lib/lru_cache.c

   1 /*
   2    lru_cache.c
   3
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   7    Copyright (C) 2003-2008, Philipp Reisner <philipp.reisner@linbit.com>.
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  23
  24  */
  25
  26 #include <linux/module.h>
  27 #include <linux/bitops.h>
  28 #include <linux/slab.h>
  29 #include <linux/string.h> /* for memset */
  30 #include <linux/seq_file.h> /* for seq_printf */
  31 #include <linux/lru_cache.h>
  32
  33 MODULE_AUTHOR("Philipp Reisner <phil@linbit.com>, "
  34               "Lars Ellenberg <lars@linbit.com>");
  35 MODULE_DESCRIPTION("lru_cache - Track sets of hot objects");
  36 MODULE_LICENSE("GPL");
  37
  38 /* this is developers aid only.
  39  * it catches concurrent access (lack of locking on the users part) */
  40 #define PARANOIA_ENTRY() do {           \
  41         BUG_ON(!lc);                    \
  42         BUG_ON(!lc->nr_elements);       \
  43         BUG_ON(test_and_set_bit(__LC_PARANOIA, &lc->flags)); \
  44 } while (0)
  45
  46 #define RETURN(x...)     do { \
  47         clear_bit(__LC_PARANOIA, &lc->flags); \
  48         smp_mb__after_clear_bit(); return x ; } while (0)
  49
  50 /* BUG() if e is not one of the elements tracked by lc */
  51 #define PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e) do { \
  52         struct lru_cache *lc_ = (lc);   \
  53         struct lc_element *e_ = (e);    \
  54         unsigned i = e_->lc_index;      \
  55         BUG_ON(i >= lc_->nr_elements);  \
  56         BUG_ON(lc_->lc_element[i] != e_); } while (0)
  57
  58 /**
  59  * lc_create - prepares to track objects in an active set
  60  * @name: descriptive name only used in lc_seq_printf_stats and lc_seq_dump_details
  61  * @e_count: number of elements allowed to be active simultaneously
  62  * @e_size: size of the tracked objects
  63  * @e_off: offset to the &struct lc_element member in a tracked object
  64  *
  65  * Returns a pointer to a newly initialized struct lru_cache on success,
  66  * or NULL on (allocation) failure.
  67  */
  68 struct lru_cache *lc_create(const char *name, struct kmem_cache *cache,
  69                 unsigned e_count, size_t e_size, size_t e_off)
  70 {
  71         struct hlist_head *slot = NULL;
  72         struct lc_element **element = NULL;
  73         struct lru_cache *lc;
  74         struct lc_element *e;
  75         unsigned cache_obj_size = kmem_cache_size(cache);
  76         unsigned i;
  77
  78         WARN_ON(cache_obj_size < e_size);
  79         if (cache_obj_size < e_size)
  80                 return NULL;
  81
  82         /* e_count too big; would probably fail the allocation below anyways.
  83          * for typical use cases, e_count should be few thousand at most. */
  84         if (e_count > LC_MAX_ACTIVE)
  85                 return NULL;
  86
  87         slot = kzalloc(e_count * sizeof(struct hlist_head*), GFP_KERNEL);
  88         if (!slot)
  89                 goto out_fail;
  90         element = kzalloc(e_count * sizeof(struct lc_element *), GFP_KERNEL);
  91         if (!element)
  92                 goto out_fail;
  93
  94         lc = kzalloc(sizeof(*lc), GFP_KERNEL);
  95         if (!lc)
  96                 goto out_fail;
  97
  98         INIT_LIST_HEAD(&lc->in_use);
  99         INIT_LIST_HEAD(&lc->lru);
 100         INIT_LIST_HEAD(&lc->free);
 101
 102         lc->name = name;
 103         lc->element_size = e_size;
 104         lc->element_off = e_off;
 105         lc->nr_elements = e_count;
 106         lc->new_number = LC_FREE;
 107         lc->lc_cache = cache;
 108         lc->lc_element = element;
 109         lc->lc_slot = slot;
 110
 111         /* preallocate all objects */
 112         for (i = 0; i < e_count; i++) {
 113                 void *p = kmem_cache_alloc(cache, GFP_KERNEL);
 114                 if (!p)
 115                         break;
 116                 memset(p, 0, lc->element_size);
 117                 e = p + e_off;
 118                 e->lc_index = i;
 119                 e->lc_number = LC_FREE;
 120                 list_add(&e->list, &lc->free);
 121                 element[i] = e;
 122         }
 123         if (i == e_count)
 124                 return lc;
 125
 126         /* else: could not allocate all elements, give up */
 127         for (i--; i; i--) {
 128                 void *p = element[i];
 129                 kmem_cache_free(cache, p - e_off);
 130         }
 131         kfree(lc);
 132 out_fail:
 133         kfree(element);
 134         kfree(slot);
 135         return NULL;
 136 }
 137
 138 void lc_free_by_index(struct lru_cache *lc, unsigned i)
 139 {
 140         void *p = lc->lc_element[i];
 141         WARN_ON(!p);
 142         if (p) {
 143                 p -= lc->element_off;
 144                 kmem_cache_free(lc->lc_cache, p);
 145         }
 146 }
 147
 148 /**
 149  * lc_destroy - frees memory allocated by lc_create()
 150  * @lc: the lru cache to destroy
 151  */
 152 void lc_destroy(struct lru_cache *lc)
 153 {
 154         unsigned i;
 155         if (!lc)
 156                 return;
 157         for (i = 0; i < lc->nr_elements; i++)
 158                 lc_free_by_index(lc, i);
 159         kfree(lc->lc_element);
 160         kfree(lc->lc_slot);
 161         kfree(lc);
 162 }
 163
 164 /**
 165  * lc_reset - does a full reset for @lc and the hash table slots.
 166  * @lc: the lru cache to operate on
 167  *
 168  * It is roughly the equivalent of re-allocating a fresh lru_cache object,
 169  * basically a short cut to lc_destroy(lc); lc = lc_create(...);
 170  */
 171 void lc_reset(struct lru_cache *lc)
 172 {
 173         unsigned i;
 174
 175         INIT_LIST_HEAD(&lc->in_use);
 176         INIT_LIST_HEAD(&lc->lru);
 177         INIT_LIST_HEAD(&lc->free);
 178         lc->used = 0;
 179         lc->hits = 0;
 180         lc->misses = 0;
 181         lc->starving = 0;
 182         lc->dirty = 0;
 183         lc->changed = 0;
 184         lc->flags = 0;
 185         lc->changing_element = NULL;
 186         lc->new_number = LC_FREE;
 187         memset(lc->lc_slot, 0, sizeof(struct hlist_head) * lc->nr_elements);
 188
 189         for (i = 0; i < lc->nr_elements; i++) {
 190                 struct lc_element *e = lc->lc_element[i];
 191                 void *p = e;
 192                 p -= lc->element_off;
 193                 memset(p, 0, lc->element_size);
 194                 /* re-init it */
 195                 e->lc_index = i;
 196                 e->lc_number = LC_FREE;
 197                 list_add(&e->list, &lc->free);
 198         }
 199 }
 200
 201 /**
 202  * lc_seq_printf_stats - print stats about @lc into @seq
 203  * @seq: the seq_file to print into
 204  * @lc: the lru cache to print statistics of
 205  */
 206 size_t lc_seq_printf_stats(struct seq_file *seq, struct lru_cache *lc)
 207 {
 208         /* NOTE:
 209          * total calls to lc_get are
 210          * (starving + hits + misses)
 211          * misses include "dirty" count (update from an other thread in
 212          * progress) and "changed", when this in fact lead to an successful
 213          * update of the cache.
 214          */
 215         return seq_printf(seq, "\t%s: used:%u/%u "
 216                 "hits:%lu misses:%lu starving:%lu dirty:%lu changed:%lu\n",
 217                 lc->name, lc->used, lc->nr_elements,
 218                 lc->hits, lc->misses, lc->starving, lc->dirty, lc->changed);
 219 }
 220
 221 static struct hlist_head *lc_hash_slot(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
 222 {
 223         return  lc->lc_slot + (enr % lc->nr_elements);
 224 }
 225
 226
 227 /**
 228  * lc_find - find element by label, if present in the hash table
 229  * @lc: The lru_cache object
 230  * @enr: element number
 231  *
 232  * Returns the pointer to an element, if the element with the requested
 233  * "label" or element number is present in the hash table,
 234  * or NULL if not found. Does not change the refcnt.
 235  */
 236 struct lc_element *lc_find(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
 237 {
 238         struct hlist_node *n;
 239         struct lc_element *e;
 240
 241         BUG_ON(!lc);
 242         BUG_ON(!lc->nr_elements);
 243         hlist_for_each_entry(e, n, lc_hash_slot(lc, enr), colision) {
 244                 if (e->lc_number == enr)
 245                         return e;
 246         }
 247         return NULL;
 248 }
 249
 250 /* returned element will be "recycled" immediately */
 251 static struct lc_element *lc_evict(struct lru_cache *lc)
 252 {
 253         struct list_head  *n;
 254         struct lc_element *e;
 255
 256         if (list_empty(&lc->lru))
 257                 return NULL;
 258
 259         n = lc->lru.prev;
 260         e = list_entry(n, struct lc_element, list);
 261
 262         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
 263
 264         list_del(&e->list);
 265         hlist_del(&e->colision);
 266         return e;
 267 }
 268
 269 /**
 270  * lc_del - removes an element from the cache
 271  * @lc: The lru_cache object
 272  * @e: The element to remove
 273  *
 274  * @e must be unused (refcnt == 0). Moves @e from "lru" to "free" list,
 275  * sets @e->enr to %LC_FREE.
 276  */
 277 void lc_del(struct lru_cache *lc, struct lc_element *e)
 278 {
 279         PARANOIA_ENTRY();
 280         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
 281         BUG_ON(e->refcnt);
 282
 283         e->lc_number = LC_FREE;
 284         hlist_del_init(&e->colision);
 285         list_move(&e->list, &lc->free);
 286         RETURN();
 287 }
 288
 289 static struct lc_element *lc_get_unused_element(struct lru_cache *lc)
 290 {
 291         struct list_head *n;
 292
 293         if (list_empty(&lc->free))
 294                 return lc_evict(lc);
 295
 296         n = lc->free.next;
 297         list_del(n);
 298         return list_entry(n, struct lc_element, list);
 299 }
 300
 301 static int lc_unused_element_available(struct lru_cache *lc)
 302 {
 303         if (!list_empty(&lc->free))
 304                 return 1; /* something on the free list */
 305         if (!list_empty(&lc->lru))
 306                 return 1;  /* something to evict */
 307
 308         return 0;
 309 }
 310
 311
 312 /**
 313  * lc_get - get element by label, maybe change the active set
 314  * @lc: the lru cache to operate on
 315  * @enr: the label to look up
 316  *
 317  * Finds an element in the cache, increases its usage count,
 318  * "touches" and returns it.
 319  *
 320  * In case the requested number is not present, it needs to be added to the
 321  * cache. Therefore it is possible that an other element becomes evicted from
 322  * the cache. In either case, the user is notified so he is able to e.g. keep
 323  * a persistent log of the cache changes, and therefore the objects in use.
 324  *
 325  * Return values:
 326  *  NULL
 327  *     The cache was marked %LC_STARVING,
 328  *     or the requested label was not in the active set
 329  *     and a changing transaction is still pending (@lc was marked %LC_DIRTY).
 330  *     Or no unused or free element could be recycled (@lc will be marked as
 331  *     %LC_STARVING, blocking further lc_get() operations).
 332  *
 333  *  pointer to the element with the REQUESTED element number.
 334  *     In this case, it can be used right away
 335  *
 336  *  pointer to an UNUSED element with some different element number,
 337  *          where that different number may also be %LC_FREE.
 338  *
 339  *          In this case, the cache is marked %LC_DIRTY (blocking further changes),
 340  *          and the returned element pointer is removed from the lru list and
 341  *          hash collision chains.  The user now should do whatever housekeeping
 342  *          is necessary.
 343  *          Then he must call lc_changed(lc,element_pointer), to finish
 344  *          the change.
 345  *
 346  * NOTE: The user needs to check the lc_number on EACH use, so he recognizes
 347  *       any cache set change.
 348  */
 349 struct lc_element *lc_get(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
 350 {
 351         struct lc_element *e;
 352
 353         PARANOIA_ENTRY();
 354         if (lc->flags & LC_STARVING) {
 355                 ++lc->starving;
 356                 RETURN(NULL);
 357         }
 358
 359         e = lc_find(lc, enr);
 360         if (e) {
 361                 ++lc->hits;
 362                 if (e->refcnt++ == 0)
 363                         lc->used++;
 364                 list_move(&e->list, &lc->in_use); /* Not evictable... */
 365                 RETURN(e);
 366         }
 367
 368         ++lc->misses;
 369
 370         /* In case there is nothing available and we can not kick out
 371          * the LRU element, we have to wait ...
 372          */
 373         if (!lc_unused_element_available(lc)) {
 374                 __set_bit(__LC_STARVING, &lc->flags);
 375                 RETURN(NULL);
 376         }
 377
 378         /* it was not present in the active set.
 379          * we are going to recycle an unused (or even "free") element.
 380          * user may need to commit a transaction to record that change.
 381          * we serialize on flags & TF_DIRTY */
 382         if (test_and_set_bit(__LC_DIRTY, &lc->flags)) {
 383                 ++lc->dirty;
 384                 RETURN(NULL);
 385         }
 386
 387         e = lc_get_unused_element(lc);
 388         BUG_ON(!e);
 389
 390         clear_bit(__LC_STARVING, &lc->flags);
 391         BUG_ON(++e->refcnt != 1);
 392         lc->used++;
 393
 394         lc->changing_element = e;
 395         lc->new_number = enr;
 396
 397         RETURN(e);
 398 }
 399
 400 /* similar to lc_get,
 401  * but only gets a new reference on an existing element.
 402  * you either get the requested element, or NULL.
 403  * will be consolidated into one function.
 404  */
 405 struct lc_element *lc_try_get(struct lru_cache *lc, unsigned int enr)
 406 {
 407         struct lc_element *e;
 408
 409         PARANOIA_ENTRY();
 410         if (lc->flags & LC_STARVING) {
 411                 ++lc->starving;
 412                 RETURN(NULL);
 413         }
 414
 415         e = lc_find(lc, enr);
 416         if (e) {
 417                 ++lc->hits;
 418                 if (e->refcnt++ == 0)
 419                         lc->used++;
 420                 list_move(&e->list, &lc->in_use); /* Not evictable... */
 421         }
 422         RETURN(e);
 423 }
 424
 425 /**
 426  * lc_changed - tell @lc that the change has been recorded
 427  * @lc: the lru cache to operate on
 428  * @e: the element pending label change
 429  */
 430 void lc_changed(struct lru_cache *lc, struct lc_element *e)
 431 {
 432         PARANOIA_ENTRY();
 433         BUG_ON(e != lc->changing_element);
 434         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
 435         ++lc->changed;
 436         e->lc_number = lc->new_number;
 437         list_add(&e->list, &lc->in_use);
 438         hlist_add_head(&e->colision, lc_hash_slot(lc, lc->new_number));
 439         lc->changing_element = NULL;
 440         lc->new_number = LC_FREE;
 441         clear_bit(__LC_DIRTY, &lc->flags);
 442         smp_mb__after_clear_bit();
 443         RETURN();
 444 }
 445
 446
 447 /**
 448  * lc_put - give up refcnt of @e
 449  * @lc: the lru cache to operate on
 450  * @e: the element to put
 451  *
 452  * If refcnt reaches zero, the element is moved to the lru list,
 453  * and a %LC_STARVING (if set) is cleared.
 454  * Returns the new (post-decrement) refcnt.
 455  */
 456 unsigned int lc_put(struct lru_cache *lc, struct lc_element *e)
 457 {
 458         PARANOIA_ENTRY();
 459         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
 460         BUG_ON(e->refcnt == 0);
 461         BUG_ON(e == lc->changing_element);
 462         if (--e->refcnt == 0) {
 463                 /* move it to the front of LRU. */
 464                 list_move(&e->list, &lc->lru);
 465                 lc->used--;
 466                 clear_bit(__LC_STARVING, &lc->flags);
 467                 smp_mb__after_clear_bit();
 468         }
 469         RETURN(e->refcnt);
 470 }
 471
 472 /**
 473  * lc_element_by_index
 474  * @lc: the lru cache to operate on
 475  * @i: the index of the element to return
 476  */
 477 struct lc_element *lc_element_by_index(struct lru_cache *lc, unsigned i)
 478 {
 479         BUG_ON(i >= lc->nr_elements);
 480         BUG_ON(lc->lc_element[i] == NULL);
 481         BUG_ON(lc->lc_element[i]->lc_index != i);
 482         return lc->lc_element[i];
 483 }
 484
 485 /**
 486  * lc_index_of
 487  * @lc: the lru cache to operate on
 488  * @e: the element to query for its index position in lc->element
 489  */
 490 unsigned int lc_index_of(struct lru_cache *lc, struct lc_element *e)
 491 {
 492         PARANOIA_LC_ELEMENT(lc, e);
 493         return e->lc_index;
 494 }
 495
 496 /**
 497  * lc_set - associate index with label
 498  * @lc: the lru cache to operate on
 499  * @enr: the label to set
 500  * @index: the element index to associate label with.
 501  *
 502  * Used to initialize the active set to some previously recorded state.
 503  */
 504 void lc_set(struct lru_cache *lc, unsigned int enr, int index)
 505 {
 506         struct lc_element *e;
 507
 508         if (index < 0 || index >= lc->nr_elements)
 509                 return;
 510
 511         e = lc_element_by_index(lc, index);
 512         e->lc_number = enr;
 513
 514         hlist_del_init(&e->colision);
 515         hlist_add_head(&e->colision, lc_hash_slot(lc, enr));
 516         list_move(&e->list, e->refcnt ? &lc->in_use : &lc->lru);
 517 }
 518
 519 /**
 520  * lc_dump - Dump a complete LRU cache to seq in textual form.
 521  * @lc: the lru cache to operate on
 522  * @seq: the &struct seq_file pointer to seq_printf into
 523  * @utext: user supplied "heading" or other info
 524  * @detail: function pointer the user may provide to dump further details
 525  * of the object the lc_element is embedded in.
 526  */
 527 void lc_seq_dump_details(struct seq_file *seq, struct lru_cache *lc, char *utext,
 528              void (*detail) (struct seq_file *, struct lc_element *))
 529 {
 530         unsigned int nr_elements = lc->nr_elements;
 531         struct lc_element *e;
 532         int i;
 533
 534         seq_printf(seq, "\tnn: lc_number refcnt %s\n ", utext);
 535         for (i = 0; i < nr_elements; i++) {
 536                 e = lc_element_by_index(lc, i);
 537                 if (e->lc_number == LC_FREE) {
 538                         seq_printf(seq, "\t%2d: FREE\n", i);
 539                 } else {
 540                         seq_printf(seq, "\t%2d: %4u %4u    ", i,
 541                                    e->lc_number, e->refcnt);
 542                         detail(seq, e);
 543                 }
 544         }
 545 }
 546
 547 EXPORT_SYMBOL(lc_create);
 548 EXPORT_SYMBOL(lc_reset);
 549 EXPORT_SYMBOL(lc_destroy);
 550 EXPORT_SYMBOL(lc_set);
 551 EXPORT_SYMBOL(lc_del);
 552 EXPORT_SYMBOL(lc_try_get);
 553 EXPORT_SYMBOL(lc_find);
 554 EXPORT_SYMBOL(lc_get);
 555 EXPORT_SYMBOL(lc_put);
 556 EXPORT_SYMBOL(lc_changed);
 557 EXPORT_SYMBOL(lc_element_by_index);
 558 EXPORT_SYMBOL(lc_index_of);
 559 EXPORT_SYMBOL(lc_seq_printf_stats);
 560 EXPORT_SYMBOL(lc_seq_dump_details);