Merge tag 'qcom-drivers-for-6.9-2' of https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel...
[linux-block.git] / drivers / md / bcache / bcache.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _BCACHE_H
3 #define _BCACHE_H
4
5 /*
6  * SOME HIGH LEVEL CODE DOCUMENTATION:
7  *
8  * Bcache mostly works with cache sets, cache devices, and backing devices.
9  *
10  * Support for multiple cache devices hasn't quite been finished off yet, but
11  * it's about 95% plumbed through. A cache set and its cache devices is sort of
12  * like a md raid array and its component devices. Most of the code doesn't care
13  * about individual cache devices, the main abstraction is the cache set.
14  *
15  * Multiple cache devices is intended to give us the ability to mirror dirty
16  * cached data and metadata, without mirroring clean cached data.
17  *
18  * Backing devices are different, in that they have a lifetime independent of a
19  * cache set. When you register a newly formatted backing device it'll come up
20  * in passthrough mode, and then you can attach and detach a backing device from
21  * a cache set at runtime - while it's mounted and in use. Detaching implicitly
22  * invalidates any cached data for that backing device.
23  *
24  * A cache set can have multiple (many) backing devices attached to it.
25  *
26  * There's also flash only volumes - this is the reason for the distinction
27  * between struct cached_dev and struct bcache_device. A flash only volume
28  * works much like a bcache device that has a backing device, except the
29  * "cached" data is always dirty. The end result is that we get thin
30  * provisioning with very little additional code.
31  *
32  * Flash only volumes work but they're not production ready because the moving
33  * garbage collector needs more work. More on that later.
34  *
35  * BUCKETS/ALLOCATION:
36  *
37  * Bcache is primarily designed for caching, which means that in normal
38  * operation all of our available space will be allocated. Thus, we need an
39  * efficient way of deleting things from the cache so we can write new things to
40  * it.
41  *
42  * To do this, we first divide the cache device up into buckets. A bucket is the
43  * unit of allocation; they're typically around 1 mb - anywhere from 128k to 2M+
44  * works efficiently.
45  *
46  * Each bucket has a 16 bit priority, and an 8 bit generation associated with
47  * it. The gens and priorities for all the buckets are stored contiguously and
48  * packed on disk (in a linked list of buckets - aside from the superblock, all
49  * of bcache's metadata is stored in buckets).
50  *
51  * The priority is used to implement an LRU. We reset a bucket's priority when
52  * we allocate it or on cache it, and every so often we decrement the priority
53  * of each bucket. It could be used to implement something more sophisticated,
54  * if anyone ever gets around to it.
55  *
56  * The generation is used for invalidating buckets. Each pointer also has an 8
57  * bit generation embedded in it; for a pointer to be considered valid, its gen
58  * must match the gen of the bucket it points into.  Thus, to reuse a bucket all
59  * we have to do is increment its gen (and write its new gen to disk; we batch
60  * this up).
61  *
62  * Bcache is entirely COW - we never write twice to a bucket, even buckets that
63  * contain metadata (including btree nodes).
64  *
65  * THE BTREE:
66  *
67  * Bcache is in large part design around the btree.
68  *
69  * At a high level, the btree is just an index of key -> ptr tuples.
70  *
71  * Keys represent extents, and thus have a size field. Keys also have a variable
72  * number of pointers attached to them (potentially zero, which is handy for
73  * invalidating the cache).
74  *
75  * The key itself is an inode:offset pair. The inode number corresponds to a
76  * backing device or a flash only volume. The offset is the ending offset of the
77  * extent within the inode - not the starting offset; this makes lookups
78  * slightly more convenient.
79  *
80  * Pointers contain the cache device id, the offset on that device, and an 8 bit
81  * generation number. More on the gen later.
82  *
83  * Index lookups are not fully abstracted - cache lookups in particular are
84  * still somewhat mixed in with the btree code, but things are headed in that
85  * direction.
86  *
87  * Updates are fairly well abstracted, though. There are two different ways of
88  * updating the btree; insert and replace.
89  *
90  * BTREE_INSERT will just take a list of keys and insert them into the btree -
91  * overwriting (possibly only partially) any extents they overlap with. This is
92  * used to update the index after a write.
93  *
94  * BTREE_REPLACE is really cmpxchg(); it inserts a key into the btree iff it is
95  * overwriting a key that matches another given key. This is used for inserting
96  * data into the cache after a cache miss, and for background writeback, and for
97  * the moving garbage collector.
98  *
99  * There is no "delete" operation; deleting things from the index is
100  * accomplished by either by invalidating pointers (by incrementing a bucket's
101  * gen) or by inserting a key with 0 pointers - which will overwrite anything
102  * previously present at that location in the index.
103  *
104  * This means that there are always stale/invalid keys in the btree. They're
105  * filtered out by the code that iterates through a btree node, and removed when
106  * a btree node is rewritten.
107  *
108  * BTREE NODES:
109  *
110  * Our unit of allocation is a bucket, and we can't arbitrarily allocate and
111  * free smaller than a bucket - so, that's how big our btree nodes are.
112  *
113  * (If buckets are really big we'll only use part of the bucket for a btree node
114  * - no less than 1/4th - but a bucket still contains no more than a single
115  * btree node. I'd actually like to change this, but for now we rely on the
116  * bucket's gen for deleting btree nodes when we rewrite/split a node.)
117  *
118  * Anyways, btree nodes are big - big enough to be inefficient with a textbook
119  * btree implementation.
120  *
121  * The way this is solved is that btree nodes are internally log structured; we
122  * can append new keys to an existing btree node without rewriting it. This
123  * means each set of keys we write is sorted, but the node is not.
124  *
125  * We maintain this log structure in memory - keeping 1Mb of keys sorted would
126  * be expensive, and we have to distinguish between the keys we have written and
127  * the keys we haven't. So to do a lookup in a btree node, we have to search
128  * each sorted set. But we do merge written sets together lazily, so the cost of
129  * these extra searches is quite low (normally most of the keys in a btree node
130  * will be in one big set, and then there'll be one or two sets that are much
131  * smaller).
132  *
133  * This log structure makes bcache's btree more of a hybrid between a
134  * conventional btree and a compacting data structure, with some of the
135  * advantages of both.
136  *
137  * GARBAGE COLLECTION:
138  *
139  * We can't just invalidate any bucket - it might contain dirty data or
140  * metadata. If it once contained dirty data, other writes might overwrite it
141  * later, leaving no valid pointers into that bucket in the index.
142  *
143  * Thus, the primary purpose of garbage collection is to find buckets to reuse.
144  * It also counts how much valid data it each bucket currently contains, so that
145  * allocation can reuse buckets sooner when they've been mostly overwritten.
146  *
147  * It also does some things that are really internal to the btree
148  * implementation. If a btree node contains pointers that are stale by more than
149  * some threshold, it rewrites the btree node to avoid the bucket's generation
150  * wrapping around. It also merges adjacent btree nodes if they're empty enough.
151  *
152  * THE JOURNAL:
153  *
154  * Bcache's journal is not necessary for consistency; we always strictly
155  * order metadata writes so that the btree and everything else is consistent on
156  * disk in the event of an unclean shutdown, and in fact bcache had writeback
157  * caching (with recovery from unclean shutdown) before journalling was
158  * implemented.
159  *
160  * Rather, the journal is purely a performance optimization; we can't complete a
161  * write until we've updated the index on disk, otherwise the cache would be
162  * inconsistent in the event of an unclean shutdown. This means that without the
163  * journal, on random write workloads we constantly have to update all the leaf
164  * nodes in the btree, and those writes will be mostly empty (appending at most
165  * a few keys each) - highly inefficient in terms of amount of metadata writes,
166  * and it puts more strain on the various btree resorting/compacting code.
167  *
168  * The journal is just a log of keys we've inserted; on startup we just reinsert
169  * all the keys in the open journal entries. That means that when we're updating
170  * a node in the btree, we can wait until a 4k block of keys fills up before
171  * writing them out.
172  *
173  * For simplicity, we only journal updates to leaf nodes; updates to parent
174  * nodes are rare enough (since our leaf nodes are huge) that it wasn't worth
175  * the complexity to deal with journalling them (in particular, journal replay)
176  * - updates to non leaf nodes just happen synchronously (see btree_split()).
177  */
178
179 #define pr_fmt(fmt) "bcache: %s() " fmt, __func__
180
181 #include <linux/bio.h>
182 #include <linux/closure.h>
183 #include <linux/kobject.h>
184 #include <linux/list.h>
185 #include <linux/mutex.h>
186 #include <linux/rbtree.h>
187 #include <linux/rwsem.h>
188 #include <linux/refcount.h>
189 #include <linux/types.h>
190 #include <linux/workqueue.h>
191 #include <linux/kthread.h>
192
193 #include "bcache_ondisk.h"
194 #include "bset.h"
195 #include "util.h"
196
197 struct bucket {
198         atomic_t        pin;
199         uint16_t        prio;
200         uint8_t         gen;
201         uint8_t         last_gc; /* Most out of date gen in the btree */
202         uint16_t        gc_mark; /* Bitfield used by GC. See below for field */
203 };
204
205 /*
206  * I'd use bitfields for these, but I don't trust the compiler not to screw me
207  * as multiple threads touch struct bucket without locking
208  */
209
210 BITMASK(GC_MARK,         struct bucket, gc_mark, 0, 2);
211 #define GC_MARK_RECLAIMABLE     1
212 #define GC_MARK_DIRTY           2
213 #define GC_MARK_METADATA        3
214 #define GC_SECTORS_USED_SIZE    13
215 #define MAX_GC_SECTORS_USED     (~(~0ULL << GC_SECTORS_USED_SIZE))
216 BITMASK(GC_SECTORS_USED, struct bucket, gc_mark, 2, GC_SECTORS_USED_SIZE);
217 BITMASK(GC_MOVE, struct bucket, gc_mark, 15, 1);
218
219 #include "journal.h"
220 #include "stats.h"
221 struct search;
222 struct btree;
223 struct keybuf;
224
225 struct keybuf_key {
226         struct rb_node          node;
227         BKEY_PADDED(key);
228         void                    *private;
229 };
230
231 struct keybuf {
232         struct bkey             last_scanned;
233         spinlock_t              lock;
234
235         /*
236          * Beginning and end of range in rb tree - so that we can skip taking
237          * lock and checking the rb tree when we need to check for overlapping
238          * keys.
239          */
240         struct bkey             start;
241         struct bkey             end;
242
243         struct rb_root          keys;
244
245 #define KEYBUF_NR               500
246         DECLARE_ARRAY_ALLOCATOR(struct keybuf_key, freelist, KEYBUF_NR);
247 };
248
249 struct bcache_device {
250         struct closure          cl;
251
252         struct kobject          kobj;
253
254         struct cache_set        *c;
255         unsigned int            id;
256 #define BCACHEDEVNAME_SIZE      12
257         char                    name[BCACHEDEVNAME_SIZE];
258
259         struct gendisk          *disk;
260
261         unsigned long           flags;
262 #define BCACHE_DEV_CLOSING              0
263 #define BCACHE_DEV_DETACHING            1
264 #define BCACHE_DEV_UNLINK_DONE          2
265 #define BCACHE_DEV_WB_RUNNING           3
266 #define BCACHE_DEV_RATE_DW_RUNNING      4
267         int                     nr_stripes;
268 #define BCH_MIN_STRIPE_SZ               ((4 << 20) >> SECTOR_SHIFT)
269         unsigned int            stripe_size;
270         atomic_t                *stripe_sectors_dirty;
271         unsigned long           *full_dirty_stripes;
272
273         struct bio_set          bio_split;
274
275         unsigned int            data_csum:1;
276
277         int (*cache_miss)(struct btree *b, struct search *s,
278                           struct bio *bio, unsigned int sectors);
279         int (*ioctl)(struct bcache_device *d, blk_mode_t mode,
280                      unsigned int cmd, unsigned long arg);
281 };
282
283 struct io {
284         /* Used to track sequential IO so it can be skipped */
285         struct hlist_node       hash;
286         struct list_head        lru;
287
288         unsigned long           jiffies;
289         unsigned int            sequential;
290         sector_t                last;
291 };
292
293 enum stop_on_failure {
294         BCH_CACHED_DEV_STOP_AUTO = 0,
295         BCH_CACHED_DEV_STOP_ALWAYS,
296         BCH_CACHED_DEV_STOP_MODE_MAX,
297 };
298
299 struct cached_dev {
300         struct list_head        list;
301         struct bcache_device    disk;
302         struct block_device     *bdev;
303         struct bdev_handle      *bdev_handle;
304
305         struct cache_sb         sb;
306         struct cache_sb_disk    *sb_disk;
307         struct bio              sb_bio;
308         struct bio_vec          sb_bv[1];
309         struct closure          sb_write;
310         struct semaphore        sb_write_mutex;
311
312         /* Refcount on the cache set. Always nonzero when we're caching. */
313         refcount_t              count;
314         struct work_struct      detach;
315
316         /*
317          * Device might not be running if it's dirty and the cache set hasn't
318          * showed up yet.
319          */
320         atomic_t                running;
321
322         /*
323          * Writes take a shared lock from start to finish; scanning for dirty
324          * data to refill the rb tree requires an exclusive lock.
325          */
326         struct rw_semaphore     writeback_lock;
327
328         /*
329          * Nonzero, and writeback has a refcount (d->count), iff there is dirty
330          * data in the cache. Protected by writeback_lock; must have an
331          * shared lock to set and exclusive lock to clear.
332          */
333         atomic_t                has_dirty;
334
335 #define BCH_CACHE_READA_ALL             0
336 #define BCH_CACHE_READA_META_ONLY       1
337         unsigned int            cache_readahead_policy;
338         struct bch_ratelimit    writeback_rate;
339         struct delayed_work     writeback_rate_update;
340
341         /* Limit number of writeback bios in flight */
342         struct semaphore        in_flight;
343         struct task_struct      *writeback_thread;
344         struct workqueue_struct *writeback_write_wq;
345
346         struct keybuf           writeback_keys;
347
348         struct task_struct      *status_update_thread;
349         /*
350          * Order the write-half of writeback operations strongly in dispatch
351          * order.  (Maintain LBA order; don't allow reads completing out of
352          * order to re-order the writes...)
353          */
354         struct closure_waitlist writeback_ordering_wait;
355         atomic_t                writeback_sequence_next;
356
357         /* For tracking sequential IO */
358 #define RECENT_IO_BITS  7
359 #define RECENT_IO       (1 << RECENT_IO_BITS)
360         struct io               io[RECENT_IO];
361         struct hlist_head       io_hash[RECENT_IO + 1];
362         struct list_head        io_lru;
363         spinlock_t              io_lock;
364
365         struct cache_accounting accounting;
366
367         /* The rest of this all shows up in sysfs */
368         unsigned int            sequential_cutoff;
369
370         unsigned int            io_disable:1;
371         unsigned int            verify:1;
372         unsigned int            bypass_torture_test:1;
373
374         unsigned int            partial_stripes_expensive:1;
375         unsigned int            writeback_metadata:1;
376         unsigned int            writeback_running:1;
377         unsigned int            writeback_consider_fragment:1;
378         unsigned char           writeback_percent;
379         unsigned int            writeback_delay;
380
381         uint64_t                writeback_rate_target;
382         int64_t                 writeback_rate_proportional;
383         int64_t                 writeback_rate_integral;
384         int64_t                 writeback_rate_integral_scaled;
385         int32_t                 writeback_rate_change;
386
387         unsigned int            writeback_rate_update_seconds;
388         unsigned int            writeback_rate_i_term_inverse;
389         unsigned int            writeback_rate_p_term_inverse;
390         unsigned int            writeback_rate_fp_term_low;
391         unsigned int            writeback_rate_fp_term_mid;
392         unsigned int            writeback_rate_fp_term_high;
393         unsigned int            writeback_rate_minimum;
394
395         enum stop_on_failure    stop_when_cache_set_failed;
396 #define DEFAULT_CACHED_DEV_ERROR_LIMIT  64
397         atomic_t                io_errors;
398         unsigned int            error_limit;
399         unsigned int            offline_seconds;
400
401         /*
402          * Retry to update writeback_rate if contention happens for
403          * down_read(dc->writeback_lock) in update_writeback_rate()
404          */
405 #define BCH_WBRATE_UPDATE_MAX_SKIPS     15
406         unsigned int            rate_update_retry;
407 };
408
409 enum alloc_reserve {
410         RESERVE_BTREE,
411         RESERVE_PRIO,
412         RESERVE_MOVINGGC,
413         RESERVE_NONE,
414         RESERVE_NR,
415 };
416
417 struct cache {
418         struct cache_set        *set;
419         struct cache_sb         sb;
420         struct cache_sb_disk    *sb_disk;
421         struct bio              sb_bio;
422         struct bio_vec          sb_bv[1];
423
424         struct kobject          kobj;
425         struct block_device     *bdev;
426         struct bdev_handle      *bdev_handle;
427
428         struct task_struct      *alloc_thread;
429
430         struct closure          prio;
431         struct prio_set         *disk_buckets;
432
433         /*
434          * When allocating new buckets, prio_write() gets first dibs - since we
435          * may not be allocate at all without writing priorities and gens.
436          * prio_last_buckets[] contains the last buckets we wrote priorities to
437          * (so gc can mark them as metadata), prio_buckets[] contains the
438          * buckets allocated for the next prio write.
439          */
440         uint64_t                *prio_buckets;
441         uint64_t                *prio_last_buckets;
442
443         /*
444          * free: Buckets that are ready to be used
445          *
446          * free_inc: Incoming buckets - these are buckets that currently have
447          * cached data in them, and we can't reuse them until after we write
448          * their new gen to disk. After prio_write() finishes writing the new
449          * gens/prios, they'll be moved to the free list (and possibly discarded
450          * in the process)
451          */
452         DECLARE_FIFO(long, free)[RESERVE_NR];
453         DECLARE_FIFO(long, free_inc);
454
455         size_t                  fifo_last_bucket;
456
457         /* Allocation stuff: */
458         struct bucket           *buckets;
459
460         DECLARE_HEAP(struct bucket *, heap);
461
462         /*
463          * If nonzero, we know we aren't going to find any buckets to invalidate
464          * until a gc finishes - otherwise we could pointlessly burn a ton of
465          * cpu
466          */
467         unsigned int            invalidate_needs_gc;
468
469         bool                    discard; /* Get rid of? */
470
471         struct journal_device   journal;
472
473         /* The rest of this all shows up in sysfs */
474 #define IO_ERROR_SHIFT          20
475         atomic_t                io_errors;
476         atomic_t                io_count;
477
478         atomic_long_t           meta_sectors_written;
479         atomic_long_t           btree_sectors_written;
480         atomic_long_t           sectors_written;
481 };
482
483 struct gc_stat {
484         size_t                  nodes;
485         size_t                  nodes_pre;
486         size_t                  key_bytes;
487
488         size_t                  nkeys;
489         uint64_t                data;   /* sectors */
490         unsigned int            in_use; /* percent */
491 };
492
493 /*
494  * Flag bits, for how the cache set is shutting down, and what phase it's at:
495  *
496  * CACHE_SET_UNREGISTERING means we're not just shutting down, we're detaching
497  * all the backing devices first (their cached data gets invalidated, and they
498  * won't automatically reattach).
499  *
500  * CACHE_SET_STOPPING always gets set first when we're closing down a cache set;
501  * we'll continue to run normally for awhile with CACHE_SET_STOPPING set (i.e.
502  * flushing dirty data).
503  *
504  * CACHE_SET_RUNNING means all cache devices have been registered and journal
505  * replay is complete.
506  *
507  * CACHE_SET_IO_DISABLE is set when bcache is stopping the whold cache set, all
508  * external and internal I/O should be denied when this flag is set.
509  *
510  */
511 #define CACHE_SET_UNREGISTERING         0
512 #define CACHE_SET_STOPPING              1
513 #define CACHE_SET_RUNNING               2
514 #define CACHE_SET_IO_DISABLE            3
515
516 struct cache_set {
517         struct closure          cl;
518
519         struct list_head        list;
520         struct kobject          kobj;
521         struct kobject          internal;
522         struct dentry           *debug;
523         struct cache_accounting accounting;
524
525         unsigned long           flags;
526         atomic_t                idle_counter;
527         atomic_t                at_max_writeback_rate;
528
529         struct cache            *cache;
530
531         struct bcache_device    **devices;
532         unsigned int            devices_max_used;
533         atomic_t                attached_dev_nr;
534         struct list_head        cached_devs;
535         uint64_t                cached_dev_sectors;
536         atomic_long_t           flash_dev_dirty_sectors;
537         struct closure          caching;
538
539         struct closure          sb_write;
540         struct semaphore        sb_write_mutex;
541
542         mempool_t               search;
543         mempool_t               bio_meta;
544         struct bio_set          bio_split;
545
546         /* For the btree cache */
547         struct shrinker         *shrink;
548
549         /* For the btree cache and anything allocation related */
550         struct mutex            bucket_lock;
551
552         /* log2(bucket_size), in sectors */
553         unsigned short          bucket_bits;
554
555         /* log2(block_size), in sectors */
556         unsigned short          block_bits;
557
558         /*
559          * Default number of pages for a new btree node - may be less than a
560          * full bucket
561          */
562         unsigned int            btree_pages;
563
564         /*
565          * Lists of struct btrees; lru is the list for structs that have memory
566          * allocated for actual btree node, freed is for structs that do not.
567          *
568          * We never free a struct btree, except on shutdown - we just put it on
569          * the btree_cache_freed list and reuse it later. This simplifies the
570          * code, and it doesn't cost us much memory as the memory usage is
571          * dominated by buffers that hold the actual btree node data and those
572          * can be freed - and the number of struct btrees allocated is
573          * effectively bounded.
574          *
575          * btree_cache_freeable effectively is a small cache - we use it because
576          * high order page allocations can be rather expensive, and it's quite
577          * common to delete and allocate btree nodes in quick succession. It
578          * should never grow past ~2-3 nodes in practice.
579          */
580         struct list_head        btree_cache;
581         struct list_head        btree_cache_freeable;
582         struct list_head        btree_cache_freed;
583
584         /* Number of elements in btree_cache + btree_cache_freeable lists */
585         unsigned int            btree_cache_used;
586
587         /*
588          * If we need to allocate memory for a new btree node and that
589          * allocation fails, we can cannibalize another node in the btree cache
590          * to satisfy the allocation - lock to guarantee only one thread does
591          * this at a time:
592          */
593         wait_queue_head_t       btree_cache_wait;
594         struct task_struct      *btree_cache_alloc_lock;
595         spinlock_t              btree_cannibalize_lock;
596
597         /*
598          * When we free a btree node, we increment the gen of the bucket the
599          * node is in - but we can't rewrite the prios and gens until we
600          * finished whatever it is we were doing, otherwise after a crash the
601          * btree node would be freed but for say a split, we might not have the
602          * pointers to the new nodes inserted into the btree yet.
603          *
604          * This is a refcount that blocks prio_write() until the new keys are
605          * written.
606          */
607         atomic_t                prio_blocked;
608         wait_queue_head_t       bucket_wait;
609
610         /*
611          * For any bio we don't skip we subtract the number of sectors from
612          * rescale; when it hits 0 we rescale all the bucket priorities.
613          */
614         atomic_t                rescale;
615         /*
616          * used for GC, identify if any front side I/Os is inflight
617          */
618         atomic_t                search_inflight;
619         /*
620          * When we invalidate buckets, we use both the priority and the amount
621          * of good data to determine which buckets to reuse first - to weight
622          * those together consistently we keep track of the smallest nonzero
623          * priority of any bucket.
624          */
625         uint16_t                min_prio;
626
627         /*
628          * max(gen - last_gc) for all buckets. When it gets too big we have to
629          * gc to keep gens from wrapping around.
630          */
631         uint8_t                 need_gc;
632         struct gc_stat          gc_stats;
633         size_t                  nbuckets;
634         size_t                  avail_nbuckets;
635
636         struct task_struct      *gc_thread;
637         /* Where in the btree gc currently is */
638         struct bkey             gc_done;
639
640         /*
641          * For automatical garbage collection after writeback completed, this
642          * varialbe is used as bit fields,
643          * - 0000 0001b (BCH_ENABLE_AUTO_GC): enable gc after writeback
644          * - 0000 0010b (BCH_DO_AUTO_GC):     do gc after writeback
645          * This is an optimization for following write request after writeback
646          * finished, but read hit rate dropped due to clean data on cache is
647          * discarded. Unless user explicitly sets it via sysfs, it won't be
648          * enabled.
649          */
650 #define BCH_ENABLE_AUTO_GC      1
651 #define BCH_DO_AUTO_GC          2
652         uint8_t                 gc_after_writeback;
653
654         /*
655          * The allocation code needs gc_mark in struct bucket to be correct, but
656          * it's not while a gc is in progress. Protected by bucket_lock.
657          */
658         int                     gc_mark_valid;
659
660         /* Counts how many sectors bio_insert has added to the cache */
661         atomic_t                sectors_to_gc;
662         wait_queue_head_t       gc_wait;
663
664         struct keybuf           moving_gc_keys;
665         /* Number of moving GC bios in flight */
666         struct semaphore        moving_in_flight;
667
668         struct workqueue_struct *moving_gc_wq;
669
670         struct btree            *root;
671
672 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
673         struct btree            *verify_data;
674         struct bset             *verify_ondisk;
675         struct mutex            verify_lock;
676 #endif
677
678         uint8_t                 set_uuid[16];
679         unsigned int            nr_uuids;
680         struct uuid_entry       *uuids;
681         BKEY_PADDED(uuid_bucket);
682         struct closure          uuid_write;
683         struct semaphore        uuid_write_mutex;
684
685         /*
686          * A btree node on disk could have too many bsets for an iterator to fit
687          * on the stack - have to dynamically allocate them.
688          * bch_cache_set_alloc() will make sure the pool can allocate iterators
689          * equipped with enough room that can host
690          *     (sb.bucket_size / sb.block_size)
691          * btree_iter_sets, which is more than static MAX_BSETS.
692          */
693         mempool_t               fill_iter;
694
695         struct bset_sort_state  sort;
696
697         /* List of buckets we're currently writing data to */
698         struct list_head        data_buckets;
699         spinlock_t              data_bucket_lock;
700
701         struct journal          journal;
702
703 #define CONGESTED_MAX           1024
704         unsigned int            congested_last_us;
705         atomic_t                congested;
706
707         /* The rest of this all shows up in sysfs */
708         unsigned int            congested_read_threshold_us;
709         unsigned int            congested_write_threshold_us;
710
711         struct time_stats       btree_gc_time;
712         struct time_stats       btree_split_time;
713         struct time_stats       btree_read_time;
714
715         atomic_long_t           cache_read_races;
716         atomic_long_t           writeback_keys_done;
717         atomic_long_t           writeback_keys_failed;
718
719         atomic_long_t           reclaim;
720         atomic_long_t           reclaimed_journal_buckets;
721         atomic_long_t           flush_write;
722
723         enum                    {
724                 ON_ERROR_UNREGISTER,
725                 ON_ERROR_PANIC,
726         }                       on_error;
727 #define DEFAULT_IO_ERROR_LIMIT 8
728         unsigned int            error_limit;
729         unsigned int            error_decay;
730
731         unsigned short          journal_delay_ms;
732         bool                    expensive_debug_checks;
733         unsigned int            verify:1;
734         unsigned int            key_merging_disabled:1;
735         unsigned int            gc_always_rewrite:1;
736         unsigned int            shrinker_disabled:1;
737         unsigned int            copy_gc_enabled:1;
738         unsigned int            idle_max_writeback_rate_enabled:1;
739
740 #define BUCKET_HASH_BITS        12
741         struct hlist_head       bucket_hash[1 << BUCKET_HASH_BITS];
742 };
743
744 struct bbio {
745         unsigned int            submit_time_us;
746         union {
747                 struct bkey     key;
748                 uint64_t        _pad[3];
749                 /*
750                  * We only need pad = 3 here because we only ever carry around a
751                  * single pointer - i.e. the pointer we're doing io to/from.
752                  */
753         };
754         struct bio              bio;
755 };
756
757 #define BTREE_PRIO              USHRT_MAX
758 #define INITIAL_PRIO            32768U
759
760 #define btree_bytes(c)          ((c)->btree_pages * PAGE_SIZE)
761 #define btree_blocks(b)                                                 \
762         ((unsigned int) (KEY_SIZE(&b->key) >> (b)->c->block_bits))
763
764 #define btree_default_blocks(c)                                         \
765         ((unsigned int) ((PAGE_SECTORS * (c)->btree_pages) >> (c)->block_bits))
766
767 #define bucket_bytes(ca)        ((ca)->sb.bucket_size << 9)
768 #define block_bytes(ca)         ((ca)->sb.block_size << 9)
769
770 static inline unsigned int meta_bucket_pages(struct cache_sb *sb)
771 {
772         unsigned int n, max_pages;
773
774         max_pages = min_t(unsigned int,
775                           __rounddown_pow_of_two(USHRT_MAX) / PAGE_SECTORS,
776                           MAX_ORDER_NR_PAGES);
777
778         n = sb->bucket_size / PAGE_SECTORS;
779         if (n > max_pages)
780                 n = max_pages;
781
782         return n;
783 }
784
785 static inline unsigned int meta_bucket_bytes(struct cache_sb *sb)
786 {
787         return meta_bucket_pages(sb) << PAGE_SHIFT;
788 }
789
790 #define prios_per_bucket(ca)                                            \
791         ((meta_bucket_bytes(&(ca)->sb) - sizeof(struct prio_set)) /     \
792          sizeof(struct bucket_disk))
793
794 #define prio_buckets(ca)                                                \
795         DIV_ROUND_UP((size_t) (ca)->sb.nbuckets, prios_per_bucket(ca))
796
797 static inline size_t sector_to_bucket(struct cache_set *c, sector_t s)
798 {
799         return s >> c->bucket_bits;
800 }
801
802 static inline sector_t bucket_to_sector(struct cache_set *c, size_t b)
803 {
804         return ((sector_t) b) << c->bucket_bits;
805 }
806
807 static inline sector_t bucket_remainder(struct cache_set *c, sector_t s)
808 {
809         return s & (c->cache->sb.bucket_size - 1);
810 }
811
812 static inline size_t PTR_BUCKET_NR(struct cache_set *c,
813                                    const struct bkey *k,
814                                    unsigned int ptr)
815 {
816         return sector_to_bucket(c, PTR_OFFSET(k, ptr));
817 }
818
819 static inline struct bucket *PTR_BUCKET(struct cache_set *c,
820                                         const struct bkey *k,
821                                         unsigned int ptr)
822 {
823         return c->cache->buckets + PTR_BUCKET_NR(c, k, ptr);
824 }
825
826 static inline uint8_t gen_after(uint8_t a, uint8_t b)
827 {
828         uint8_t r = a - b;
829
830         return r > 128U ? 0 : r;
831 }
832
833 static inline uint8_t ptr_stale(struct cache_set *c, const struct bkey *k,
834                                 unsigned int i)
835 {
836         return gen_after(PTR_BUCKET(c, k, i)->gen, PTR_GEN(k, i));
837 }
838
839 static inline bool ptr_available(struct cache_set *c, const struct bkey *k,
840                                  unsigned int i)
841 {
842         return (PTR_DEV(k, i) < MAX_CACHES_PER_SET) && c->cache;
843 }
844
845 /* Btree key macros */
846
847 /*
848  * This is used for various on disk data structures - cache_sb, prio_set, bset,
849  * jset: The checksum is _always_ the first 8 bytes of these structs
850  */
851 #define csum_set(i)                                                     \
852         bch_crc64(((void *) (i)) + sizeof(uint64_t),                    \
853                   ((void *) bset_bkey_last(i)) -                        \
854                   (((void *) (i)) + sizeof(uint64_t)))
855
856 /* Error handling macros */
857
858 #define btree_bug(b, ...)                                               \
859 do {                                                                    \
860         if (bch_cache_set_error((b)->c, __VA_ARGS__))                   \
861                 dump_stack();                                           \
862 } while (0)
863
864 #define cache_bug(c, ...)                                               \
865 do {                                                                    \
866         if (bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__))                        \
867                 dump_stack();                                           \
868 } while (0)
869
870 #define btree_bug_on(cond, b, ...)                                      \
871 do {                                                                    \
872         if (cond)                                                       \
873                 btree_bug(b, __VA_ARGS__);                              \
874 } while (0)
875
876 #define cache_bug_on(cond, c, ...)                                      \
877 do {                                                                    \
878         if (cond)                                                       \
879                 cache_bug(c, __VA_ARGS__);                              \
880 } while (0)
881
882 #define cache_set_err_on(cond, c, ...)                                  \
883 do {                                                                    \
884         if (cond)                                                       \
885                 bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__);                    \
886 } while (0)
887
888 /* Looping macros */
889
890 #define for_each_bucket(b, ca)                                          \
891         for (b = (ca)->buckets + (ca)->sb.first_bucket;                 \
892              b < (ca)->buckets + (ca)->sb.nbuckets; b++)
893
894 static inline void cached_dev_put(struct cached_dev *dc)
895 {
896         if (refcount_dec_and_test(&dc->count))
897                 schedule_work(&dc->detach);
898 }
899
900 static inline bool cached_dev_get(struct cached_dev *dc)
901 {
902         if (!refcount_inc_not_zero(&dc->count))
903                 return false;
904
905         /* Paired with the mb in cached_dev_attach */
906         smp_mb__after_atomic();
907         return true;
908 }
909
910 /*
911  * bucket_gc_gen() returns the difference between the bucket's current gen and
912  * the oldest gen of any pointer into that bucket in the btree (last_gc).
913  */
914
915 static inline uint8_t bucket_gc_gen(struct bucket *b)
916 {
917         return b->gen - b->last_gc;
918 }
919
920 #define BUCKET_GC_GEN_MAX       96U
921
922 #define kobj_attribute_write(n, fn)                                     \
923         static struct kobj_attribute ksysfs_##n = __ATTR(n, 0200, NULL, fn)
924
925 #define kobj_attribute_rw(n, show, store)                               \
926         static struct kobj_attribute ksysfs_##n =                       \
927                 __ATTR(n, 0600, show, store)
928
929 static inline void wake_up_allocators(struct cache_set *c)
930 {
931         struct cache *ca = c->cache;
932
933         wake_up_process(ca->alloc_thread);
934 }
935
936 static inline void closure_bio_submit(struct cache_set *c,
937                                       struct bio *bio,
938                                       struct closure *cl)
939 {
940         closure_get(cl);
941         if (unlikely(test_bit(CACHE_SET_IO_DISABLE, &c->flags))) {
942                 bio->bi_status = BLK_STS_IOERR;
943                 bio_endio(bio);
944                 return;
945         }
946         submit_bio_noacct(bio);
947 }
948
949 /*
950  * Prevent the kthread exits directly, and make sure when kthread_stop()
951  * is called to stop a kthread, it is still alive. If a kthread might be
952  * stopped by CACHE_SET_IO_DISABLE bit set, wait_for_kthread_stop() is
953  * necessary before the kthread returns.
954  */
955 static inline void wait_for_kthread_stop(void)
956 {
957         while (!kthread_should_stop()) {
958                 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
959                 schedule();
960         }
961 }
962
963 /* Forward declarations */
964
965 void bch_count_backing_io_errors(struct cached_dev *dc, struct bio *bio);
966 void bch_count_io_errors(struct cache *ca, blk_status_t error,
967                          int is_read, const char *m);
968 void bch_bbio_count_io_errors(struct cache_set *c, struct bio *bio,
969                               blk_status_t error, const char *m);
970 void bch_bbio_endio(struct cache_set *c, struct bio *bio,
971                     blk_status_t error, const char *m);
972 void bch_bbio_free(struct bio *bio, struct cache_set *c);
973 struct bio *bch_bbio_alloc(struct cache_set *c);
974
975 void __bch_submit_bbio(struct bio *bio, struct cache_set *c);
976 void bch_submit_bbio(struct bio *bio, struct cache_set *c,
977                      struct bkey *k, unsigned int ptr);
978
979 uint8_t bch_inc_gen(struct cache *ca, struct bucket *b);
980 void bch_rescale_priorities(struct cache_set *c, int sectors);
981
982 bool bch_can_invalidate_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b);
983 void __bch_invalidate_one_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b);
984
985 void __bch_bucket_free(struct cache *ca, struct bucket *b);
986 void bch_bucket_free(struct cache_set *c, struct bkey *k);
987
988 long bch_bucket_alloc(struct cache *ca, unsigned int reserve, bool wait);
989 int __bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned int reserve,
990                            struct bkey *k, bool wait);
991 int bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned int reserve,
992                          struct bkey *k, bool wait);
993 bool bch_alloc_sectors(struct cache_set *c, struct bkey *k,
994                        unsigned int sectors, unsigned int write_point,
995                        unsigned int write_prio, bool wait);
996 bool bch_cached_dev_error(struct cached_dev *dc);
997
998 __printf(2, 3)
999 bool bch_cache_set_error(struct cache_set *c, const char *fmt, ...);
1000
1001 int bch_prio_write(struct cache *ca, bool wait);
1002 void bch_write_bdev_super(struct cached_dev *dc, struct closure *parent);
1003
1004 extern struct workqueue_struct *bcache_wq;
1005 extern struct workqueue_struct *bch_journal_wq;
1006 extern struct workqueue_struct *bch_flush_wq;
1007 extern struct mutex bch_register_lock;
1008 extern struct list_head bch_cache_sets;
1009
1010 extern const struct kobj_type bch_cached_dev_ktype;
1011 extern const struct kobj_type bch_flash_dev_ktype;
1012 extern const struct kobj_type bch_cache_set_ktype;
1013 extern const struct kobj_type bch_cache_set_internal_ktype;
1014 extern const struct kobj_type bch_cache_ktype;
1015
1016 void bch_cached_dev_release(struct kobject *kobj);
1017 void bch_flash_dev_release(struct kobject *kobj);
1018 void bch_cache_set_release(struct kobject *kobj);
1019 void bch_cache_release(struct kobject *kobj);
1020
1021 int bch_uuid_write(struct cache_set *c);
1022 void bcache_write_super(struct cache_set *c);
1023
1024 int bch_flash_dev_create(struct cache_set *c, uint64_t size);
1025
1026 int bch_cached_dev_attach(struct cached_dev *dc, struct cache_set *c,
1027                           uint8_t *set_uuid);
1028 void bch_cached_dev_detach(struct cached_dev *dc);
1029 int bch_cached_dev_run(struct cached_dev *dc);
1030 void bcache_device_stop(struct bcache_device *d);
1031
1032 void bch_cache_set_unregister(struct cache_set *c);
1033 void bch_cache_set_stop(struct cache_set *c);
1034
1035 struct cache_set *bch_cache_set_alloc(struct cache_sb *sb);
1036 void bch_btree_cache_free(struct cache_set *c);
1037 int bch_btree_cache_alloc(struct cache_set *c);
1038 void bch_moving_init_cache_set(struct cache_set *c);
1039 int bch_open_buckets_alloc(struct cache_set *c);
1040 void bch_open_buckets_free(struct cache_set *c);
1041
1042 int bch_cache_allocator_start(struct cache *ca);
1043
1044 void bch_debug_exit(void);
1045 void bch_debug_init(void);
1046 void bch_request_exit(void);
1047 int bch_request_init(void);
1048 void bch_btree_exit(void);
1049 int bch_btree_init(void);
1050
1051 #endif /* _BCACHE_H */