mm/readahead.c

   1 /*
   2  * mm/readahead.c - address_space-level file readahead.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2002, Linus Torvalds
   5  *
   6  * 09Apr2002    akpm@zip.com.au
   7  *              Initial version.
   8  */
   9
  10 #include <linux/kernel.h>
  11 #include <linux/fs.h>
  12 #include <linux/mm.h>
  13 #include <linux/module.h>
  14 #include <linux/blkdev.h>
  15 #include <linux/backing-dev.h>
  16 #include <linux/pagevec.h>
  17
  18 void default_unplug_io_fn(struct backing_dev_info *bdi, struct page *page)
  19 {
  20 }
  21 EXPORT_SYMBOL(default_unplug_io_fn);
  22
  23 struct backing_dev_info default_backing_dev_info = {
  24         .ra_pages       = (VM_MAX_READAHEAD * 1024) / PAGE_CACHE_SIZE,
  25         .state          = 0,
  26         .capabilities   = BDI_CAP_MAP_COPY,
  27         .unplug_io_fn   = default_unplug_io_fn,
  28 };
  29 EXPORT_SYMBOL_GPL(default_backing_dev_info);
  30
  31 /*
  32  * Initialise a struct file's readahead state.  Assumes that the caller has
  33  * memset *ra to zero.
  34  */
  35 void
  36 file_ra_state_init(struct file_ra_state *ra, struct address_space *mapping)
  37 {
  38         ra->ra_pages = mapping->backing_dev_info->ra_pages;
  39         ra->prev_page = -1;
  40 }
  41
  42 /*
  43  * Return max readahead size for this inode in number-of-pages.
  44  */
  45 static inline unsigned long get_max_readahead(struct file_ra_state *ra)
  46 {
  47         return ra->ra_pages;
  48 }
  49
  50 static inline unsigned long get_min_readahead(struct file_ra_state *ra)
  51 {
  52         return (VM_MIN_READAHEAD * 1024) / PAGE_CACHE_SIZE;
  53 }
  54
  55 static inline void ra_off(struct file_ra_state *ra)
  56 {
  57         ra->start = 0;
  58         ra->flags = 0;
  59         ra->size = 0;
  60         ra->ahead_start = 0;
  61         ra->ahead_size = 0;
  62         return;
  63 }
  64
  65 /*
  66  * Set the initial window size, round to next power of 2 and square
  67  * for small size, x 4 for medium, and x 2 for large
  68  * for 128k (32 page) max ra
  69  * 1-8 page = 32k initial, > 8 page = 128k initial
  70  */
  71 static unsigned long get_init_ra_size(unsigned long size, unsigned long max)
  72 {
  73         unsigned long newsize = roundup_pow_of_two(size);
  74
  75         if (newsize <= max / 64)
  76                 newsize = newsize * newsize;
  77         else if (newsize <= max / 4)
  78                 newsize = max / 4;
  79         else
  80                 newsize = max;
  81         return newsize;
  82 }
  83
  84 /*
  85  * Set the new window size, this is called only when I/O is to be submitted,
  86  * not for each call to readahead.  If a cache miss occured, reduce next I/O
  87  * size, else increase depending on how close to max we are.
  88  */
  89 static inline unsigned long get_next_ra_size(struct file_ra_state *ra)
  90 {
  91         unsigned long max = get_max_readahead(ra);
  92         unsigned long min = get_min_readahead(ra);
  93         unsigned long cur = ra->size;
  94         unsigned long newsize;
  95
  96         if (ra->flags & RA_FLAG_MISS) {
  97                 ra->flags &= ~RA_FLAG_MISS;
  98                 newsize = max((cur - 2), min);
  99         } else if (cur < max / 16) {
 100                 newsize = 4 * cur;
 101         } else {
 102                 newsize = 2 * cur;
 103         }
 104         return min(newsize, max);
 105 }
 106
 107 #define list_to_page(head) (list_entry((head)->prev, struct page, lru))
 108
 109 /**
 110  * read_cache_pages - populate an address space with some pages, and
 111  *                      start reads against them.
 112  * @mapping: the address_space
 113  * @pages: The address of a list_head which contains the target pages.  These
 114  *   pages have their ->index populated and are otherwise uninitialised.
 115  * @filler: callback routine for filling a single page.
 116  * @data: private data for the callback routine.
 117  *
 118  * Hides the details of the LRU cache etc from the filesystems.
 119  */
 120 int read_cache_pages(struct address_space *mapping, struct list_head *pages,
 121                         int (*filler)(void *, struct page *), void *data)
 122 {
 123         struct page *page;
 124         struct pagevec lru_pvec;
 125         int ret = 0;
 126
 127         pagevec_init(&lru_pvec, 0);
 128
 129         while (!list_empty(pages)) {
 130                 page = list_to_page(pages);
 131                 list_del(&page->lru);
 132                 if (add_to_page_cache(page, mapping, page->index, GFP_KERNEL)) {
 133                         page_cache_release(page);
 134                         continue;
 135                 }
 136                 ret = filler(data, page);
 137                 if (!pagevec_add(&lru_pvec, page))
 138                         __pagevec_lru_add(&lru_pvec);
 139                 if (ret) {
 140                         while (!list_empty(pages)) {
 141                                 struct page *victim;
 142
 143                                 victim = list_to_page(pages);
 144                                 list_del(&victim->lru);
 145                                 page_cache_release(victim);
 146                         }
 147                         break;
 148                 }
 149         }
 150         pagevec_lru_add(&lru_pvec);
 151         return ret;
 152 }
 153
 154 EXPORT_SYMBOL(read_cache_pages);
 155
 156 static int read_pages(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 157                 struct list_head *pages, unsigned nr_pages)
 158 {
 159         unsigned page_idx;
 160         struct pagevec lru_pvec;
 161         int ret = 0;
 162
 163         if (mapping->a_ops->readpages) {
 164                 ret = mapping->a_ops->readpages(filp, mapping, pages, nr_pages);
 165                 goto out;
 166         }
 167
 168         pagevec_init(&lru_pvec, 0);
 169         for (page_idx = 0; page_idx < nr_pages; page_idx++) {
 170                 struct page *page = list_to_page(pages);
 171                 list_del(&page->lru);
 172                 if (!add_to_page_cache(page, mapping,
 173                                         page->index, GFP_KERNEL)) {
 174                         mapping->a_ops->readpage(filp, page);
 175                         if (!pagevec_add(&lru_pvec, page))
 176                                 __pagevec_lru_add(&lru_pvec);
 177                 } else {
 178                         page_cache_release(page);
 179                 }
 180         }
 181         pagevec_lru_add(&lru_pvec);
 182 out:
 183         return ret;
 184 }
 185
 186 /*
 187  * Readahead design.
 188  *
 189  * The fields in struct file_ra_state represent the most-recently-executed
 190  * readahead attempt:
 191  *
 192  * start:       Page index at which we started the readahead
 193  * size:        Number of pages in that read
 194  *              Together, these form the "current window".
 195  *              Together, start and size represent the `readahead window'.
 196  * prev_page:   The page which the readahead algorithm most-recently inspected.
 197  *              It is mainly used to detect sequential file reading.
 198  *              If page_cache_readahead sees that it is again being called for
 199  *              a page which it just looked at, it can return immediately without
 200  *              making any state changes.
 201  * ahead_start,
 202  * ahead_size:  Together, these form the "ahead window".
 203  * ra_pages:    The externally controlled max readahead for this fd.
 204  *
 205  * When readahead is in the off state (size == 0), readahead is disabled.
 206  * In this state, prev_page is used to detect the resumption of sequential I/O.
 207  *
 208  * The readahead code manages two windows - the "current" and the "ahead"
 209  * windows.  The intent is that while the application is walking the pages
 210  * in the current window, I/O is underway on the ahead window.  When the
 211  * current window is fully traversed, it is replaced by the ahead window
 212  * and the ahead window is invalidated.  When this copying happens, the
 213  * new current window's pages are probably still locked.  So
 214  * we submit a new batch of I/O immediately, creating a new ahead window.
 215  *
 216  * So:
 217  *
 218  *   ----|----------------|----------------|-----
 219  *       ^start           ^start+size
 220  *                        ^ahead_start     ^ahead_start+ahead_size
 221  *
 222  *         ^ When this page is read, we submit I/O for the
 223  *           ahead window.
 224  *
 225  * A `readahead hit' occurs when a read request is made against a page which is
 226  * the next sequential page. Ahead window calculations are done only when it
 227  * is time to submit a new IO.  The code ramps up the size agressively at first,
 228  * but slow down as it approaches max_readhead.
 229  *
 230  * Any seek/ramdom IO will result in readahead being turned off.  It will resume
 231  * at the first sequential access.
 232  *
 233  * There is a special-case: if the first page which the application tries to
 234  * read happens to be the first page of the file, it is assumed that a linear
 235  * read is about to happen and the window is immediately set to the initial size
 236  * based on I/O request size and the max_readahead.
 237  *
 238  * This function is to be called for every read request, rather than when
 239  * it is time to perform readahead.  It is called only once for the entire I/O
 240  * regardless of size unless readahead is unable to start enough I/O to satisfy
 241  * the request (I/O request > max_readahead).
 242  */
 243
 244 /*
 245  * do_page_cache_readahead actually reads a chunk of disk.  It allocates all
 246  * the pages first, then submits them all for I/O. This avoids the very bad
 247  * behaviour which would occur if page allocations are causing VM writeback.
 248  * We really don't want to intermingle reads and writes like that.
 249  *
 250  * Returns the number of pages requested, or the maximum amount of I/O allowed.
 251  *
 252  * do_page_cache_readahead() returns -1 if it encountered request queue
 253  * congestion.
 254  */
 255 static int
 256 __do_page_cache_readahead(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 257                         pgoff_t offset, unsigned long nr_to_read)
 258 {
 259         struct inode *inode = mapping->host;
 260         struct page *page;
 261         unsigned long end_index;        /* The last page we want to read */
 262         LIST_HEAD(page_pool);
 263         int page_idx;
 264         int ret = 0;
 265         loff_t isize = i_size_read(inode);
 266
 267         if (isize == 0)
 268                 goto out;
 269
 270         end_index = ((isize - 1) >> PAGE_CACHE_SHIFT);
 271
 272         /*
 273          * Preallocate as many pages as we will need.
 274          */
 275         read_lock_irq(&mapping->tree_lock);
 276         for (page_idx = 0; page_idx < nr_to_read; page_idx++) {
 277                 pgoff_t page_offset = offset + page_idx;
 278
 279                 if (page_offset > end_index)
 280                         break;
 281
 282                 page = radix_tree_lookup(&mapping->page_tree, page_offset);
 283                 if (page)
 284                         continue;
 285
 286                 read_unlock_irq(&mapping->tree_lock);
 287                 page = page_cache_alloc_cold(mapping);
 288                 read_lock_irq(&mapping->tree_lock);
 289                 if (!page)
 290                         break;
 291                 page->index = page_offset;
 292                 list_add(&page->lru, &page_pool);
 293                 ret++;
 294         }
 295         read_unlock_irq(&mapping->tree_lock);
 296
 297         /*
 298          * Now start the IO.  We ignore I/O errors - if the page is not
 299          * uptodate then the caller will launch readpage again, and
 300          * will then handle the error.
 301          */
 302         if (ret)
 303                 read_pages(mapping, filp, &page_pool, ret);
 304         BUG_ON(!list_empty(&page_pool));
 305 out:
 306         return ret;
 307 }
 308
 309 /*
 310  * Chunk the readahead into 2 megabyte units, so that we don't pin too much
 311  * memory at once.
 312  */
 313 int force_page_cache_readahead(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 314                 pgoff_t offset, unsigned long nr_to_read)
 315 {
 316         int ret = 0;
 317
 318         if (unlikely(!mapping->a_ops->readpage && !mapping->a_ops->readpages))
 319                 return -EINVAL;
 320
 321         while (nr_to_read) {
 322                 int err;
 323
 324                 unsigned long this_chunk = (2 * 1024 * 1024) / PAGE_CACHE_SIZE;
 325
 326                 if (this_chunk > nr_to_read)
 327                         this_chunk = nr_to_read;
 328                 err = __do_page_cache_readahead(mapping, filp,
 329                                                 offset, this_chunk);
 330                 if (err < 0) {
 331                         ret = err;
 332                         break;
 333                 }
 334                 ret += err;
 335                 offset += this_chunk;
 336                 nr_to_read -= this_chunk;
 337         }
 338         return ret;
 339 }
 340
 341 /*
 342  * Check how effective readahead is being.  If the amount of started IO is
 343  * less than expected then the file is partly or fully in pagecache and
 344  * readahead isn't helping.
 345  *
 346  */
 347 static inline int check_ra_success(struct file_ra_state *ra,
 348                         unsigned long nr_to_read, unsigned long actual)
 349 {
 350         if (actual == 0) {
 351                 ra->cache_hit += nr_to_read;
 352                 if (ra->cache_hit >= VM_MAX_CACHE_HIT) {
 353                         ra_off(ra);
 354                         ra->flags |= RA_FLAG_INCACHE;
 355                         return 0;
 356                 }
 357         } else {
 358                 ra->cache_hit=0;
 359         }
 360         return 1;
 361 }
 362
 363 /*
 364  * This version skips the IO if the queue is read-congested, and will tell the
 365  * block layer to abandon the readahead if request allocation would block.
 366  *
 367  * force_page_cache_readahead() will ignore queue congestion and will block on
 368  * request queues.
 369  */
 370 int do_page_cache_readahead(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 371                         pgoff_t offset, unsigned long nr_to_read)
 372 {
 373         if (bdi_read_congested(mapping->backing_dev_info))
 374                 return -1;
 375
 376         return __do_page_cache_readahead(mapping, filp, offset, nr_to_read);
 377 }
 378
 379 /*
 380  * Read 'nr_to_read' pages starting at page 'offset'. If the flag 'block'
 381  * is set wait till the read completes.  Otherwise attempt to read without
 382  * blocking.
 383  * Returns 1 meaning 'success' if read is succesfull without switching off
 384  * readhaead mode. Otherwise return failure.
 385  */
 386 static int
 387 blockable_page_cache_readahead(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 388                         pgoff_t offset, unsigned long nr_to_read,
 389                         struct file_ra_state *ra, int block)
 390 {
 391         int actual;
 392
 393         if (!block && bdi_read_congested(mapping->backing_dev_info))
 394                 return 0;
 395
 396         actual = __do_page_cache_readahead(mapping, filp, offset, nr_to_read);
 397
 398         return check_ra_success(ra, nr_to_read, actual);
 399 }
 400
 401 static int make_ahead_window(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 402                                 struct file_ra_state *ra, int force)
 403 {
 404         int block, ret;
 405
 406         ra->ahead_size = get_next_ra_size(ra);
 407         ra->ahead_start = ra->start + ra->size;
 408
 409         block = force || (ra->prev_page >= ra->ahead_start);
 410         ret = blockable_page_cache_readahead(mapping, filp,
 411                         ra->ahead_start, ra->ahead_size, ra, block);
 412
 413         if (!ret && !force) {
 414                 /* A read failure in blocking mode, implies pages are
 415                  * all cached. So we can safely assume we have taken
 416                  * care of all the pages requested in this call.
 417                  * A read failure in non-blocking mode, implies we are
 418                  * reading more pages than requested in this call.  So
 419                  * we safely assume we have taken care of all the pages
 420                  * requested in this call.
 421                  *
 422                  * Just reset the ahead window in case we failed due to
 423                  * congestion.  The ahead window will any way be closed
 424                  * in case we failed due to excessive page cache hits.
 425                  */
 426                 ra->ahead_start = 0;
 427                 ra->ahead_size = 0;
 428         }
 429
 430         return ret;
 431 }
 432
 433 /**
 434  * page_cache_readahead - generic adaptive readahead
 435  * @mapping: address_space which holds the pagecache and I/O vectors
 436  * @ra: file_ra_state which holds the readahead state
 437  * @filp: passed on to ->readpage() and ->readpages()
 438  * @offset: start offset into @mapping, in PAGE_CACHE_SIZE units
 439  * @req_size: hint: total size of the read which the caller is performing in
 440  *            PAGE_CACHE_SIZE units
 441  *
 442  * page_cache_readahead() is the main function.  If performs the adaptive
 443  * readahead window size management and submits the readahead I/O.
 444  *
 445  * Note that @filp is purely used for passing on to the ->readpage[s]()
 446  * handler: it may refer to a different file from @mapping (so we may not use
 447  * @filp->f_mapping or @filp->f_dentry->d_inode here).
 448  * Also, @ra may not be equal to &@filp->f_ra.
 449  *
 450  */
 451 unsigned long
 452 page_cache_readahead(struct address_space *mapping, struct file_ra_state *ra,
 453                      struct file *filp, pgoff_t offset, unsigned long req_size)
 454 {
 455         unsigned long max, newsize;
 456         int sequential;
 457
 458         /*
 459          * We avoid doing extra work and bogusly perturbing the readahead
 460          * window expansion logic.
 461          */
 462         if (offset == ra->prev_page && --req_size)
 463                 ++offset;
 464
 465         /* Note that prev_page == -1 if it is a first read */
 466         sequential = (offset == ra->prev_page + 1);
 467         ra->prev_page = offset;
 468
 469         max = get_max_readahead(ra);
 470         newsize = min(req_size, max);
 471
 472         /* No readahead or sub-page sized read or file already in cache */
 473         if (newsize == 0 || (ra->flags & RA_FLAG_INCACHE))
 474                 goto out;
 475
 476         ra->prev_page += newsize - 1;
 477
 478         /*
 479          * Special case - first read at start of file. We'll assume it's
 480          * a whole-file read and grow the window fast.  Or detect first
 481          * sequential access
 482          */
 483         if (sequential && ra->size == 0) {
 484                 ra->size = get_init_ra_size(newsize, max);
 485                 ra->start = offset;
 486                 if (!blockable_page_cache_readahead(mapping, filp, offset,
 487                                                          ra->size, ra, 1))
 488                         goto out;
 489
 490                 /*
 491                  * If the request size is larger than our max readahead, we
 492                  * at least want to be sure that we get 2 IOs in flight and
 493                  * we know that we will definitly need the new I/O.
 494                  * once we do this, subsequent calls should be able to overlap
 495                  * IOs,* thus preventing stalls. so issue the ahead window
 496                  * immediately.
 497                  */
 498                 if (req_size >= max)
 499                         make_ahead_window(mapping, filp, ra, 1);
 500
 501                 goto out;
 502         }
 503
 504         /*
 505          * Now handle the random case:
 506          * partial page reads and first access were handled above,
 507          * so this must be the next page otherwise it is random
 508          */
 509         if (!sequential) {
 510                 ra_off(ra);
 511                 blockable_page_cache_readahead(mapping, filp, offset,
 512                                  newsize, ra, 1);
 513                 goto out;
 514         }
 515
 516         /*
 517          * If we get here we are doing sequential IO and this was not the first
 518          * occurence (ie we have an existing window)
 519          */
 520
 521         if (ra->ahead_start == 0) {      /* no ahead window yet */
 522                 if (!make_ahead_window(mapping, filp, ra, 0))
 523                         goto out;
 524         }
 525         /*
 526          * Already have an ahead window, check if we crossed into it.
 527          * If so, shift windows and issue a new ahead window.
 528          * Only return the #pages that are in the current window, so that
 529          * we get called back on the first page of the ahead window which
 530          * will allow us to submit more IO.
 531          */
 532         if (ra->prev_page >= ra->ahead_start) {
 533                 ra->start = ra->ahead_start;
 534                 ra->size = ra->ahead_size;
 535                 make_ahead_window(mapping, filp, ra, 0);
 536         }
 537
 538 out:
 539         return ra->prev_page + 1;
 540 }
 541
 542 /*
 543  * handle_ra_miss() is called when it is known that a page which should have
 544  * been present in the pagecache (we just did some readahead there) was in fact
 545  * not found.  This will happen if it was evicted by the VM (readahead
 546  * thrashing)
 547  *
 548  * Turn on the cache miss flag in the RA struct, this will cause the RA code
 549  * to reduce the RA size on the next read.
 550  */
 551 void handle_ra_miss(struct address_space *mapping,
 552                 struct file_ra_state *ra, pgoff_t offset)
 553 {
 554         ra->flags |= RA_FLAG_MISS;
 555         ra->flags &= ~RA_FLAG_INCACHE;
 556         ra->cache_hit = 0;
 557 }
 558
 559 /*
 560  * Given a desired number of PAGE_CACHE_SIZE readahead pages, return a
 561  * sensible upper limit.
 562  */
 563 unsigned long max_sane_readahead(unsigned long nr)
 564 {
 565         unsigned long active;
 566         unsigned long inactive;
 567         unsigned long free;
 568
 569         __get_zone_counts(&active, &inactive, &free, NODE_DATA(numa_node_id()));
 570         return min(nr, (inactive + free) / 2);
 571 }