drivers/block/brd.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
   2 /*
   3  * Ram backed block device driver.
   4  *
   5  * Copyright (C) 2007 Nick Piggin
   6  * Copyright (C) 2007 Novell Inc.
   7  *
   8  * Parts derived from drivers/block/rd.c, and drivers/block/loop.c, copyright
   9  * of their respective owners.
  10  */
  11
  12 #include <linux/init.h>
  13 #include <linux/initrd.h>
  14 #include <linux/module.h>
  15 #include <linux/moduleparam.h>
  16 #include <linux/major.h>
  17 #include <linux/blkdev.h>
  18 #include <linux/bio.h>
  19 #include <linux/highmem.h>
  20 #include <linux/mutex.h>
  21 #include <linux/pagemap.h>
  22 #include <linux/xarray.h>
  23 #include <linux/fs.h>
  24 #include <linux/slab.h>
  25 #include <linux/backing-dev.h>
  26 #include <linux/debugfs.h>
  27
  28 #include <linux/uaccess.h>
  29
  30 /*
  31  * Each block ramdisk device has a xarray brd_pages of pages that stores
  32  * the pages containing the block device's contents. A brd page's ->index is
  33  * its offset in PAGE_SIZE units. This is similar to, but in no way connected
  34  * with, the kernel's pagecache or buffer cache (which sit above our block
  35  * device).
  36  */
  37 struct brd_device {
  38         int                     brd_number;
  39         struct gendisk          *brd_disk;
  40         struct list_head        brd_list;
  41
  42         /*
  43          * Backing store of pages. This is the contents of the block device.
  44          */
  45         struct xarray           brd_pages;
  46         u64                     brd_nr_pages;
  47 };
  48
  49 /*
  50  * Look up and return a brd's page for a given sector.
  51  */
  52 static struct page *brd_lookup_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
  53 {
  54         pgoff_t idx;
  55         struct page *page;
  56
  57         idx = sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT; /* sector to page index */
  58         page = xa_load(&brd->brd_pages, idx);
  59
  60         BUG_ON(page && page->index != idx);
  61
  62         return page;
  63 }
  64
  65 /*
  66  * Insert a new page for a given sector, if one does not already exist.
  67  */
  68 static int brd_insert_page(struct brd_device *brd, sector_t sector, gfp_t gfp)
  69 {
  70         pgoff_t idx;
  71         struct page *page, *cur;
  72         int ret = 0;
  73
  74         page = brd_lookup_page(brd, sector);
  75         if (page)
  76                 return 0;
  77
  78         page = alloc_page(gfp | __GFP_ZERO | __GFP_HIGHMEM);
  79         if (!page)
  80                 return -ENOMEM;
  81
  82         xa_lock(&brd->brd_pages);
  83
  84         idx = sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT;
  85         page->index = idx;
  86
  87         cur = __xa_cmpxchg(&brd->brd_pages, idx, NULL, page, gfp);
  88
  89         if (unlikely(cur)) {
  90                 __free_page(page);
  91                 ret = xa_err(cur);
  92                 if (!ret && (cur->index != idx))
  93                         ret = -EIO;
  94         } else {
  95                 brd->brd_nr_pages++;
  96         }
  97
  98         xa_unlock(&brd->brd_pages);
  99
 100         return ret;
 101 }
 102
 103 /*
 104  * Free all backing store pages and xarray. This must only be called when
 105  * there are no other users of the device.
 106  */
 107 static void brd_free_pages(struct brd_device *brd)
 108 {
 109         struct page *page;
 110         pgoff_t idx;
 111
 112         xa_for_each(&brd->brd_pages, idx, page) {
 113                 __free_page(page);
 114                 cond_resched();
 115         }
 116
 117         xa_destroy(&brd->brd_pages);
 118 }
 119
 120 /*
 121  * copy_to_brd_setup must be called before copy_to_brd. It may sleep.
 122  */
 123 static int copy_to_brd_setup(struct brd_device *brd, sector_t sector, size_t n,
 124                              gfp_t gfp)
 125 {
 126         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 127         size_t copy;
 128         int ret;
 129
 130         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 131         ret = brd_insert_page(brd, sector, gfp);
 132         if (ret)
 133                 return ret;
 134         if (copy < n) {
 135                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 136                 ret = brd_insert_page(brd, sector, gfp);
 137         }
 138         return ret;
 139 }
 140
 141 /*
 142  * Copy n bytes from src to the brd starting at sector. Does not sleep.
 143  */
 144 static void copy_to_brd(struct brd_device *brd, const void *src,
 145                         sector_t sector, size_t n)
 146 {
 147         struct page *page;
 148         void *dst;
 149         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 150         size_t copy;
 151
 152         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 153         page = brd_lookup_page(brd, sector);
 154         BUG_ON(!page);
 155
 156         dst = kmap_atomic(page);
 157         memcpy(dst + offset, src, copy);
 158         kunmap_atomic(dst);
 159
 160         if (copy < n) {
 161                 src += copy;
 162                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 163                 copy = n - copy;
 164                 page = brd_lookup_page(brd, sector);
 165                 BUG_ON(!page);
 166
 167                 dst = kmap_atomic(page);
 168                 memcpy(dst, src, copy);
 169                 kunmap_atomic(dst);
 170         }
 171 }
 172
 173 /*
 174  * Copy n bytes to dst from the brd starting at sector. Does not sleep.
 175  */
 176 static void copy_from_brd(void *dst, struct brd_device *brd,
 177                         sector_t sector, size_t n)
 178 {
 179         struct page *page;
 180         void *src;
 181         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 182         size_t copy;
 183
 184         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 185         page = brd_lookup_page(brd, sector);
 186         if (page) {
 187                 src = kmap_atomic(page);
 188                 memcpy(dst, src + offset, copy);
 189                 kunmap_atomic(src);
 190         } else
 191                 memset(dst, 0, copy);
 192
 193         if (copy < n) {
 194                 dst += copy;
 195                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 196                 copy = n - copy;
 197                 page = brd_lookup_page(brd, sector);
 198                 if (page) {
 199                         src = kmap_atomic(page);
 200                         memcpy(dst, src, copy);
 201                         kunmap_atomic(src);
 202                 } else
 203                         memset(dst, 0, copy);
 204         }
 205 }
 206
 207 /*
 208  * Process a single bvec of a bio.
 209  */
 210 static int brd_do_bvec(struct brd_device *brd, struct page *page,
 211                         unsigned int len, unsigned int off, blk_opf_t opf,
 212                         sector_t sector)
 213 {
 214         void *mem;
 215         int err = 0;
 216
 217         if (op_is_write(opf)) {
 218                 /*
 219                  * Must use NOIO because we don't want to recurse back into the
 220                  * block or filesystem layers from page reclaim.
 221                  */
 222                 gfp_t gfp = opf & REQ_NOWAIT ? GFP_NOWAIT : GFP_NOIO;
 223
 224                 err = copy_to_brd_setup(brd, sector, len, gfp);
 225                 if (err)
 226                         goto out;
 227         }
 228
 229         mem = kmap_atomic(page);
 230         if (!op_is_write(opf)) {
 231                 copy_from_brd(mem + off, brd, sector, len);
 232                 flush_dcache_page(page);
 233         } else {
 234                 flush_dcache_page(page);
 235                 copy_to_brd(brd, mem + off, sector, len);
 236         }
 237         kunmap_atomic(mem);
 238
 239 out:
 240         return err;
 241 }
 242
 243 static void brd_submit_bio(struct bio *bio)
 244 {
 245         struct brd_device *brd = bio->bi_bdev->bd_disk->private_data;
 246         sector_t sector = bio->bi_iter.bi_sector;
 247         struct bio_vec bvec;
 248         struct bvec_iter iter;
 249
 250         bio_for_each_segment(bvec, bio, iter) {
 251                 unsigned int len = bvec.bv_len;
 252                 int err;
 253
 254                 /* Don't support un-aligned buffer */
 255                 WARN_ON_ONCE((bvec.bv_offset & (SECTOR_SIZE - 1)) ||
 256                                 (len & (SECTOR_SIZE - 1)));
 257
 258                 err = brd_do_bvec(brd, bvec.bv_page, len, bvec.bv_offset,
 259                                   bio->bi_opf, sector);
 260                 if (err) {
 261                         if (err == -ENOMEM && bio->bi_opf & REQ_NOWAIT) {
 262                                 bio_wouldblock_error(bio);
 263                                 return;
 264                         }
 265                         bio_io_error(bio);
 266                         return;
 267                 }
 268                 sector += len >> SECTOR_SHIFT;
 269         }
 270
 271         bio_endio(bio);
 272 }
 273
 274 static const struct block_device_operations brd_fops = {
 275         .owner =                THIS_MODULE,
 276         .submit_bio =           brd_submit_bio,
 277 };
 278
 279 /*
 280  * And now the modules code and kernel interface.
 281  */
 282 static int rd_nr = CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT;
 283 module_param(rd_nr, int, 0444);
 284 MODULE_PARM_DESC(rd_nr, "Maximum number of brd devices");
 285
 286 unsigned long rd_size = CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE;
 287 module_param(rd_size, ulong, 0444);
 288 MODULE_PARM_DESC(rd_size, "Size of each RAM disk in kbytes.");
 289
 290 static int max_part = 1;
 291 module_param(max_part, int, 0444);
 292 MODULE_PARM_DESC(max_part, "Num Minors to reserve between devices");
 293
 294 MODULE_LICENSE("GPL");
 295 MODULE_ALIAS_BLOCKDEV_MAJOR(RAMDISK_MAJOR);
 296 MODULE_ALIAS("rd");
 297
 298 #ifndef MODULE
 299 /* Legacy boot options - nonmodular */
 300 static int __init ramdisk_size(char *str)
 301 {
 302         rd_size = simple_strtol(str, NULL, 0);
 303         return 1;
 304 }
 305 __setup("ramdisk_size=", ramdisk_size);
 306 #endif
 307
 308 /*
 309  * The device scheme is derived from loop.c. Keep them in synch where possible
 310  * (should share code eventually).
 311  */
 312 static LIST_HEAD(brd_devices);
 313 static struct dentry *brd_debugfs_dir;
 314
 315 static int brd_alloc(int i)
 316 {
 317         struct brd_device *brd;
 318         struct gendisk *disk;
 319         char buf[DISK_NAME_LEN];
 320         int err = -ENOMEM;
 321         struct queue_limits lim = {
 322                 /*
 323                  * This is so fdisk will align partitions on 4k, because of
 324                  * direct_access API needing 4k alignment, returning a PFN
 325                  * (This is only a problem on very small devices <= 4M,
 326                  *  otherwise fdisk will align on 1M. Regardless this call
 327                  *  is harmless)
 328                  */
 329                 .physical_block_size    = PAGE_SIZE,
 330         };
 331
 332         list_for_each_entry(brd, &brd_devices, brd_list)
 333                 if (brd->brd_number == i)
 334                         return -EEXIST;
 335         brd = kzalloc(sizeof(*brd), GFP_KERNEL);
 336         if (!brd)
 337                 return -ENOMEM;
 338         brd->brd_number         = i;
 339         list_add_tail(&brd->brd_list, &brd_devices);
 340
 341         xa_init(&brd->brd_pages);
 342
 343         snprintf(buf, DISK_NAME_LEN, "ram%d", i);
 344         if (!IS_ERR_OR_NULL(brd_debugfs_dir))
 345                 debugfs_create_u64(buf, 0444, brd_debugfs_dir,
 346                                 &brd->brd_nr_pages);
 347
 348         disk = brd->brd_disk = blk_alloc_disk(&lim, NUMA_NO_NODE);
 349         if (IS_ERR(disk)) {
 350                 err = PTR_ERR(disk);
 351                 goto out_free_dev;
 352         }
 353         disk->major             = RAMDISK_MAJOR;
 354         disk->first_minor       = i * max_part;
 355         disk->minors            = max_part;
 356         disk->fops              = &brd_fops;
 357         disk->private_data      = brd;
 358         strscpy(disk->disk_name, buf, DISK_NAME_LEN);
 359         set_capacity(disk, rd_size * 2);
 360
 361         /* Tell the block layer that this is not a rotational device */
 362         blk_queue_flag_set(QUEUE_FLAG_NONROT, disk->queue);
 363         blk_queue_flag_set(QUEUE_FLAG_SYNCHRONOUS, disk->queue);
 364         blk_queue_flag_set(QUEUE_FLAG_NOWAIT, disk->queue);
 365         err = add_disk(disk);
 366         if (err)
 367                 goto out_cleanup_disk;
 368
 369         return 0;
 370
 371 out_cleanup_disk:
 372         put_disk(disk);
 373 out_free_dev:
 374         list_del(&brd->brd_list);
 375         kfree(brd);
 376         return err;
 377 }
 378
 379 static void brd_probe(dev_t dev)
 380 {
 381         brd_alloc(MINOR(dev) / max_part);
 382 }
 383
 384 static void brd_cleanup(void)
 385 {
 386         struct brd_device *brd, *next;
 387
 388         debugfs_remove_recursive(brd_debugfs_dir);
 389
 390         list_for_each_entry_safe(brd, next, &brd_devices, brd_list) {
 391                 del_gendisk(brd->brd_disk);
 392                 put_disk(brd->brd_disk);
 393                 brd_free_pages(brd);
 394                 list_del(&brd->brd_list);
 395                 kfree(brd);
 396         }
 397 }
 398
 399 static inline void brd_check_and_reset_par(void)
 400 {
 401         if (unlikely(!max_part))
 402                 max_part = 1;
 403
 404         /*
 405          * make sure 'max_part' can be divided exactly by (1U << MINORBITS),
 406          * otherwise, it is possiable to get same dev_t when adding partitions.
 407          */
 408         if ((1U << MINORBITS) % max_part != 0)
 409                 max_part = 1UL << fls(max_part);
 410
 411         if (max_part > DISK_MAX_PARTS) {
 412                 pr_info("brd: max_part can't be larger than %d, reset max_part = %d.\n",
 413                         DISK_MAX_PARTS, DISK_MAX_PARTS);
 414                 max_part = DISK_MAX_PARTS;
 415         }
 416 }
 417
 418 static int __init brd_init(void)
 419 {
 420         int err, i;
 421
 422         brd_check_and_reset_par();
 423
 424         brd_debugfs_dir = debugfs_create_dir("ramdisk_pages", NULL);
 425
 426         for (i = 0; i < rd_nr; i++) {
 427                 err = brd_alloc(i);
 428                 if (err)
 429                         goto out_free;
 430         }
 431
 432         /*
 433          * brd module now has a feature to instantiate underlying device
 434          * structure on-demand, provided that there is an access dev node.
 435          *
 436          * (1) if rd_nr is specified, create that many upfront. else
 437          *     it defaults to CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT
 438          * (2) User can further extend brd devices by create dev node themselves
 439          *     and have kernel automatically instantiate actual device
 440          *     on-demand. Example:
 441          *              mknod /path/devnod_name b 1 X   # 1 is the rd major
 442          *              fdisk -l /path/devnod_name
 443          *      If (X / max_part) was not already created it will be created
 444          *      dynamically.
 445          */
 446
 447         if (__register_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk", brd_probe)) {
 448                 err = -EIO;
 449                 goto out_free;
 450         }
 451
 452         pr_info("brd: module loaded\n");
 453         return 0;
 454
 455 out_free:
 456         brd_cleanup();
 457
 458         pr_info("brd: module NOT loaded !!!\n");
 459         return err;
 460 }
 461
 462 static void __exit brd_exit(void)
 463 {
 464
 465         unregister_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk");
 466         brd_cleanup();
 467
 468         pr_info("brd: module unloaded\n");
 469 }
 470
 471 module_init(brd_init);
 472 module_exit(brd_exit);
 473