &&
4710            (bfqd->last_rq_max_size<<BFQ_RATE_SHIFT)/delta_us <
4711                         1UL<<(BFQ_RATE_SHIFT - 10))
4712                 bfq_update_rate_reset(bfqd, NULL);
4713         bfqd->last_completion = now_ns;
4714
4715         /*
4716          * If we are waiting to discover whether the request pattern
4717          * of the task associated with the queue is actually
4718          * isochronous, and both requisites for this condition to hold
4719          * are now satisfied, then compute soft_rt_next_start (see the
4720          * comments on the function bfq_bfqq_softrt_next_start()). We
4721          * schedule this delayed check when bfqq expires, if it still
4722          * has in-flight requests.
4723          */
4724         if (bfq_bfqq_softrt_update(bfqq) && bfqq->dispatched == 0 &&
4725             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list))
4726                 bfqq->soft_rt_next_start =
4727                         bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
4728
4729         /*
4730          * If this is the in-service queue, check if it needs to be expired,
4731          * or if we want to idle in case it has no pending requests.
4732          */
4733         if (bfqd->in_service_queue == bfqq) {
4734                 if (bfq_bfqq_must_idle(bfqq)) {
4735                         if (bfqq->dispatched == 0)
4736                                 bfq_arm_slice_timer(bfqd);
4737                         /*
4738                          * If we get here, we do not expire bfqq, even
4739                          * if bfqq was in budget timeout or had no
4740                          * more requests (as controlled in the next
4741                          * conditional instructions). The reason for
4742                          * not expiring bfqq is as follows.
4743                          *
4744                          * Here bfqq->dispatched > 0 holds, but
4745                          * bfq_bfqq_must_idle() returned true. This
4746                          * implies that, even if no request arrives
4747                          * for bfqq before bfqq->dispatched reaches 0,
4748                          * bfqq will, however, not be expired on the
4749                          * completion event that causes bfqq->dispatch
4750                          * to reach zero. In contrast, on this event,
4751                          * bfqq will start enjoying device idling
4752                          * (I/O-dispatch plugging).
4753                          *
4754                          * But, if we expired bfqq here, bfqq would
4755                          * not have the chance to enjoy device idling
4756                          * when bfqq->dispatched finally reaches
4757                          * zero. This would expose bfqq to violation
4758                          * of its reserved service guarantees.
4759                          */
4760                         return;
4761                 } else if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq))
4762                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
4763                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
4764                 else if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
4765                          (bfqq->dispatched == 0 ||
4766                           !bfq_better_to_idle(bfqq)))
4767                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
4768                                         BFQQE_NO_MORE_REQUESTS);
4769         }
4770
4771         if (!bfqd->rq_in_driver)
4772                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
4773 }
4774
4775 static void bfq_finish_requeue_request_body(struct bfq_queue *bfqq)
4776 {
4777         bfqq->allocated--;
4778
4779         bfq_put_queue(bfqq);
4780 }
4781
4782 /*
4783  * Handle either a requeue or a finish for rq. The things to do are
4784  * the same in both cases: all references to rq are to be dropped. In
4785  * particular, rq is considered completed from the point of view of
4786  * the scheduler.
4787  */
4788 static void bfq_finish_requeue_request(struct request *rq)
4789 {
4790         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
4791         struct bfq_data *bfqd;
4792
4793         /*
4794          * Requeue and finish hooks are invoked in blk-mq without
4795          * checking whether the involved request is actually still
4796          * referenced in the scheduler. To handle this fact, the
4797          * following two checks make this function exit in case of
4798          * spurious invocations, for which there is nothing to do.
4799          *
4800          * First, check whether rq has nothing to do with an elevator.
4801          */
4802         if (unlikely(!(rq->rq_flags & RQF_ELVPRIV)))
4803                 return;
4804
4805         /*
4806          * rq either is not associated with any icq, or is an already
4807          * requeued request that has not (yet) been re-inserted into
4808          * a bfq_queue.
4809          */
4810         if (!rq->elv.icq || !bfqq)
4811                 return;
4812
4813         bfqd = bfqq->bfqd;
4814
4815         if (rq->rq_flags & RQF_STARTED)
4816                 bfqg_stats_update_completion(bfqq_group(bfqq),
4817                                              rq->start_time_ns,
4818                                              rq->io_start_time_ns,
4819                                              rq->cmd_flags);
4820
4821         if (likely(rq->rq_flags & RQF_STARTED)) {
4822                 unsigned long flags;
4823
4824                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
4825
4826                 bfq_completed_request(bfqq, bfqd);
4827                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
4828
4829                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
4830         } else {
4831                 /*
4832                  * Request rq may be still/already in the scheduler,
4833                  * in which case we need to remove it (this should
4834                  * never happen in case of requeue). And we cannot
4835                  * defer such a check and removal, to avoid
4836                  * inconsistencies in the time interval from the end
4837                  * of this function to the start of the deferred work.
4838                  * This situation seems to occur only in process
4839                  * context, as a consequence of a merge. In the
4840                  * current version of the code, this implies that the
4841                  * lock is held.
4842                  */
4843
4844                 if (!RB_EMPTY_NODE(&rq->rb_node)) {
4845                         bfq_remove_request(rq->q, rq);
4846                         bfqg_stats_update_io_remove(bfqq_group(bfqq),
4847                                                     rq->cmd_flags);
4848                 }
4849                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
4850         }
4851
4852         /*
4853          * Reset private fields. In case of a requeue, this allows
4854          * this function to correctly do nothing if it is spuriously
4855          * invoked again on this same request (see the check at the
4856          * beginning of the function). Probably, a better general
4857          * design would be to prevent blk-mq from invoking the requeue
4858          * or finish hooks of an elevator, for a request that is not
4859          * referred by that elevator.
4860          *
4861          * Resetting the following fields would break the
4862          * request-insertion logic if rq is re-inserted into a bfq
4863          * internal queue, without a re-preparation. Here we assume
4864          * that re-insertions of requeued requests, without
4865          * re-preparation, can happen only for pass_through or at_head
4866          * requests (which are not re-inserted into bfq internal
4867          * queues).
4868          */
4869         rq->elv.priv[0] = NULL;
4870         rq->elv.priv[1] = NULL;
4871 }
4872
4873 /*
4874  * Returns NULL if a new bfqq should be allocated, or the old bfqq if this
4875  * was the last process referring to that bfqq.
4876  */
4877 static struct bfq_queue *
4878 bfq_split_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq)
4879 {
4880         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "splitting queue");
4881
4882         if (bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
4883                 bfqq->pid = current->pid;
4884                 bfq_clear_bfqq_coop(bfqq);
4885                 bfq_clear_bfqq_split_coop(bfqq);
4886                 return bfqq;
4887         }
4888
4889         bic_set_bfqq(bic, NULL, 1);
4890
4891         bfq_put_cooperator(bfqq);
4892
4893         bfq_put_queue(bfqq);
4894         return NULL;
4895 }
4896
4897 static struct bfq_queue *bfq_get_bfqq_handle_split(struct bfq_data *bfqd,
4898                                                    struct bfq_io_cq *bic,
4899                                                    struct bio *bio,
4900                                                    bool split, bool is_sync,
4901                                                    bool *new_queue)
4902 {
4903         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
4904
4905         if (likely(bfqq && bfqq != &bfqd->oom_bfqq))
4906                 return bfqq;
4907
4908         if (new_queue)
4909                 *new_queue = true;
4910
4911         if (bfqq)
4912                 bfq_put_queue(bfqq);
4913         bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, is_sync, bic);
4914
4915         bic_set_bfqq(bic, bfqq, is_sync);
4916         if (split && is_sync) {
4917                 if ((bic->was_in_burst_list && bfqd->large_burst) ||
4918                     bic->saved_in_large_burst)
4919                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
4920                 else {
4921                         bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
4922                         if (bic->was_in_burst_list)
4923                                 /*
4924                                  * If bfqq was in the current
4925                                  * burst list before being
4926                                  * merged, then we have to add
4927                                  * it back. And we do not need
4928                                  * to increase burst_size, as
4929                                  * we did not decrement
4930                                  * burst_size when we removed
4931                                  * bfqq from the burst list as
4932                                  * a consequence of a merge
4933                                  * (see comments in
4934                                  * bfq_put_queue). In this
4935                                  * respect, it would be rather
4936                                  * costly to know whether the
4937                                  * current burst list is still
4938                                  * the same burst list from
4939                                  * which bfqq was removed on
4940                                  * the merge. To avoid this
4941                                  * cost, if bfqq was in a
4942                                  * burst list, then we add
4943                                  * bfqq to the current burst
4944                                  * list without any further
4945                                  * check. This can cause
4946                                  * inappropriate insertions,
4947                                  * but rarely enough to not
4948                                  * harm the detection of large
4949                                  * bursts significantly.
4950                                  */
4951                                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node,
4952                                                &bfqd->burst_list);
4953                 }
4954                 bfqq->split_time = jiffies;
4955         }
4956
4957         return bfqq;
4958 }
4959
4960 /*
4961  * Only reset private fields. The actual request preparation will be
4962  * performed by bfq_init_rq, when rq is either inserted or merged. See
4963  * comments on bfq_init_rq for the reason behind this delayed
4964  * preparation.
4965  */
4966 static void bfq_prepare_request(struct request *rq, struct bio *bio)
4967 {
4968         /*
4969          * Regardless of whether we have an icq attached, we have to
4970          * clear the scheduler pointers, as they might point to
4971          * previously allocated bic/bfqq structs.
4972          */
4973         rq->elv.priv[0] = rq->elv.priv[1] = NULL;
4974 }
4975
4976 /*
4977  * If needed, init rq, allocate bfq data structures associated with
4978  * rq, and increment reference counters in the destination bfq_queue
4979  * for rq. Return the destination bfq_queue for rq, or NULL is rq is
4980  * not associated with any bfq_queue.
4981  *
4982  * This function is invoked by the functions that perform rq insertion
4983  * or merging. One may have expected the above preparation operations
4984  * to be performed in bfq_prepare_request, and not delayed to when rq
4985  * is inserted or merged. The rationale behind this delayed
4986  * preparation is that, after the prepare_request hook is invoked for
4987  * rq, rq may still be transformed into a request with no icq, i.e., a
4988  * request not associated with any queue. No bfq hook is invoked to
4989  * signal this tranformation. As a consequence, should these
4990  * preparation operations be performed when the prepare_request hook
4991  * is invoked, and should rq be transformed one moment later, bfq
4992  * would end up in an inconsistent state, because it would have
4993  * incremented some queue counters for an rq destined to
4994  * transformation, without any chance to correctly lower these
4995  * counters back. In contrast, no transformation can still happen for
4996  * rq after rq has been inserted or merged. So, it is safe to execute
4997  * these preparation operations when rq is finally inserted or merged.
4998  */
4999 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq)
5000 {
5001         struct request_queue *q = rq->q;
5002         struct bio *bio = rq->bio;
5003         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
5004         struct bfq_io_cq *bic;
5005         const int is_sync = rq_is_sync(rq);
5006         struct bfq_queue *bfqq;
5007         bool new_queue = false;
5008         bool bfqq_already_existing = false, split = false;
5009
5010         if (unlikely(!rq->elv.icq))
5011                 return NULL;
5012
5013         /*
5014          * Assuming that elv.priv[1] is set only if everything is set
5015          * for this rq. This holds true, because this function is
5016          * invoked only for insertion or merging, and, after such
5017          * events, a request cannot be manipulated any longer before
5018          * being removed from bfq.
5019          */
5020         if (rq->elv.priv[1])
5021                 return rq->elv.priv[1];
5022
5023         bic = icq_to_bic(rq->elv.icq);
5024
5025         bfq_check_ioprio_change(bic, bio);
5026
5027         bfq_bic_update_cgroup(bic, bio);
5028
5029         bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio, false, is_sync,
5030                                          &new_queue);
5031
5032         if (likely(!new_queue)) {
5033                 /* If the queue was seeky for too long, break it apart. */
5034                 if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && bfq_bfqq_split_coop(bfqq)) {
5035                         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "breaking apart bfqq");
5036
5037                         /* Update bic before losing reference to bfqq */
5038                         if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
5039                                 bic->saved_in_large_burst = true;
5040
5041                         bfqq = bfq_split_bfqq(bic, bfqq);
5042                         split = true;
5043
5044                         if (!bfqq)
5045                                 bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio,
5046                                                                  true, is_sync,
5047                                                                  NULL);
5048                         else
5049                                 bfqq_already_existing = true;
5050                 }
5051         }
5052
5053         bfqq->allocated++;
5054         bfqq->ref++;
5055         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_request %p: bfqq %p, %d",
5056                      rq, bfqq, bfqq->ref);
5057
5058         rq->elv.priv[0] = bic;
5059         rq->elv.priv[1] = bfqq;
5060
5061         /*
5062          * If a bfq_queue has only one process reference, it is owned
5063          * by only this bic: we can then set bfqq->bic = bic. in
5064          * addition, if the queue has also just been split, we have to
5065          * resume its state.
5066          */
5067         if (likely(bfqq != &bfqd->oom_bfqq) && bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
5068                 bfqq->bic = bic;
5069                 if (split) {
5070                         /*
5071                          * The queue has just been split from a shared
5072                          * queue: restore the idle window and the
5073                          * possible weight raising period.
5074                          */
5075                         bfq_bfqq_resume_state(bfqq, bfqd, bic,
5076                                               bfqq_already_existing);
5077                 }
5078         }
5079
5080         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq)))
5081                 bfq_handle_burst(bfqd, bfqq);
5082
5083         return bfqq;
5084 }
5085
5086 static void bfq_idle_slice_timer_body(struct bfq_queue *bfqq)
5087 {
5088         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
5089         enum bfqq_expiration reason;
5090         unsigned long flags;
5091
5092         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5093         bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
5094
5095         if (bfqq != bfqd->in_service_queue) {
5096                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5097                 return;
5098         }
5099
5100         if (bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq))
5101                 /*
5102                  * Also here the queue can be safely expired
5103                  * for budget timeout without wasting
5104                  * guarantees
5105                  */
5106                 reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
5107         else if (bfqq->queued[0] == 0 && bfqq->queued[1] == 0)
5108                 /*
5109                  * The queue may not be empty upon timer expiration,
5110                  * because we may not disable the timer when the
5111                  * first request of the in-service queue arrives
5112                  * during disk idling.
5113                  */
5114                 reason = BFQQE_TOO_IDLE;
5115         else
5116                 goto schedule_dispatch;
5117
5118         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, true, reason);
5119
5120 schedule_dispatch:
5121         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5122         bfq_schedule_dispatch(bfqd);
5123 }
5124
5125 /*
5126  * Handler of the expiration of the timer running if the in-service queue
5127  * is idling inside its time slice.
5128  */
5129 static enum hrtimer_restart bfq_idle_slice_timer(struct hrtimer *timer)
5130 {
5131         struct bfq_data *bfqd = container_of(timer, struct bfq_data,
5132                                              idle_slice_timer);
5133         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
5134
5135         /*
5136          * Theoretical race here: the in-service queue can be NULL or
5137          * different from the queue that was idling if a new request
5138          * arrives for the current queue and there is a full dispatch
5139          * cycle that changes the in-service queue.  This can hardly
5140          * happen, but in the worst case we just expire a queue too
5141          * early.
5142          */
5143         if (bfqq)
5144                 bfq_idle_slice_timer_body(bfqq);
5145
5146         return HRTIMER_NORESTART;
5147 }
5148
5149 static void __bfq_put_async_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
5150                                  struct bfq_queue **bfqq_ptr)
5151 {
5152         struct bfq_queue *bfqq = *bfqq_ptr;
5153
5154         bfq_log(bfqd, "put_async_bfqq: %p", bfqq);
5155         if (bfqq) {
5156                 bfq_bfqq_move(bfqd, bfqq, bfqd->root_group);
5157
5158                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "put_async_bfqq: putting %p, %d",
5159                              bfqq, bfqq->ref);
5160                 bfq_put_queue(bfqq);
5161                 *bfqq_ptr = NULL;
5162         }
5163 }
5164
5165 /*
5166  * Release all the bfqg references to its async queues.  If we are
5167  * deallocating the group these queues may still contain requests, so
5168  * we reparent them to the root cgroup (i.e., the only one that will
5169  * exist for sure until all the requests on a device are gone).
5170  */
5171 void bfq_put_async_queues(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_group *bfqg)
5172 {
5173         int i, j;
5174
5175         for (i = 0; i < 2; i++)
5176                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
5177                         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_bfqq[i][j]);
5178
5179         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_idle_bfqq);
5180 }
5181
5182 /*
5183  * See the comments on bfq_limit_depth for the purpose of
5184  * the depths set in the function. Return minimum shallow depth we'll use.
5185  */
5186 static unsigned int bfq_update_depths(struct bfq_data *bfqd,
5187                                       struct sbitmap_queue *bt)
5188 {
5189         unsigned int i, j, min_shallow = UINT_MAX;
5190
5191         /*
5192          * In-word depths if no bfq_queue is being weight-raised:
5193          * leaving 25% of tags only for sync reads.
5194          *
5195          * In next formulas, right-shift the value
5196          * (1U<<bt->sb.shift), instead of computing directly
5197          * (1U<<(bt->sb.shift - something)), to be robust against
5198          * any possible value of bt->sb.shift, without having to
5199          * limit 'something'.
5200          */
5201         /* no more than 50% of tags for async I/O */
5202         bfqd->word_depths[0][0] = max((1U << bt->sb.shift) >> 1, 1U);
5203         /*
5204          * no more than 75% of tags for sync writes (25% extra tags
5205          * w.r.t. async I/O, to prevent async I/O from starving sync
5206          * writes)
5207          */
5208         bfqd->word_depths[0][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 2, 1U);
5209
5210         /*
5211          * In-word depths in case some bfq_queue is being weight-
5212          * raised: leaving ~63% of tags for sync reads. This is the
5213          * highest percentage for which, in our tests, application
5214          * start-up times didn't suffer from any regression due to tag
5215          * shortage.
5216          */
5217         /* no more than ~18% of tags for async I/O */
5218         bfqd->word_depths[1][0] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 4, 1U);
5219         /* no more than ~37% of tags for sync writes (~20% extra tags) */
5220         bfqd->word_depths[1][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 6) >> 4, 1U);
5221
5222         for (i = 0; i < 2; i++)
5223                 for (j = 0; j < 2; j++)
5224                         min_shallow = min(min_shallow, bfqd->word_depths[i][j]);
5225
5226         return min_shallow;
5227 }
5228
5229 static void bfq_depth_updated(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
5230 {
5231         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
5232         struct blk_mq_tags *tags = hctx->sched_tags;
5233         unsigned int min_shallow;
5234
5235         min_shallow = bfq_update_depths(bfqd, &tags->bitmap_tags);
5236         sbitmap_queue_min_shallow_depth(&tags->bitmap_tags, min_shallow);
5237 }
5238
5239 static int bfq_init_hctx(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, unsigned int index)
5240 {
5241         bfq_depth_updated(hctx);
5242         return 0;
5243 }
5244
5245 static void bfq_exit_queue(struct elevator_queue *e)
5246 {
5247         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
5248         struct bfq_queue *bfqq, *n;
5249
5250         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
5251
5252         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5253         list_for_each_entry_safe(bfqq, n, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
5254                 bfq_deactivate_bfqq(bfqd, bfqq, false, false);
5255         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5256
5257         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
5258
5259 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5260         /* release oom-queue reference to root group */
5261         bfqg_and_blkg_put(bfqd->root_group);
5262
5263         blkcg_deactivate_policy(bfqd->queue, &blkcg_policy_bfq);
5264 #else
5265         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5266         bfq_put_async_queues(bfqd, bfqd->root_group);
5267         kfree(bfqd->root_group);
5268         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5269 #endif
5270
5271         kfree(bfqd);
5272 }
5273
5274 static void bfq_init_root_group(struct bfq_group *root_group,
5275                                 struct bfq_data *bfqd)
5276 {
5277         int i;
5278
5279 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5280         root_group->entity.parent = NULL;
5281         root_group->my_entity = NULL;
5282         root_group->bfqd = bfqd;
5283 #endif
5284         root_group->rq_pos_tree = RB_ROOT;
5285         for (i = 0; i < BFQ_IOPRIO_CLASSES; i++)
5286                 root_group->sched_data.service_tree[i] = BFQ_SERVICE_TREE_INIT;
5287         root_group->sched_data.bfq_class_idle_last_service = jiffies;
5288 }
5289
5290 static int bfq_init_queue(struct request_queue *q, struct elevator_type *e)
5291 {
5292         struct bfq_data *bfqd;
5293         struct elevator_queue *eq;
5294
5295         eq = elevator_alloc(q, e);
5296         if (!eq)
5297                 return -ENOMEM;
5298
5299         bfqd = kzalloc_node(sizeof(*bfqd), GFP_KERNEL, q->node);
5300         if (!bfqd) {
5301                 kobject_put(&eq->kobj);
5302                 return -ENOMEM;
5303         }
5304         eq->elevator_data = bfqd;
5305
5306         spin_lock_irq(q->queue_lock);
5307         q->elevator = eq;
5308         spin_unlock_irq(q->queue_lock);
5309
5310         /*
5311          * Our fallback bfqq if bfq_find_alloc_queue() runs into OOM issues.
5312          * Grab a permanent reference to it, so that the normal code flow
5313          * will not attempt to free it.
5314          */
5315         bfq_init_bfqq(bfqd, &bfqd->oom_bfqq, NULL, 1, 0);
5316         bfqd->oom_bfqq.ref++;
5317         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio = BFQ_DEFAULT_QUEUE_IOPRIO;
5318         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
5319         bfqd->oom_bfqq.entity.new_weight =
5320                 bfq_ioprio_to_weight(bfqd->oom_bfqq.new_ioprio);
5321
5322         /* oom_bfqq does not participate to bursts */
5323         bfq_clear_bfqq_just_created(&bfqd->oom_bfqq);
5324
5325         /*
5326          * Trigger weight initialization, according to ioprio, at the
5327          * oom_bfqq's first activation. The oom_bfqq's ioprio and ioprio
5328          * class won't be changed any more.
5329          */
5330         bfqd->oom_bfqq.entity.prio_changed = 1;
5331
5332         bfqd->queue = q;
5333
5334         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->dispatch);
5335
5336         hrtimer_init(&bfqd->idle_slice_timer, CLOCK_MONOTONIC,
5337                      HRTIMER_MODE_REL);
5338         bfqd->idle_slice_timer.function = bfq_idle_slice_timer;
5339
5340         bfqd->queue_weights_tree = RB_ROOT;
5341         bfqd->group_weights_tree = RB_ROOT;
5342
5343         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->active_list);
5344         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->idle_list);
5345         INIT_HLIST_HEAD(&bfqd->burst_list);
5346
5347         bfqd->hw_tag = -1;
5348
5349         bfqd->bfq_max_budget = bfq_default_max_budget;
5350
5351         bfqd->bfq_fifo_expire[0] = bfq_fifo_expire[0];
5352         bfqd->bfq_fifo_expire[1] = bfq_fifo_expire[1];
5353         bfqd->bfq_back_max = bfq_back_max;
5354         bfqd->bfq_back_penalty = bfq_back_penalty;
5355         bfqd->bfq_slice_idle = bfq_slice_idle;
5356         bfqd->bfq_timeout = bfq_timeout;
5357
5358         bfqd->bfq_requests_within_timer = 120;
5359
5360         bfqd->bfq_large_burst_thresh = 8;
5361         bfqd->bfq_burst_interval = msecs_to_jiffies(180);
5362
5363         bfqd->low_latency = true;
5364
5365         /*
5366          * Trade-off between responsiveness and fairness.
5367          */
5368         bfqd->bfq_wr_coeff = 30;
5369         bfqd->bfq_wr_rt_max_time = msecs_to_jiffies(300);
5370         bfqd->bfq_wr_max_time = 0;
5371         bfqd->bfq_wr_min_idle_time = msecs_to_jiffies(2000);
5372         bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async = msecs_to_jiffies(500);
5373         bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate = 7000; /*
5374                                               * Approximate rate required
5375                                               * to playback or record a
5376                                               * high-definition compressed
5377                                               * video.
5378                                               */
5379         bfqd->wr_busy_queues = 0;
5380
5381         /*
5382          * Begin by assuming, optimistically, that the device peak
5383          * rate is equal to 2/3 of the highest reference rate.
5384          */
5385         bfqd->rate_dur_prod = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] *
5386                 ref_wr_duration[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)];
5387         bfqd->peak_rate = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] * 2 / 3;
5388
5389         spin_lock_init(&bfqd->lock);
5390
5391         /*
5392          * The invocation of the next bfq_create_group_hierarchy
5393          * function is the head of a chain of function calls
5394          * (bfq_create_group_hierarchy->blkcg_activate_policy->
5395          * blk_mq_freeze_queue) that may lead to the invocation of the
5396          * has_work hook function. For this reason,
5397          * bfq_create_group_hierarchy is invoked only after all
5398          * scheduler data has been initialized, apart from the fields
5399          * that can be initialized only after invoking
5400          * bfq_create_group_hierarchy. This, in particular, enables
5401          * has_work to correctly return false. Of course, to avoid
5402          * other inconsistencies, the blk-mq stack must then refrain
5403          * from invoking further scheduler hooks before this init
5404          * function is finished.
5405          */
5406         bfqd->root_group = bfq_create_group_hierarchy(bfqd, q->node);
5407         if (!bfqd->root_group)
5408                 goto out_free;
5409         bfq_init_root_group(bfqd->root_group, bfqd);
5410         bfq_init_entity(&bfqd->oom_bfqq.entity, bfqd->root_group);
5411
5412         wbt_disable_default(q);
5413         return 0;
5414
5415 out_free:
5416         kfree(bfqd);
5417         kobject_put(&eq->kobj);
5418         return -ENOMEM;
5419 }
5420
5421 static void bfq_slab_kill(void)
5422 {
5423         kmem_cache_destroy(bfq_pool);
5424 }
5425
5426 static int __init bfq_slab_setup(void)
5427 {
5428         bfq_pool = KMEM_CACHE(bfq_queue, 0);
5429         if (!bfq_pool)
5430                 return -ENOMEM;
5431         return 0;
5432 }
5433
5434 static ssize_t bfq_var_show(unsigned int var, char *page)
5435 {
5436         return sprintf(page, "%u\n", var);
5437 }
5438
5439 static int bfq_var_store(unsigned long *var, const char *page)
5440 {
5441         unsigned long new_val;
5442         int ret = kstrtoul(page, 10, &new_val);
5443
5444         if (ret)
5445                 return ret;
5446         *var = new_val;
5447         return 0;
5448 }
5449
5450 #define SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR, __CONV)                            \
5451 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
5452 {                                                                       \
5453         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
5454         u64 __data = __VAR;                                             \
5455         if (__CONV == 1)                                                \
5456                 __data = jiffies_to_msecs(__data);                      \
5457         else if (__CONV == 2)                                           \
5458                 __data = div_u64(__data, NSEC_PER_MSEC);                \
5459         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
5460 }
5461 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_show, bfqd->bfq_fifo_expire[1], 2);
5462 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_show, bfqd->bfq_fifo_expire[0], 2);
5463 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_max_show, bfqd->bfq_back_max, 0);
5464 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_show, bfqd->bfq_back_penalty, 0);
5465 SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_show, bfqd->bfq_slice_idle, 2);
5466 SHOW_FUNCTION(bfq_max_budget_show, bfqd->bfq_user_max_budget, 0);
5467 SHOW_FUNCTION(bfq_timeout_sync_show, bfqd->bfq_timeout, 1);
5468 SHOW_FUNCTION(bfq_strict_guarantees_show, bfqd->strict_guarantees, 0);
5469 SHOW_FUNCTION(bfq_low_latency_show, bfqd->low_latency, 0);
5470 #undef SHOW_FUNCTION
5471
5472 #define USEC_SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR)                               \
5473 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
5474 {                                                                       \
5475         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
5476         u64 __data = __VAR;                                             \
5477         __data = div_u64(__data, NSEC_PER_USEC);                        \
5478         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
5479 }
5480 USEC_SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_show, bfqd->bfq_slice_idle);
5481 #undef USEC_SHOW_FUNCTION
5482
5483 #define STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX, __CONV)                 \
5484 static ssize_t                                                          \
5485 __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)        \
5486 {                                                                       \
5487         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
5488         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
5489         int ret;                                                        \
5490                                                                         \
5491         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
5492         if (ret)                                                        \
5493                 return ret;                                             \
5494         if (__data < __min)                                             \
5495                 __data = __min;                                         \
5496         else if (__data > __max)                                        \
5497                 __data = __max;                                         \
5498         if (__CONV == 1)                                                \
5499                 *(__PTR) = msecs_to_jiffies(__data);                    \
5500         else if (__CONV == 2)                                           \
5501                 *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_MSEC;                 \
5502         else                                                            \
5503                 *(__PTR) = __data;                                      \
5504         return count;                                                   \
5505 }
5506 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[1], 1,
5507                 INT_MAX, 2);
5508 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[0], 1,
5509                 INT_MAX, 2);
5510 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_max_store, &bfqd->bfq_back_max, 0, INT_MAX, 0);
5511 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_store, &bfqd->bfq_back_penalty, 1,
5512                 INT_MAX, 0);
5513 STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0, INT_MAX, 2);
5514 #undef STORE_FUNCTION
5515
5516 #define USEC_STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX)                    \
5517 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)\
5518 {                                                                       \
5519         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
5520         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
5521         int ret;                                                        \
5522                                                                         \
5523         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
5524         if (ret)                                                        \
5525                 return ret;                                             \
5526         if (__data < __min)                                             \
5527                 __data = __min;                                         \
5528         else if (__data > __max)                                        \
5529                 __data = __max;                                         \
5530         *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_USEC;                         \
5531         return count;                                                   \
5532 }
5533 USEC_STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0,
5534                     UINT_MAX);
5535 #undef USEC_STORE_FUNCTION
5536
5537 static ssize_t bfq_max_budget_store(struct elevator_queue *e,
5538                                     const char *page, size_t count)
5539 {
5540         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
5541         unsigned long __data;
5542         int ret;
5543
5544         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
5545         if (ret)
5546                 return ret;
5547
5548         if (__data == 0)
5549                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
5550         else {
5551                 if (__data > INT_MAX)
5552                         __data = INT_MAX;
5553                 bfqd->bfq_max_budget = __data;
5554         }
5555
5556         bfqd->bfq_user_max_budget = __data;
5557
5558         return count;
5559 }
5560
5561 /*
5562  * Leaving this name to preserve name compatibility with cfq
5563  * parameters, but this timeout is used for both sync and async.
5564  */
5565 static ssize_t bfq_timeout_sync_store(struct elevator_queue *e,
5566                                       const char *page, size_t count)
5567 {
5568         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
5569         unsigned long __data;
5570         int ret;
5571
5572         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
5573         if (ret)
5574                 return ret;
5575
5576         if (__data < 1)
5577                 __data = 1;
5578         else if (__data > INT_MAX)
5579                 __data = INT_MAX;
5580
5581         bfqd->bfq_timeout = msecs_to_jiffies(__data);
5582         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0)
5583                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
5584
5585         return count;
5586 }
5587
5588 static ssize_t bfq_strict_guarantees_store(struct elevator_queue *e,
5589                                      const char *page, size_t count)
5590 {
5591         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
5592         unsigned long __data;
5593         int ret;
5594
5595         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
5596         if (ret)
5597                 return ret;
5598
5599         if (__data > 1)
5600                 __data = 1;
5601         if (!bfqd->strict_guarantees && __data == 1
5602             && bfqd->bfq_slice_idle < 8 * NSEC_PER_MSEC)
5603                 bfqd->bfq_slice_idle = 8 * NSEC_PER_MSEC;
5604
5605         bfqd->strict_guarantees = __data;
5606
5607         return count;
5608 }
5609
5610 static ssize_t bfq_low_latency_store(struct elevator_queue *e,
5611                                      const char *page, size_t count)
5612 {
5613         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
5614         unsigned long __data;
5615         int ret;
5616
5617         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
5618         if (ret)
5619                 return ret;
5620
5621         if (__data > 1)
5622                 __data = 1;
5623         if (__data == 0 && bfqd->low_latency != 0)
5624                 bfq_end_wr(bfqd);
5625         bfqd->low_latency = __data;
5626
5627         return count;
5628 }
5629
5630 #define BFQ_ATTR(name) \
5631         __ATTR(name, 0644, bfq_##name##_show, bfq_##name##_store)
5632
5633 static struct elv_fs_entry bfq_attrs[] = {
5634         BFQ_ATTR(fifo_expire_sync),
5635         BFQ_ATTR(fifo_expire_async),
5636         BFQ_ATTR(back_seek_max),
5637         BFQ_ATTR(back_seek_penalty),
5638         BFQ_ATTR(slice_idle),
5639         BFQ_ATTR(slice_idle_us),
5640         BFQ_ATTR(max_budget),
5641         BFQ_ATTR(timeout_sync),
5642         BFQ_ATTR(strict_guarantees),
5643         BFQ_ATTR(low_latency),
5644         __ATTR_NULL
5645 };
5646
5647 static struct elevator_type iosched_bfq_mq = {
5648         .ops.mq = {
5649                 .limit_depth            = bfq_limit_depth,
5650                 .prepare_request        = bfq_prepare_request,
5651                 .requeue_request        = bfq_finish_requeue_request,
5652                 .finish_request         = bfq_finish_requeue_request,
5653                 .exit_icq               = bfq_exit_icq,
5654                 .insert_requests        = bfq_insert_requests,
5655                 .dispatch_request       = bfq_dispatch_request,
5656                 .next_request           = elv_rb_latter_request,
5657                 .former_request         = elv_rb_former_request,
5658                 .allow_merge            = bfq_allow_bio_merge,
5659                 .bio_merge              = bfq_bio_merge,
5660                 .request_merge          = bfq_request_merge,
5661                 .requests_merged        = bfq_requests_merged,
5662                 .request_merged         = bfq_request_merged,
5663                 .has_work               = bfq_has_work,
5664                 .depth_updated          = bfq_depth_updated,
5665                 .init_hctx              = bfq_init_hctx,
5666                 .init_sched             = bfq_init_queue,
5667                 .exit_sched             = bfq_exit_queue,
5668         },
5669
5670         .uses_mq =              true,
5671         .icq_size =             sizeof(struct bfq_io_cq),
5672         .icq_align =            __alignof__(struct bfq_io_cq),
5673         .elevator_attrs =       bfq_attrs,
5674         .elevator_name =        "bfq",
5675         .elevator_owner =       THIS_MODULE,
5676 };
5677 MODULE_ALIAS("bfq-iosched");
5678
5679 static int __init bfq_init(void)
5680 {
5681         int ret;
5682
5683 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5684         ret = blkcg_policy_register(&blkcg_policy_bfq);
5685         if (ret)
5686                 return ret;
5687 #endif
5688
5689         ret = -ENOMEM;
5690         if (bfq_slab_setup())
5691                 goto err_pol_unreg;
5692
5693         /*
5694          * Times to load large popular applications for the typical
5695          * systems installed on the reference devices (see the
5696          * comments before the definition of the next
5697          * array). Actually, we use slightly lower values, as the
5698          * estimated peak rate tends to be smaller than the actual
5699          * peak rate.  The reason for this last fact is that estimates
5700          * are computed over much shorter time intervals than the long
5701          * intervals typically used for benchmarking. Why? First, to
5702          * adapt more quickly to variations. Second, because an I/O
5703          * scheduler cannot rely on a peak-rate-evaluation workload to
5704          * be run for a long time.
5705          */
5706         ref_wr_duration[0] = msecs_to_jiffies(7000); /* actually 8 sec */
5707         ref_wr_duration[1] = msecs_to_jiffies(2500); /* actually 3 sec */
5708
5709         ret = elv_register(&iosched_bfq_mq);
5710         if (ret)
5711                 goto slab_kill;
5712
5713         return 0;
5714
5715 slab_kill:
5716         bfq_slab_kill();
5717 err_pol_unreg:
5718 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5719         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
5720 #endif
5721         return ret;
5722 }
5723
5724 static void __exit bfq_exit(void)
5725 {
5726         elv_unregister(&iosched_bfq_mq);
5727 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5728         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
5729 #endif
5730         bfq_slab_kill();
5731 }
5732
5733 module_init(bfq_init);
5734 module_exit(bfq_exit);
5735
5736 MODULE_AUTHOR("Paolo Valente");
5737 MODULE_LICENSE("GPL");
5738 MODULE_DESCRIPTION("MQ Budget Fair Queueing I/O Scheduler");