bcache: Add struct btree_keys
[platform/adaptation/renesas_rcar/renesas_kernel.git] / drivers / md / bcache / bset.h
1 #ifndef _BCACHE_BSET_H
2 #define _BCACHE_BSET_H
3
4 #include <linux/slab.h>
5
6 #include "util.h" /* for time_stats */
7
8 /*
9  * BKEYS:
10  *
11  * A bkey contains a key, a size field, a variable number of pointers, and some
12  * ancillary flag bits.
13  *
14  * We use two different functions for validating bkeys, bch_ptr_invalid and
15  * bch_ptr_bad().
16  *
17  * bch_ptr_invalid() primarily filters out keys and pointers that would be
18  * invalid due to some sort of bug, whereas bch_ptr_bad() filters out keys and
19  * pointer that occur in normal practice but don't point to real data.
20  *
21  * The one exception to the rule that ptr_invalid() filters out invalid keys is
22  * that it also filters out keys of size 0 - these are keys that have been
23  * completely overwritten. It'd be safe to delete these in memory while leaving
24  * them on disk, just unnecessary work - so we filter them out when resorting
25  * instead.
26  *
27  * We can't filter out stale keys when we're resorting, because garbage
28  * collection needs to find them to ensure bucket gens don't wrap around -
29  * unless we're rewriting the btree node those stale keys still exist on disk.
30  *
31  * We also implement functions here for removing some number of sectors from the
32  * front or the back of a bkey - this is mainly used for fixing overlapping
33  * extents, by removing the overlapping sectors from the older key.
34  *
35  * BSETS:
36  *
37  * A bset is an array of bkeys laid out contiguously in memory in sorted order,
38  * along with a header. A btree node is made up of a number of these, written at
39  * different times.
40  *
41  * There could be many of them on disk, but we never allow there to be more than
42  * 4 in memory - we lazily resort as needed.
43  *
44  * We implement code here for creating and maintaining auxiliary search trees
45  * (described below) for searching an individial bset, and on top of that we
46  * implement a btree iterator.
47  *
48  * BTREE ITERATOR:
49  *
50  * Most of the code in bcache doesn't care about an individual bset - it needs
51  * to search entire btree nodes and iterate over them in sorted order.
52  *
53  * The btree iterator code serves both functions; it iterates through the keys
54  * in a btree node in sorted order, starting from either keys after a specific
55  * point (if you pass it a search key) or the start of the btree node.
56  *
57  * AUXILIARY SEARCH TREES:
58  *
59  * Since keys are variable length, we can't use a binary search on a bset - we
60  * wouldn't be able to find the start of the next key. But binary searches are
61  * slow anyways, due to terrible cache behaviour; bcache originally used binary
62  * searches and that code topped out at under 50k lookups/second.
63  *
64  * So we need to construct some sort of lookup table. Since we only insert keys
65  * into the last (unwritten) set, most of the keys within a given btree node are
66  * usually in sets that are mostly constant. We use two different types of
67  * lookup tables to take advantage of this.
68  *
69  * Both lookup tables share in common that they don't index every key in the
70  * set; they index one key every BSET_CACHELINE bytes, and then a linear search
71  * is used for the rest.
72  *
73  * For sets that have been written to disk and are no longer being inserted
74  * into, we construct a binary search tree in an array - traversing a binary
75  * search tree in an array gives excellent locality of reference and is very
76  * fast, since both children of any node are adjacent to each other in memory
77  * (and their grandchildren, and great grandchildren...) - this means
78  * prefetching can be used to great effect.
79  *
80  * It's quite useful performance wise to keep these nodes small - not just
81  * because they're more likely to be in L2, but also because we can prefetch
82  * more nodes on a single cacheline and thus prefetch more iterations in advance
83  * when traversing this tree.
84  *
85  * Nodes in the auxiliary search tree must contain both a key to compare against
86  * (we don't want to fetch the key from the set, that would defeat the purpose),
87  * and a pointer to the key. We use a few tricks to compress both of these.
88  *
89  * To compress the pointer, we take advantage of the fact that one node in the
90  * search tree corresponds to precisely BSET_CACHELINE bytes in the set. We have
91  * a function (to_inorder()) that takes the index of a node in a binary tree and
92  * returns what its index would be in an inorder traversal, so we only have to
93  * store the low bits of the offset.
94  *
95  * The key is 84 bits (KEY_DEV + key->key, the offset on the device). To
96  * compress that,  we take advantage of the fact that when we're traversing the
97  * search tree at every iteration we know that both our search key and the key
98  * we're looking for lie within some range - bounded by our previous
99  * comparisons. (We special case the start of a search so that this is true even
100  * at the root of the tree).
101  *
102  * So we know the key we're looking for is between a and b, and a and b don't
103  * differ higher than bit 50, we don't need to check anything higher than bit
104  * 50.
105  *
106  * We don't usually need the rest of the bits, either; we only need enough bits
107  * to partition the key range we're currently checking.  Consider key n - the
108  * key our auxiliary search tree node corresponds to, and key p, the key
109  * immediately preceding n.  The lowest bit we need to store in the auxiliary
110  * search tree is the highest bit that differs between n and p.
111  *
112  * Note that this could be bit 0 - we might sometimes need all 80 bits to do the
113  * comparison. But we'd really like our nodes in the auxiliary search tree to be
114  * of fixed size.
115  *
116  * The solution is to make them fixed size, and when we're constructing a node
117  * check if p and n differed in the bits we needed them to. If they don't we
118  * flag that node, and when doing lookups we fallback to comparing against the
119  * real key. As long as this doesn't happen to often (and it seems to reliably
120  * happen a bit less than 1% of the time), we win - even on failures, that key
121  * is then more likely to be in cache than if we were doing binary searches all
122  * the way, since we're touching so much less memory.
123  *
124  * The keys in the auxiliary search tree are stored in (software) floating
125  * point, with an exponent and a mantissa. The exponent needs to be big enough
126  * to address all the bits in the original key, but the number of bits in the
127  * mantissa is somewhat arbitrary; more bits just gets us fewer failures.
128  *
129  * We need 7 bits for the exponent and 3 bits for the key's offset (since keys
130  * are 8 byte aligned); using 22 bits for the mantissa means a node is 4 bytes.
131  * We need one node per 128 bytes in the btree node, which means the auxiliary
132  * search trees take up 3% as much memory as the btree itself.
133  *
134  * Constructing these auxiliary search trees is moderately expensive, and we
135  * don't want to be constantly rebuilding the search tree for the last set
136  * whenever we insert another key into it. For the unwritten set, we use a much
137  * simpler lookup table - it's just a flat array, so index i in the lookup table
138  * corresponds to the i range of BSET_CACHELINE bytes in the set. Indexing
139  * within each byte range works the same as with the auxiliary search trees.
140  *
141  * These are much easier to keep up to date when we insert a key - we do it
142  * somewhat lazily; when we shift a key up we usually just increment the pointer
143  * to it, only when it would overflow do we go to the trouble of finding the
144  * first key in that range of bytes again.
145  */
146
147 struct btree;
148 struct btree_keys;
149 struct btree_iter;
150 struct btree_iter_set;
151 struct bkey_float;
152
153 #define MAX_BSETS               4U
154
155 struct bset_tree {
156         /*
157          * We construct a binary tree in an array as if the array
158          * started at 1, so that things line up on the same cachelines
159          * better: see comments in bset.c at cacheline_to_bkey() for
160          * details
161          */
162
163         /* size of the binary tree and prev array */
164         unsigned                size;
165
166         /* function of size - precalculated for to_inorder() */
167         unsigned                extra;
168
169         /* copy of the last key in the set */
170         struct bkey             end;
171         struct bkey_float       *tree;
172
173         /*
174          * The nodes in the bset tree point to specific keys - this
175          * array holds the sizes of the previous key.
176          *
177          * Conceptually it's a member of struct bkey_float, but we want
178          * to keep bkey_float to 4 bytes and prev isn't used in the fast
179          * path.
180          */
181         uint8_t                 *prev;
182
183         /* The actual btree node, with pointers to each sorted set */
184         struct bset             *data;
185 };
186
187 struct btree_keys_ops {
188         bool            (*sort_cmp)(struct btree_iter_set,
189                                     struct btree_iter_set);
190         struct bkey     *(*sort_fixup)(struct btree_iter *, struct bkey *);
191         bool            (*key_invalid)(struct btree_keys *,
192                                        const struct bkey *);
193         bool            (*key_bad)(struct btree_keys *, const struct bkey *);
194         bool            (*key_merge)(struct btree_keys *,
195                                      struct bkey *, struct bkey *);
196
197         /*
198          * Only used for deciding whether to use START_KEY(k) or just the key
199          * itself in a couple places
200          */
201         bool            is_extents;
202 };
203
204 struct btree_keys {
205         const struct btree_keys_ops     *ops;
206         uint8_t                 page_order;
207         uint8_t                 nsets;
208         unsigned                last_set_unwritten:1;
209         bool                    *expensive_debug_checks;
210
211         /*
212          * Sets of sorted keys - the real btree node - plus a binary search tree
213          *
214          * set[0] is special; set[0]->tree, set[0]->prev and set[0]->data point
215          * to the memory we have allocated for this btree node. Additionally,
216          * set[0]->data points to the entire btree node as it exists on disk.
217          */
218         struct bset_tree        set[MAX_BSETS];
219 };
220
221 static inline struct bset_tree *bset_tree_last(struct btree_keys *b)
222 {
223         return b->set + b->nsets;
224 }
225
226 static inline bool bset_written(struct btree_keys *b, struct bset_tree *t)
227 {
228         return t <= b->set + b->nsets - b->last_set_unwritten;
229 }
230
231 static inline bool bkey_written(struct btree_keys *b, struct bkey *k)
232 {
233         return !b->last_set_unwritten || k < b->set[b->nsets].data->start;
234 }
235
236 static inline unsigned bset_byte_offset(struct btree_keys *b, struct bset *i)
237 {
238         return ((size_t) i) - ((size_t) b->set->data);
239 }
240
241 static inline unsigned bset_sector_offset(struct btree_keys *b, struct bset *i)
242 {
243         return bset_byte_offset(b, i) >> 9;
244 }
245
246 static inline bool btree_keys_expensive_checks(struct btree_keys *b)
247 {
248 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
249         return *b->expensive_debug_checks;
250 #else
251         return false;
252 #endif
253 }
254
255 #define __set_bytes(i, k)       (sizeof(*(i)) + (k) * sizeof(uint64_t))
256 #define set_bytes(i)            __set_bytes(i, i->keys)
257
258 #define __set_blocks(i, k, block_bytes)                         \
259         DIV_ROUND_UP(__set_bytes(i, k), block_bytes)
260 #define set_blocks(i, block_bytes)                              \
261         __set_blocks(i, (i)->keys, block_bytes)
262
263 static inline struct bset *bset_next_set(struct btree_keys *b,
264                                          unsigned block_bytes)
265 {
266         struct bset *i = bset_tree_last(b)->data;
267
268         return ((void *) i) + roundup(set_bytes(i), block_bytes);
269 }
270
271 void bch_btree_keys_free(struct btree_keys *);
272 int bch_btree_keys_alloc(struct btree_keys *, unsigned, gfp_t);
273 void bch_btree_keys_init(struct btree_keys *, const struct btree_keys_ops *,
274                          bool *);
275
276 void bch_bset_init_next(struct btree_keys *, struct bset *, uint64_t);
277 void bch_bset_build_written_tree(struct btree_keys *);
278 void bch_bset_fix_invalidated_key(struct btree_keys *, struct bkey *);
279 void bch_bset_insert(struct btree_keys *, struct bkey *, struct bkey *);
280
281 /*
282  * Tries to merge l and r: l should be lower than r
283  * Returns true if we were able to merge. If we did merge, l will be the merged
284  * key, r will be untouched.
285  */
286 static inline bool bch_bkey_try_merge(struct btree_keys *b,
287                                       struct bkey *l, struct bkey *r)
288 {
289         return b->ops->key_merge ?  b->ops->key_merge(b, l, r) : false;
290 }
291
292 /* Btree key iteration */
293
294 struct btree_iter {
295         size_t size, used;
296 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
297         struct btree *b;
298 #endif
299         struct btree_iter_set {
300                 struct bkey *k, *end;
301         } data[MAX_BSETS];
302 };
303
304 typedef bool (*ptr_filter_fn)(struct btree_keys *, const struct bkey *);
305
306 struct bkey *bch_btree_iter_next(struct btree_iter *);
307 struct bkey *bch_btree_iter_next_filter(struct btree_iter *,
308                                         struct btree_keys *, ptr_filter_fn);
309
310 void bch_btree_iter_push(struct btree_iter *, struct bkey *, struct bkey *);
311 struct bkey *bch_btree_iter_init(struct btree *, struct btree_iter *,
312                                  struct bkey *);
313
314 struct bkey *__bch_bset_search(struct btree *, struct bset_tree *,
315                            const struct bkey *);
316
317 /*
318  * Returns the first key that is strictly greater than search
319  */
320 static inline struct bkey *bch_bset_search(struct btree *b, struct bset_tree *t,
321                                            const struct bkey *search)
322 {
323         return search ? __bch_bset_search(b, t, search) : t->data->start;
324 }
325
326 /* Sorting */
327
328 struct bset_sort_state {
329         mempool_t               *pool;
330
331         unsigned                page_order;
332         unsigned                crit_factor;
333
334         struct time_stats       time;
335 };
336
337 void bch_bset_sort_state_free(struct bset_sort_state *);
338 int bch_bset_sort_state_init(struct bset_sort_state *, unsigned);
339 void bch_btree_sort_lazy(struct btree *, struct bset_sort_state *);
340 void bch_btree_sort_into(struct btree *, struct btree *,
341                          struct bset_sort_state *);
342 void bch_btree_sort_and_fix_extents(struct btree_keys *, struct btree_iter *,
343                                     struct bset_sort_state *);
344 void bch_btree_sort_partial(struct btree *, unsigned,
345                             struct bset_sort_state *);
346
347 static inline void bch_btree_sort(struct btree *b,
348                                   struct bset_sort_state *state)
349 {
350         bch_btree_sort_partial(b, 0, state);
351 }
352
353 /* Bkey utility code */
354
355 #define bset_bkey_last(i)       bkey_idx((struct bkey *) (i)->d, (i)->keys)
356
357 static inline struct bkey *bset_bkey_idx(struct bset *i, unsigned idx)
358 {
359         return bkey_idx(i->start, idx);
360 }
361
362 static inline void bkey_init(struct bkey *k)
363 {
364         *k = ZERO_KEY;
365 }
366
367 static __always_inline int64_t bkey_cmp(const struct bkey *l,
368                                         const struct bkey *r)
369 {
370         return unlikely(KEY_INODE(l) != KEY_INODE(r))
371                 ? (int64_t) KEY_INODE(l) - (int64_t) KEY_INODE(r)
372                 : (int64_t) KEY_OFFSET(l) - (int64_t) KEY_OFFSET(r);
373 }
374
375 void bch_bkey_copy_single_ptr(struct bkey *, const struct bkey *,
376                               unsigned);
377 bool __bch_cut_front(const struct bkey *, struct bkey *);
378 bool __bch_cut_back(const struct bkey *, struct bkey *);
379
380 static inline bool bch_cut_front(const struct bkey *where, struct bkey *k)
381 {
382         BUG_ON(bkey_cmp(where, k) > 0);
383         return __bch_cut_front(where, k);
384 }
385
386 static inline bool bch_cut_back(const struct bkey *where, struct bkey *k)
387 {
388         BUG_ON(bkey_cmp(where, &START_KEY(k)) < 0);
389         return __bch_cut_back(where, k);
390 }
391
392 #define PRECEDING_KEY(_k)                                       \
393 ({                                                              \
394         struct bkey *_ret = NULL;                               \
395                                                                 \
396         if (KEY_INODE(_k) || KEY_OFFSET(_k)) {                  \
397                 _ret = &KEY(KEY_INODE(_k), KEY_OFFSET(_k), 0);  \
398                                                                 \
399                 if (!_ret->low)                                 \
400                         _ret->high--;                           \
401                 _ret->low--;                                    \
402         }                                                       \
403                                                                 \
404         _ret;                                                   \
405 })
406
407 static inline bool bch_ptr_invalid(struct btree_keys *b, const struct bkey *k)
408 {
409         return b->ops->key_invalid(b, k);
410 }
411
412 static inline bool bch_ptr_bad(struct btree_keys *b, const struct bkey *k)
413 {
414         return b->ops->key_bad(b, k);
415 }
416
417 /* Keylists */
418
419 struct keylist {
420         union {
421                 struct bkey             *keys;
422                 uint64_t                *keys_p;
423         };
424         union {
425                 struct bkey             *top;
426                 uint64_t                *top_p;
427         };
428
429         /* Enough room for btree_split's keys without realloc */
430 #define KEYLIST_INLINE          16
431         uint64_t                inline_keys[KEYLIST_INLINE];
432 };
433
434 static inline void bch_keylist_init(struct keylist *l)
435 {
436         l->top_p = l->keys_p = l->inline_keys;
437 }
438
439 static inline void bch_keylist_push(struct keylist *l)
440 {
441         l->top = bkey_next(l->top);
442 }
443
444 static inline void bch_keylist_add(struct keylist *l, struct bkey *k)
445 {
446         bkey_copy(l->top, k);
447         bch_keylist_push(l);
448 }
449
450 static inline bool bch_keylist_empty(struct keylist *l)
451 {
452         return l->top == l->keys;
453 }
454
455 static inline void bch_keylist_reset(struct keylist *l)
456 {
457         l->top = l->keys;
458 }
459
460 static inline void bch_keylist_free(struct keylist *l)
461 {
462         if (l->keys_p != l->inline_keys)
463                 kfree(l->keys_p);
464 }
465
466 static inline size_t bch_keylist_nkeys(struct keylist *l)
467 {
468         return l->top_p - l->keys_p;
469 }
470
471 static inline size_t bch_keylist_bytes(struct keylist *l)
472 {
473         return bch_keylist_nkeys(l) * sizeof(uint64_t);
474 }
475
476 struct bkey *bch_keylist_pop(struct keylist *);
477 void bch_keylist_pop_front(struct keylist *);
478 int __bch_keylist_realloc(struct keylist *, unsigned);
479
480 struct cache_set;
481 const char *bch_ptr_status(struct cache_set *, const struct bkey *);
482
483 int bch_bset_print_stats(struct cache_set *, char *);
484
485 #endif