block/blk-flush.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * Functions to sequence PREFLUSH and FUA writes.
   4  *
   5  * Copyright (C) 2011           Max Planck Institute for Gravitational Physics
   6  * Copyright (C) 2011           Tejun Heo <tj@kernel.org>
   7  *
   8  * REQ_{PREFLUSH|FUA} requests are decomposed to sequences consisted of three
   9  * optional steps - PREFLUSH, DATA and POSTFLUSH - according to the request
  10  * properties and hardware capability.
  11  *
  12  * If a request doesn't have data, only REQ_PREFLUSH makes sense, which
  13  * indicates a simple flush request.  If there is data, REQ_PREFLUSH indicates
  14  * that the device cache should be flushed before the data is executed, and
  15  * REQ_FUA means that the data must be on non-volatile media on request
  16  * completion.
  17  *
  18  * If the device doesn't have writeback cache, PREFLUSH and FUA don't make any
  19  * difference.  The requests are either completed immediately if there's no data
  20  * or executed as normal requests otherwise.
  21  *
  22  * If the device has writeback cache and supports FUA, REQ_PREFLUSH is
  23  * translated to PREFLUSH but REQ_FUA is passed down directly with DATA.
  24  *
  25  * If the device has writeback cache and doesn't support FUA, REQ_PREFLUSH
  26  * is translated to PREFLUSH and REQ_FUA to POSTFLUSH.
  27  *
  28  * The actual execution of flush is double buffered.  Whenever a request
  29  * needs to execute PRE or POSTFLUSH, it queues at
  30  * fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx].  Once certain criteria are met, a
  31  * REQ_OP_FLUSH is issued and the pending_idx is toggled.  When the flush
  32  * completes, all the requests which were pending are proceeded to the next
  33  * step.  This allows arbitrary merging of different types of PREFLUSH/FUA
  34  * requests.
  35  *
  36  * Currently, the following conditions are used to determine when to issue
  37  * flush.
  38  *
  39  * C1. At any given time, only one flush shall be in progress.  This makes
  40  *     double buffering sufficient.
  41  *
  42  * C2. Flush is deferred if any request is executing DATA of its sequence.
  43  *     This avoids issuing separate POSTFLUSHes for requests which shared
  44  *     PREFLUSH.
  45  *
  46  * C3. The second condition is ignored if there is a request which has
  47  *     waited longer than FLUSH_PENDING_TIMEOUT.  This is to avoid
  48  *     starvation in the unlikely case where there are continuous stream of
  49  *     FUA (without PREFLUSH) requests.
  50  *
  51  * For devices which support FUA, it isn't clear whether C2 (and thus C3)
  52  * is beneficial.
  53  *
  54  * Note that a sequenced PREFLUSH/FUA request with DATA is completed twice.
  55  * Once while executing DATA and again after the whole sequence is
  56  * complete.  The first completion updates the contained bio but doesn't
  57  * finish it so that the bio submitter is notified only after the whole
  58  * sequence is complete.  This is implemented by testing RQF_FLUSH_SEQ in
  59  * req_bio_endio().
  60  *
  61  * The above peculiarity requires that each PREFLUSH/FUA request has only one
  62  * bio attached to it, which is guaranteed as they aren't allowed to be
  63  * merged in the usual way.
  64  */
  65
  66 #include <linux/kernel.h>
  67 #include <linux/module.h>
  68 #include <linux/bio.h>
  69 #include <linux/blkdev.h>
  70 #include <linux/gfp.h>
  71 #include <linux/blk-mq.h>
  72
  73 #include "blk.h"
  74 #include "blk-mq.h"
  75 #include "blk-mq-tag.h"
  76 #include "blk-mq-sched.h"
  77
  78 /* PREFLUSH/FUA sequences */
  79 enum {
  80         REQ_FSEQ_PREFLUSH       = (1 << 0), /* pre-flushing in progress */
  81         REQ_FSEQ_DATA           = (1 << 1), /* data write in progress */
  82         REQ_FSEQ_POSTFLUSH      = (1 << 2), /* post-flushing in progress */
  83         REQ_FSEQ_DONE           = (1 << 3),
  84
  85         REQ_FSEQ_ACTIONS        = REQ_FSEQ_PREFLUSH | REQ_FSEQ_DATA |
  86                                   REQ_FSEQ_POSTFLUSH,
  87
  88         /*
  89          * If flush has been pending longer than the following timeout,
  90          * it's issued even if flush_data requests are still in flight.
  91          */
  92         FLUSH_PENDING_TIMEOUT   = 5 * HZ,
  93 };
  94
  95 static void blk_kick_flush(struct request_queue *q,
  96                            struct blk_flush_queue *fq, unsigned int flags);
  97
  98 static unsigned int blk_flush_policy(unsigned long fflags, struct request *rq)
  99 {
 100         unsigned int policy = 0;
 101
 102         if (blk_rq_sectors(rq))
 103                 policy |= REQ_FSEQ_DATA;
 104
 105         if (fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_WC)) {
 106                 if (rq->cmd_flags & REQ_PREFLUSH)
 107                         policy |= REQ_FSEQ_PREFLUSH;
 108                 if (!(fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_FUA)) &&
 109                     (rq->cmd_flags & REQ_FUA))
 110                         policy |= REQ_FSEQ_POSTFLUSH;
 111         }
 112         return policy;
 113 }
 114
 115 static unsigned int blk_flush_cur_seq(struct request *rq)
 116 {
 117         return 1 << ffz(rq->flush.seq);
 118 }
 119
 120 static void blk_flush_restore_request(struct request *rq)
 121 {
 122         /*
 123          * After flush data completion, @rq->bio is %NULL but we need to
 124          * complete the bio again.  @rq->biotail is guaranteed to equal the
 125          * original @rq->bio.  Restore it.
 126          */
 127         rq->bio = rq->biotail;
 128
 129         /* make @rq a normal request */
 130         rq->rq_flags &= ~RQF_FLUSH_SEQ;
 131         rq->end_io = rq->flush.saved_end_io;
 132 }
 133
 134 static void blk_flush_queue_rq(struct request *rq, bool add_front)
 135 {
 136         blk_mq_add_to_requeue_list(rq, add_front, true);
 137 }
 138
 139 static void blk_account_io_flush(struct request *rq)
 140 {
 141         struct hd_struct *part = &rq->rq_disk->part0;
 142
 143         part_stat_lock();
 144         part_stat_inc(part, ios[STAT_FLUSH]);
 145         part_stat_add(part, nsecs[STAT_FLUSH],
 146                       ktime_get_ns() - rq->start_time_ns);
 147         part_stat_unlock();
 148 }
 149
 150 /**
 151  * blk_flush_complete_seq - complete flush sequence
 152  * @rq: PREFLUSH/FUA request being sequenced
 153  * @fq: flush queue
 154  * @seq: sequences to complete (mask of %REQ_FSEQ_*, can be zero)
 155  * @error: whether an error occurred
 156  *
 157  * @rq just completed @seq part of its flush sequence, record the
 158  * completion and trigger the next step.
 159  *
 160  * CONTEXT:
 161  * spin_lock_irq(fq->mq_flush_lock)
 162  *
 163  * RETURNS:
 164  * %true if requests were added to the dispatch queue, %false otherwise.
 165  */
 166 static void blk_flush_complete_seq(struct request *rq,
 167                                    struct blk_flush_queue *fq,
 168                                    unsigned int seq, blk_status_t error)
 169 {
 170         struct request_queue *q = rq->q;
 171         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
 172         unsigned int cmd_flags;
 173
 174         BUG_ON(rq->flush.seq & seq);
 175         rq->flush.seq |= seq;
 176         cmd_flags = rq->cmd_flags;
 177
 178         if (likely(!error))
 179                 seq = blk_flush_cur_seq(rq);
 180         else
 181                 seq = REQ_FSEQ_DONE;
 182
 183         switch (seq) {
 184         case REQ_FSEQ_PREFLUSH:
 185         case REQ_FSEQ_POSTFLUSH:
 186                 /* queue for flush */
 187                 if (list_empty(pending))
 188                         fq->flush_pending_since = jiffies;
 189                 list_move_tail(&rq->flush.list, pending);
 190                 break;
 191
 192         case REQ_FSEQ_DATA:
 193                 list_move_tail(&rq->flush.list, &fq->flush_data_in_flight);
 194                 blk_flush_queue_rq(rq, true);
 195                 break;
 196
 197         case REQ_FSEQ_DONE:
 198                 /*
 199                  * @rq was previously adjusted by blk_insert_flush() for
 200                  * flush sequencing and may already have gone through the
 201                  * flush data request completion path.  Restore @rq for
 202                  * normal completion and end it.
 203                  */
 204                 BUG_ON(!list_empty(&rq->queuelist));
 205                 list_del_init(&rq->flush.list);
 206                 blk_flush_restore_request(rq);
 207                 blk_mq_end_request(rq, error);
 208                 break;
 209
 210         default:
 211                 BUG();
 212         }
 213
 214         blk_kick_flush(q, fq, cmd_flags);
 215 }
 216
 217 static void flush_end_io(struct request *flush_rq, blk_status_t error)
 218 {
 219         struct request_queue *q = flush_rq->q;
 220         struct list_head *running;
 221         struct request *rq, *n;
 222         unsigned long flags = 0;
 223         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, flush_rq->mq_ctx);
 224         struct blk_mq_hw_ctx *hctx;
 225
 226         blk_account_io_flush(flush_rq);
 227
 228         /* release the tag's ownership to the req cloned from */
 229         spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
 230
 231         if (!refcount_dec_and_test(&flush_rq->ref)) {
 232                 fq->rq_status = error;
 233                 spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
 234                 return;
 235         }
 236
 237         if (fq->rq_status != BLK_STS_OK)
 238                 error = fq->rq_status;
 239
 240         hctx = flush_rq->mq_hctx;
 241         if (!q->elevator) {
 242                 blk_mq_tag_set_rq(hctx, flush_rq->tag, fq->orig_rq);
 243                 flush_rq->tag = -1;
 244         } else {
 245                 blk_mq_put_driver_tag(flush_rq);
 246                 flush_rq->internal_tag = -1;
 247         }
 248
 249         running = &fq->flush_queue[fq->flush_running_idx];
 250         BUG_ON(fq->flush_pending_idx == fq->flush_running_idx);
 251
 252         /* account completion of the flush request */
 253         fq->flush_running_idx ^= 1;
 254
 255         /* and push the waiting requests to the next stage */
 256         list_for_each_entry_safe(rq, n, running, flush.list) {
 257                 unsigned int seq = blk_flush_cur_seq(rq);
 258
 259                 BUG_ON(seq != REQ_FSEQ_PREFLUSH && seq != REQ_FSEQ_POSTFLUSH);
 260                 blk_flush_complete_seq(rq, fq, seq, error);
 261         }
 262
 263         fq->flush_queue_delayed = 0;
 264         spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
 265 }
 266
 267 /**
 268  * blk_kick_flush - consider issuing flush request
 269  * @q: request_queue being kicked
 270  * @fq: flush queue
 271  * @flags: cmd_flags of the original request
 272  *
 273  * Flush related states of @q have changed, consider issuing flush request.
 274  * Please read the comment at the top of this file for more info.
 275  *
 276  * CONTEXT:
 277  * spin_lock_irq(fq->mq_flush_lock)
 278  *
 279  */
 280 static void blk_kick_flush(struct request_queue *q, struct blk_flush_queue *fq,
 281                            unsigned int flags)
 282 {
 283         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
 284         struct request *first_rq =
 285                 list_first_entry(pending, struct request, flush.list);
 286         struct request *flush_rq = fq->flush_rq;
 287
 288         /* C1 described at the top of this file */
 289         if (fq->flush_pending_idx != fq->flush_running_idx || list_empty(pending))
 290                 return;
 291
 292         /* C2 and C3
 293          *
 294          * For blk-mq + scheduling, we can risk having all driver tags
 295          * assigned to empty flushes, and we deadlock if we are expecting
 296          * other requests to make progress. Don't defer for that case.
 297          */
 298         if (!list_empty(&fq->flush_data_in_flight) && q->elevator &&
 299             time_before(jiffies,
 300                         fq->flush_pending_since + FLUSH_PENDING_TIMEOUT))
 301                 return;
 302
 303         /*
 304          * Issue flush and toggle pending_idx.  This makes pending_idx
 305          * different from running_idx, which means flush is in flight.
 306          */
 307         fq->flush_pending_idx ^= 1;
 308
 309         blk_rq_init(q, flush_rq);
 310
 311         /*
 312          * In case of none scheduler, borrow tag from the first request
 313          * since they can't be in flight at the same time. And acquire
 314          * the tag's ownership for flush req.
 315          *
 316          * In case of IO scheduler, flush rq need to borrow scheduler tag
 317          * just for cheating put/get driver tag.
 318          */
 319         flush_rq->mq_ctx = first_rq->mq_ctx;
 320         flush_rq->mq_hctx = first_rq->mq_hctx;
 321
 322         if (!q->elevator) {
 323                 fq->orig_rq = first_rq;
 324                 flush_rq->tag = first_rq->tag;
 325                 blk_mq_tag_set_rq(flush_rq->mq_hctx, first_rq->tag, flush_rq);
 326         } else {
 327                 flush_rq->internal_tag = first_rq->internal_tag;
 328         }
 329
 330         flush_rq->cmd_flags = REQ_OP_FLUSH | REQ_PREFLUSH;
 331         flush_rq->cmd_flags |= (flags & REQ_DRV) | (flags & REQ_FAILFAST_MASK);
 332         flush_rq->rq_flags |= RQF_FLUSH_SEQ;
 333         flush_rq->rq_disk = first_rq->rq_disk;
 334         flush_rq->end_io = flush_end_io;
 335
 336         blk_flush_queue_rq(flush_rq, false);
 337 }
 338
 339 static void mq_flush_data_end_io(struct request *rq, blk_status_t error)
 340 {
 341         struct request_queue *q = rq->q;
 342         struct blk_mq_hw_ctx *hctx = rq->mq_hctx;
 343         struct blk_mq_ctx *ctx = rq->mq_ctx;
 344         unsigned long flags;
 345         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, ctx);
 346
 347         if (q->elevator) {
 348                 WARN_ON(rq->tag < 0);
 349                 blk_mq_put_driver_tag(rq);
 350         }
 351
 352         /*
 353          * After populating an empty queue, kick it to avoid stall.  Read
 354          * the comment in flush_end_io().
 355          */
 356         spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
 357         blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_DATA, error);
 358         spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
 359
 360         blk_mq_sched_restart(hctx);
 361 }
 362
 363 /**
 364  * blk_insert_flush - insert a new PREFLUSH/FUA request
 365  * @rq: request to insert
 366  *
 367  * To be called from __elv_add_request() for %ELEVATOR_INSERT_FLUSH insertions.
 368  * or __blk_mq_run_hw_queue() to dispatch request.
 369  * @rq is being submitted.  Analyze what needs to be done and put it on the
 370  * right queue.
 371  */
 372 void blk_insert_flush(struct request *rq)
 373 {
 374         struct request_queue *q = rq->q;
 375         unsigned long fflags = q->queue_flags;  /* may change, cache */
 376         unsigned int policy = blk_flush_policy(fflags, rq);
 377         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, rq->mq_ctx);
 378
 379         /*
 380          * @policy now records what operations need to be done.  Adjust
 381          * REQ_PREFLUSH and FUA for the driver.
 382          */
 383         rq->cmd_flags &= ~REQ_PREFLUSH;
 384         if (!(fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_FUA)))
 385                 rq->cmd_flags &= ~REQ_FUA;
 386
 387         /*
 388          * REQ_PREFLUSH|REQ_FUA implies REQ_SYNC, so if we clear any
 389          * of those flags, we have to set REQ_SYNC to avoid skewing
 390          * the request accounting.
 391          */
 392         rq->cmd_flags |= REQ_SYNC;
 393
 394         /*
 395          * An empty flush handed down from a stacking driver may
 396          * translate into nothing if the underlying device does not
 397          * advertise a write-back cache.  In this case, simply
 398          * complete the request.
 399          */
 400         if (!policy) {
 401                 blk_mq_end_request(rq, 0);
 402                 return;
 403         }
 404
 405         BUG_ON(rq->bio != rq->biotail); /*assumes zero or single bio rq */
 406
 407         /*
 408          * If there's data but flush is not necessary, the request can be
 409          * processed directly without going through flush machinery.  Queue
 410          * for normal execution.
 411          */
 412         if ((policy & REQ_FSEQ_DATA) &&
 413             !(policy & (REQ_FSEQ_PREFLUSH | REQ_FSEQ_POSTFLUSH))) {
 414                 blk_mq_request_bypass_insert(rq, false);
 415                 return;
 416         }
 417
 418         /*
 419          * @rq should go through flush machinery.  Mark it part of flush
 420          * sequence and submit for further processing.
 421          */
 422         memset(&rq->flush, 0, sizeof(rq->flush));
 423         INIT_LIST_HEAD(&rq->flush.list);
 424         rq->rq_flags |= RQF_FLUSH_SEQ;
 425         rq->flush.saved_end_io = rq->end_io; /* Usually NULL */
 426
 427         rq->end_io = mq_flush_data_end_io;
 428
 429         spin_lock_irq(&fq->mq_flush_lock);
 430         blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_ACTIONS & ~policy, 0);
 431         spin_unlock_irq(&fq->mq_flush_lock);
 432 }
 433
 434 /**
 435  * blkdev_issue_flush - queue a flush
 436  * @bdev:       blockdev to issue flush for
 437  * @gfp_mask:   memory allocation flags (for bio_alloc)
 438  * @error_sector:       error sector
 439  *
 440  * Description:
 441  *    Issue a flush for the block device in question. Caller can supply
 442  *    room for storing the error offset in case of a flush error, if they
 443  *    wish to.
 444  */
 445 int blkdev_issue_flush(struct block_device *bdev, gfp_t gfp_mask,
 446                 sector_t *error_sector)
 447 {
 448         struct request_queue *q;
 449         struct bio *bio;
 450         int ret = 0;
 451
 452         if (bdev->bd_disk == NULL)
 453                 return -ENXIO;
 454
 455         q = bdev_get_queue(bdev);
 456         if (!q)
 457                 return -ENXIO;
 458
 459         /*
 460          * some block devices may not have their queue correctly set up here
 461          * (e.g. loop device without a backing file) and so issuing a flush
 462          * here will panic. Ensure there is a request function before issuing
 463          * the flush.
 464          */
 465         if (!q->make_request_fn)
 466                 return -ENXIO;
 467
 468         bio = bio_alloc(gfp_mask, 0);
 469         bio_set_dev(bio, bdev);
 470         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | REQ_PREFLUSH;
 471
 472         ret = submit_bio_wait(bio);
 473
 474         /*
 475          * The driver must store the error location in ->bi_sector, if
 476          * it supports it. For non-stacked drivers, this should be
 477          * copied from blk_rq_pos(rq).
 478          */
 479         if (error_sector)
 480                 *error_sector = bio->bi_iter.bi_sector;
 481
 482         bio_put(bio);
 483         return ret;
 484 }
 485 EXPORT_SYMBOL(blkdev_issue_flush);
 486
 487 struct blk_flush_queue *blk_alloc_flush_queue(struct request_queue *q,
 488                 int node, int cmd_size, gfp_t flags)
 489 {
 490         struct blk_flush_queue *fq;
 491         int rq_sz = sizeof(struct request);
 492
 493         fq = kzalloc_node(sizeof(*fq), flags, node);
 494         if (!fq)
 495                 goto fail;
 496
 497         spin_lock_init(&fq->mq_flush_lock);
 498
 499         rq_sz = round_up(rq_sz + cmd_size, cache_line_size());
 500         fq->flush_rq = kzalloc_node(rq_sz, flags, node);
 501         if (!fq->flush_rq)
 502                 goto fail_rq;
 503
 504         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[0]);
 505         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[1]);
 506         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_data_in_flight);
 507
 508         return fq;
 509
 510  fail_rq:
 511         kfree(fq);
 512  fail:
 513         return NULL;
 514 }
 515
 516 void blk_free_flush_queue(struct blk_flush_queue *fq)
 517 {
 518         /* bio based request queue hasn't flush queue */
 519         if (!fq)
 520                 return;
 521
 522         kfree(fq->flush_rq);
 523         kfree(fq);
 524 }