bcache: avoid oversize memory allocation by small stripe_size
[platform/kernel/linux-starfive.git] / drivers / md / bcache / bcache.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _BCACHE_H
3 #define _BCACHE_H
4
5 /*
6  * SOME HIGH LEVEL CODE DOCUMENTATION:
7  *
8  * Bcache mostly works with cache sets, cache devices, and backing devices.
9  *
10  * Support for multiple cache devices hasn't quite been finished off yet, but
11  * it's about 95% plumbed through. A cache set and its cache devices is sort of
12  * like a md raid array and its component devices. Most of the code doesn't care
13  * about individual cache devices, the main abstraction is the cache set.
14  *
15  * Multiple cache devices is intended to give us the ability to mirror dirty
16  * cached data and metadata, without mirroring clean cached data.
17  *
18  * Backing devices are different, in that they have a lifetime independent of a
19  * cache set. When you register a newly formatted backing device it'll come up
20  * in passthrough mode, and then you can attach and detach a backing device from
21  * a cache set at runtime - while it's mounted and in use. Detaching implicitly
22  * invalidates any cached data for that backing device.
23  *
24  * A cache set can have multiple (many) backing devices attached to it.
25  *
26  * There's also flash only volumes - this is the reason for the distinction
27  * between struct cached_dev and struct bcache_device. A flash only volume
28  * works much like a bcache device that has a backing device, except the
29  * "cached" data is always dirty. The end result is that we get thin
30  * provisioning with very little additional code.
31  *
32  * Flash only volumes work but they're not production ready because the moving
33  * garbage collector needs more work. More on that later.
34  *
35  * BUCKETS/ALLOCATION:
36  *
37  * Bcache is primarily designed for caching, which means that in normal
38  * operation all of our available space will be allocated. Thus, we need an
39  * efficient way of deleting things from the cache so we can write new things to
40  * it.
41  *
42  * To do this, we first divide the cache device up into buckets. A bucket is the
43  * unit of allocation; they're typically around 1 mb - anywhere from 128k to 2M+
44  * works efficiently.
45  *
46  * Each bucket has a 16 bit priority, and an 8 bit generation associated with
47  * it. The gens and priorities for all the buckets are stored contiguously and
48  * packed on disk (in a linked list of buckets - aside from the superblock, all
49  * of bcache's metadata is stored in buckets).
50  *
51  * The priority is used to implement an LRU. We reset a bucket's priority when
52  * we allocate it or on cache it, and every so often we decrement the priority
53  * of each bucket. It could be used to implement something more sophisticated,
54  * if anyone ever gets around to it.
55  *
56  * The generation is used for invalidating buckets. Each pointer also has an 8
57  * bit generation embedded in it; for a pointer to be considered valid, its gen
58  * must match the gen of the bucket it points into.  Thus, to reuse a bucket all
59  * we have to do is increment its gen (and write its new gen to disk; we batch
60  * this up).
61  *
62  * Bcache is entirely COW - we never write twice to a bucket, even buckets that
63  * contain metadata (including btree nodes).
64  *
65  * THE BTREE:
66  *
67  * Bcache is in large part design around the btree.
68  *
69  * At a high level, the btree is just an index of key -> ptr tuples.
70  *
71  * Keys represent extents, and thus have a size field. Keys also have a variable
72  * number of pointers attached to them (potentially zero, which is handy for
73  * invalidating the cache).
74  *
75  * The key itself is an inode:offset pair. The inode number corresponds to a
76  * backing device or a flash only volume. The offset is the ending offset of the
77  * extent within the inode - not the starting offset; this makes lookups
78  * slightly more convenient.
79  *
80  * Pointers contain the cache device id, the offset on that device, and an 8 bit
81  * generation number. More on the gen later.
82  *
83  * Index lookups are not fully abstracted - cache lookups in particular are
84  * still somewhat mixed in with the btree code, but things are headed in that
85  * direction.
86  *
87  * Updates are fairly well abstracted, though. There are two different ways of
88  * updating the btree; insert and replace.
89  *
90  * BTREE_INSERT will just take a list of keys and insert them into the btree -
91  * overwriting (possibly only partially) any extents they overlap with. This is
92  * used to update the index after a write.
93  *
94  * BTREE_REPLACE is really cmpxchg(); it inserts a key into the btree iff it is
95  * overwriting a key that matches another given key. This is used for inserting
96  * data into the cache after a cache miss, and for background writeback, and for
97  * the moving garbage collector.
98  *
99  * There is no "delete" operation; deleting things from the index is
100  * accomplished by either by invalidating pointers (by incrementing a bucket's
101  * gen) or by inserting a key with 0 pointers - which will overwrite anything
102  * previously present at that location in the index.
103  *
104  * This means that there are always stale/invalid keys in the btree. They're
105  * filtered out by the code that iterates through a btree node, and removed when
106  * a btree node is rewritten.
107  *
108  * BTREE NODES:
109  *
110  * Our unit of allocation is a bucket, and we can't arbitrarily allocate and
111  * free smaller than a bucket - so, that's how big our btree nodes are.
112  *
113  * (If buckets are really big we'll only use part of the bucket for a btree node
114  * - no less than 1/4th - but a bucket still contains no more than a single
115  * btree node. I'd actually like to change this, but for now we rely on the
116  * bucket's gen for deleting btree nodes when we rewrite/split a node.)
117  *
118  * Anyways, btree nodes are big - big enough to be inefficient with a textbook
119  * btree implementation.
120  *
121  * The way this is solved is that btree nodes are internally log structured; we
122  * can append new keys to an existing btree node without rewriting it. This
123  * means each set of keys we write is sorted, but the node is not.
124  *
125  * We maintain this log structure in memory - keeping 1Mb of keys sorted would
126  * be expensive, and we have to distinguish between the keys we have written and
127  * the keys we haven't. So to do a lookup in a btree node, we have to search
128  * each sorted set. But we do merge written sets together lazily, so the cost of
129  * these extra searches is quite low (normally most of the keys in a btree node
130  * will be in one big set, and then there'll be one or two sets that are much
131  * smaller).
132  *
133  * This log structure makes bcache's btree more of a hybrid between a
134  * conventional btree and a compacting data structure, with some of the
135  * advantages of both.
136  *
137  * GARBAGE COLLECTION:
138  *
139  * We can't just invalidate any bucket - it might contain dirty data or
140  * metadata. If it once contained dirty data, other writes might overwrite it
141  * later, leaving no valid pointers into that bucket in the index.
142  *
143  * Thus, the primary purpose of garbage collection is to find buckets to reuse.
144  * It also counts how much valid data it each bucket currently contains, so that
145  * allocation can reuse buckets sooner when they've been mostly overwritten.
146  *
147  * It also does some things that are really internal to the btree
148  * implementation. If a btree node contains pointers that are stale by more than
149  * some threshold, it rewrites the btree node to avoid the bucket's generation
150  * wrapping around. It also merges adjacent btree nodes if they're empty enough.
151  *
152  * THE JOURNAL:
153  *
154  * Bcache's journal is not necessary for consistency; we always strictly
155  * order metadata writes so that the btree and everything else is consistent on
156  * disk in the event of an unclean shutdown, and in fact bcache had writeback
157  * caching (with recovery from unclean shutdown) before journalling was
158  * implemented.
159  *
160  * Rather, the journal is purely a performance optimization; we can't complete a
161  * write until we've updated the index on disk, otherwise the cache would be
162  * inconsistent in the event of an unclean shutdown. This means that without the
163  * journal, on random write workloads we constantly have to update all the leaf
164  * nodes in the btree, and those writes will be mostly empty (appending at most
165  * a few keys each) - highly inefficient in terms of amount of metadata writes,
166  * and it puts more strain on the various btree resorting/compacting code.
167  *
168  * The journal is just a log of keys we've inserted; on startup we just reinsert
169  * all the keys in the open journal entries. That means that when we're updating
170  * a node in the btree, we can wait until a 4k block of keys fills up before
171  * writing them out.
172  *
173  * For simplicity, we only journal updates to leaf nodes; updates to parent
174  * nodes are rare enough (since our leaf nodes are huge) that it wasn't worth
175  * the complexity to deal with journalling them (in particular, journal replay)
176  * - updates to non leaf nodes just happen synchronously (see btree_split()).
177  */
178
179 #define pr_fmt(fmt) "bcache: %s() " fmt, __func__
180
181 #include <linux/bio.h>
182 #include <linux/kobject.h>
183 #include <linux/list.h>
184 #include <linux/mutex.h>
185 #include <linux/rbtree.h>
186 #include <linux/rwsem.h>
187 #include <linux/refcount.h>
188 #include <linux/types.h>
189 #include <linux/workqueue.h>
190 #include <linux/kthread.h>
191
192 #include "bcache_ondisk.h"
193 #include "bset.h"
194 #include "util.h"
195 #include "closure.h"
196
197 struct bucket {
198         atomic_t        pin;
199         uint16_t        prio;
200         uint8_t         gen;
201         uint8_t         last_gc; /* Most out of date gen in the btree */
202         uint16_t        gc_mark; /* Bitfield used by GC. See below for field */
203 };
204
205 /*
206  * I'd use bitfields for these, but I don't trust the compiler not to screw me
207  * as multiple threads touch struct bucket without locking
208  */
209
210 BITMASK(GC_MARK,         struct bucket, gc_mark, 0, 2);
211 #define GC_MARK_RECLAIMABLE     1
212 #define GC_MARK_DIRTY           2
213 #define GC_MARK_METADATA        3
214 #define GC_SECTORS_USED_SIZE    13
215 #define MAX_GC_SECTORS_USED     (~(~0ULL << GC_SECTORS_USED_SIZE))
216 BITMASK(GC_SECTORS_USED, struct bucket, gc_mark, 2, GC_SECTORS_USED_SIZE);
217 BITMASK(GC_MOVE, struct bucket, gc_mark, 15, 1);
218
219 #include "journal.h"
220 #include "stats.h"
221 struct search;
222 struct btree;
223 struct keybuf;
224
225 struct keybuf_key {
226         struct rb_node          node;
227         BKEY_PADDED(key);
228         void                    *private;
229 };
230
231 struct keybuf {
232         struct bkey             last_scanned;
233         spinlock_t              lock;
234
235         /*
236          * Beginning and end of range in rb tree - so that we can skip taking
237          * lock and checking the rb tree when we need to check for overlapping
238          * keys.
239          */
240         struct bkey             start;
241         struct bkey             end;
242
243         struct rb_root          keys;
244
245 #define KEYBUF_NR               500
246         DECLARE_ARRAY_ALLOCATOR(struct keybuf_key, freelist, KEYBUF_NR);
247 };
248
249 struct bcache_device {
250         struct closure          cl;
251
252         struct kobject          kobj;
253
254         struct cache_set        *c;
255         unsigned int            id;
256 #define BCACHEDEVNAME_SIZE      12
257         char                    name[BCACHEDEVNAME_SIZE];
258
259         struct gendisk          *disk;
260
261         unsigned long           flags;
262 #define BCACHE_DEV_CLOSING              0
263 #define BCACHE_DEV_DETACHING            1
264 #define BCACHE_DEV_UNLINK_DONE          2
265 #define BCACHE_DEV_WB_RUNNING           3
266 #define BCACHE_DEV_RATE_DW_RUNNING      4
267         int                     nr_stripes;
268 #define BCH_MIN_STRIPE_SZ               ((4 << 20) >> SECTOR_SHIFT)
269         unsigned int            stripe_size;
270         atomic_t                *stripe_sectors_dirty;
271         unsigned long           *full_dirty_stripes;
272
273         struct bio_set          bio_split;
274
275         unsigned int            data_csum:1;
276
277         int (*cache_miss)(struct btree *b, struct search *s,
278                           struct bio *bio, unsigned int sectors);
279         int (*ioctl)(struct bcache_device *d, blk_mode_t mode,
280                      unsigned int cmd, unsigned long arg);
281 };
282
283 struct io {
284         /* Used to track sequential IO so it can be skipped */
285         struct hlist_node       hash;
286         struct list_head        lru;
287
288         unsigned long           jiffies;
289         unsigned int            sequential;
290         sector_t                last;
291 };
292
293 enum stop_on_failure {
294         BCH_CACHED_DEV_STOP_AUTO = 0,
295         BCH_CACHED_DEV_STOP_ALWAYS,
296         BCH_CACHED_DEV_STOP_MODE_MAX,
297 };
298
299 struct cached_dev {
300         struct list_head        list;
301         struct bcache_device    disk;
302         struct block_device     *bdev;
303
304         struct cache_sb         sb;
305         struct cache_sb_disk    *sb_disk;
306         struct bio              sb_bio;
307         struct bio_vec          sb_bv[1];
308         struct closure          sb_write;
309         struct semaphore        sb_write_mutex;
310
311         /* Refcount on the cache set. Always nonzero when we're caching. */
312         refcount_t              count;
313         struct work_struct      detach;
314
315         /*
316          * Device might not be running if it's dirty and the cache set hasn't
317          * showed up yet.
318          */
319         atomic_t                running;
320
321         /*
322          * Writes take a shared lock from start to finish; scanning for dirty
323          * data to refill the rb tree requires an exclusive lock.
324          */
325         struct rw_semaphore     writeback_lock;
326
327         /*
328          * Nonzero, and writeback has a refcount (d->count), iff there is dirty
329          * data in the cache. Protected by writeback_lock; must have an
330          * shared lock to set and exclusive lock to clear.
331          */
332         atomic_t                has_dirty;
333
334 #define BCH_CACHE_READA_ALL             0
335 #define BCH_CACHE_READA_META_ONLY       1
336         unsigned int            cache_readahead_policy;
337         struct bch_ratelimit    writeback_rate;
338         struct delayed_work     writeback_rate_update;
339
340         /* Limit number of writeback bios in flight */
341         struct semaphore        in_flight;
342         struct task_struct      *writeback_thread;
343         struct workqueue_struct *writeback_write_wq;
344
345         struct keybuf           writeback_keys;
346
347         struct task_struct      *status_update_thread;
348         /*
349          * Order the write-half of writeback operations strongly in dispatch
350          * order.  (Maintain LBA order; don't allow reads completing out of
351          * order to re-order the writes...)
352          */
353         struct closure_waitlist writeback_ordering_wait;
354         atomic_t                writeback_sequence_next;
355
356         /* For tracking sequential IO */
357 #define RECENT_IO_BITS  7
358 #define RECENT_IO       (1 << RECENT_IO_BITS)
359         struct io               io[RECENT_IO];
360         struct hlist_head       io_hash[RECENT_IO + 1];
361         struct list_head        io_lru;
362         spinlock_t              io_lock;
363
364         struct cache_accounting accounting;
365
366         /* The rest of this all shows up in sysfs */
367         unsigned int            sequential_cutoff;
368
369         unsigned int            io_disable:1;
370         unsigned int            verify:1;
371         unsigned int            bypass_torture_test:1;
372
373         unsigned int            partial_stripes_expensive:1;
374         unsigned int            writeback_metadata:1;
375         unsigned int            writeback_running:1;
376         unsigned int            writeback_consider_fragment:1;
377         unsigned char           writeback_percent;
378         unsigned int            writeback_delay;
379
380         uint64_t                writeback_rate_target;
381         int64_t                 writeback_rate_proportional;
382         int64_t                 writeback_rate_integral;
383         int64_t                 writeback_rate_integral_scaled;
384         int32_t                 writeback_rate_change;
385
386         unsigned int            writeback_rate_update_seconds;
387         unsigned int            writeback_rate_i_term_inverse;
388         unsigned int            writeback_rate_p_term_inverse;
389         unsigned int            writeback_rate_fp_term_low;
390         unsigned int            writeback_rate_fp_term_mid;
391         unsigned int            writeback_rate_fp_term_high;
392         unsigned int            writeback_rate_minimum;
393
394         enum stop_on_failure    stop_when_cache_set_failed;
395 #define DEFAULT_CACHED_DEV_ERROR_LIMIT  64
396         atomic_t                io_errors;
397         unsigned int            error_limit;
398         unsigned int            offline_seconds;
399
400         /*
401          * Retry to update writeback_rate if contention happens for
402          * down_read(dc->writeback_lock) in update_writeback_rate()
403          */
404 #define BCH_WBRATE_UPDATE_MAX_SKIPS     15
405         unsigned int            rate_update_retry;
406 };
407
408 enum alloc_reserve {
409         RESERVE_BTREE,
410         RESERVE_PRIO,
411         RESERVE_MOVINGGC,
412         RESERVE_NONE,
413         RESERVE_NR,
414 };
415
416 struct cache {
417         struct cache_set        *set;
418         struct cache_sb         sb;
419         struct cache_sb_disk    *sb_disk;
420         struct bio              sb_bio;
421         struct bio_vec          sb_bv[1];
422
423         struct kobject          kobj;
424         struct block_device     *bdev;
425
426         struct task_struct      *alloc_thread;
427
428         struct closure          prio;
429         struct prio_set         *disk_buckets;
430
431         /*
432          * When allocating new buckets, prio_write() gets first dibs - since we
433          * may not be allocate at all without writing priorities and gens.
434          * prio_last_buckets[] contains the last buckets we wrote priorities to
435          * (so gc can mark them as metadata), prio_buckets[] contains the
436          * buckets allocated for the next prio write.
437          */
438         uint64_t                *prio_buckets;
439         uint64_t                *prio_last_buckets;
440
441         /*
442          * free: Buckets that are ready to be used
443          *
444          * free_inc: Incoming buckets - these are buckets that currently have
445          * cached data in them, and we can't reuse them until after we write
446          * their new gen to disk. After prio_write() finishes writing the new
447          * gens/prios, they'll be moved to the free list (and possibly discarded
448          * in the process)
449          */
450         DECLARE_FIFO(long, free)[RESERVE_NR];
451         DECLARE_FIFO(long, free_inc);
452
453         size_t                  fifo_last_bucket;
454
455         /* Allocation stuff: */
456         struct bucket           *buckets;
457
458         DECLARE_HEAP(struct bucket *, heap);
459
460         /*
461          * If nonzero, we know we aren't going to find any buckets to invalidate
462          * until a gc finishes - otherwise we could pointlessly burn a ton of
463          * cpu
464          */
465         unsigned int            invalidate_needs_gc;
466
467         bool                    discard; /* Get rid of? */
468
469         struct journal_device   journal;
470
471         /* The rest of this all shows up in sysfs */
472 #define IO_ERROR_SHIFT          20
473         atomic_t                io_errors;
474         atomic_t                io_count;
475
476         atomic_long_t           meta_sectors_written;
477         atomic_long_t           btree_sectors_written;
478         atomic_long_t           sectors_written;
479 };
480
481 struct gc_stat {
482         size_t                  nodes;
483         size_t                  nodes_pre;
484         size_t                  key_bytes;
485
486         size_t                  nkeys;
487         uint64_t                data;   /* sectors */
488         unsigned int            in_use; /* percent */
489 };
490
491 /*
492  * Flag bits, for how the cache set is shutting down, and what phase it's at:
493  *
494  * CACHE_SET_UNREGISTERING means we're not just shutting down, we're detaching
495  * all the backing devices first (their cached data gets invalidated, and they
496  * won't automatically reattach).
497  *
498  * CACHE_SET_STOPPING always gets set first when we're closing down a cache set;
499  * we'll continue to run normally for awhile with CACHE_SET_STOPPING set (i.e.
500  * flushing dirty data).
501  *
502  * CACHE_SET_RUNNING means all cache devices have been registered and journal
503  * replay is complete.
504  *
505  * CACHE_SET_IO_DISABLE is set when bcache is stopping the whold cache set, all
506  * external and internal I/O should be denied when this flag is set.
507  *
508  */
509 #define CACHE_SET_UNREGISTERING         0
510 #define CACHE_SET_STOPPING              1
511 #define CACHE_SET_RUNNING               2
512 #define CACHE_SET_IO_DISABLE            3
513
514 struct cache_set {
515         struct closure          cl;
516
517         struct list_head        list;
518         struct kobject          kobj;
519         struct kobject          internal;
520         struct dentry           *debug;
521         struct cache_accounting accounting;
522
523         unsigned long           flags;
524         atomic_t                idle_counter;
525         atomic_t                at_max_writeback_rate;
526
527         struct cache            *cache;
528
529         struct bcache_device    **devices;
530         unsigned int            devices_max_used;
531         atomic_t                attached_dev_nr;
532         struct list_head        cached_devs;
533         uint64_t                cached_dev_sectors;
534         atomic_long_t           flash_dev_dirty_sectors;
535         struct closure          caching;
536
537         struct closure          sb_write;
538         struct semaphore        sb_write_mutex;
539
540         mempool_t               search;
541         mempool_t               bio_meta;
542         struct bio_set          bio_split;
543
544         /* For the btree cache */
545         struct shrinker         shrink;
546
547         /* For the btree cache and anything allocation related */
548         struct mutex            bucket_lock;
549
550         /* log2(bucket_size), in sectors */
551         unsigned short          bucket_bits;
552
553         /* log2(block_size), in sectors */
554         unsigned short          block_bits;
555
556         /*
557          * Default number of pages for a new btree node - may be less than a
558          * full bucket
559          */
560         unsigned int            btree_pages;
561
562         /*
563          * Lists of struct btrees; lru is the list for structs that have memory
564          * allocated for actual btree node, freed is for structs that do not.
565          *
566          * We never free a struct btree, except on shutdown - we just put it on
567          * the btree_cache_freed list and reuse it later. This simplifies the
568          * code, and it doesn't cost us much memory as the memory usage is
569          * dominated by buffers that hold the actual btree node data and those
570          * can be freed - and the number of struct btrees allocated is
571          * effectively bounded.
572          *
573          * btree_cache_freeable effectively is a small cache - we use it because
574          * high order page allocations can be rather expensive, and it's quite
575          * common to delete and allocate btree nodes in quick succession. It
576          * should never grow past ~2-3 nodes in practice.
577          */
578         struct list_head        btree_cache;
579         struct list_head        btree_cache_freeable;
580         struct list_head        btree_cache_freed;
581
582         /* Number of elements in btree_cache + btree_cache_freeable lists */
583         unsigned int            btree_cache_used;
584
585         /*
586          * If we need to allocate memory for a new btree node and that
587          * allocation fails, we can cannibalize another node in the btree cache
588          * to satisfy the allocation - lock to guarantee only one thread does
589          * this at a time:
590          */
591         wait_queue_head_t       btree_cache_wait;
592         struct task_struct      *btree_cache_alloc_lock;
593         spinlock_t              btree_cannibalize_lock;
594
595         /*
596          * When we free a btree node, we increment the gen of the bucket the
597          * node is in - but we can't rewrite the prios and gens until we
598          * finished whatever it is we were doing, otherwise after a crash the
599          * btree node would be freed but for say a split, we might not have the
600          * pointers to the new nodes inserted into the btree yet.
601          *
602          * This is a refcount that blocks prio_write() until the new keys are
603          * written.
604          */
605         atomic_t                prio_blocked;
606         wait_queue_head_t       bucket_wait;
607
608         /*
609          * For any bio we don't skip we subtract the number of sectors from
610          * rescale; when it hits 0 we rescale all the bucket priorities.
611          */
612         atomic_t                rescale;
613         /*
614          * used for GC, identify if any front side I/Os is inflight
615          */
616         atomic_t                search_inflight;
617         /*
618          * When we invalidate buckets, we use both the priority and the amount
619          * of good data to determine which buckets to reuse first - to weight
620          * those together consistently we keep track of the smallest nonzero
621          * priority of any bucket.
622          */
623         uint16_t                min_prio;
624
625         /*
626          * max(gen - last_gc) for all buckets. When it gets too big we have to
627          * gc to keep gens from wrapping around.
628          */
629         uint8_t                 need_gc;
630         struct gc_stat          gc_stats;
631         size_t                  nbuckets;
632         size_t                  avail_nbuckets;
633
634         struct task_struct      *gc_thread;
635         /* Where in the btree gc currently is */
636         struct bkey             gc_done;
637
638         /*
639          * For automatical garbage collection after writeback completed, this
640          * varialbe is used as bit fields,
641          * - 0000 0001b (BCH_ENABLE_AUTO_GC): enable gc after writeback
642          * - 0000 0010b (BCH_DO_AUTO_GC):     do gc after writeback
643          * This is an optimization for following write request after writeback
644          * finished, but read hit rate dropped due to clean data on cache is
645          * discarded. Unless user explicitly sets it via sysfs, it won't be
646          * enabled.
647          */
648 #define BCH_ENABLE_AUTO_GC      1
649 #define BCH_DO_AUTO_GC          2
650         uint8_t                 gc_after_writeback;
651
652         /*
653          * The allocation code needs gc_mark in struct bucket to be correct, but
654          * it's not while a gc is in progress. Protected by bucket_lock.
655          */
656         int                     gc_mark_valid;
657
658         /* Counts how many sectors bio_insert has added to the cache */
659         atomic_t                sectors_to_gc;
660         wait_queue_head_t       gc_wait;
661
662         struct keybuf           moving_gc_keys;
663         /* Number of moving GC bios in flight */
664         struct semaphore        moving_in_flight;
665
666         struct workqueue_struct *moving_gc_wq;
667
668         struct btree            *root;
669
670 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
671         struct btree            *verify_data;
672         struct bset             *verify_ondisk;
673         struct mutex            verify_lock;
674 #endif
675
676         uint8_t                 set_uuid[16];
677         unsigned int            nr_uuids;
678         struct uuid_entry       *uuids;
679         BKEY_PADDED(uuid_bucket);
680         struct closure          uuid_write;
681         struct semaphore        uuid_write_mutex;
682
683         /*
684          * A btree node on disk could have too many bsets for an iterator to fit
685          * on the stack - have to dynamically allocate them.
686          * bch_cache_set_alloc() will make sure the pool can allocate iterators
687          * equipped with enough room that can host
688          *     (sb.bucket_size / sb.block_size)
689          * btree_iter_sets, which is more than static MAX_BSETS.
690          */
691         mempool_t               fill_iter;
692
693         struct bset_sort_state  sort;
694
695         /* List of buckets we're currently writing data to */
696         struct list_head        data_buckets;
697         spinlock_t              data_bucket_lock;
698
699         struct journal          journal;
700
701 #define CONGESTED_MAX           1024
702         unsigned int            congested_last_us;
703         atomic_t                congested;
704
705         /* The rest of this all shows up in sysfs */
706         unsigned int            congested_read_threshold_us;
707         unsigned int            congested_write_threshold_us;
708
709         struct time_stats       btree_gc_time;
710         struct time_stats       btree_split_time;
711         struct time_stats       btree_read_time;
712
713         atomic_long_t           cache_read_races;
714         atomic_long_t           writeback_keys_done;
715         atomic_long_t           writeback_keys_failed;
716
717         atomic_long_t           reclaim;
718         atomic_long_t           reclaimed_journal_buckets;
719         atomic_long_t           flush_write;
720
721         enum                    {
722                 ON_ERROR_UNREGISTER,
723                 ON_ERROR_PANIC,
724         }                       on_error;
725 #define DEFAULT_IO_ERROR_LIMIT 8
726         unsigned int            error_limit;
727         unsigned int            error_decay;
728
729         unsigned short          journal_delay_ms;
730         bool                    expensive_debug_checks;
731         unsigned int            verify:1;
732         unsigned int            key_merging_disabled:1;
733         unsigned int            gc_always_rewrite:1;
734         unsigned int            shrinker_disabled:1;
735         unsigned int            copy_gc_enabled:1;
736         unsigned int            idle_max_writeback_rate_enabled:1;
737
738 #define BUCKET_HASH_BITS        12
739         struct hlist_head       bucket_hash[1 << BUCKET_HASH_BITS];
740 };
741
742 struct bbio {
743         unsigned int            submit_time_us;
744         union {
745                 struct bkey     key;
746                 uint64_t        _pad[3];
747                 /*
748                  * We only need pad = 3 here because we only ever carry around a
749                  * single pointer - i.e. the pointer we're doing io to/from.
750                  */
751         };
752         struct bio              bio;
753 };
754
755 #define BTREE_PRIO              USHRT_MAX
756 #define INITIAL_PRIO            32768U
757
758 #define btree_bytes(c)          ((c)->btree_pages * PAGE_SIZE)
759 #define btree_blocks(b)                                                 \
760         ((unsigned int) (KEY_SIZE(&b->key) >> (b)->c->block_bits))
761
762 #define btree_default_blocks(c)                                         \
763         ((unsigned int) ((PAGE_SECTORS * (c)->btree_pages) >> (c)->block_bits))
764
765 #define bucket_bytes(ca)        ((ca)->sb.bucket_size << 9)
766 #define block_bytes(ca)         ((ca)->sb.block_size << 9)
767
768 static inline unsigned int meta_bucket_pages(struct cache_sb *sb)
769 {
770         unsigned int n, max_pages;
771
772         max_pages = min_t(unsigned int,
773                           __rounddown_pow_of_two(USHRT_MAX) / PAGE_SECTORS,
774                           MAX_ORDER_NR_PAGES);
775
776         n = sb->bucket_size / PAGE_SECTORS;
777         if (n > max_pages)
778                 n = max_pages;
779
780         return n;
781 }
782
783 static inline unsigned int meta_bucket_bytes(struct cache_sb *sb)
784 {
785         return meta_bucket_pages(sb) << PAGE_SHIFT;
786 }
787
788 #define prios_per_bucket(ca)                                            \
789         ((meta_bucket_bytes(&(ca)->sb) - sizeof(struct prio_set)) /     \
790          sizeof(struct bucket_disk))
791
792 #define prio_buckets(ca)                                                \
793         DIV_ROUND_UP((size_t) (ca)->sb.nbuckets, prios_per_bucket(ca))
794
795 static inline size_t sector_to_bucket(struct cache_set *c, sector_t s)
796 {
797         return s >> c->bucket_bits;
798 }
799
800 static inline sector_t bucket_to_sector(struct cache_set *c, size_t b)
801 {
802         return ((sector_t) b) << c->bucket_bits;
803 }
804
805 static inline sector_t bucket_remainder(struct cache_set *c, sector_t s)
806 {
807         return s & (c->cache->sb.bucket_size - 1);
808 }
809
810 static inline size_t PTR_BUCKET_NR(struct cache_set *c,
811                                    const struct bkey *k,
812                                    unsigned int ptr)
813 {
814         return sector_to_bucket(c, PTR_OFFSET(k, ptr));
815 }
816
817 static inline struct bucket *PTR_BUCKET(struct cache_set *c,
818                                         const struct bkey *k,
819                                         unsigned int ptr)
820 {
821         return c->cache->buckets + PTR_BUCKET_NR(c, k, ptr);
822 }
823
824 static inline uint8_t gen_after(uint8_t a, uint8_t b)
825 {
826         uint8_t r = a - b;
827
828         return r > 128U ? 0 : r;
829 }
830
831 static inline uint8_t ptr_stale(struct cache_set *c, const struct bkey *k,
832                                 unsigned int i)
833 {
834         return gen_after(PTR_BUCKET(c, k, i)->gen, PTR_GEN(k, i));
835 }
836
837 static inline bool ptr_available(struct cache_set *c, const struct bkey *k,
838                                  unsigned int i)
839 {
840         return (PTR_DEV(k, i) < MAX_CACHES_PER_SET) && c->cache;
841 }
842
843 /* Btree key macros */
844
845 /*
846  * This is used for various on disk data structures - cache_sb, prio_set, bset,
847  * jset: The checksum is _always_ the first 8 bytes of these structs
848  */
849 #define csum_set(i)                                                     \
850         bch_crc64(((void *) (i)) + sizeof(uint64_t),                    \
851                   ((void *) bset_bkey_last(i)) -                        \
852                   (((void *) (i)) + sizeof(uint64_t)))
853
854 /* Error handling macros */
855
856 #define btree_bug(b, ...)                                               \
857 do {                                                                    \
858         if (bch_cache_set_error((b)->c, __VA_ARGS__))                   \
859                 dump_stack();                                           \
860 } while (0)
861
862 #define cache_bug(c, ...)                                               \
863 do {                                                                    \
864         if (bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__))                        \
865                 dump_stack();                                           \
866 } while (0)
867
868 #define btree_bug_on(cond, b, ...)                                      \
869 do {                                                                    \
870         if (cond)                                                       \
871                 btree_bug(b, __VA_ARGS__);                              \
872 } while (0)
873
874 #define cache_bug_on(cond, c, ...)                                      \
875 do {                                                                    \
876         if (cond)                                                       \
877                 cache_bug(c, __VA_ARGS__);                              \
878 } while (0)
879
880 #define cache_set_err_on(cond, c, ...)                                  \
881 do {                                                                    \
882         if (cond)                                                       \
883                 bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__);                    \
884 } while (0)
885
886 /* Looping macros */
887
888 #define for_each_bucket(b, ca)                                          \
889         for (b = (ca)->buckets + (ca)->sb.first_bucket;                 \
890              b < (ca)->buckets + (ca)->sb.nbuckets; b++)
891
892 static inline void cached_dev_put(struct cached_dev *dc)
893 {
894         if (refcount_dec_and_test(&dc->count))
895                 schedule_work(&dc->detach);
896 }
897
898 static inline bool cached_dev_get(struct cached_dev *dc)
899 {
900         if (!refcount_inc_not_zero(&dc->count))
901                 return false;
902
903         /* Paired with the mb in cached_dev_attach */
904         smp_mb__after_atomic();
905         return true;
906 }
907
908 /*
909  * bucket_gc_gen() returns the difference between the bucket's current gen and
910  * the oldest gen of any pointer into that bucket in the btree (last_gc).
911  */
912
913 static inline uint8_t bucket_gc_gen(struct bucket *b)
914 {
915         return b->gen - b->last_gc;
916 }
917
918 #define BUCKET_GC_GEN_MAX       96U
919
920 #define kobj_attribute_write(n, fn)                                     \
921         static struct kobj_attribute ksysfs_##n = __ATTR(n, 0200, NULL, fn)
922
923 #define kobj_attribute_rw(n, show, store)                               \
924         static struct kobj_attribute ksysfs_##n =                       \
925                 __ATTR(n, 0600, show, store)
926
927 static inline void wake_up_allocators(struct cache_set *c)
928 {
929         struct cache *ca = c->cache;
930
931         wake_up_process(ca->alloc_thread);
932 }
933
934 static inline void closure_bio_submit(struct cache_set *c,
935                                       struct bio *bio,
936                                       struct closure *cl)
937 {
938         closure_get(cl);
939         if (unlikely(test_bit(CACHE_SET_IO_DISABLE, &c->flags))) {
940                 bio->bi_status = BLK_STS_IOERR;
941                 bio_endio(bio);
942                 return;
943         }
944         submit_bio_noacct(bio);
945 }
946
947 /*
948  * Prevent the kthread exits directly, and make sure when kthread_stop()
949  * is called to stop a kthread, it is still alive. If a kthread might be
950  * stopped by CACHE_SET_IO_DISABLE bit set, wait_for_kthread_stop() is
951  * necessary before the kthread returns.
952  */
953 static inline void wait_for_kthread_stop(void)
954 {
955         while (!kthread_should_stop()) {
956                 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
957                 schedule();
958         }
959 }
960
961 /* Forward declarations */
962
963 void bch_count_backing_io_errors(struct cached_dev *dc, struct bio *bio);
964 void bch_count_io_errors(struct cache *ca, blk_status_t error,
965                          int is_read, const char *m);
966 void bch_bbio_count_io_errors(struct cache_set *c, struct bio *bio,
967                               blk_status_t error, const char *m);
968 void bch_bbio_endio(struct cache_set *c, struct bio *bio,
969                     blk_status_t error, const char *m);
970 void bch_bbio_free(struct bio *bio, struct cache_set *c);
971 struct bio *bch_bbio_alloc(struct cache_set *c);
972
973 void __bch_submit_bbio(struct bio *bio, struct cache_set *c);
974 void bch_submit_bbio(struct bio *bio, struct cache_set *c,
975                      struct bkey *k, unsigned int ptr);
976
977 uint8_t bch_inc_gen(struct cache *ca, struct bucket *b);
978 void bch_rescale_priorities(struct cache_set *c, int sectors);
979
980 bool bch_can_invalidate_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b);
981 void __bch_invalidate_one_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b);
982
983 void __bch_bucket_free(struct cache *ca, struct bucket *b);
984 void bch_bucket_free(struct cache_set *c, struct bkey *k);
985
986 long bch_bucket_alloc(struct cache *ca, unsigned int reserve, bool wait);
987 int __bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned int reserve,
988                            struct bkey *k, bool wait);
989 int bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned int reserve,
990                          struct bkey *k, bool wait);
991 bool bch_alloc_sectors(struct cache_set *c, struct bkey *k,
992                        unsigned int sectors, unsigned int write_point,
993                        unsigned int write_prio, bool wait);
994 bool bch_cached_dev_error(struct cached_dev *dc);
995
996 __printf(2, 3)
997 bool bch_cache_set_error(struct cache_set *c, const char *fmt, ...);
998
999 int bch_prio_write(struct cache *ca, bool wait);
1000 void bch_write_bdev_super(struct cached_dev *dc, struct closure *parent);
1001
1002 extern struct workqueue_struct *bcache_wq;
1003 extern struct workqueue_struct *bch_journal_wq;
1004 extern struct workqueue_struct *bch_flush_wq;
1005 extern struct mutex bch_register_lock;
1006 extern struct list_head bch_cache_sets;
1007
1008 extern const struct kobj_type bch_cached_dev_ktype;
1009 extern const struct kobj_type bch_flash_dev_ktype;
1010 extern const struct kobj_type bch_cache_set_ktype;
1011 extern const struct kobj_type bch_cache_set_internal_ktype;
1012 extern const struct kobj_type bch_cache_ktype;
1013
1014 void bch_cached_dev_release(struct kobject *kobj);
1015 void bch_flash_dev_release(struct kobject *kobj);
1016 void bch_cache_set_release(struct kobject *kobj);
1017 void bch_cache_release(struct kobject *kobj);
1018
1019 int bch_uuid_write(struct cache_set *c);
1020 void bcache_write_super(struct cache_set *c);
1021
1022 int bch_flash_dev_create(struct cache_set *c, uint64_t size);
1023
1024 int bch_cached_dev_attach(struct cached_dev *dc, struct cache_set *c,
1025                           uint8_t *set_uuid);
1026 void bch_cached_dev_detach(struct cached_dev *dc);
1027 int bch_cached_dev_run(struct cached_dev *dc);
1028 void bcache_device_stop(struct bcache_device *d);
1029
1030 void bch_cache_set_unregister(struct cache_set *c);
1031 void bch_cache_set_stop(struct cache_set *c);
1032
1033 struct cache_set *bch_cache_set_alloc(struct cache_sb *sb);
1034 void bch_btree_cache_free(struct cache_set *c);
1035 int bch_btree_cache_alloc(struct cache_set *c);
1036 void bch_moving_init_cache_set(struct cache_set *c);
1037 int bch_open_buckets_alloc(struct cache_set *c);
1038 void bch_open_buckets_free(struct cache_set *c);
1039
1040 int bch_cache_allocator_start(struct cache *ca);
1041
1042 void bch_debug_exit(void);
1043 void bch_debug_init(void);
1044 void bch_request_exit(void);
1045 int bch_request_init(void);
1046 void bch_btree_exit(void);
1047 int bch_btree_init(void);
1048
1049 #endif /* _BCACHE_H */