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