Merge branch 'core-urgent-for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel...
[sfrench/cifs-2.6.git] / drivers / md / bcache / bcache.h
1 #ifndef _BCACHE_H
2 #define _BCACHE_H
3
4 /*
5  * SOME HIGH LEVEL CODE DOCUMENTATION:
6  *
7  * Bcache mostly works with cache sets, cache devices, and backing devices.
8  *
9  * Support for multiple cache devices hasn't quite been finished off yet, but
10  * it's about 95% plumbed through. A cache set and its cache devices is sort of
11  * like a md raid array and its component devices. Most of the code doesn't care
12  * about individual cache devices, the main abstraction is the cache set.
13  *
14  * Multiple cache devices is intended to give us the ability to mirror dirty
15  * cached data and metadata, without mirroring clean cached data.
16  *
17  * Backing devices are different, in that they have a lifetime independent of a
18  * cache set. When you register a newly formatted backing device it'll come up
19  * in passthrough mode, and then you can attach and detach a backing device from
20  * a cache set at runtime - while it's mounted and in use. Detaching implicitly
21  * invalidates any cached data for that backing device.
22  *
23  * A cache set can have multiple (many) backing devices attached to it.
24  *
25  * There's also flash only volumes - this is the reason for the distinction
26  * between struct cached_dev and struct bcache_device. A flash only volume
27  * works much like a bcache device that has a backing device, except the
28  * "cached" data is always dirty. The end result is that we get thin
29  * provisioning with very little additional code.
30  *
31  * Flash only volumes work but they're not production ready because the moving
32  * garbage collector needs more work. More on that later.
33  *
34  * BUCKETS/ALLOCATION:
35  *
36  * Bcache is primarily designed for caching, which means that in normal
37  * operation all of our available space will be allocated. Thus, we need an
38  * efficient way of deleting things from the cache so we can write new things to
39  * it.
40  *
41  * To do this, we first divide the cache device up into buckets. A bucket is the
42  * unit of allocation; they're typically around 1 mb - anywhere from 128k to 2M+
43  * works efficiently.
44  *
45  * Each bucket has a 16 bit priority, and an 8 bit generation associated with
46  * it. The gens and priorities for all the buckets are stored contiguously and
47  * packed on disk (in a linked list of buckets - aside from the superblock, all
48  * of bcache's metadata is stored in buckets).
49  *
50  * The priority is used to implement an LRU. We reset a bucket's priority when
51  * we allocate it or on cache it, and every so often we decrement the priority
52  * of each bucket. It could be used to implement something more sophisticated,
53  * if anyone ever gets around to it.
54  *
55  * The generation is used for invalidating buckets. Each pointer also has an 8
56  * bit generation embedded in it; for a pointer to be considered valid, its gen
57  * must match the gen of the bucket it points into.  Thus, to reuse a bucket all
58  * we have to do is increment its gen (and write its new gen to disk; we batch
59  * this up).
60  *
61  * Bcache is entirely COW - we never write twice to a bucket, even buckets that
62  * contain metadata (including btree nodes).
63  *
64  * THE BTREE:
65  *
66  * Bcache is in large part design around the btree.
67  *
68  * At a high level, the btree is just an index of key -> ptr tuples.
69  *
70  * Keys represent extents, and thus have a size field. Keys also have a variable
71  * number of pointers attached to them (potentially zero, which is handy for
72  * invalidating the cache).
73  *
74  * The key itself is an inode:offset pair. The inode number corresponds to a
75  * backing device or a flash only volume. The offset is the ending offset of the
76  * extent within the inode - not the starting offset; this makes lookups
77  * slightly more convenient.
78  *
79  * Pointers contain the cache device id, the offset on that device, and an 8 bit
80  * generation number. More on the gen later.
81  *
82  * Index lookups are not fully abstracted - cache lookups in particular are
83  * still somewhat mixed in with the btree code, but things are headed in that
84  * direction.
85  *
86  * Updates are fairly well abstracted, though. There are two different ways of
87  * updating the btree; insert and replace.
88  *
89  * BTREE_INSERT will just take a list of keys and insert them into the btree -
90  * overwriting (possibly only partially) any extents they overlap with. This is
91  * used to update the index after a write.
92  *
93  * BTREE_REPLACE is really cmpxchg(); it inserts a key into the btree iff it is
94  * overwriting a key that matches another given key. This is used for inserting
95  * data into the cache after a cache miss, and for background writeback, and for
96  * the moving garbage collector.
97  *
98  * There is no "delete" operation; deleting things from the index is
99  * accomplished by either by invalidating pointers (by incrementing a bucket's
100  * gen) or by inserting a key with 0 pointers - which will overwrite anything
101  * previously present at that location in the index.
102  *
103  * This means that there are always stale/invalid keys in the btree. They're
104  * filtered out by the code that iterates through a btree node, and removed when
105  * a btree node is rewritten.
106  *
107  * BTREE NODES:
108  *
109  * Our unit of allocation is a bucket, and we we can't arbitrarily allocate and
110  * free smaller than a bucket - so, that's how big our btree nodes are.
111  *
112  * (If buckets are really big we'll only use part of the bucket for a btree node
113  * - no less than 1/4th - but a bucket still contains no more than a single
114  * btree node. I'd actually like to change this, but for now we rely on the
115  * bucket's gen for deleting btree nodes when we rewrite/split a node.)
116  *
117  * Anyways, btree nodes are big - big enough to be inefficient with a textbook
118  * btree implementation.
119  *
120  * The way this is solved is that btree nodes are internally log structured; we
121  * can append new keys to an existing btree node without rewriting it. This
122  * means each set of keys we write is sorted, but the node is not.
123  *
124  * We maintain this log structure in memory - keeping 1Mb of keys sorted would
125  * be expensive, and we have to distinguish between the keys we have written and
126  * the keys we haven't. So to do a lookup in a btree node, we have to search
127  * each sorted set. But we do merge written sets together lazily, so the cost of
128  * these extra searches is quite low (normally most of the keys in a btree node
129  * will be in one big set, and then there'll be one or two sets that are much
130  * smaller).
131  *
132  * This log structure makes bcache's btree more of a hybrid between a
133  * conventional btree and a compacting data structure, with some of the
134  * advantages of both.
135  *
136  * GARBAGE COLLECTION:
137  *
138  * We can't just invalidate any bucket - it might contain dirty data or
139  * metadata. If it once contained dirty data, other writes might overwrite it
140  * later, leaving no valid pointers into that bucket in the index.
141  *
142  * Thus, the primary purpose of garbage collection is to find buckets to reuse.
143  * It also counts how much valid data it each bucket currently contains, so that
144  * allocation can reuse buckets sooner when they've been mostly overwritten.
145  *
146  * It also does some things that are really internal to the btree
147  * implementation. If a btree node contains pointers that are stale by more than
148  * some threshold, it rewrites the btree node to avoid the bucket's generation
149  * wrapping around. It also merges adjacent btree nodes if they're empty enough.
150  *
151  * THE JOURNAL:
152  *
153  * Bcache's journal is not necessary for consistency; we always strictly
154  * order metadata writes so that the btree and everything else is consistent on
155  * disk in the event of an unclean shutdown, and in fact bcache had writeback
156  * caching (with recovery from unclean shutdown) before journalling was
157  * implemented.
158  *
159  * Rather, the journal is purely a performance optimization; we can't complete a
160  * write until we've updated the index on disk, otherwise the cache would be
161  * inconsistent in the event of an unclean shutdown. This means that without the
162  * journal, on random write workloads we constantly have to update all the leaf
163  * nodes in the btree, and those writes will be mostly empty (appending at most
164  * a few keys each) - highly inefficient in terms of amount of metadata writes,
165  * and it puts more strain on the various btree resorting/compacting code.
166  *
167  * The journal is just a log of keys we've inserted; on startup we just reinsert
168  * all the keys in the open journal entries. That means that when we're updating
169  * a node in the btree, we can wait until a 4k block of keys fills up before
170  * writing them out.
171  *
172  * For simplicity, we only journal updates to leaf nodes; updates to parent
173  * nodes are rare enough (since our leaf nodes are huge) that it wasn't worth
174  * the complexity to deal with journalling them (in particular, journal replay)
175  * - updates to non leaf nodes just happen synchronously (see btree_split()).
176  */
177
178 #define pr_fmt(fmt) "bcache: %s() " fmt "\n", __func__
179
180 #include <linux/bio.h>
181 #include <linux/blktrace_api.h>
182 #include <linux/kobject.h>
183 #include <linux/list.h>
184 #include <linux/mutex.h>
185 #include <linux/rbtree.h>
186 #include <linux/rwsem.h>
187 #include <linux/types.h>
188 #include <linux/workqueue.h>
189
190 #include "util.h"
191 #include "closure.h"
192
193 struct bucket {
194         atomic_t        pin;
195         uint16_t        prio;
196         uint8_t         gen;
197         uint8_t         disk_gen;
198         uint8_t         last_gc; /* Most out of date gen in the btree */
199         uint8_t         gc_gen;
200         uint16_t        gc_mark;
201 };
202
203 /*
204  * I'd use bitfields for these, but I don't trust the compiler not to screw me
205  * as multiple threads touch struct bucket without locking
206  */
207
208 BITMASK(GC_MARK,         struct bucket, gc_mark, 0, 2);
209 #define GC_MARK_RECLAIMABLE     0
210 #define GC_MARK_DIRTY           1
211 #define GC_MARK_METADATA        2
212 BITMASK(GC_SECTORS_USED, struct bucket, gc_mark, 2, 14);
213
214 struct bkey {
215         uint64_t        high;
216         uint64_t        low;
217         uint64_t        ptr[];
218 };
219
220 /* Enough for a key with 6 pointers */
221 #define BKEY_PAD                8
222
223 #define BKEY_PADDED(key)                                        \
224         union { struct bkey key; uint64_t key ## _pad[BKEY_PAD]; }
225
226 /* Version 0: Cache device
227  * Version 1: Backing device
228  * Version 2: Seed pointer into btree node checksum
229  * Version 3: Cache device with new UUID format
230  * Version 4: Backing device with data offset
231  */
232 #define BCACHE_SB_VERSION_CDEV                  0
233 #define BCACHE_SB_VERSION_BDEV                  1
234 #define BCACHE_SB_VERSION_CDEV_WITH_UUID        3
235 #define BCACHE_SB_VERSION_BDEV_WITH_OFFSET      4
236 #define BCACHE_SB_MAX_VERSION                   4
237
238 #define SB_SECTOR               8
239 #define SB_SIZE                 4096
240 #define SB_LABEL_SIZE           32
241 #define SB_JOURNAL_BUCKETS      256U
242 /* SB_JOURNAL_BUCKETS must be divisible by BITS_PER_LONG */
243 #define MAX_CACHES_PER_SET      8
244
245 #define BDEV_DATA_START_DEFAULT 16      /* sectors */
246
247 struct cache_sb {
248         uint64_t                csum;
249         uint64_t                offset; /* sector where this sb was written */
250         uint64_t                version;
251
252         uint8_t                 magic[16];
253
254         uint8_t                 uuid[16];
255         union {
256                 uint8_t         set_uuid[16];
257                 uint64_t        set_magic;
258         };
259         uint8_t                 label[SB_LABEL_SIZE];
260
261         uint64_t                flags;
262         uint64_t                seq;
263         uint64_t                pad[8];
264
265         union {
266         struct {
267                 /* Cache devices */
268                 uint64_t        nbuckets;       /* device size */
269
270                 uint16_t        block_size;     /* sectors */
271                 uint16_t        bucket_size;    /* sectors */
272
273                 uint16_t        nr_in_set;
274                 uint16_t        nr_this_dev;
275         };
276         struct {
277                 /* Backing devices */
278                 uint64_t        data_offset;
279
280                 /*
281                  * block_size from the cache device section is still used by
282                  * backing devices, so don't add anything here until we fix
283                  * things to not need it for backing devices anymore
284                  */
285         };
286         };
287
288         uint32_t                last_mount;     /* time_t */
289
290         uint16_t                first_bucket;
291         union {
292                 uint16_t        njournal_buckets;
293                 uint16_t        keys;
294         };
295         uint64_t                d[SB_JOURNAL_BUCKETS];  /* journal buckets */
296 };
297
298 BITMASK(CACHE_SYNC,             struct cache_sb, flags, 0, 1);
299 BITMASK(CACHE_DISCARD,          struct cache_sb, flags, 1, 1);
300 BITMASK(CACHE_REPLACEMENT,      struct cache_sb, flags, 2, 3);
301 #define CACHE_REPLACEMENT_LRU   0U
302 #define CACHE_REPLACEMENT_FIFO  1U
303 #define CACHE_REPLACEMENT_RANDOM 2U
304
305 BITMASK(BDEV_CACHE_MODE,        struct cache_sb, flags, 0, 4);
306 #define CACHE_MODE_WRITETHROUGH 0U
307 #define CACHE_MODE_WRITEBACK    1U
308 #define CACHE_MODE_WRITEAROUND  2U
309 #define CACHE_MODE_NONE         3U
310 BITMASK(BDEV_STATE,             struct cache_sb, flags, 61, 2);
311 #define BDEV_STATE_NONE         0U
312 #define BDEV_STATE_CLEAN        1U
313 #define BDEV_STATE_DIRTY        2U
314 #define BDEV_STATE_STALE        3U
315
316 /* Version 1: Seed pointer into btree node checksum
317  */
318 #define BCACHE_BSET_VERSION     1
319
320 /*
321  * This is the on disk format for btree nodes - a btree node on disk is a list
322  * of these; within each set the keys are sorted
323  */
324 struct bset {
325         uint64_t                csum;
326         uint64_t                magic;
327         uint64_t                seq;
328         uint32_t                version;
329         uint32_t                keys;
330
331         union {
332                 struct bkey     start[0];
333                 uint64_t        d[0];
334         };
335 };
336
337 /*
338  * On disk format for priorities and gens - see super.c near prio_write() for
339  * more.
340  */
341 struct prio_set {
342         uint64_t                csum;
343         uint64_t                magic;
344         uint64_t                seq;
345         uint32_t                version;
346         uint32_t                pad;
347
348         uint64_t                next_bucket;
349
350         struct bucket_disk {
351                 uint16_t        prio;
352                 uint8_t         gen;
353         } __attribute((packed)) data[];
354 };
355
356 struct uuid_entry {
357         union {
358                 struct {
359                         uint8_t         uuid[16];
360                         uint8_t         label[32];
361                         uint32_t        first_reg;
362                         uint32_t        last_reg;
363                         uint32_t        invalidated;
364
365                         uint32_t        flags;
366                         /* Size of flash only volumes */
367                         uint64_t        sectors;
368                 };
369
370                 uint8_t pad[128];
371         };
372 };
373
374 BITMASK(UUID_FLASH_ONLY,        struct uuid_entry, flags, 0, 1);
375
376 #include "journal.h"
377 #include "stats.h"
378 struct search;
379 struct btree;
380 struct keybuf;
381
382 struct keybuf_key {
383         struct rb_node          node;
384         BKEY_PADDED(key);
385         void                    *private;
386 };
387
388 typedef bool (keybuf_pred_fn)(struct keybuf *, struct bkey *);
389
390 struct keybuf {
391         keybuf_pred_fn          *key_predicate;
392
393         struct bkey             last_scanned;
394         spinlock_t              lock;
395
396         /*
397          * Beginning and end of range in rb tree - so that we can skip taking
398          * lock and checking the rb tree when we need to check for overlapping
399          * keys.
400          */
401         struct bkey             start;
402         struct bkey             end;
403
404         struct rb_root          keys;
405
406 #define KEYBUF_NR               100
407         DECLARE_ARRAY_ALLOCATOR(struct keybuf_key, freelist, KEYBUF_NR);
408 };
409
410 struct bio_split_pool {
411         struct bio_set          *bio_split;
412         mempool_t               *bio_split_hook;
413 };
414
415 struct bio_split_hook {
416         struct closure          cl;
417         struct bio_split_pool   *p;
418         struct bio              *bio;
419         bio_end_io_t            *bi_end_io;
420         void                    *bi_private;
421 };
422
423 struct bcache_device {
424         struct closure          cl;
425
426         struct kobject          kobj;
427
428         struct cache_set        *c;
429         unsigned                id;
430 #define BCACHEDEVNAME_SIZE      12
431         char                    name[BCACHEDEVNAME_SIZE];
432
433         struct gendisk          *disk;
434
435         /* If nonzero, we're closing */
436         atomic_t                closing;
437
438         /* If nonzero, we're detaching/unregistering from cache set */
439         atomic_t                detaching;
440
441         atomic_long_t           sectors_dirty;
442         unsigned long           sectors_dirty_gc;
443         unsigned long           sectors_dirty_last;
444         long                    sectors_dirty_derivative;
445
446         mempool_t               *unaligned_bvec;
447         struct bio_set          *bio_split;
448
449         unsigned                data_csum:1;
450
451         int (*cache_miss)(struct btree *, struct search *,
452                           struct bio *, unsigned);
453         int (*ioctl) (struct bcache_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
454
455         struct bio_split_pool   bio_split_hook;
456 };
457
458 struct io {
459         /* Used to track sequential IO so it can be skipped */
460         struct hlist_node       hash;
461         struct list_head        lru;
462
463         unsigned long           jiffies;
464         unsigned                sequential;
465         sector_t                last;
466 };
467
468 struct cached_dev {
469         struct list_head        list;
470         struct bcache_device    disk;
471         struct block_device     *bdev;
472
473         struct cache_sb         sb;
474         struct bio              sb_bio;
475         struct bio_vec          sb_bv[1];
476         struct closure_with_waitlist sb_write;
477
478         /* Refcount on the cache set. Always nonzero when we're caching. */
479         atomic_t                count;
480         struct work_struct      detach;
481
482         /*
483          * Device might not be running if it's dirty and the cache set hasn't
484          * showed up yet.
485          */
486         atomic_t                running;
487
488         /*
489          * Writes take a shared lock from start to finish; scanning for dirty
490          * data to refill the rb tree requires an exclusive lock.
491          */
492         struct rw_semaphore     writeback_lock;
493
494         /*
495          * Nonzero, and writeback has a refcount (d->count), iff there is dirty
496          * data in the cache. Protected by writeback_lock; must have an
497          * shared lock to set and exclusive lock to clear.
498          */
499         atomic_t                has_dirty;
500
501         struct ratelimit        writeback_rate;
502         struct delayed_work     writeback_rate_update;
503
504         /*
505          * Internal to the writeback code, so read_dirty() can keep track of
506          * where it's at.
507          */
508         sector_t                last_read;
509
510         /* Number of writeback bios in flight */
511         atomic_t                in_flight;
512         struct closure_with_timer writeback;
513         struct closure_waitlist writeback_wait;
514
515         struct keybuf           writeback_keys;
516
517         /* For tracking sequential IO */
518 #define RECENT_IO_BITS  7
519 #define RECENT_IO       (1 << RECENT_IO_BITS)
520         struct io               io[RECENT_IO];
521         struct hlist_head       io_hash[RECENT_IO + 1];
522         struct list_head        io_lru;
523         spinlock_t              io_lock;
524
525         struct cache_accounting accounting;
526
527         /* The rest of this all shows up in sysfs */
528         unsigned                sequential_cutoff;
529         unsigned                readahead;
530
531         unsigned                sequential_merge:1;
532         unsigned                verify:1;
533
534         unsigned                writeback_metadata:1;
535         unsigned                writeback_running:1;
536         unsigned char           writeback_percent;
537         unsigned                writeback_delay;
538
539         int                     writeback_rate_change;
540         int64_t                 writeback_rate_derivative;
541         uint64_t                writeback_rate_target;
542
543         unsigned                writeback_rate_update_seconds;
544         unsigned                writeback_rate_d_term;
545         unsigned                writeback_rate_p_term_inverse;
546         unsigned                writeback_rate_d_smooth;
547 };
548
549 enum alloc_watermarks {
550         WATERMARK_PRIO,
551         WATERMARK_METADATA,
552         WATERMARK_MOVINGGC,
553         WATERMARK_NONE,
554         WATERMARK_MAX
555 };
556
557 struct cache {
558         struct cache_set        *set;
559         struct cache_sb         sb;
560         struct bio              sb_bio;
561         struct bio_vec          sb_bv[1];
562
563         struct kobject          kobj;
564         struct block_device     *bdev;
565
566         unsigned                watermark[WATERMARK_MAX];
567
568         struct closure          alloc;
569         struct workqueue_struct *alloc_workqueue;
570
571         struct closure          prio;
572         struct prio_set         *disk_buckets;
573
574         /*
575          * When allocating new buckets, prio_write() gets first dibs - since we
576          * may not be allocate at all without writing priorities and gens.
577          * prio_buckets[] contains the last buckets we wrote priorities to (so
578          * gc can mark them as metadata), prio_next[] contains the buckets
579          * allocated for the next prio write.
580          */
581         uint64_t                *prio_buckets;
582         uint64_t                *prio_last_buckets;
583
584         /*
585          * free: Buckets that are ready to be used
586          *
587          * free_inc: Incoming buckets - these are buckets that currently have
588          * cached data in them, and we can't reuse them until after we write
589          * their new gen to disk. After prio_write() finishes writing the new
590          * gens/prios, they'll be moved to the free list (and possibly discarded
591          * in the process)
592          *
593          * unused: GC found nothing pointing into these buckets (possibly
594          * because all the data they contained was overwritten), so we only
595          * need to discard them before they can be moved to the free list.
596          */
597         DECLARE_FIFO(long, free);
598         DECLARE_FIFO(long, free_inc);
599         DECLARE_FIFO(long, unused);
600
601         size_t                  fifo_last_bucket;
602
603         /* Allocation stuff: */
604         struct bucket           *buckets;
605
606         DECLARE_HEAP(struct bucket *, heap);
607
608         /*
609          * max(gen - disk_gen) for all buckets. When it gets too big we have to
610          * call prio_write() to keep gens from wrapping.
611          */
612         uint8_t                 need_save_prio;
613         unsigned                gc_move_threshold;
614
615         /*
616          * If nonzero, we know we aren't going to find any buckets to invalidate
617          * until a gc finishes - otherwise we could pointlessly burn a ton of
618          * cpu
619          */
620         unsigned                invalidate_needs_gc:1;
621
622         bool                    discard; /* Get rid of? */
623
624         /*
625          * We preallocate structs for issuing discards to buckets, and keep them
626          * on this list when they're not in use; do_discard() issues discards
627          * whenever there's work to do and is called by free_some_buckets() and
628          * when a discard finishes.
629          */
630         atomic_t                discards_in_flight;
631         struct list_head        discards;
632
633         struct journal_device   journal;
634
635         /* The rest of this all shows up in sysfs */
636 #define IO_ERROR_SHIFT          20
637         atomic_t                io_errors;
638         atomic_t                io_count;
639
640         atomic_long_t           meta_sectors_written;
641         atomic_long_t           btree_sectors_written;
642         atomic_long_t           sectors_written;
643
644         struct bio_split_pool   bio_split_hook;
645 };
646
647 struct gc_stat {
648         size_t                  nodes;
649         size_t                  key_bytes;
650
651         size_t                  nkeys;
652         uint64_t                data;   /* sectors */
653         uint64_t                dirty;  /* sectors */
654         unsigned                in_use; /* percent */
655 };
656
657 /*
658  * Flag bits, for how the cache set is shutting down, and what phase it's at:
659  *
660  * CACHE_SET_UNREGISTERING means we're not just shutting down, we're detaching
661  * all the backing devices first (their cached data gets invalidated, and they
662  * won't automatically reattach).
663  *
664  * CACHE_SET_STOPPING always gets set first when we're closing down a cache set;
665  * we'll continue to run normally for awhile with CACHE_SET_STOPPING set (i.e.
666  * flushing dirty data).
667  *
668  * CACHE_SET_STOPPING_2 gets set at the last phase, when it's time to shut down
669  * the allocation thread.
670  */
671 #define CACHE_SET_UNREGISTERING         0
672 #define CACHE_SET_STOPPING              1
673 #define CACHE_SET_STOPPING_2            2
674
675 struct cache_set {
676         struct closure          cl;
677
678         struct list_head        list;
679         struct kobject          kobj;
680         struct kobject          internal;
681         struct dentry           *debug;
682         struct cache_accounting accounting;
683
684         unsigned long           flags;
685
686         struct cache_sb         sb;
687
688         struct cache            *cache[MAX_CACHES_PER_SET];
689         struct cache            *cache_by_alloc[MAX_CACHES_PER_SET];
690         int                     caches_loaded;
691
692         struct bcache_device    **devices;
693         struct list_head        cached_devs;
694         uint64_t                cached_dev_sectors;
695         struct closure          caching;
696
697         struct closure_with_waitlist sb_write;
698
699         mempool_t               *search;
700         mempool_t               *bio_meta;
701         struct bio_set          *bio_split;
702
703         /* For the btree cache */
704         struct shrinker         shrink;
705
706         /* For the allocator itself */
707         wait_queue_head_t       alloc_wait;
708
709         /* For the btree cache and anything allocation related */
710         struct mutex            bucket_lock;
711
712         /* log2(bucket_size), in sectors */
713         unsigned short          bucket_bits;
714
715         /* log2(block_size), in sectors */
716         unsigned short          block_bits;
717
718         /*
719          * Default number of pages for a new btree node - may be less than a
720          * full bucket
721          */
722         unsigned                btree_pages;
723
724         /*
725          * Lists of struct btrees; lru is the list for structs that have memory
726          * allocated for actual btree node, freed is for structs that do not.
727          *
728          * We never free a struct btree, except on shutdown - we just put it on
729          * the btree_cache_freed list and reuse it later. This simplifies the
730          * code, and it doesn't cost us much memory as the memory usage is
731          * dominated by buffers that hold the actual btree node data and those
732          * can be freed - and the number of struct btrees allocated is
733          * effectively bounded.
734          *
735          * btree_cache_freeable effectively is a small cache - we use it because
736          * high order page allocations can be rather expensive, and it's quite
737          * common to delete and allocate btree nodes in quick succession. It
738          * should never grow past ~2-3 nodes in practice.
739          */
740         struct list_head        btree_cache;
741         struct list_head        btree_cache_freeable;
742         struct list_head        btree_cache_freed;
743
744         /* Number of elements in btree_cache + btree_cache_freeable lists */
745         unsigned                bucket_cache_used;
746
747         /*
748          * If we need to allocate memory for a new btree node and that
749          * allocation fails, we can cannibalize another node in the btree cache
750          * to satisfy the allocation. However, only one thread can be doing this
751          * at a time, for obvious reasons - try_harder and try_wait are
752          * basically a lock for this that we can wait on asynchronously. The
753          * btree_root() macro releases the lock when it returns.
754          */
755         struct closure          *try_harder;
756         struct closure_waitlist try_wait;
757         uint64_t                try_harder_start;
758
759         /*
760          * When we free a btree node, we increment the gen of the bucket the
761          * node is in - but we can't rewrite the prios and gens until we
762          * finished whatever it is we were doing, otherwise after a crash the
763          * btree node would be freed but for say a split, we might not have the
764          * pointers to the new nodes inserted into the btree yet.
765          *
766          * This is a refcount that blocks prio_write() until the new keys are
767          * written.
768          */
769         atomic_t                prio_blocked;
770         struct closure_waitlist bucket_wait;
771
772         /*
773          * For any bio we don't skip we subtract the number of sectors from
774          * rescale; when it hits 0 we rescale all the bucket priorities.
775          */
776         atomic_t                rescale;
777         /*
778          * When we invalidate buckets, we use both the priority and the amount
779          * of good data to determine which buckets to reuse first - to weight
780          * those together consistently we keep track of the smallest nonzero
781          * priority of any bucket.
782          */
783         uint16_t                min_prio;
784
785         /*
786          * max(gen - gc_gen) for all buckets. When it gets too big we have to gc
787          * to keep gens from wrapping around.
788          */
789         uint8_t                 need_gc;
790         struct gc_stat          gc_stats;
791         size_t                  nbuckets;
792
793         struct closure_with_waitlist gc;
794         /* Where in the btree gc currently is */
795         struct bkey             gc_done;
796
797         /*
798          * The allocation code needs gc_mark in struct bucket to be correct, but
799          * it's not while a gc is in progress. Protected by bucket_lock.
800          */
801         int                     gc_mark_valid;
802
803         /* Counts how many sectors bio_insert has added to the cache */
804         atomic_t                sectors_to_gc;
805
806         struct closure          moving_gc;
807         struct closure_waitlist moving_gc_wait;
808         struct keybuf           moving_gc_keys;
809         /* Number of moving GC bios in flight */
810         atomic_t                in_flight;
811
812         struct btree            *root;
813
814 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
815         struct btree            *verify_data;
816         struct mutex            verify_lock;
817 #endif
818
819         unsigned                nr_uuids;
820         struct uuid_entry       *uuids;
821         BKEY_PADDED(uuid_bucket);
822         struct closure_with_waitlist uuid_write;
823
824         /*
825          * A btree node on disk could have too many bsets for an iterator to fit
826          * on the stack - this is a single element mempool for btree_read_work()
827          */
828         struct mutex            fill_lock;
829         struct btree_iter       *fill_iter;
830
831         /*
832          * btree_sort() is a merge sort and requires temporary space - single
833          * element mempool
834          */
835         struct mutex            sort_lock;
836         struct bset             *sort;
837
838         /* List of buckets we're currently writing data to */
839         struct list_head        data_buckets;
840         spinlock_t              data_bucket_lock;
841
842         struct journal          journal;
843
844 #define CONGESTED_MAX           1024
845         unsigned                congested_last_us;
846         atomic_t                congested;
847
848         /* The rest of this all shows up in sysfs */
849         unsigned                congested_read_threshold_us;
850         unsigned                congested_write_threshold_us;
851
852         spinlock_t              sort_time_lock;
853         struct time_stats       sort_time;
854         struct time_stats       btree_gc_time;
855         struct time_stats       btree_split_time;
856         spinlock_t              btree_read_time_lock;
857         struct time_stats       btree_read_time;
858         struct time_stats       try_harder_time;
859
860         atomic_long_t           cache_read_races;
861         atomic_long_t           writeback_keys_done;
862         atomic_long_t           writeback_keys_failed;
863         unsigned                error_limit;
864         unsigned                error_decay;
865         unsigned short          journal_delay_ms;
866         unsigned                verify:1;
867         unsigned                key_merging_disabled:1;
868         unsigned                gc_always_rewrite:1;
869         unsigned                shrinker_disabled:1;
870         unsigned                copy_gc_enabled:1;
871
872 #define BUCKET_HASH_BITS        12
873         struct hlist_head       bucket_hash[1 << BUCKET_HASH_BITS];
874 };
875
876 static inline bool key_merging_disabled(struct cache_set *c)
877 {
878 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
879         return c->key_merging_disabled;
880 #else
881         return 0;
882 #endif
883 }
884
885 static inline bool SB_IS_BDEV(const struct cache_sb *sb)
886 {
887         return sb->version == BCACHE_SB_VERSION_BDEV
888                 || sb->version == BCACHE_SB_VERSION_BDEV_WITH_OFFSET;
889 }
890
891 struct bbio {
892         unsigned                submit_time_us;
893         union {
894                 struct bkey     key;
895                 uint64_t        _pad[3];
896                 /*
897                  * We only need pad = 3 here because we only ever carry around a
898                  * single pointer - i.e. the pointer we're doing io to/from.
899                  */
900         };
901         struct bio              bio;
902 };
903
904 static inline unsigned local_clock_us(void)
905 {
906         return local_clock() >> 10;
907 }
908
909 #define MAX_BSETS               4U
910
911 #define BTREE_PRIO              USHRT_MAX
912 #define INITIAL_PRIO            32768
913
914 #define btree_bytes(c)          ((c)->btree_pages * PAGE_SIZE)
915 #define btree_blocks(b)                                                 \
916         ((unsigned) (KEY_SIZE(&b->key) >> (b)->c->block_bits))
917
918 #define btree_default_blocks(c)                                         \
919         ((unsigned) ((PAGE_SECTORS * (c)->btree_pages) >> (c)->block_bits))
920
921 #define bucket_pages(c)         ((c)->sb.bucket_size / PAGE_SECTORS)
922 #define bucket_bytes(c)         ((c)->sb.bucket_size << 9)
923 #define block_bytes(c)          ((c)->sb.block_size << 9)
924
925 #define __set_bytes(i, k)       (sizeof(*(i)) + (k) * sizeof(uint64_t))
926 #define set_bytes(i)            __set_bytes(i, i->keys)
927
928 #define __set_blocks(i, k, c)   DIV_ROUND_UP(__set_bytes(i, k), block_bytes(c))
929 #define set_blocks(i, c)        __set_blocks(i, (i)->keys, c)
930
931 #define node(i, j)              ((struct bkey *) ((i)->d + (j)))
932 #define end(i)                  node(i, (i)->keys)
933
934 #define index(i, b)                                                     \
935         ((size_t) (((void *) i - (void *) (b)->sets[0].data) /          \
936                    block_bytes(b->c)))
937
938 #define btree_data_space(b)     (PAGE_SIZE << (b)->page_order)
939
940 #define prios_per_bucket(c)                             \
941         ((bucket_bytes(c) - sizeof(struct prio_set)) /  \
942          sizeof(struct bucket_disk))
943 #define prio_buckets(c)                                 \
944         DIV_ROUND_UP((size_t) (c)->sb.nbuckets, prios_per_bucket(c))
945
946 #define JSET_MAGIC              0x245235c1a3625032ULL
947 #define PSET_MAGIC              0x6750e15f87337f91ULL
948 #define BSET_MAGIC              0x90135c78b99e07f5ULL
949
950 #define jset_magic(c)           ((c)->sb.set_magic ^ JSET_MAGIC)
951 #define pset_magic(c)           ((c)->sb.set_magic ^ PSET_MAGIC)
952 #define bset_magic(c)           ((c)->sb.set_magic ^ BSET_MAGIC)
953
954 /* Bkey fields: all units are in sectors */
955
956 #define KEY_FIELD(name, field, offset, size)                            \
957         BITMASK(name, struct bkey, field, offset, size)
958
959 #define PTR_FIELD(name, offset, size)                                   \
960         static inline uint64_t name(const struct bkey *k, unsigned i)   \
961         { return (k->ptr[i] >> offset) & ~(((uint64_t) ~0) << size); }  \
962                                                                         \
963         static inline void SET_##name(struct bkey *k, unsigned i, uint64_t v)\
964         {                                                               \
965                 k->ptr[i] &= ~(~((uint64_t) ~0 << size) << offset);     \
966                 k->ptr[i] |= v << offset;                               \
967         }
968
969 KEY_FIELD(KEY_PTRS,     high, 60, 3)
970 KEY_FIELD(HEADER_SIZE,  high, 58, 2)
971 KEY_FIELD(KEY_CSUM,     high, 56, 2)
972 KEY_FIELD(KEY_PINNED,   high, 55, 1)
973 KEY_FIELD(KEY_DIRTY,    high, 36, 1)
974
975 KEY_FIELD(KEY_SIZE,     high, 20, 16)
976 KEY_FIELD(KEY_INODE,    high, 0,  20)
977
978 /* Next time I change the on disk format, KEY_OFFSET() won't be 64 bits */
979
980 static inline uint64_t KEY_OFFSET(const struct bkey *k)
981 {
982         return k->low;
983 }
984
985 static inline void SET_KEY_OFFSET(struct bkey *k, uint64_t v)
986 {
987         k->low = v;
988 }
989
990 PTR_FIELD(PTR_DEV,              51, 12)
991 PTR_FIELD(PTR_OFFSET,           8,  43)
992 PTR_FIELD(PTR_GEN,              0,  8)
993
994 #define PTR_CHECK_DEV           ((1 << 12) - 1)
995
996 #define PTR(gen, offset, dev)                                           \
997         ((((uint64_t) dev) << 51) | ((uint64_t) offset) << 8 | gen)
998
999 static inline size_t sector_to_bucket(struct cache_set *c, sector_t s)
1000 {
1001         return s >> c->bucket_bits;
1002 }
1003
1004 static inline sector_t bucket_to_sector(struct cache_set *c, size_t b)
1005 {
1006         return ((sector_t) b) << c->bucket_bits;
1007 }
1008
1009 static inline sector_t bucket_remainder(struct cache_set *c, sector_t s)
1010 {
1011         return s & (c->sb.bucket_size - 1);
1012 }
1013
1014 static inline struct cache *PTR_CACHE(struct cache_set *c,
1015                                       const struct bkey *k,
1016                                       unsigned ptr)
1017 {
1018         return c->cache[PTR_DEV(k, ptr)];
1019 }
1020
1021 static inline size_t PTR_BUCKET_NR(struct cache_set *c,
1022                                    const struct bkey *k,
1023                                    unsigned ptr)
1024 {
1025         return sector_to_bucket(c, PTR_OFFSET(k, ptr));
1026 }
1027
1028 static inline struct bucket *PTR_BUCKET(struct cache_set *c,
1029                                         const struct bkey *k,
1030                                         unsigned ptr)
1031 {
1032         return PTR_CACHE(c, k, ptr)->buckets + PTR_BUCKET_NR(c, k, ptr);
1033 }
1034
1035 /* Btree key macros */
1036
1037 /*
1038  * The high bit being set is a relic from when we used it to do binary
1039  * searches - it told you where a key started. It's not used anymore,
1040  * and can probably be safely dropped.
1041  */
1042 #define KEY(dev, sector, len)                                           \
1043 ((struct bkey) {                                                        \
1044         .high = (1ULL << 63) | ((uint64_t) (len) << 20) | (dev),        \
1045         .low = (sector)                                                 \
1046 })
1047
1048 static inline void bkey_init(struct bkey *k)
1049 {
1050         *k = KEY(0, 0, 0);
1051 }
1052
1053 #define KEY_START(k)            (KEY_OFFSET(k) - KEY_SIZE(k))
1054 #define START_KEY(k)            KEY(KEY_INODE(k), KEY_START(k), 0)
1055 #define MAX_KEY                 KEY(~(~0 << 20), ((uint64_t) ~0) >> 1, 0)
1056 #define ZERO_KEY                KEY(0, 0, 0)
1057
1058 /*
1059  * This is used for various on disk data structures - cache_sb, prio_set, bset,
1060  * jset: The checksum is _always_ the first 8 bytes of these structs
1061  */
1062 #define csum_set(i)                                                     \
1063         bch_crc64(((void *) (i)) + sizeof(uint64_t),                    \
1064               ((void *) end(i)) - (((void *) (i)) + sizeof(uint64_t)))
1065
1066 /* Error handling macros */
1067
1068 #define btree_bug(b, ...)                                               \
1069 do {                                                                    \
1070         if (bch_cache_set_error((b)->c, __VA_ARGS__))                   \
1071                 dump_stack();                                           \
1072 } while (0)
1073
1074 #define cache_bug(c, ...)                                               \
1075 do {                                                                    \
1076         if (bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__))                        \
1077                 dump_stack();                                           \
1078 } while (0)
1079
1080 #define btree_bug_on(cond, b, ...)                                      \
1081 do {                                                                    \
1082         if (cond)                                                       \
1083                 btree_bug(b, __VA_ARGS__);                              \
1084 } while (0)
1085
1086 #define cache_bug_on(cond, c, ...)                                      \
1087 do {                                                                    \
1088         if (cond)                                                       \
1089                 cache_bug(c, __VA_ARGS__);                              \
1090 } while (0)
1091
1092 #define cache_set_err_on(cond, c, ...)                                  \
1093 do {                                                                    \
1094         if (cond)                                                       \
1095                 bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__);                    \
1096 } while (0)
1097
1098 /* Looping macros */
1099
1100 #define for_each_cache(ca, cs, iter)                                    \
1101         for (iter = 0; ca = cs->cache[iter], iter < (cs)->sb.nr_in_set; iter++)
1102
1103 #define for_each_bucket(b, ca)                                          \
1104         for (b = (ca)->buckets + (ca)->sb.first_bucket;                 \
1105              b < (ca)->buckets + (ca)->sb.nbuckets; b++)
1106
1107 static inline void __bkey_put(struct cache_set *c, struct bkey *k)
1108 {
1109         unsigned i;
1110
1111         for (i = 0; i < KEY_PTRS(k); i++)
1112                 atomic_dec_bug(&PTR_BUCKET(c, k, i)->pin);
1113 }
1114
1115 /* Blktrace macros */
1116
1117 #define blktrace_msg(c, fmt, ...)                                       \
1118 do {                                                                    \
1119         struct request_queue *q = bdev_get_queue(c->bdev);              \
1120         if (q)                                                          \
1121                 blk_add_trace_msg(q, fmt, ##__VA_ARGS__);               \
1122 } while (0)
1123
1124 #define blktrace_msg_all(s, fmt, ...)                                   \
1125 do {                                                                    \
1126         struct cache *_c;                                               \
1127         unsigned i;                                                     \
1128         for_each_cache(_c, (s), i)                                      \
1129                 blktrace_msg(_c, fmt, ##__VA_ARGS__);                   \
1130 } while (0)
1131
1132 static inline void cached_dev_put(struct cached_dev *dc)
1133 {
1134         if (atomic_dec_and_test(&dc->count))
1135                 schedule_work(&dc->detach);
1136 }
1137
1138 static inline bool cached_dev_get(struct cached_dev *dc)
1139 {
1140         if (!atomic_inc_not_zero(&dc->count))
1141                 return false;
1142
1143         /* Paired with the mb in cached_dev_attach */
1144         smp_mb__after_atomic_inc();
1145         return true;
1146 }
1147
1148 /*
1149  * bucket_gc_gen() returns the difference between the bucket's current gen and
1150  * the oldest gen of any pointer into that bucket in the btree (last_gc).
1151  *
1152  * bucket_disk_gen() returns the difference between the current gen and the gen
1153  * on disk; they're both used to make sure gens don't wrap around.
1154  */
1155
1156 static inline uint8_t bucket_gc_gen(struct bucket *b)
1157 {
1158         return b->gen - b->last_gc;
1159 }
1160
1161 static inline uint8_t bucket_disk_gen(struct bucket *b)
1162 {
1163         return b->gen - b->disk_gen;
1164 }
1165
1166 #define BUCKET_GC_GEN_MAX       96U
1167 #define BUCKET_DISK_GEN_MAX     64U
1168
1169 #define kobj_attribute_write(n, fn)                                     \
1170         static struct kobj_attribute ksysfs_##n = __ATTR(n, S_IWUSR, NULL, fn)
1171
1172 #define kobj_attribute_rw(n, show, store)                               \
1173         static struct kobj_attribute ksysfs_##n =                       \
1174                 __ATTR(n, S_IWUSR|S_IRUSR, show, store)
1175
1176 /* Forward declarations */
1177
1178 void bch_writeback_queue(struct cached_dev *);
1179 void bch_writeback_add(struct cached_dev *, unsigned);
1180
1181 void bch_count_io_errors(struct cache *, int, const char *);
1182 void bch_bbio_count_io_errors(struct cache_set *, struct bio *,
1183                               int, const char *);
1184 void bch_bbio_endio(struct cache_set *, struct bio *, int, const char *);
1185 void bch_bbio_free(struct bio *, struct cache_set *);
1186 struct bio *bch_bbio_alloc(struct cache_set *);
1187
1188 struct bio *bch_bio_split(struct bio *, int, gfp_t, struct bio_set *);
1189 void bch_generic_make_request(struct bio *, struct bio_split_pool *);
1190 void __bch_submit_bbio(struct bio *, struct cache_set *);
1191 void bch_submit_bbio(struct bio *, struct cache_set *, struct bkey *, unsigned);
1192
1193 uint8_t bch_inc_gen(struct cache *, struct bucket *);
1194 void bch_rescale_priorities(struct cache_set *, int);
1195 bool bch_bucket_add_unused(struct cache *, struct bucket *);
1196 void bch_allocator_thread(struct closure *);
1197
1198 long bch_bucket_alloc(struct cache *, unsigned, struct closure *);
1199 void bch_bucket_free(struct cache_set *, struct bkey *);
1200
1201 int __bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *, unsigned,
1202                            struct bkey *, int, struct closure *);
1203 int bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *, unsigned,
1204                          struct bkey *, int, struct closure *);
1205
1206 __printf(2, 3)
1207 bool bch_cache_set_error(struct cache_set *, const char *, ...);
1208
1209 void bch_prio_write(struct cache *);
1210 void bch_write_bdev_super(struct cached_dev *, struct closure *);
1211
1212 extern struct workqueue_struct *bcache_wq, *bch_gc_wq;
1213 extern const char * const bch_cache_modes[];
1214 extern struct mutex bch_register_lock;
1215 extern struct list_head bch_cache_sets;
1216
1217 extern struct kobj_type bch_cached_dev_ktype;
1218 extern struct kobj_type bch_flash_dev_ktype;
1219 extern struct kobj_type bch_cache_set_ktype;
1220 extern struct kobj_type bch_cache_set_internal_ktype;
1221 extern struct kobj_type bch_cache_ktype;
1222
1223 void bch_cached_dev_release(struct kobject *);
1224 void bch_flash_dev_release(struct kobject *);
1225 void bch_cache_set_release(struct kobject *);
1226 void bch_cache_release(struct kobject *);
1227
1228 int bch_uuid_write(struct cache_set *);
1229 void bcache_write_super(struct cache_set *);
1230
1231 int bch_flash_dev_create(struct cache_set *c, uint64_t size);
1232
1233 int bch_cached_dev_attach(struct cached_dev *, struct cache_set *);
1234 void bch_cached_dev_detach(struct cached_dev *);
1235 void bch_cached_dev_run(struct cached_dev *);
1236 void bcache_device_stop(struct bcache_device *);
1237
1238 void bch_cache_set_unregister(struct cache_set *);
1239 void bch_cache_set_stop(struct cache_set *);
1240
1241 struct cache_set *bch_cache_set_alloc(struct cache_sb *);
1242 void bch_btree_cache_free(struct cache_set *);
1243 int bch_btree_cache_alloc(struct cache_set *);
1244 void bch_writeback_init_cached_dev(struct cached_dev *);
1245 void bch_moving_init_cache_set(struct cache_set *);
1246
1247 void bch_cache_allocator_exit(struct cache *ca);
1248 int bch_cache_allocator_init(struct cache *ca);
1249
1250 void bch_debug_exit(void);
1251 int bch_debug_init(struct kobject *);
1252 void bch_writeback_exit(void);
1253 int bch_writeback_init(void);
1254 void bch_request_exit(void);
1255 int bch_request_init(void);
1256 void bch_btree_exit(void);
1257 int bch_btree_init(void);
1258
1259 #endif /* _BCACHE_H */