bcache: Rename/shuffle various code around
[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 bkey_float;
149
150 #define MAX_BSETS               4U
151
152 struct bset_tree {
153         /*
154          * We construct a binary tree in an array as if the array
155          * started at 1, so that things line up on the same cachelines
156          * better: see comments in bset.c at cacheline_to_bkey() for
157          * details
158          */
159
160         /* size of the binary tree and prev array */
161         unsigned                size;
162
163         /* function of size - precalculated for to_inorder() */
164         unsigned                extra;
165
166         /* copy of the last key in the set */
167         struct bkey             end;
168         struct bkey_float       *tree;
169
170         /*
171          * The nodes in the bset tree point to specific keys - this
172          * array holds the sizes of the previous key.
173          *
174          * Conceptually it's a member of struct bkey_float, but we want
175          * to keep bkey_float to 4 bytes and prev isn't used in the fast
176          * path.
177          */
178         uint8_t                 *prev;
179
180         /* The actual btree node, with pointers to each sorted set */
181         struct bset             *data;
182 };
183
184 #define __set_bytes(i, k)       (sizeof(*(i)) + (k) * sizeof(uint64_t))
185 #define set_bytes(i)            __set_bytes(i, i->keys)
186
187 #define __set_blocks(i, k, block_bytes)                         \
188         DIV_ROUND_UP(__set_bytes(i, k), block_bytes)
189 #define set_blocks(i, block_bytes)                              \
190         __set_blocks(i, (i)->keys, block_bytes)
191
192 void bch_btree_keys_free(struct btree *);
193 int bch_btree_keys_alloc(struct btree *, unsigned, gfp_t);
194
195 void bch_bset_fix_invalidated_key(struct btree *, struct bkey *);
196 void bch_bset_init_next(struct btree *, struct bset *, uint64_t);
197 void bch_bset_insert(struct btree *, struct bkey *, struct bkey *);
198
199 /* Btree key iteration */
200
201 struct btree_iter {
202         size_t size, used;
203 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
204         struct btree *b;
205 #endif
206         struct btree_iter_set {
207                 struct bkey *k, *end;
208         } data[MAX_BSETS];
209 };
210
211 typedef bool (*ptr_filter_fn)(struct btree *, const struct bkey *);
212
213 struct bkey *bch_btree_iter_next(struct btree_iter *);
214 struct bkey *bch_btree_iter_next_filter(struct btree_iter *,
215                                         struct btree *, ptr_filter_fn);
216
217 void bch_btree_iter_push(struct btree_iter *, struct bkey *, struct bkey *);
218 struct bkey *bch_btree_iter_init(struct btree *, struct btree_iter *,
219                                  struct bkey *);
220
221 struct bkey *__bch_bset_search(struct btree *, struct bset_tree *,
222                            const struct bkey *);
223
224 /*
225  * Returns the first key that is strictly greater than search
226  */
227 static inline struct bkey *bch_bset_search(struct btree *b, struct bset_tree *t,
228                                            const struct bkey *search)
229 {
230         return search ? __bch_bset_search(b, t, search) : t->data->start;
231 }
232
233 /* Sorting */
234
235 struct bset_sort_state {
236         mempool_t               *pool;
237
238         unsigned                page_order;
239         unsigned                crit_factor;
240
241         struct time_stats       time;
242 };
243
244 void bch_bset_sort_state_free(struct bset_sort_state *);
245 int bch_bset_sort_state_init(struct bset_sort_state *, unsigned);
246 void bch_btree_sort_lazy(struct btree *, struct bset_sort_state *);
247 void bch_btree_sort_into(struct btree *, struct btree *,
248                          struct bset_sort_state *);
249 void bch_btree_sort_and_fix_extents(struct btree *, struct btree_iter *,
250                                     struct bset_sort_state *);
251 void bch_btree_sort_partial(struct btree *, unsigned,
252                             struct bset_sort_state *);
253
254 static inline void bch_btree_sort(struct btree *b,
255                                   struct bset_sort_state *state)
256 {
257         bch_btree_sort_partial(b, 0, state);
258 }
259
260 /* Bkey utility code */
261
262 #define bset_bkey_last(i)       bkey_idx((struct bkey *) (i)->d, (i)->keys)
263
264 static inline struct bkey *bset_bkey_idx(struct bset *i, unsigned idx)
265 {
266         return bkey_idx(i->start, idx);
267 }
268
269 static inline void bkey_init(struct bkey *k)
270 {
271         *k = ZERO_KEY;
272 }
273
274 static __always_inline int64_t bkey_cmp(const struct bkey *l,
275                                         const struct bkey *r)
276 {
277         return unlikely(KEY_INODE(l) != KEY_INODE(r))
278                 ? (int64_t) KEY_INODE(l) - (int64_t) KEY_INODE(r)
279                 : (int64_t) KEY_OFFSET(l) - (int64_t) KEY_OFFSET(r);
280 }
281
282 void bch_bkey_copy_single_ptr(struct bkey *, const struct bkey *,
283                               unsigned);
284 bool __bch_cut_front(const struct bkey *, struct bkey *);
285 bool __bch_cut_back(const struct bkey *, struct bkey *);
286
287 static inline bool bch_cut_front(const struct bkey *where, struct bkey *k)
288 {
289         BUG_ON(bkey_cmp(where, k) > 0);
290         return __bch_cut_front(where, k);
291 }
292
293 static inline bool bch_cut_back(const struct bkey *where, struct bkey *k)
294 {
295         BUG_ON(bkey_cmp(where, &START_KEY(k)) < 0);
296         return __bch_cut_back(where, k);
297 }
298
299 #define PRECEDING_KEY(_k)                                       \
300 ({                                                              \
301         struct bkey *_ret = NULL;                               \
302                                                                 \
303         if (KEY_INODE(_k) || KEY_OFFSET(_k)) {                  \
304                 _ret = &KEY(KEY_INODE(_k), KEY_OFFSET(_k), 0);  \
305                                                                 \
306                 if (!_ret->low)                                 \
307                         _ret->high--;                           \
308                 _ret->low--;                                    \
309         }                                                       \
310                                                                 \
311         _ret;                                                   \
312 })
313
314 /* Keylists */
315
316 struct keylist {
317         union {
318                 struct bkey             *keys;
319                 uint64_t                *keys_p;
320         };
321         union {
322                 struct bkey             *top;
323                 uint64_t                *top_p;
324         };
325
326         /* Enough room for btree_split's keys without realloc */
327 #define KEYLIST_INLINE          16
328         uint64_t                inline_keys[KEYLIST_INLINE];
329 };
330
331 static inline void bch_keylist_init(struct keylist *l)
332 {
333         l->top_p = l->keys_p = l->inline_keys;
334 }
335
336 static inline void bch_keylist_push(struct keylist *l)
337 {
338         l->top = bkey_next(l->top);
339 }
340
341 static inline void bch_keylist_add(struct keylist *l, struct bkey *k)
342 {
343         bkey_copy(l->top, k);
344         bch_keylist_push(l);
345 }
346
347 static inline bool bch_keylist_empty(struct keylist *l)
348 {
349         return l->top == l->keys;
350 }
351
352 static inline void bch_keylist_reset(struct keylist *l)
353 {
354         l->top = l->keys;
355 }
356
357 static inline void bch_keylist_free(struct keylist *l)
358 {
359         if (l->keys_p != l->inline_keys)
360                 kfree(l->keys_p);
361 }
362
363 static inline size_t bch_keylist_nkeys(struct keylist *l)
364 {
365         return l->top_p - l->keys_p;
366 }
367
368 static inline size_t bch_keylist_bytes(struct keylist *l)
369 {
370         return bch_keylist_nkeys(l) * sizeof(uint64_t);
371 }
372
373 struct bkey *bch_keylist_pop(struct keylist *);
374 void bch_keylist_pop_front(struct keylist *);
375 int __bch_keylist_realloc(struct keylist *, unsigned);
376
377 struct cache_set;
378 const char *bch_ptr_status(struct cache_set *, const struct bkey *);
379 bool bch_btree_ptr_invalid(struct cache_set *, const struct bkey *);
380 bool bch_extent_ptr_invalid(struct cache_set *, const struct bkey *);
381 bool bch_btree_ptr_bad(struct btree *, const struct bkey *);
382 bool bch_extent_ptr_bad(struct btree *, const struct bkey *);
383
384 bool bch_ptr_bad(struct btree *, const struct bkey *);
385
386 bool bch_bkey_try_merge(struct btree *, struct bkey *, struct bkey *);
387
388 int bch_bset_print_stats(struct cache_set *, char *);
389
390 #endif