Merge tag 'i3c/fixes-for-5.0-rc5' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / core-api / xarray.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
2
3 ======
4 XArray
5 ======
6
7 :Author: Matthew Wilcox
8
9 Overview
10 ========
11
12 The XArray is an abstract data type which behaves like a very large array
13 of pointers.  It meets many of the same needs as a hash or a conventional
14 resizable array.  Unlike a hash, it allows you to sensibly go to the
15 next or previous entry in a cache-efficient manner.  In contrast to a
16 resizable array, there is no need to copy data or change MMU mappings in
17 order to grow the array.  It is more memory-efficient, parallelisable
18 and cache friendly than a doubly-linked list.  It takes advantage of
19 RCU to perform lookups without locking.
20
21 The XArray implementation is efficient when the indices used are densely
22 clustered; hashing the object and using the hash as the index will not
23 perform well.  The XArray is optimised for small indices, but still has
24 good performance with large indices.  If your index can be larger than
25 ``ULONG_MAX`` then the XArray is not the data type for you.  The most
26 important user of the XArray is the page cache.
27
28 Each non-``NULL`` entry in the array has three bits associated with
29 it called marks.  Each mark may be set or cleared independently of
30 the others.  You can iterate over entries which are marked.
31
32 Normal pointers may be stored in the XArray directly.  They must be 4-byte
33 aligned, which is true for any pointer returned from :c:func:`kmalloc` and
34 :c:func:`alloc_page`.  It isn't true for arbitrary user-space pointers,
35 nor for function pointers.  You can store pointers to statically allocated
36 objects, as long as those objects have an alignment of at least 4.
37
38 You can also store integers between 0 and ``LONG_MAX`` in the XArray.
39 You must first convert it into an entry using :c:func:`xa_mk_value`.
40 When you retrieve an entry from the XArray, you can check whether it is
41 a value entry by calling :c:func:`xa_is_value`, and convert it back to
42 an integer by calling :c:func:`xa_to_value`.
43
44 Some users want to store tagged pointers instead of using the marks
45 described above.  They can call :c:func:`xa_tag_pointer` to create an
46 entry with a tag, :c:func:`xa_untag_pointer` to turn a tagged entry
47 back into an untagged pointer and :c:func:`xa_pointer_tag` to retrieve
48 the tag of an entry.  Tagged pointers use the same bits that are used
49 to distinguish value entries from normal pointers, so each user must
50 decide whether they want to store value entries or tagged pointers in
51 any particular XArray.
52
53 The XArray does not support storing :c:func:`IS_ERR` pointers as some
54 conflict with value entries or internal entries.
55
56 An unusual feature of the XArray is the ability to create entries which
57 occupy a range of indices.  Once stored to, looking up any index in
58 the range will return the same entry as looking up any other index in
59 the range.  Setting a mark on one index will set it on all of them.
60 Storing to any index will store to all of them.  Multi-index entries can
61 be explicitly split into smaller entries, or storing ``NULL`` into any
62 entry will cause the XArray to forget about the range.
63
64 Normal API
65 ==========
66
67 Start by initialising an XArray, either with :c:func:`DEFINE_XARRAY`
68 for statically allocated XArrays or :c:func:`xa_init` for dynamically
69 allocated ones.  A freshly-initialised XArray contains a ``NULL``
70 pointer at every index.
71
72 You can then set entries using :c:func:`xa_store` and get entries
73 using :c:func:`xa_load`.  xa_store will overwrite any entry with the
74 new entry and return the previous entry stored at that index.  You can
75 use :c:func:`xa_erase` instead of calling :c:func:`xa_store` with a
76 ``NULL`` entry.  There is no difference between an entry that has never
77 been stored to, one that has been erased and one that has most recently
78 had ``NULL`` stored to it.
79
80 You can conditionally replace an entry at an index by using
81 :c:func:`xa_cmpxchg`.  Like :c:func:`cmpxchg`, it will only succeed if
82 the entry at that index has the 'old' value.  It also returns the entry
83 which was at that index; if it returns the same entry which was passed as
84 'old', then :c:func:`xa_cmpxchg` succeeded.
85
86 If you want to only store a new entry to an index if the current entry
87 at that index is ``NULL``, you can use :c:func:`xa_insert` which
88 returns ``-EEXIST`` if the entry is not empty.
89
90 You can enquire whether a mark is set on an entry by using
91 :c:func:`xa_get_mark`.  If the entry is not ``NULL``, you can set a mark
92 on it by using :c:func:`xa_set_mark` and remove the mark from an entry by
93 calling :c:func:`xa_clear_mark`.  You can ask whether any entry in the
94 XArray has a particular mark set by calling :c:func:`xa_marked`.
95
96 You can copy entries out of the XArray into a plain array by calling
97 :c:func:`xa_extract`.  Or you can iterate over the present entries in
98 the XArray by calling :c:func:`xa_for_each`.  You may prefer to use
99 :c:func:`xa_find` or :c:func:`xa_find_after` to move to the next present
100 entry in the XArray.
101
102 Calling :c:func:`xa_store_range` stores the same entry in a range
103 of indices.  If you do this, some of the other operations will behave
104 in a slightly odd way.  For example, marking the entry at one index
105 may result in the entry being marked at some, but not all of the other
106 indices.  Storing into one index may result in the entry retrieved by
107 some, but not all of the other indices changing.
108
109 Sometimes you need to ensure that a subsequent call to :c:func:`xa_store`
110 will not need to allocate memory.  The :c:func:`xa_reserve` function
111 will store a reserved entry at the indicated index.  Users of the
112 normal API will see this entry as containing ``NULL``.  If you do
113 not need to use the reserved entry, you can call :c:func:`xa_release`
114 to remove the unused entry.  If another user has stored to the entry
115 in the meantime, :c:func:`xa_release` will do nothing; if instead you
116 want the entry to become ``NULL``, you should use :c:func:`xa_erase`.
117 Using :c:func:`xa_insert` on a reserved entry will fail.
118
119 If all entries in the array are ``NULL``, the :c:func:`xa_empty` function
120 will return ``true``.
121
122 Finally, you can remove all entries from an XArray by calling
123 :c:func:`xa_destroy`.  If the XArray entries are pointers, you may wish
124 to free the entries first.  You can do this by iterating over all present
125 entries in the XArray using the :c:func:`xa_for_each` iterator.
126
127 Allocating XArrays
128 ------------------
129
130 If you use :c:func:`DEFINE_XARRAY_ALLOC` to define the XArray, or
131 initialise it by passing ``XA_FLAGS_ALLOC`` to :c:func:`xa_init_flags`,
132 the XArray changes to track whether entries are in use or not.
133
134 You can call :c:func:`xa_alloc` to store the entry at any unused index
135 in the XArray.  If you need to modify the array from interrupt context,
136 you can use :c:func:`xa_alloc_bh` or :c:func:`xa_alloc_irq` to disable
137 interrupts while allocating the ID.
138
139 Using :c:func:`xa_store`, :c:func:`xa_cmpxchg` or :c:func:`xa_insert`
140 will mark the entry as being allocated.  Unlike a normal XArray, storing
141 ``NULL`` will mark the entry as being in use, like :c:func:`xa_reserve`.
142 To free an entry, use :c:func:`xa_erase` (or :c:func:`xa_release` if
143 you only want to free the entry if it's ``NULL``).
144
145 You cannot use ``XA_MARK_0`` with an allocating XArray as this mark
146 is used to track whether an entry is free or not.  The other marks are
147 available for your use.
148
149 Memory allocation
150 -----------------
151
152 The :c:func:`xa_store`, :c:func:`xa_cmpxchg`, :c:func:`xa_alloc`,
153 :c:func:`xa_reserve` and :c:func:`xa_insert` functions take a gfp_t
154 parameter in case the XArray needs to allocate memory to store this entry.
155 If the entry is being deleted, no memory allocation needs to be performed,
156 and the GFP flags specified will be ignored.
157
158 It is possible for no memory to be allocatable, particularly if you pass
159 a restrictive set of GFP flags.  In that case, the functions return a
160 special value which can be turned into an errno using :c:func:`xa_err`.
161 If you don't need to know exactly which error occurred, using
162 :c:func:`xa_is_err` is slightly more efficient.
163
164 Locking
165 -------
166
167 When using the Normal API, you do not have to worry about locking.
168 The XArray uses RCU and an internal spinlock to synchronise access:
169
170 No lock needed:
171  * :c:func:`xa_empty`
172  * :c:func:`xa_marked`
173
174 Takes RCU read lock:
175  * :c:func:`xa_load`
176  * :c:func:`xa_for_each`
177  * :c:func:`xa_find`
178  * :c:func:`xa_find_after`
179  * :c:func:`xa_extract`
180  * :c:func:`xa_get_mark`
181
182 Takes xa_lock internally:
183  * :c:func:`xa_store`
184  * :c:func:`xa_store_bh`
185  * :c:func:`xa_store_irq`
186  * :c:func:`xa_insert`
187  * :c:func:`xa_insert_bh`
188  * :c:func:`xa_insert_irq`
189  * :c:func:`xa_erase`
190  * :c:func:`xa_erase_bh`
191  * :c:func:`xa_erase_irq`
192  * :c:func:`xa_cmpxchg`
193  * :c:func:`xa_cmpxchg_bh`
194  * :c:func:`xa_cmpxchg_irq`
195  * :c:func:`xa_store_range`
196  * :c:func:`xa_alloc`
197  * :c:func:`xa_alloc_bh`
198  * :c:func:`xa_alloc_irq`
199  * :c:func:`xa_reserve`
200  * :c:func:`xa_reserve_bh`
201  * :c:func:`xa_reserve_irq`
202  * :c:func:`xa_destroy`
203  * :c:func:`xa_set_mark`
204  * :c:func:`xa_clear_mark`
205
206 Assumes xa_lock held on entry:
207  * :c:func:`__xa_store`
208  * :c:func:`__xa_insert`
209  * :c:func:`__xa_erase`
210  * :c:func:`__xa_cmpxchg`
211  * :c:func:`__xa_alloc`
212  * :c:func:`__xa_reserve`
213  * :c:func:`__xa_set_mark`
214  * :c:func:`__xa_clear_mark`
215
216 If you want to take advantage of the lock to protect the data structures
217 that you are storing in the XArray, you can call :c:func:`xa_lock`
218 before calling :c:func:`xa_load`, then take a reference count on the
219 object you have found before calling :c:func:`xa_unlock`.  This will
220 prevent stores from removing the object from the array between looking
221 up the object and incrementing the refcount.  You can also use RCU to
222 avoid dereferencing freed memory, but an explanation of that is beyond
223 the scope of this document.
224
225 The XArray does not disable interrupts or softirqs while modifying
226 the array.  It is safe to read the XArray from interrupt or softirq
227 context as the RCU lock provides enough protection.
228
229 If, for example, you want to store entries in the XArray in process
230 context and then erase them in softirq context, you can do that this way::
231
232     void foo_init(struct foo *foo)
233     {
234         xa_init_flags(&foo->array, XA_FLAGS_LOCK_BH);
235     }
236
237     int foo_store(struct foo *foo, unsigned long index, void *entry)
238     {
239         int err;
240
241         xa_lock_bh(&foo->array);
242         err = xa_err(__xa_store(&foo->array, index, entry, GFP_KERNEL));
243         if (!err)
244             foo->count++;
245         xa_unlock_bh(&foo->array);
246         return err;
247     }
248
249     /* foo_erase() is only called from softirq context */
250     void foo_erase(struct foo *foo, unsigned long index)
251     {
252         xa_lock(&foo->array);
253         __xa_erase(&foo->array, index);
254         foo->count--;
255         xa_unlock(&foo->array);
256     }
257
258 If you are going to modify the XArray from interrupt or softirq context,
259 you need to initialise the array using :c:func:`xa_init_flags`, passing
260 ``XA_FLAGS_LOCK_IRQ`` or ``XA_FLAGS_LOCK_BH``.
261
262 The above example also shows a common pattern of wanting to extend the
263 coverage of the xa_lock on the store side to protect some statistics
264 associated with the array.
265
266 Sharing the XArray with interrupt context is also possible, either
267 using :c:func:`xa_lock_irqsave` in both the interrupt handler and process
268 context, or :c:func:`xa_lock_irq` in process context and :c:func:`xa_lock`
269 in the interrupt handler.  Some of the more common patterns have helper
270 functions such as :c:func:`xa_store_bh`, :c:func:`xa_store_irq`,
271 :c:func:`xa_erase_bh`, :c:func:`xa_erase_irq`, :c:func:`xa_cmpxchg_bh`
272 and :c:func:`xa_cmpxchg_irq`.
273
274 Sometimes you need to protect access to the XArray with a mutex because
275 that lock sits above another mutex in the locking hierarchy.  That does
276 not entitle you to use functions like :c:func:`__xa_erase` without taking
277 the xa_lock; the xa_lock is used for lockdep validation and will be used
278 for other purposes in the future.
279
280 The :c:func:`__xa_set_mark` and :c:func:`__xa_clear_mark` functions are also
281 available for situations where you look up an entry and want to atomically
282 set or clear a mark.  It may be more efficient to use the advanced API
283 in this case, as it will save you from walking the tree twice.
284
285 Advanced API
286 ============
287
288 The advanced API offers more flexibility and better performance at the
289 cost of an interface which can be harder to use and has fewer safeguards.
290 No locking is done for you by the advanced API, and you are required
291 to use the xa_lock while modifying the array.  You can choose whether
292 to use the xa_lock or the RCU lock while doing read-only operations on
293 the array.  You can mix advanced and normal operations on the same array;
294 indeed the normal API is implemented in terms of the advanced API.  The
295 advanced API is only available to modules with a GPL-compatible license.
296
297 The advanced API is based around the xa_state.  This is an opaque data
298 structure which you declare on the stack using the :c:func:`XA_STATE`
299 macro.  This macro initialises the xa_state ready to start walking
300 around the XArray.  It is used as a cursor to maintain the position
301 in the XArray and let you compose various operations together without
302 having to restart from the top every time.
303
304 The xa_state is also used to store errors.  You can call
305 :c:func:`xas_error` to retrieve the error.  All operations check whether
306 the xa_state is in an error state before proceeding, so there's no need
307 for you to check for an error after each call; you can make multiple
308 calls in succession and only check at a convenient point.  The only
309 errors currently generated by the XArray code itself are ``ENOMEM`` and
310 ``EINVAL``, but it supports arbitrary errors in case you want to call
311 :c:func:`xas_set_err` yourself.
312
313 If the xa_state is holding an ``ENOMEM`` error, calling :c:func:`xas_nomem`
314 will attempt to allocate more memory using the specified gfp flags and
315 cache it in the xa_state for the next attempt.  The idea is that you take
316 the xa_lock, attempt the operation and drop the lock.  The operation
317 attempts to allocate memory while holding the lock, but it is more
318 likely to fail.  Once you have dropped the lock, :c:func:`xas_nomem`
319 can try harder to allocate more memory.  It will return ``true`` if it
320 is worth retrying the operation (i.e. that there was a memory error *and*
321 more memory was allocated).  If it has previously allocated memory, and
322 that memory wasn't used, and there is no error (or some error that isn't
323 ``ENOMEM``), then it will free the memory previously allocated.
324
325 Internal Entries
326 ----------------
327
328 The XArray reserves some entries for its own purposes.  These are never
329 exposed through the normal API, but when using the advanced API, it's
330 possible to see them.  Usually the best way to handle them is to pass them
331 to :c:func:`xas_retry`, and retry the operation if it returns ``true``.
332
333 .. flat-table::
334    :widths: 1 1 6
335
336    * - Name
337      - Test
338      - Usage
339
340    * - Node
341      - :c:func:`xa_is_node`
342      - An XArray node.  May be visible when using a multi-index xa_state.
343
344    * - Sibling
345      - :c:func:`xa_is_sibling`
346      - A non-canonical entry for a multi-index entry.  The value indicates
347        which slot in this node has the canonical entry.
348
349    * - Retry
350      - :c:func:`xa_is_retry`
351      - This entry is currently being modified by a thread which has the
352        xa_lock.  The node containing this entry may be freed at the end
353        of this RCU period.  You should restart the lookup from the head
354        of the array.
355
356    * - Zero
357      - :c:func:`xa_is_zero`
358      - Zero entries appear as ``NULL`` through the Normal API, but occupy
359        an entry in the XArray which can be used to reserve the index for
360        future use.  This is used by allocating XArrays for allocated entries
361        which are ``NULL``.
362
363 Other internal entries may be added in the future.  As far as possible, they
364 will be handled by :c:func:`xas_retry`.
365
366 Additional functionality
367 ------------------------
368
369 The :c:func:`xas_create_range` function allocates all the necessary memory
370 to store every entry in a range.  It will set ENOMEM in the xa_state if
371 it cannot allocate memory.
372
373 You can use :c:func:`xas_init_marks` to reset the marks on an entry
374 to their default state.  This is usually all marks clear, unless the
375 XArray is marked with ``XA_FLAGS_TRACK_FREE``, in which case mark 0 is set
376 and all other marks are clear.  Replacing one entry with another using
377 :c:func:`xas_store` will not reset the marks on that entry; if you want
378 the marks reset, you should do that explicitly.
379
380 The :c:func:`xas_load` will walk the xa_state as close to the entry
381 as it can.  If you know the xa_state has already been walked to the
382 entry and need to check that the entry hasn't changed, you can use
383 :c:func:`xas_reload` to save a function call.
384
385 If you need to move to a different index in the XArray, call
386 :c:func:`xas_set`.  This resets the cursor to the top of the tree, which
387 will generally make the next operation walk the cursor to the desired
388 spot in the tree.  If you want to move to the next or previous index,
389 call :c:func:`xas_next` or :c:func:`xas_prev`.  Setting the index does
390 not walk the cursor around the array so does not require a lock to be
391 held, while moving to the next or previous index does.
392
393 You can search for the next present entry using :c:func:`xas_find`.  This
394 is the equivalent of both :c:func:`xa_find` and :c:func:`xa_find_after`;
395 if the cursor has been walked to an entry, then it will find the next
396 entry after the one currently referenced.  If not, it will return the
397 entry at the index of the xa_state.  Using :c:func:`xas_next_entry` to
398 move to the next present entry instead of :c:func:`xas_find` will save
399 a function call in the majority of cases at the expense of emitting more
400 inline code.
401
402 The :c:func:`xas_find_marked` function is similar.  If the xa_state has
403 not been walked, it will return the entry at the index of the xa_state,
404 if it is marked.  Otherwise, it will return the first marked entry after
405 the entry referenced by the xa_state.  The :c:func:`xas_next_marked`
406 function is the equivalent of :c:func:`xas_next_entry`.
407
408 When iterating over a range of the XArray using :c:func:`xas_for_each`
409 or :c:func:`xas_for_each_marked`, it may be necessary to temporarily stop
410 the iteration.  The :c:func:`xas_pause` function exists for this purpose.
411 After you have done the necessary work and wish to resume, the xa_state
412 is in an appropriate state to continue the iteration after the entry
413 you last processed.  If you have interrupts disabled while iterating,
414 then it is good manners to pause the iteration and reenable interrupts
415 every ``XA_CHECK_SCHED`` entries.
416
417 The :c:func:`xas_get_mark`, :c:func:`xas_set_mark` and
418 :c:func:`xas_clear_mark` functions require the xa_state cursor to have
419 been moved to the appropriate location in the xarray; they will do
420 nothing if you have called :c:func:`xas_pause` or :c:func:`xas_set`
421 immediately before.
422
423 You can call :c:func:`xas_set_update` to have a callback function
424 called each time the XArray updates a node.  This is used by the page
425 cache workingset code to maintain its list of nodes which contain only
426 shadow entries.
427
428 Multi-Index Entries
429 -------------------
430
431 The XArray has the ability to tie multiple indices together so that
432 operations on one index affect all indices.  For example, storing into
433 any index will change the value of the entry retrieved from any index.
434 Setting or clearing a mark on any index will set or clear the mark
435 on every index that is tied together.  The current implementation
436 only allows tying ranges which are aligned powers of two together;
437 eg indices 64-127 may be tied together, but 2-6 may not be.  This may
438 save substantial quantities of memory; for example tying 512 entries
439 together will save over 4kB.
440
441 You can create a multi-index entry by using :c:func:`XA_STATE_ORDER`
442 or :c:func:`xas_set_order` followed by a call to :c:func:`xas_store`.
443 Calling :c:func:`xas_load` with a multi-index xa_state will walk the
444 xa_state to the right location in the tree, but the return value is not
445 meaningful, potentially being an internal entry or ``NULL`` even when there
446 is an entry stored within the range.  Calling :c:func:`xas_find_conflict`
447 will return the first entry within the range or ``NULL`` if there are no
448 entries in the range.  The :c:func:`xas_for_each_conflict` iterator will
449 iterate over every entry which overlaps the specified range.
450
451 If :c:func:`xas_load` encounters a multi-index entry, the xa_index
452 in the xa_state will not be changed.  When iterating over an XArray
453 or calling :c:func:`xas_find`, if the initial index is in the middle
454 of a multi-index entry, it will not be altered.  Subsequent calls
455 or iterations will move the index to the first index in the range.
456 Each entry will only be returned once, no matter how many indices it
457 occupies.
458
459 Using :c:func:`xas_next` or :c:func:`xas_prev` with a multi-index xa_state
460 is not supported.  Using either of these functions on a multi-index entry
461 will reveal sibling entries; these should be skipped over by the caller.
462
463 Storing ``NULL`` into any index of a multi-index entry will set the entry
464 at every index to ``NULL`` and dissolve the tie.  Splitting a multi-index
465 entry into entries occupying smaller ranges is not yet supported.
466
467 Functions and structures
468 ========================
469
470 .. kernel-doc:: include/linux/xarray.h
471 .. kernel-doc:: lib/xarray.c