block/blk-flush.c

   1 /*
   2  * Functions to sequence FLUSH and FUA writes.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2011           Max Planck Institute for Gravitational Physics
   5  * Copyright (C) 2011           Tejun Heo <tj@kernel.org>
   6  *
   7  * This file is released under the GPLv2.
   8  *
   9  * REQ_{FLUSH|FUA} requests are decomposed to sequences consisted of three
  10  * optional steps - PREFLUSH, DATA and POSTFLUSH - according to the request
  11  * properties and hardware capability.
  12  *
  13  * If a request doesn't have data, only REQ_FLUSH makes sense, which
  14  * indicates a simple flush request.  If there is data, REQ_FLUSH indicates
  15  * that the device cache should be flushed before the data is executed, and
  16  * REQ_FUA means that the data must be on non-volatile media on request
  17  * completion.
  18  *
  19  * If the device doesn't have writeback cache, FLUSH and FUA don't make any
  20  * difference.  The requests are either completed immediately if there's no
  21  * data or executed as normal requests otherwise.
  22  *
  23  * If the device has writeback cache and supports FUA, REQ_FLUSH is
  24  * translated to PREFLUSH but REQ_FUA is passed down directly with DATA.
  25  *
  26  * If the device has writeback cache and doesn't support FUA, REQ_FLUSH is
  27  * translated to PREFLUSH and REQ_FUA to POSTFLUSH.
  28  *
  29  * The actual execution of flush is double buffered.  Whenever a request
  30  * needs to execute PRE or POSTFLUSH, it queues at
  31  * fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx].  Once certain criteria are met, a
  32  * flush is issued and the pending_idx is toggled.  When the flush
  33  * completes, all the requests which were pending are proceeded to the next
  34  * step.  This allows arbitrary merging of different types of FLUSH/FUA
  35  * requests.
  36  *
  37  * Currently, the following conditions are used to determine when to issue
  38  * flush.
  39  *
  40  * C1. At any given time, only one flush shall be in progress.  This makes
  41  *     double buffering sufficient.
  42  *
  43  * C2. Flush is deferred if any request is executing DATA of its sequence.
  44  *     This avoids issuing separate POSTFLUSHes for requests which shared
  45  *     PREFLUSH.
  46  *
  47  * C3. The second condition is ignored if there is a request which has
  48  *     waited longer than FLUSH_PENDING_TIMEOUT.  This is to avoid
  49  *     starvation in the unlikely case where there are continuous stream of
  50  *     FUA (without FLUSH) requests.
  51  *
  52  * For devices which support FUA, it isn't clear whether C2 (and thus C3)
  53  * is beneficial.
  54  *
  55  * Note that a sequenced FLUSH/FUA request with DATA is completed twice.
  56  * Once while executing DATA and again after the whole sequence is
  57  * complete.  The first completion updates the contained bio but doesn't
  58  * finish it so that the bio submitter is notified only after the whole
  59  * sequence is complete.  This is implemented by testing REQ_FLUSH_SEQ in
  60  * req_bio_endio().
  61  *
  62  * The above peculiarity requires that each FLUSH/FUA request has only one
  63  * bio attached to it, which is guaranteed as they aren't allowed to be
  64  * merged in the usual way.
  65  */
  66
  67 #include <linux/kernel.h>
  68 #include <linux/module.h>
  69 #include <linux/bio.h>
  70 #include <linux/blkdev.h>
  71 #include <linux/gfp.h>
  72 #include <linux/blk-mq.h>
  73
  74 #include "blk.h"
  75 #include "blk-mq.h"
  76
  77 /* FLUSH/FUA sequences */
  78 enum {
  79         REQ_FSEQ_PREFLUSH       = (1 << 0), /* pre-flushing in progress */
  80         REQ_FSEQ_DATA           = (1 << 1), /* data write in progress */
  81         REQ_FSEQ_POSTFLUSH      = (1 << 2), /* post-flushing in progress */
  82         REQ_FSEQ_DONE           = (1 << 3),
  83
  84         REQ_FSEQ_ACTIONS        = REQ_FSEQ_PREFLUSH | REQ_FSEQ_DATA |
  85                                   REQ_FSEQ_POSTFLUSH,
  86
  87         /*
  88          * If flush has been pending longer than the following timeout,
  89          * it's issued even if flush_data requests are still in flight.
  90          */
  91         FLUSH_PENDING_TIMEOUT   = 5 * HZ,
  92 };
  93
  94 static bool blk_kick_flush(struct request_queue *q,
  95                            struct blk_flush_queue *fq);
  96
  97 static unsigned int blk_flush_policy(unsigned int fflags, struct request *rq)
  98 {
  99         unsigned int policy = 0;
 100
 101         if (blk_rq_sectors(rq))
 102                 policy |= REQ_FSEQ_DATA;
 103
 104         if (fflags & REQ_FLUSH) {
 105                 if (rq->cmd_flags & REQ_FLUSH)
 106                         policy |= REQ_FSEQ_PREFLUSH;
 107                 if (!(fflags & REQ_FUA) && (rq->cmd_flags & REQ_FUA))
 108                         policy |= REQ_FSEQ_POSTFLUSH;
 109         }
 110         return policy;
 111 }
 112
 113 static unsigned int blk_flush_cur_seq(struct request *rq)
 114 {
 115         return 1 << ffz(rq->flush.seq);
 116 }
 117
 118 static void blk_flush_restore_request(struct request *rq)
 119 {
 120         /*
 121          * After flush data completion, @rq->bio is %NULL but we need to
 122          * complete the bio again.  @rq->biotail is guaranteed to equal the
 123          * original @rq->bio.  Restore it.
 124          */
 125         rq->bio = rq->biotail;
 126
 127         /* make @rq a normal request */
 128         rq->cmd_flags &= ~REQ_FLUSH_SEQ;
 129         rq->end_io = rq->flush.saved_end_io;
 130 }
 131
 132 static bool blk_flush_queue_rq(struct request *rq, bool add_front)
 133 {
 134         if (rq->q->mq_ops) {
 135                 struct request_queue *q = rq->q;
 136
 137                 blk_mq_add_to_requeue_list(rq, add_front);
 138                 blk_mq_kick_requeue_list(q);
 139                 return false;
 140         } else {
 141                 if (add_front)
 142                         list_add(&rq->queuelist, &rq->q->queue_head);
 143                 else
 144                         list_add_tail(&rq->queuelist, &rq->q->queue_head);
 145                 return true;
 146         }
 147 }
 148
 149 /**
 150  * blk_flush_complete_seq - complete flush sequence
 151  * @rq: FLUSH/FUA request being sequenced
 152  * @fq: flush queue
 153  * @seq: sequences to complete (mask of %REQ_FSEQ_*, can be zero)
 154  * @error: whether an error occurred
 155  *
 156  * @rq just completed @seq part of its flush sequence, record the
 157  * completion and trigger the next step.
 158  *
 159  * CONTEXT:
 160  * spin_lock_irq(q->queue_lock or fq->mq_flush_lock)
 161  *
 162  * RETURNS:
 163  * %true if requests were added to the dispatch queue, %false otherwise.
 164  */
 165 static bool blk_flush_complete_seq(struct request *rq,
 166                                    struct blk_flush_queue *fq,
 167                                    unsigned int seq, int error)
 168 {
 169         struct request_queue *q = rq->q;
 170         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
 171         bool queued = false, kicked;
 172
 173         BUG_ON(rq->flush.seq & seq);
 174         rq->flush.seq |= seq;
 175
 176         if (likely(!error))
 177                 seq = blk_flush_cur_seq(rq);
 178         else
 179                 seq = REQ_FSEQ_DONE;
 180
 181         switch (seq) {
 182         case REQ_FSEQ_PREFLUSH:
 183         case REQ_FSEQ_POSTFLUSH:
 184                 /* queue for flush */
 185                 if (list_empty(pending))
 186                         fq->flush_pending_since = jiffies;
 187                 list_move_tail(&rq->flush.list, pending);
 188                 break;
 189
 190         case REQ_FSEQ_DATA:
 191                 list_move_tail(&rq->flush.list, &fq->flush_data_in_flight);
 192                 queued = blk_flush_queue_rq(rq, true);
 193                 break;
 194
 195         case REQ_FSEQ_DONE:
 196                 /*
 197                  * @rq was previously adjusted by blk_flush_issue() for
 198                  * flush sequencing and may already have gone through the
 199                  * flush data request completion path.  Restore @rq for
 200                  * normal completion and end it.
 201                  */
 202                 BUG_ON(!list_empty(&rq->queuelist));
 203                 list_del_init(&rq->flush.list);
 204                 blk_flush_restore_request(rq);
 205                 if (q->mq_ops)
 206                         blk_mq_end_request(rq, error);
 207                 else
 208                         __blk_end_request_all(rq, error);
 209                 break;
 210
 211         default:
 212                 BUG();
 213         }
 214
 215         kicked = blk_kick_flush(q, fq);
 216         return kicked | queued;
 217 }
 218
 219 static void flush_end_io(struct request *flush_rq, int error)
 220 {
 221         struct request_queue *q = flush_rq->q;
 222         struct list_head *running;
 223         bool queued = false;
 224         struct request *rq, *n;
 225         unsigned long flags = 0;
 226         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, flush_rq->mq_ctx);
 227
 228         if (q->mq_ops) {
 229                 spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
 230                 flush_rq->tag = -1;
 231         }
 232
 233         running = &fq->flush_queue[fq->flush_running_idx];
 234         BUG_ON(fq->flush_pending_idx == fq->flush_running_idx);
 235
 236         /* account completion of the flush request */
 237         fq->flush_running_idx ^= 1;
 238
 239         if (!q->mq_ops)
 240                 elv_completed_request(q, flush_rq);
 241
 242         /* and push the waiting requests to the next stage */
 243         list_for_each_entry_safe(rq, n, running, flush.list) {
 244                 unsigned int seq = blk_flush_cur_seq(rq);
 245
 246                 BUG_ON(seq != REQ_FSEQ_PREFLUSH && seq != REQ_FSEQ_POSTFLUSH);
 247                 queued |= blk_flush_complete_seq(rq, fq, seq, error);
 248         }
 249
 250         /*
 251          * Kick the queue to avoid stall for two cases:
 252          * 1. Moving a request silently to empty queue_head may stall the
 253          * queue.
 254          * 2. When flush request is running in non-queueable queue, the
 255          * queue is hold. Restart the queue after flush request is finished
 256          * to avoid stall.
 257          * This function is called from request completion path and calling
 258          * directly into request_fn may confuse the driver.  Always use
 259          * kblockd.
 260          */
 261         if (queued || fq->flush_queue_delayed) {
 262                 WARN_ON(q->mq_ops);
 263                 blk_run_queue_async(q);
 264         }
 265         fq->flush_queue_delayed = 0;
 266         if (q->mq_ops)
 267                 spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
 268 }
 269
 270 /**
 271  * blk_kick_flush - consider issuing flush request
 272  * @q: request_queue being kicked
 273  * @fq: flush queue
 274  *
 275  * Flush related states of @q have changed, consider issuing flush request.
 276  * Please read the comment at the top of this file for more info.
 277  *
 278  * CONTEXT:
 279  * spin_lock_irq(q->queue_lock or fq->mq_flush_lock)
 280  *
 281  * RETURNS:
 282  * %true if flush was issued, %false otherwise.
 283  */
 284 static bool blk_kick_flush(struct request_queue *q, struct blk_flush_queue *fq)
 285 {
 286         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
 287         struct request *first_rq =
 288                 list_first_entry(pending, struct request, flush.list);
 289         struct request *flush_rq = fq->flush_rq;
 290
 291         /* C1 described at the top of this file */
 292         if (fq->flush_pending_idx != fq->flush_running_idx || list_empty(pending))
 293                 return false;
 294
 295         /* C2 and C3 */
 296         if (!list_empty(&fq->flush_data_in_flight) &&
 297             time_before(jiffies,
 298                         fq->flush_pending_since + FLUSH_PENDING_TIMEOUT))
 299                 return false;
 300
 301         /*
 302          * Issue flush and toggle pending_idx.  This makes pending_idx
 303          * different from running_idx, which means flush is in flight.
 304          */
 305         fq->flush_pending_idx ^= 1;
 306
 307         blk_rq_init(q, flush_rq);
 308         if (q->mq_ops)
 309                 blk_mq_clone_flush_request(flush_rq, first_rq);
 310
 311         flush_rq->cmd_type = REQ_TYPE_FS;
 312         flush_rq->cmd_flags = WRITE_FLUSH | REQ_FLUSH_SEQ;
 313         flush_rq->rq_disk = first_rq->rq_disk;
 314         flush_rq->end_io = flush_end_io;
 315
 316         return blk_flush_queue_rq(flush_rq, false);
 317 }
 318
 319 static void flush_data_end_io(struct request *rq, int error)
 320 {
 321         struct request_queue *q = rq->q;
 322         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, NULL);
 323
 324         /*
 325          * After populating an empty queue, kick it to avoid stall.  Read
 326          * the comment in flush_end_io().
 327          */
 328         if (blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_DATA, error))
 329                 blk_run_queue_async(q);
 330 }
 331
 332 static void mq_flush_data_end_io(struct request *rq, int error)
 333 {
 334         struct request_queue *q = rq->q;
 335         struct blk_mq_hw_ctx *hctx;
 336         struct blk_mq_ctx *ctx = rq->mq_ctx;
 337         unsigned long flags;
 338         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, ctx);
 339
 340         hctx = q->mq_ops->map_queue(q, ctx->cpu);
 341
 342         /*
 343          * After populating an empty queue, kick it to avoid stall.  Read
 344          * the comment in flush_end_io().
 345          */
 346         spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
 347         if (blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_DATA, error))
 348                 blk_mq_run_hw_queue(hctx, true);
 349         spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
 350 }
 351
 352 /**
 353  * blk_insert_flush - insert a new FLUSH/FUA request
 354  * @rq: request to insert
 355  *
 356  * To be called from __elv_add_request() for %ELEVATOR_INSERT_FLUSH insertions.
 357  * or __blk_mq_run_hw_queue() to dispatch request.
 358  * @rq is being submitted.  Analyze what needs to be done and put it on the
 359  * right queue.
 360  *
 361  * CONTEXT:
 362  * spin_lock_irq(q->queue_lock) in !mq case
 363  */
 364 void blk_insert_flush(struct request *rq)
 365 {
 366         struct request_queue *q = rq->q;
 367         unsigned int fflags = q->flush_flags;   /* may change, cache */
 368         unsigned int policy = blk_flush_policy(fflags, rq);
 369         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, rq->mq_ctx);
 370
 371         /*
 372          * @policy now records what operations need to be done.  Adjust
 373          * REQ_FLUSH and FUA for the driver.
 374          */
 375         rq->cmd_flags &= ~REQ_FLUSH;
 376         if (!(fflags & REQ_FUA))
 377                 rq->cmd_flags &= ~REQ_FUA;
 378
 379         /*
 380          * An empty flush handed down from a stacking driver may
 381          * translate into nothing if the underlying device does not
 382          * advertise a write-back cache.  In this case, simply
 383          * complete the request.
 384          */
 385         if (!policy) {
 386                 if (q->mq_ops)
 387                         blk_mq_end_request(rq, 0);
 388                 else
 389                         __blk_end_bidi_request(rq, 0, 0, 0);
 390                 return;
 391         }
 392
 393         BUG_ON(rq->bio != rq->biotail); /*assumes zero or single bio rq */
 394
 395         /*
 396          * If there's data but flush is not necessary, the request can be
 397          * processed directly without going through flush machinery.  Queue
 398          * for normal execution.
 399          */
 400         if ((policy & REQ_FSEQ_DATA) &&
 401             !(policy & (REQ_FSEQ_PREFLUSH | REQ_FSEQ_POSTFLUSH))) {
 402                 if (q->mq_ops) {
 403                         blk_mq_insert_request(rq, false, false, true);
 404                 } else
 405                         list_add_tail(&rq->queuelist, &q->queue_head);
 406                 return;
 407         }
 408
 409         /*
 410          * @rq should go through flush machinery.  Mark it part of flush
 411          * sequence and submit for further processing.
 412          */
 413         memset(&rq->flush, 0, sizeof(rq->flush));
 414         INIT_LIST_HEAD(&rq->flush.list);
 415         rq->cmd_flags |= REQ_FLUSH_SEQ;
 416         rq->flush.saved_end_io = rq->end_io; /* Usually NULL */
 417         if (q->mq_ops) {
 418                 rq->end_io = mq_flush_data_end_io;
 419
 420                 spin_lock_irq(&fq->mq_flush_lock);
 421                 blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_ACTIONS & ~policy, 0);
 422                 spin_unlock_irq(&fq->mq_flush_lock);
 423                 return;
 424         }
 425         rq->end_io = flush_data_end_io;
 426
 427         blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_ACTIONS & ~policy, 0);
 428 }
 429
 430 /**
 431  * blkdev_issue_flush - queue a flush
 432  * @bdev:       blockdev to issue flush for
 433  * @gfp_mask:   memory allocation flags (for bio_alloc)
 434  * @error_sector:       error sector
 435  *
 436  * Description:
 437  *    Issue a flush for the block device in question. Caller can supply
 438  *    room for storing the error offset in case of a flush error, if they
 439  *    wish to. If WAIT flag is not passed then caller may check only what
 440  *    request was pushed in some internal queue for later handling.
 441  */
 442 int blkdev_issue_flush(struct block_device *bdev, gfp_t gfp_mask,
 443                 sector_t *error_sector)
 444 {
 445         struct request_queue *q;
 446         struct bio *bio;
 447         int ret = 0;
 448
 449         if (bdev->bd_disk == NULL)
 450                 return -ENXIO;
 451
 452         q = bdev_get_queue(bdev);
 453         if (!q)
 454                 return -ENXIO;
 455
 456         /*
 457          * some block devices may not have their queue correctly set up here
 458          * (e.g. loop device without a backing file) and so issuing a flush
 459          * here will panic. Ensure there is a request function before issuing
 460          * the flush.
 461          */
 462         if (!q->make_request_fn)
 463                 return -ENXIO;
 464
 465         bio = bio_alloc(gfp_mask, 0);
 466         bio->bi_bdev = bdev;
 467
 468         ret = submit_bio_wait(WRITE_FLUSH, bio);
 469
 470         /*
 471          * The driver must store the error location in ->bi_sector, if
 472          * it supports it. For non-stacked drivers, this should be
 473          * copied from blk_rq_pos(rq).
 474          */
 475         if (error_sector)
 476                 *error_sector = bio->bi_iter.bi_sector;
 477
 478         bio_put(bio);
 479         return ret;
 480 }
 481 EXPORT_SYMBOL(blkdev_issue_flush);
 482
 483 struct blk_flush_queue *blk_alloc_flush_queue(struct request_queue *q)
 484 {
 485         struct blk_flush_queue *fq;
 486         int rq_sz = sizeof(struct request);
 487
 488         fq = kzalloc(sizeof(*fq), GFP_KERNEL);
 489         if (!fq)
 490                 goto fail;
 491
 492         if (q->mq_ops) {
 493                 spin_lock_init(&fq->mq_flush_lock);
 494                 rq_sz = round_up(rq_sz + q->tag_set->cmd_size,
 495                                 cache_line_size());
 496         }
 497
 498         fq->flush_rq = kzalloc(rq_sz, GFP_KERNEL);
 499         if (!fq->flush_rq)
 500                 goto fail_rq;
 501
 502         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[0]);
 503         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[1]);
 504         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_data_in_flight);
 505
 506         return fq;
 507
 508  fail_rq:
 509         kfree(fq);
 510  fail:
 511         return NULL;
 512 }
 513
 514 void blk_free_flush_queue(struct blk_flush_queue *fq)
 515 {
 516         /* bio based request queue hasn't flush queue */
 517         if (!fq)
 518                 return;
 519
 520         kfree(fq->flush_rq);
 521         kfree(fq);
 522 }