05d228efcd31a3a6855db35f82cdde1c18cc9dcd
[platform/kernel/linux-starfive.git] / fs / btrfs / compression.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 /*
3  * Copyright (C) 2008 Oracle.  All rights reserved.
4  */
5
6 #include <linux/kernel.h>
7 #include <linux/bio.h>
8 #include <linux/file.h>
9 #include <linux/fs.h>
10 #include <linux/pagemap.h>
11 #include <linux/pagevec.h>
12 #include <linux/highmem.h>
13 #include <linux/kthread.h>
14 #include <linux/time.h>
15 #include <linux/init.h>
16 #include <linux/string.h>
17 #include <linux/backing-dev.h>
18 #include <linux/writeback.h>
19 #include <linux/slab.h>
20 #include <linux/sched/mm.h>
21 #include <linux/log2.h>
22 #include <crypto/hash.h>
23 #include "misc.h"
24 #include "ctree.h"
25 #include "disk-io.h"
26 #include "transaction.h"
27 #include "btrfs_inode.h"
28 #include "volumes.h"
29 #include "ordered-data.h"
30 #include "compression.h"
31 #include "extent_io.h"
32 #include "extent_map.h"
33 #include "subpage.h"
34 #include "zoned.h"
35
36 static const char* const btrfs_compress_types[] = { "", "zlib", "lzo", "zstd" };
37
38 const char* btrfs_compress_type2str(enum btrfs_compression_type type)
39 {
40         switch (type) {
41         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
42         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
43         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
44         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
45                 return btrfs_compress_types[type];
46         default:
47                 break;
48         }
49
50         return NULL;
51 }
52
53 bool btrfs_compress_is_valid_type(const char *str, size_t len)
54 {
55         int i;
56
57         for (i = 1; i < ARRAY_SIZE(btrfs_compress_types); i++) {
58                 size_t comp_len = strlen(btrfs_compress_types[i]);
59
60                 if (len < comp_len)
61                         continue;
62
63                 if (!strncmp(btrfs_compress_types[i], str, comp_len))
64                         return true;
65         }
66         return false;
67 }
68
69 static int compression_compress_pages(int type, struct list_head *ws,
70                struct address_space *mapping, u64 start, struct page **pages,
71                unsigned long *out_pages, unsigned long *total_in,
72                unsigned long *total_out)
73 {
74         switch (type) {
75         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
76                 return zlib_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
77                                 out_pages, total_in, total_out);
78         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
79                 return lzo_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
80                                 out_pages, total_in, total_out);
81         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
82                 return zstd_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
83                                 out_pages, total_in, total_out);
84         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
85         default:
86                 /*
87                  * This can happen when compression races with remount setting
88                  * it to 'no compress', while caller doesn't call
89                  * inode_need_compress() to check if we really need to
90                  * compress.
91                  *
92                  * Not a big deal, just need to inform caller that we
93                  * haven't allocated any pages yet.
94                  */
95                 *out_pages = 0;
96                 return -E2BIG;
97         }
98 }
99
100 static int compression_decompress_bio(struct list_head *ws,
101                                       struct compressed_bio *cb)
102 {
103         switch (cb->compress_type) {
104         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress_bio(ws, cb);
105         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress_bio(ws, cb);
106         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress_bio(ws, cb);
107         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
108         default:
109                 /*
110                  * This can't happen, the type is validated several times
111                  * before we get here.
112                  */
113                 BUG();
114         }
115 }
116
117 static int compression_decompress(int type, struct list_head *ws,
118                unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
119                unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
120 {
121         switch (type) {
122         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress(ws, data_in, dest_page,
123                                                 start_byte, srclen, destlen);
124         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress(ws, data_in, dest_page,
125                                                 start_byte, srclen, destlen);
126         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress(ws, data_in, dest_page,
127                                                 start_byte, srclen, destlen);
128         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
129         default:
130                 /*
131                  * This can't happen, the type is validated several times
132                  * before we get here.
133                  */
134                 BUG();
135         }
136 }
137
138 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb);
139
140 static void finish_compressed_bio_read(struct compressed_bio *cb)
141 {
142         unsigned int index;
143         struct page *page;
144
145         if (cb->status == BLK_STS_OK)
146                 cb->status = errno_to_blk_status(btrfs_decompress_bio(cb));
147
148         /* Release the compressed pages */
149         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
150                 page = cb->compressed_pages[index];
151                 page->mapping = NULL;
152                 put_page(page);
153         }
154
155         /* Do io completion on the original bio */
156         if (cb->status != BLK_STS_OK)
157                 cb->orig_bio->bi_status = cb->status;
158         bio_endio(cb->orig_bio);
159
160         /* Finally free the cb struct */
161         kfree(cb->compressed_pages);
162         kfree(cb);
163 }
164
165 /*
166  * Verify the checksums and kick off repair if needed on the uncompressed data
167  * before decompressing it into the original bio and freeing the uncompressed
168  * pages.
169  */
170 static void end_compressed_bio_read(struct bio *bio)
171 {
172         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
173         struct inode *inode = cb->inode;
174         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
175         struct btrfs_inode *bi = BTRFS_I(inode);
176         bool csum = !(bi->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM) &&
177                     !test_bit(BTRFS_FS_STATE_NO_CSUMS, &fs_info->fs_state);
178         blk_status_t status = bio->bi_status;
179         struct btrfs_bio *bbio = btrfs_bio(bio);
180         struct bvec_iter iter;
181         struct bio_vec bv;
182         u32 offset;
183
184         btrfs_bio_for_each_sector(fs_info, bv, bbio, iter, offset) {
185                 u64 start = bbio->file_offset + offset;
186
187                 if (!status &&
188                     (!csum || !btrfs_check_data_csum(inode, bbio, offset,
189                                                      bv.bv_page, bv.bv_offset))) {
190                         clean_io_failure(fs_info, &bi->io_failure_tree,
191                                          &bi->io_tree, start, bv.bv_page,
192                                          btrfs_ino(bi), bv.bv_offset);
193                 } else {
194                         int ret;
195
196                         refcount_inc(&cb->pending_ios);
197                         ret = btrfs_repair_one_sector(inode, bbio, offset,
198                                                       bv.bv_page, bv.bv_offset,
199                                                       btrfs_submit_data_read_bio);
200                         if (ret) {
201                                 refcount_dec(&cb->pending_ios);
202                                 status = errno_to_blk_status(ret);
203                         }
204                 }
205         }
206
207         if (status)
208                 cb->status = status;
209
210         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios))
211                 finish_compressed_bio_read(cb);
212         btrfs_bio_free_csum(bbio);
213         bio_put(bio);
214 }
215
216 /*
217  * Clear the writeback bits on all of the file
218  * pages for a compressed write
219  */
220 static noinline void end_compressed_writeback(struct inode *inode,
221                                               const struct compressed_bio *cb)
222 {
223         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
224         unsigned long index = cb->start >> PAGE_SHIFT;
225         unsigned long end_index = (cb->start + cb->len - 1) >> PAGE_SHIFT;
226         struct folio_batch fbatch;
227         const int errno = blk_status_to_errno(cb->status);
228         int i;
229         int ret;
230
231         if (errno)
232                 mapping_set_error(inode->i_mapping, errno);
233
234         folio_batch_init(&fbatch);
235         while (index <= end_index) {
236                 ret = filemap_get_folios(inode->i_mapping, &index, end_index,
237                                 &fbatch);
238
239                 if (ret == 0)
240                         return;
241
242                 for (i = 0; i < ret; i++) {
243                         struct folio *folio = fbatch.folios[i];
244
245                         if (errno)
246                                 folio_set_error(folio);
247                         btrfs_page_clamp_clear_writeback(fs_info, &folio->page,
248                                                          cb->start, cb->len);
249                 }
250                 folio_batch_release(&fbatch);
251         }
252         /* the inode may be gone now */
253 }
254
255 static void finish_compressed_bio_write(struct compressed_bio *cb)
256 {
257         struct inode *inode = cb->inode;
258         unsigned int index;
259
260         /*
261          * Ok, we're the last bio for this extent, step one is to call back
262          * into the FS and do all the end_io operations.
263          */
264         btrfs_writepage_endio_finish_ordered(BTRFS_I(inode), NULL,
265                         cb->start, cb->start + cb->len - 1,
266                         cb->status == BLK_STS_OK);
267
268         if (cb->writeback)
269                 end_compressed_writeback(inode, cb);
270         /* Note, our inode could be gone now */
271
272         /*
273          * Release the compressed pages, these came from alloc_page and
274          * are not attached to the inode at all
275          */
276         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
277                 struct page *page = cb->compressed_pages[index];
278
279                 page->mapping = NULL;
280                 put_page(page);
281         }
282
283         /* Finally free the cb struct */
284         kfree(cb->compressed_pages);
285         kfree(cb);
286 }
287
288 static void btrfs_finish_compressed_write_work(struct work_struct *work)
289 {
290         struct compressed_bio *cb =
291                 container_of(work, struct compressed_bio, write_end_work);
292
293         finish_compressed_bio_write(cb);
294 }
295
296 /*
297  * Do the cleanup once all the compressed pages hit the disk.  This will clear
298  * writeback on the file pages and free the compressed pages.
299  *
300  * This also calls the writeback end hooks for the file pages so that metadata
301  * and checksums can be updated in the file.
302  */
303 static void end_compressed_bio_write(struct bio *bio)
304 {
305         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
306
307         if (bio->bi_status)
308                 cb->status = bio->bi_status;
309
310         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios)) {
311                 struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(cb->inode->i_sb);
312
313                 btrfs_record_physical_zoned(cb->inode, cb->start, bio);
314                 queue_work(fs_info->compressed_write_workers, &cb->write_end_work);
315         }
316         bio_put(bio);
317 }
318
319 /*
320  * Allocate a compressed_bio, which will be used to read/write on-disk
321  * (aka, compressed) * data.
322  *
323  * @cb:                 The compressed_bio structure, which records all the needed
324  *                      information to bind the compressed data to the uncompressed
325  *                      page cache.
326  * @disk_byten:         The logical bytenr where the compressed data will be read
327  *                      from or written to.
328  * @endio_func:         The endio function to call after the IO for compressed data
329  *                      is finished.
330  * @next_stripe_start:  Return value of logical bytenr of where next stripe starts.
331  *                      Let the caller know to only fill the bio up to the stripe
332  *                      boundary.
333  */
334
335
336 static struct bio *alloc_compressed_bio(struct compressed_bio *cb, u64 disk_bytenr,
337                                         blk_opf_t opf, bio_end_io_t endio_func,
338                                         u64 *next_stripe_start)
339 {
340         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(cb->inode->i_sb);
341         struct btrfs_io_geometry geom;
342         struct extent_map *em;
343         struct bio *bio;
344         int ret;
345
346         bio = btrfs_bio_alloc(BIO_MAX_VECS);
347
348         bio->bi_iter.bi_sector = disk_bytenr >> SECTOR_SHIFT;
349         bio->bi_opf = opf;
350         bio->bi_private = cb;
351         bio->bi_end_io = endio_func;
352
353         em = btrfs_get_chunk_map(fs_info, disk_bytenr, fs_info->sectorsize);
354         if (IS_ERR(em)) {
355                 bio_put(bio);
356                 return ERR_CAST(em);
357         }
358
359         if (bio_op(bio) == REQ_OP_ZONE_APPEND)
360                 bio_set_dev(bio, em->map_lookup->stripes[0].dev->bdev);
361
362         ret = btrfs_get_io_geometry(fs_info, em, btrfs_op(bio), disk_bytenr, &geom);
363         free_extent_map(em);
364         if (ret < 0) {
365                 bio_put(bio);
366                 return ERR_PTR(ret);
367         }
368         *next_stripe_start = disk_bytenr + geom.len;
369         refcount_inc(&cb->pending_ios);
370         return bio;
371 }
372
373 /*
374  * worker function to build and submit bios for previously compressed pages.
375  * The corresponding pages in the inode should be marked for writeback
376  * and the compressed pages should have a reference on them for dropping
377  * when the IO is complete.
378  *
379  * This also checksums the file bytes and gets things ready for
380  * the end io hooks.
381  */
382 blk_status_t btrfs_submit_compressed_write(struct btrfs_inode *inode, u64 start,
383                                  unsigned int len, u64 disk_start,
384                                  unsigned int compressed_len,
385                                  struct page **compressed_pages,
386                                  unsigned int nr_pages,
387                                  blk_opf_t write_flags,
388                                  struct cgroup_subsys_state *blkcg_css,
389                                  bool writeback)
390 {
391         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
392         struct bio *bio = NULL;
393         struct compressed_bio *cb;
394         u64 cur_disk_bytenr = disk_start;
395         u64 next_stripe_start;
396         blk_status_t ret = BLK_STS_OK;
397         int skip_sum = inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM;
398         const bool use_append = btrfs_use_zone_append(inode, disk_start);
399         const enum req_op bio_op = use_append ? REQ_OP_ZONE_APPEND : REQ_OP_WRITE;
400
401         ASSERT(IS_ALIGNED(start, fs_info->sectorsize) &&
402                IS_ALIGNED(len, fs_info->sectorsize));
403         cb = kmalloc(sizeof(struct compressed_bio), GFP_NOFS);
404         if (!cb)
405                 return BLK_STS_RESOURCE;
406         refcount_set(&cb->pending_ios, 1);
407         cb->status = BLK_STS_OK;
408         cb->inode = &inode->vfs_inode;
409         cb->start = start;
410         cb->len = len;
411         cb->compressed_pages = compressed_pages;
412         cb->compressed_len = compressed_len;
413         cb->writeback = writeback;
414         INIT_WORK(&cb->write_end_work, btrfs_finish_compressed_write_work);
415         cb->nr_pages = nr_pages;
416
417         if (blkcg_css)
418                 kthread_associate_blkcg(blkcg_css);
419
420         while (cur_disk_bytenr < disk_start + compressed_len) {
421                 u64 offset = cur_disk_bytenr - disk_start;
422                 unsigned int index = offset >> PAGE_SHIFT;
423                 unsigned int real_size;
424                 unsigned int added;
425                 struct page *page = compressed_pages[index];
426                 bool submit = false;
427
428                 /* Allocate new bio if submitted or not yet allocated */
429                 if (!bio) {
430                         bio = alloc_compressed_bio(cb, cur_disk_bytenr,
431                                 bio_op | write_flags, end_compressed_bio_write,
432                                 &next_stripe_start);
433                         if (IS_ERR(bio)) {
434                                 ret = errno_to_blk_status(PTR_ERR(bio));
435                                 break;
436                         }
437                         if (blkcg_css)
438                                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
439                 }
440                 /*
441                  * We should never reach next_stripe_start start as we will
442                  * submit comp_bio when reach the boundary immediately.
443                  */
444                 ASSERT(cur_disk_bytenr != next_stripe_start);
445
446                 /*
447                  * We have various limits on the real read size:
448                  * - stripe boundary
449                  * - page boundary
450                  * - compressed length boundary
451                  */
452                 real_size = min_t(u64, U32_MAX, next_stripe_start - cur_disk_bytenr);
453                 real_size = min_t(u64, real_size, PAGE_SIZE - offset_in_page(offset));
454                 real_size = min_t(u64, real_size, compressed_len - offset);
455                 ASSERT(IS_ALIGNED(real_size, fs_info->sectorsize));
456
457                 if (use_append)
458                         added = bio_add_zone_append_page(bio, page, real_size,
459                                         offset_in_page(offset));
460                 else
461                         added = bio_add_page(bio, page, real_size,
462                                         offset_in_page(offset));
463                 /* Reached zoned boundary */
464                 if (added == 0)
465                         submit = true;
466
467                 cur_disk_bytenr += added;
468                 /* Reached stripe boundary */
469                 if (cur_disk_bytenr == next_stripe_start)
470                         submit = true;
471
472                 /* Finished the range */
473                 if (cur_disk_bytenr == disk_start + compressed_len)
474                         submit = true;
475
476                 if (submit) {
477                         if (!skip_sum) {
478                                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, true);
479                                 if (ret) {
480                                         bio->bi_status = ret;
481                                         bio_endio(bio);
482                                         break;
483                                 }
484                         }
485
486                         ASSERT(bio->bi_iter.bi_size);
487                         btrfs_submit_bio(fs_info, bio, 0);
488                         bio = NULL;
489                 }
490                 cond_resched();
491         }
492
493         if (blkcg_css)
494                 kthread_associate_blkcg(NULL);
495
496         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios))
497                 finish_compressed_bio_write(cb);
498         return ret;
499 }
500
501 static u64 bio_end_offset(struct bio *bio)
502 {
503         struct bio_vec *last = bio_last_bvec_all(bio);
504
505         return page_offset(last->bv_page) + last->bv_len + last->bv_offset;
506 }
507
508 /*
509  * Add extra pages in the same compressed file extent so that we don't need to
510  * re-read the same extent again and again.
511  *
512  * NOTE: this won't work well for subpage, as for subpage read, we lock the
513  * full page then submit bio for each compressed/regular extents.
514  *
515  * This means, if we have several sectors in the same page points to the same
516  * on-disk compressed data, we will re-read the same extent many times and
517  * this function can only help for the next page.
518  */
519 static noinline int add_ra_bio_pages(struct inode *inode,
520                                      u64 compressed_end,
521                                      struct compressed_bio *cb)
522 {
523         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
524         unsigned long end_index;
525         u64 cur = bio_end_offset(cb->orig_bio);
526         u64 isize = i_size_read(inode);
527         int ret;
528         struct page *page;
529         struct extent_map *em;
530         struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
531         struct extent_map_tree *em_tree;
532         struct extent_io_tree *tree;
533         int sectors_missed = 0;
534
535         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
536         tree = &BTRFS_I(inode)->io_tree;
537
538         if (isize == 0)
539                 return 0;
540
541         /*
542          * For current subpage support, we only support 64K page size,
543          * which means maximum compressed extent size (128K) is just 2x page
544          * size.
545          * This makes readahead less effective, so here disable readahead for
546          * subpage for now, until full compressed write is supported.
547          */
548         if (btrfs_sb(inode->i_sb)->sectorsize < PAGE_SIZE)
549                 return 0;
550
551         end_index = (i_size_read(inode) - 1) >> PAGE_SHIFT;
552
553         while (cur < compressed_end) {
554                 u64 page_end;
555                 u64 pg_index = cur >> PAGE_SHIFT;
556                 u32 add_size;
557
558                 if (pg_index > end_index)
559                         break;
560
561                 page = xa_load(&mapping->i_pages, pg_index);
562                 if (page && !xa_is_value(page)) {
563                         sectors_missed += (PAGE_SIZE - offset_in_page(cur)) >>
564                                           fs_info->sectorsize_bits;
565
566                         /* Beyond threshold, no need to continue */
567                         if (sectors_missed > 4)
568                                 break;
569
570                         /*
571                          * Jump to next page start as we already have page for
572                          * current offset.
573                          */
574                         cur = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE;
575                         continue;
576                 }
577
578                 page = __page_cache_alloc(mapping_gfp_constraint(mapping,
579                                                                  ~__GFP_FS));
580                 if (!page)
581                         break;
582
583                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, pg_index, GFP_NOFS)) {
584                         put_page(page);
585                         /* There is already a page, skip to page end */
586                         cur = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE;
587                         continue;
588                 }
589
590                 ret = set_page_extent_mapped(page);
591                 if (ret < 0) {
592                         unlock_page(page);
593                         put_page(page);
594                         break;
595                 }
596
597                 page_end = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE - 1;
598                 lock_extent(tree, cur, page_end);
599                 read_lock(&em_tree->lock);
600                 em = lookup_extent_mapping(em_tree, cur, page_end + 1 - cur);
601                 read_unlock(&em_tree->lock);
602
603                 /*
604                  * At this point, we have a locked page in the page cache for
605                  * these bytes in the file.  But, we have to make sure they map
606                  * to this compressed extent on disk.
607                  */
608                 if (!em || cur < em->start ||
609                     (cur + fs_info->sectorsize > extent_map_end(em)) ||
610                     (em->block_start >> 9) != cb->orig_bio->bi_iter.bi_sector) {
611                         free_extent_map(em);
612                         unlock_extent(tree, cur, page_end);
613                         unlock_page(page);
614                         put_page(page);
615                         break;
616                 }
617                 free_extent_map(em);
618
619                 if (page->index == end_index) {
620                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
621
622                         if (zero_offset) {
623                                 int zeros;
624                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
625                                 memzero_page(page, zero_offset, zeros);
626                         }
627                 }
628
629                 add_size = min(em->start + em->len, page_end + 1) - cur;
630                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page, add_size, offset_in_page(cur));
631                 if (ret != add_size) {
632                         unlock_extent(tree, cur, page_end);
633                         unlock_page(page);
634                         put_page(page);
635                         break;
636                 }
637                 /*
638                  * If it's subpage, we also need to increase its
639                  * subpage::readers number, as at endio we will decrease
640                  * subpage::readers and to unlock the page.
641                  */
642                 if (fs_info->sectorsize < PAGE_SIZE)
643                         btrfs_subpage_start_reader(fs_info, page, cur, add_size);
644                 put_page(page);
645                 cur += add_size;
646         }
647         return 0;
648 }
649
650 /*
651  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
652  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
653  * to hold the compressed pages on disk.
654  *
655  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
656  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
657  *
658  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
659  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
660  */
661 void btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
662                                   int mirror_num)
663 {
664         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
665         struct extent_map_tree *em_tree;
666         struct compressed_bio *cb;
667         unsigned int compressed_len;
668         struct bio *comp_bio = NULL;
669         const u64 disk_bytenr = bio->bi_iter.bi_sector << SECTOR_SHIFT;
670         u64 cur_disk_byte = disk_bytenr;
671         u64 next_stripe_start;
672         u64 file_offset;
673         u64 em_len;
674         u64 em_start;
675         struct extent_map *em;
676         blk_status_t ret;
677         int ret2;
678         int i;
679
680         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
681
682         file_offset = bio_first_bvec_all(bio)->bv_offset +
683                       page_offset(bio_first_page_all(bio));
684
685         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
686         read_lock(&em_tree->lock);
687         em = lookup_extent_mapping(em_tree, file_offset, fs_info->sectorsize);
688         read_unlock(&em_tree->lock);
689         if (!em) {
690                 ret = BLK_STS_IOERR;
691                 goto out;
692         }
693
694         ASSERT(em->compress_type != BTRFS_COMPRESS_NONE);
695         compressed_len = em->block_len;
696         cb = kmalloc(sizeof(struct compressed_bio), GFP_NOFS);
697         if (!cb) {
698                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
699                 goto out;
700         }
701
702         refcount_set(&cb->pending_ios, 1);
703         cb->status = BLK_STS_OK;
704         cb->inode = inode;
705
706         cb->start = em->orig_start;
707         em_len = em->len;
708         em_start = em->start;
709
710         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
711         cb->compressed_len = compressed_len;
712         cb->compress_type = em->compress_type;
713         cb->orig_bio = bio;
714
715         free_extent_map(em);
716         em = NULL;
717
718         cb->nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
719         cb->compressed_pages = kcalloc(cb->nr_pages, sizeof(struct page *), GFP_NOFS);
720         if (!cb->compressed_pages) {
721                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
722                 goto fail;
723         }
724
725         ret2 = btrfs_alloc_page_array(cb->nr_pages, cb->compressed_pages);
726         if (ret2) {
727                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
728                 goto fail;
729         }
730
731         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb);
732
733         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
734         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
735
736         while (cur_disk_byte < disk_bytenr + compressed_len) {
737                 u64 offset = cur_disk_byte - disk_bytenr;
738                 unsigned int index = offset >> PAGE_SHIFT;
739                 unsigned int real_size;
740                 unsigned int added;
741                 struct page *page = cb->compressed_pages[index];
742                 bool submit = false;
743
744                 /* Allocate new bio if submitted or not yet allocated */
745                 if (!comp_bio) {
746                         comp_bio = alloc_compressed_bio(cb, cur_disk_byte,
747                                         REQ_OP_READ, end_compressed_bio_read,
748                                         &next_stripe_start);
749                         if (IS_ERR(comp_bio)) {
750                                 cb->status = errno_to_blk_status(PTR_ERR(comp_bio));
751                                 break;
752                         }
753                 }
754                 /*
755                  * We should never reach next_stripe_start start as we will
756                  * submit comp_bio when reach the boundary immediately.
757                  */
758                 ASSERT(cur_disk_byte != next_stripe_start);
759                 /*
760                  * We have various limit on the real read size:
761                  * - stripe boundary
762                  * - page boundary
763                  * - compressed length boundary
764                  */
765                 real_size = min_t(u64, U32_MAX, next_stripe_start - cur_disk_byte);
766                 real_size = min_t(u64, real_size, PAGE_SIZE - offset_in_page(offset));
767                 real_size = min_t(u64, real_size, compressed_len - offset);
768                 ASSERT(IS_ALIGNED(real_size, fs_info->sectorsize));
769
770                 added = bio_add_page(comp_bio, page, real_size, offset_in_page(offset));
771                 /*
772                  * Maximum compressed extent is smaller than bio size limit,
773                  * thus bio_add_page() should always success.
774                  */
775                 ASSERT(added == real_size);
776                 cur_disk_byte += added;
777
778                 /* Reached stripe boundary, need to submit */
779                 if (cur_disk_byte == next_stripe_start)
780                         submit = true;
781
782                 /* Has finished the range, need to submit */
783                 if (cur_disk_byte == disk_bytenr + compressed_len)
784                         submit = true;
785
786                 if (submit) {
787                         /* Save the original iter for read repair */
788                         if (bio_op(comp_bio) == REQ_OP_READ)
789                                 btrfs_bio(comp_bio)->iter = comp_bio->bi_iter;
790
791                         /*
792                          * Save the initial offset of this chunk, as there
793                          * is no direct correlation between compressed pages and
794                          * the original file offset.  The field is only used for
795                          * priting error messages.
796                          */
797                         btrfs_bio(comp_bio)->file_offset = file_offset;
798
799                         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, NULL);
800                         if (ret) {
801                                 comp_bio->bi_status = ret;
802                                 bio_endio(comp_bio);
803                                 break;
804                         }
805
806                         ASSERT(comp_bio->bi_iter.bi_size);
807                         btrfs_submit_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
808                         comp_bio = NULL;
809                 }
810         }
811
812         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios))
813                 finish_compressed_bio_read(cb);
814         return;
815
816 fail:
817         if (cb->compressed_pages) {
818                 for (i = 0; i < cb->nr_pages; i++) {
819                         if (cb->compressed_pages[i])
820                                 __free_page(cb->compressed_pages[i]);
821                 }
822         }
823
824         kfree(cb->compressed_pages);
825         kfree(cb);
826 out:
827         free_extent_map(em);
828         bio->bi_status = ret;
829         bio_endio(bio);
830         return;
831 }
832
833 /*
834  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
835  * range, the logic can be tuned by the following constants:
836  *
837  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
838  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
839  */
840 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
841 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
842
843 /*
844  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
845  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
846  * many times the object appeared in the sample.
847  */
848 #define BUCKET_SIZE             (256)
849
850 /*
851  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
852  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
853  * elements in each cell is at least 5.
854  *
855  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
856  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
857  * sample size bound by 8192.
858  *
859  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
860  * from up to 512 locations.
861  */
862 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
863                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
864
865 struct bucket_item {
866         u32 count;
867 };
868
869 struct heuristic_ws {
870         /* Partial copy of input data */
871         u8 *sample;
872         u32 sample_size;
873         /* Buckets store counters for each byte value */
874         struct bucket_item *bucket;
875         /* Sorting buffer */
876         struct bucket_item *bucket_b;
877         struct list_head list;
878 };
879
880 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
881
882 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
883 {
884         struct heuristic_ws *workspace;
885
886         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
887
888         kvfree(workspace->sample);
889         kfree(workspace->bucket);
890         kfree(workspace->bucket_b);
891         kfree(workspace);
892 }
893
894 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
895 {
896         struct heuristic_ws *ws;
897
898         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
899         if (!ws)
900                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
901
902         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
903         if (!ws->sample)
904                 goto fail;
905
906         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
907         if (!ws->bucket)
908                 goto fail;
909
910         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
911         if (!ws->bucket_b)
912                 goto fail;
913
914         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
915         return &ws->list;
916 fail:
917         free_heuristic_ws(&ws->list);
918         return ERR_PTR(-ENOMEM);
919 }
920
921 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
922         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
923 };
924
925 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
926         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
927         &btrfs_heuristic_compress,
928         &btrfs_zlib_compress,
929         &btrfs_lzo_compress,
930         &btrfs_zstd_compress,
931 };
932
933 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
934 {
935         switch (type) {
936         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
937         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
938         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
939         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
940         default:
941                 /*
942                  * This can't happen, the type is validated several times
943                  * before we get here.
944                  */
945                 BUG();
946         }
947 }
948
949 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
950 {
951         switch (type) {
952         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
953         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
954         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
955         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
956         default:
957                 /*
958                  * This can't happen, the type is validated several times
959                  * before we get here.
960                  */
961                 BUG();
962         }
963 }
964
965 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
966 {
967         struct workspace_manager *wsm;
968         struct list_head *workspace;
969
970         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
971         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
972         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
973         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
974         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
975
976         /*
977          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
978          * guarantee forward progress in the worst case
979          */
980         workspace = alloc_workspace(type, 0);
981         if (IS_ERR(workspace)) {
982                 pr_warn(
983         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
984         } else {
985                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
986                 wsm->free_ws = 1;
987                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
988         }
989 }
990
991 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
992 {
993         struct workspace_manager *wsman;
994         struct list_head *ws;
995
996         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
997         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
998                 ws = wsman->idle_ws.next;
999                 list_del(ws);
1000                 free_workspace(type, ws);
1001                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
1002         }
1003 }
1004
1005 /*
1006  * This finds an available workspace or allocates a new one.
1007  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
1008  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
1009  * errors.
1010  */
1011 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
1012 {
1013         struct workspace_manager *wsm;
1014         struct list_head *workspace;
1015         int cpus = num_online_cpus();
1016         unsigned nofs_flag;
1017         struct list_head *idle_ws;
1018         spinlock_t *ws_lock;
1019         atomic_t *total_ws;
1020         wait_queue_head_t *ws_wait;
1021         int *free_ws;
1022
1023         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1024         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1025         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1026         total_ws = &wsm->total_ws;
1027         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1028         free_ws  = &wsm->free_ws;
1029
1030 again:
1031         spin_lock(ws_lock);
1032         if (!list_empty(idle_ws)) {
1033                 workspace = idle_ws->next;
1034                 list_del(workspace);
1035                 (*free_ws)--;
1036                 spin_unlock(ws_lock);
1037                 return workspace;
1038
1039         }
1040         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
1041                 DEFINE_WAIT(wait);
1042
1043                 spin_unlock(ws_lock);
1044                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1045                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
1046                         schedule();
1047                 finish_wait(ws_wait, &wait);
1048                 goto again;
1049         }
1050         atomic_inc(total_ws);
1051         spin_unlock(ws_lock);
1052
1053         /*
1054          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
1055          * to turn it off here because we might get called from the restricted
1056          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
1057          */
1058         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
1059         workspace = alloc_workspace(type, level);
1060         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
1061
1062         if (IS_ERR(workspace)) {
1063                 atomic_dec(total_ws);
1064                 wake_up(ws_wait);
1065
1066                 /*
1067                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
1068                  * workspace preallocated for each type and the compression
1069                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
1070                  * makes our caller's life easier.
1071                  *
1072                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
1073                  * initial preallocation fails), check if there are any
1074                  * workspaces at all.
1075                  */
1076                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
1077                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
1078                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
1079                                         /* no burst */ 1);
1080
1081                         if (__ratelimit(&_rs)) {
1082                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
1083                         }
1084                 }
1085                 goto again;
1086         }
1087         return workspace;
1088 }
1089
1090 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
1091 {
1092         switch (type) {
1093         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
1094         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
1095         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
1096         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
1097         default:
1098                 /*
1099                  * This can't happen, the type is validated several times
1100                  * before we get here.
1101                  */
1102                 BUG();
1103         }
1104 }
1105
1106 /*
1107  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
1108  * idle ones sitting around
1109  */
1110 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1111 {
1112         struct workspace_manager *wsm;
1113         struct list_head *idle_ws;
1114         spinlock_t *ws_lock;
1115         atomic_t *total_ws;
1116         wait_queue_head_t *ws_wait;
1117         int *free_ws;
1118
1119         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1120         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1121         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1122         total_ws = &wsm->total_ws;
1123         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1124         free_ws  = &wsm->free_ws;
1125
1126         spin_lock(ws_lock);
1127         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1128                 list_add(ws, idle_ws);
1129                 (*free_ws)++;
1130                 spin_unlock(ws_lock);
1131                 goto wake;
1132         }
1133         spin_unlock(ws_lock);
1134
1135         free_workspace(type, ws);
1136         atomic_dec(total_ws);
1137 wake:
1138         cond_wake_up(ws_wait);
1139 }
1140
1141 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1142 {
1143         switch (type) {
1144         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1145         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1146         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1147         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1148         default:
1149                 /*
1150                  * This can't happen, the type is validated several times
1151                  * before we get here.
1152                  */
1153                 BUG();
1154         }
1155 }
1156
1157 /*
1158  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1159  * fallback to default
1160  */
1161 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1162 {
1163         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1164
1165         if (level == 0)
1166                 level = ops->default_level;
1167         else
1168                 level = min(level, ops->max_level);
1169
1170         return level;
1171 }
1172
1173 /*
1174  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1175  * that are allocated on demand.
1176  *
1177  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1178  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1179  * - compression algo are 0-3
1180  * - the level are bits 4-7
1181  *
1182  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1183  * and returns number of actually allocated pages
1184  *
1185  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1186  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1187  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1188  * max_out threshold.
1189  *
1190  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1191  * be also used to return the total number of compressed bytes
1192  */
1193 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1194                          u64 start, struct page **pages,
1195                          unsigned long *out_pages,
1196                          unsigned long *total_in,
1197                          unsigned long *total_out)
1198 {
1199         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1200         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1201         struct list_head *workspace;
1202         int ret;
1203
1204         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1205         workspace = get_workspace(type, level);
1206         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1207                                          out_pages, total_in, total_out);
1208         put_workspace(type, workspace);
1209         return ret;
1210 }
1211
1212 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1213 {
1214         struct list_head *workspace;
1215         int ret;
1216         int type = cb->compress_type;
1217
1218         workspace = get_workspace(type, 0);
1219         ret = compression_decompress_bio(workspace, cb);
1220         put_workspace(type, workspace);
1221
1222         return ret;
1223 }
1224
1225 /*
1226  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1227  * single page, and we want to read a single page out of it.
1228  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1229  */
1230 int btrfs_decompress(int type, unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
1231                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1232 {
1233         struct list_head *workspace;
1234         int ret;
1235
1236         workspace = get_workspace(type, 0);
1237         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1238                                      start_byte, srclen, destlen);
1239         put_workspace(type, workspace);
1240
1241         return ret;
1242 }
1243
1244 void __init btrfs_init_compress(void)
1245 {
1246         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1247         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1248         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1249         zstd_init_workspace_manager();
1250 }
1251
1252 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1253 {
1254         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1255         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1256         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1257         zstd_cleanup_workspace_manager();
1258 }
1259
1260 /*
1261  * Copy decompressed data from working buffer to pages.
1262  *
1263  * @buf:                The decompressed data buffer
1264  * @buf_len:            The decompressed data length
1265  * @decompressed:       Number of bytes that are already decompressed inside the
1266  *                      compressed extent
1267  * @cb:                 The compressed extent descriptor
1268  * @orig_bio:           The original bio that the caller wants to read for
1269  *
1270  * An easier to understand graph is like below:
1271  *
1272  *              |<- orig_bio ->|     |<- orig_bio->|
1273  *      |<-------      full decompressed extent      ----->|
1274  *      |<-----------    @cb range   ---->|
1275  *      |                       |<-- @buf_len -->|
1276  *      |<--- @decompressed --->|
1277  *
1278  * Note that, @cb can be a subpage of the full decompressed extent, but
1279  * @cb->start always has the same as the orig_file_offset value of the full
1280  * decompressed extent.
1281  *
1282  * When reading compressed extent, we have to read the full compressed extent,
1283  * while @orig_bio may only want part of the range.
1284  * Thus this function will ensure only data covered by @orig_bio will be copied
1285  * to.
1286  *
1287  * Return 0 if we have copied all needed contents for @orig_bio.
1288  * Return >0 if we need continue decompress.
1289  */
1290 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, u32 buf_len,
1291                               struct compressed_bio *cb, u32 decompressed)
1292 {
1293         struct bio *orig_bio = cb->orig_bio;
1294         /* Offset inside the full decompressed extent */
1295         u32 cur_offset;
1296
1297         cur_offset = decompressed;
1298         /* The main loop to do the copy */
1299         while (cur_offset < decompressed + buf_len) {
1300                 struct bio_vec bvec;
1301                 size_t copy_len;
1302                 u32 copy_start;
1303                 /* Offset inside the full decompressed extent */
1304                 u32 bvec_offset;
1305
1306                 bvec = bio_iter_iovec(orig_bio, orig_bio->bi_iter);
1307                 /*
1308                  * cb->start may underflow, but subtracting that value can still
1309                  * give us correct offset inside the full decompressed extent.
1310                  */
1311                 bvec_offset = page_offset(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset - cb->start;
1312
1313                 /* Haven't reached the bvec range, exit */
1314                 if (decompressed + buf_len <= bvec_offset)
1315                         return 1;
1316
1317                 copy_start = max(cur_offset, bvec_offset);
1318                 copy_len = min(bvec_offset + bvec.bv_len,
1319                                decompressed + buf_len) - copy_start;
1320                 ASSERT(copy_len);
1321
1322                 /*
1323                  * Extra range check to ensure we didn't go beyond
1324                  * @buf + @buf_len.
1325                  */
1326                 ASSERT(copy_start - decompressed < buf_len);
1327                 memcpy_to_page(bvec.bv_page, bvec.bv_offset,
1328                                buf + copy_start - decompressed, copy_len);
1329                 cur_offset += copy_len;
1330
1331                 bio_advance(orig_bio, copy_len);
1332                 /* Finished the bio */
1333                 if (!orig_bio->bi_iter.bi_size)
1334                         return 0;
1335         }
1336         return 1;
1337 }
1338
1339 /*
1340  * Shannon Entropy calculation
1341  *
1342  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1343  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1344  * needed to encode the sampled data.
1345  *
1346  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1347  * bits directly.
1348  *
1349  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1350  *                          and can be compressible with high probability
1351  *
1352  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1353  *
1354  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1355  */
1356 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1357 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1358
1359 /*
1360  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1361  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1362  *
1363  * - maximum int bit length is 64
1364  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1365  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1366  *
1367  * So use pow(n, 4).
1368  */
1369 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1370 {
1371         return ilog2(n * n * n * n);
1372 }
1373
1374 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1375 {
1376         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1377         u32 entropy_sum = 0;
1378         u32 p, p_base, sz_base;
1379         u32 i;
1380
1381         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1382         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1383                 p = ws->bucket[i].count;
1384                 p_base = ilog2_w(p);
1385                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1386         }
1387
1388         entropy_sum /= ws->sample_size;
1389         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1390 }
1391
1392 #define RADIX_BASE              4U
1393 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1394
1395 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1396         u8 low4bits;
1397
1398         num >>= shift;
1399         /* Reverse order */
1400         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1401         return low4bits;
1402 }
1403
1404 /*
1405  * Use 4 bits as radix base
1406  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1407  *
1408  * @array     - array that will be sorted
1409  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1410  *              must be equal in size to @array
1411  * @num       - array size
1412  */
1413 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1414                        int num)
1415 {
1416         u64 max_num;
1417         u64 buf_num;
1418         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1419         u32 new_addr;
1420         u32 addr;
1421         int bitlen;
1422         int shift;
1423         int i;
1424
1425         /*
1426          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1427          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1428          */
1429         max_num = array[0].count;
1430         for (i = 1; i < num; i++) {
1431                 buf_num = array[i].count;
1432                 if (buf_num > max_num)
1433                         max_num = buf_num;
1434         }
1435
1436         buf_num = ilog2(max_num);
1437         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1438
1439         shift = 0;
1440         while (shift < bitlen) {
1441                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1442
1443                 for (i = 0; i < num; i++) {
1444                         buf_num = array[i].count;
1445                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1446                         counters[addr]++;
1447                 }
1448
1449                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1450                         counters[i] += counters[i - 1];
1451
1452                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1453                         buf_num = array[i].count;
1454                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1455                         counters[addr]--;
1456                         new_addr = counters[addr];
1457                         array_buf[new_addr] = array[i];
1458                 }
1459
1460                 shift += RADIX_BASE;
1461
1462                 /*
1463                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1464                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1465                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1466                  * memcpy()
1467                  */
1468                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1469
1470                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1471                         buf_num = array_buf[i].count;
1472                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1473                         counters[addr]++;
1474                 }
1475
1476                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1477                         counters[i] += counters[i - 1];
1478
1479                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1480                         buf_num = array_buf[i].count;
1481                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1482                         counters[addr]--;
1483                         new_addr = counters[addr];
1484                         array[new_addr] = array_buf[i];
1485                 }
1486
1487                 shift += RADIX_BASE;
1488         }
1489 }
1490
1491 /*
1492  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1493  *
1494  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1495  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1496  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1497  *
1498  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1499  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1500  * how much.
1501  *
1502  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1503  *                       compression algo can easy fix that
1504  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1505  *                       probability is not compressible
1506  */
1507 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1508 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1509
1510 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1511 {
1512         u32 i;
1513         u32 coreset_sum = 0;
1514         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1515         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1516
1517         /* Sort in reverse order */
1518         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1519
1520         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1521                 coreset_sum += bucket[i].count;
1522
1523         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1524                 return i;
1525
1526         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1527                 coreset_sum += bucket[i].count;
1528                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1529                         break;
1530         }
1531
1532         return i;
1533 }
1534
1535 /*
1536  * Count byte values in buckets.
1537  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1538  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1539  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1540  * compress.
1541  *
1542  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1543  *      less - compressible
1544  *      more - need additional analysis
1545  */
1546 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1547
1548 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1549 {
1550         u32 i;
1551         u32 byte_set_size = 0;
1552
1553         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1554                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1555                         byte_set_size++;
1556         }
1557
1558         /*
1559          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1560          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1561          * the detection technique would fail for this type of data.
1562          */
1563         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1564                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1565                         byte_set_size++;
1566                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1567                                 return byte_set_size;
1568                 }
1569         }
1570
1571         return byte_set_size;
1572 }
1573
1574 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1575 {
1576         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1577         const u8 *data = ws->sample;
1578
1579         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1580 }
1581
1582 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1583                                      struct heuristic_ws *ws)
1584 {
1585         struct page *page;
1586         u64 index, index_end;
1587         u32 i, curr_sample_pos;
1588         u8 *in_data;
1589
1590         /*
1591          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1592          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1593          *
1594          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1595          *
1596          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1597          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1598          */
1599         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1600                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1601
1602         index = start >> PAGE_SHIFT;
1603         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1604
1605         /* Don't miss unaligned end */
1606         if (!IS_ALIGNED(end, PAGE_SIZE))
1607                 index_end++;
1608
1609         curr_sample_pos = 0;
1610         while (index < index_end) {
1611                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1612                 in_data = kmap_local_page(page);
1613                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1614                 i = start % PAGE_SIZE;
1615                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1616                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1617                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1618                                 break;
1619                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1620                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1621                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1622                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1623                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1624                 }
1625                 kunmap_local(in_data);
1626                 put_page(page);
1627
1628                 index++;
1629         }
1630
1631         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1632 }
1633
1634 /*
1635  * Compression heuristic.
1636  *
1637  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1638  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1639  * (compressible/uncompressible) to avoid wasting CPU time on uncompressible
1640  * data.
1641  *
1642  * The following types of analysis can be performed:
1643  * - detect mostly zero data
1644  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1645  * - detect data with low/high "core byte" set
1646  *
1647  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1648  */
1649 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1650 {
1651         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1652         struct heuristic_ws *ws;
1653         u32 i;
1654         u8 byte;
1655         int ret = 0;
1656
1657         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1658
1659         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1660
1661         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1662                 ret = 1;
1663                 goto out;
1664         }
1665
1666         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1667
1668         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1669                 byte = ws->sample[i];
1670                 ws->bucket[byte].count++;
1671         }
1672
1673         i = byte_set_size(ws);
1674         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1675                 ret = 2;
1676                 goto out;
1677         }
1678
1679         i = byte_core_set_size(ws);
1680         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1681                 ret = 3;
1682                 goto out;
1683         }
1684
1685         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1686                 ret = 0;
1687                 goto out;
1688         }
1689
1690         i = shannon_entropy(ws);
1691         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1692                 ret = 4;
1693                 goto out;
1694         }
1695
1696         /*
1697          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1698          * needed to give green light to compression.
1699          *
1700          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1701          * resources because:
1702          *
1703          * 1. it is possible to defrag the data later
1704          *
1705          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1706          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1707          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1708          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1709          * pairs of bytes, which is too costly.
1710          */
1711         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1712                 ret = 5;
1713                 goto out;
1714         } else {
1715                 ret = 0;
1716                 goto out;
1717         }
1718
1719 out:
1720         put_workspace(0, ws_list);
1721         return ret;
1722 }
1723
1724 /*
1725  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1726  * level, unrecognized string will set the default level
1727  */
1728 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1729 {
1730         unsigned int level = 0;
1731         int ret;
1732
1733         if (!type)
1734                 return 0;
1735
1736         if (str[0] == ':') {
1737                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1738                 if (ret)
1739                         level = 0;
1740         }
1741
1742         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1743
1744         return level;
1745 }