bcache: Advertise that flushes are supported
[linux-2.6-block.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/kobject.h>
182 #include <linux/list.h>
183 #include <linux/mutex.h>
184 #include <linux/rbtree.h>
185 #include <linux/rwsem.h>
186 #include <linux/types.h>
187 #include <linux/workqueue.h>
188
189 #include "util.h"
190 #include "closure.h"
191
192 struct bucket {
193         atomic_t        pin;
194         uint16_t        prio;
195         uint8_t         gen;
196         uint8_t         disk_gen;
197         uint8_t         last_gc; /* Most out of date gen in the btree */
198         uint8_t         gc_gen;
199         uint16_t        gc_mark;
200 };
201
202 /*
203  * I'd use bitfields for these, but I don't trust the compiler not to screw me
204  * as multiple threads touch struct bucket without locking
205  */
206
207 BITMASK(GC_MARK,         struct bucket, gc_mark, 0, 2);
208 #define GC_MARK_RECLAIMABLE     0
209 #define GC_MARK_DIRTY           1
210 #define GC_MARK_METADATA        2
211 BITMASK(GC_SECTORS_USED, struct bucket, gc_mark, 2, 14);
212
213 struct bkey {
214         uint64_t        high;
215         uint64_t        low;
216         uint64_t        ptr[];
217 };
218
219 /* Enough for a key with 6 pointers */
220 #define BKEY_PAD                8
221
222 #define BKEY_PADDED(key)                                        \
223         union { struct bkey key; uint64_t key ## _pad[BKEY_PAD]; }
224
225 /* Version 0: Cache device
226  * Version 1: Backing device
227  * Version 2: Seed pointer into btree node checksum
228  * Version 3: Cache device with new UUID format
229  * Version 4: Backing device with data offset
230  */
231 #define BCACHE_SB_VERSION_CDEV                  0
232 #define BCACHE_SB_VERSION_BDEV                  1
233 #define BCACHE_SB_VERSION_CDEV_WITH_UUID        3
234 #define BCACHE_SB_VERSION_BDEV_WITH_OFFSET      4
235 #define BCACHE_SB_MAX_VERSION                   4
236
237 #define SB_SECTOR               8
238 #define SB_SIZE                 4096
239 #define SB_LABEL_SIZE           32
240 #define SB_JOURNAL_BUCKETS      256U
241 /* SB_JOURNAL_BUCKETS must be divisible by BITS_PER_LONG */
242 #define MAX_CACHES_PER_SET      8
243
244 #define BDEV_DATA_START_DEFAULT 16      /* sectors */
245
246 struct cache_sb {
247         uint64_t                csum;
248         uint64_t                offset; /* sector where this sb was written */
249         uint64_t                version;
250
251         uint8_t                 magic[16];
252
253         uint8_t                 uuid[16];
254         union {
255                 uint8_t         set_uuid[16];
256                 uint64_t        set_magic;
257         };
258         uint8_t                 label[SB_LABEL_SIZE];
259
260         uint64_t                flags;
261         uint64_t                seq;
262         uint64_t                pad[8];
263
264         union {
265         struct {
266                 /* Cache devices */
267                 uint64_t        nbuckets;       /* device size */
268
269                 uint16_t        block_size;     /* sectors */
270                 uint16_t        bucket_size;    /* sectors */
271
272                 uint16_t        nr_in_set;
273                 uint16_t        nr_this_dev;
274         };
275         struct {
276                 /* Backing devices */
277                 uint64_t        data_offset;
278
279                 /*
280                  * block_size from the cache device section is still used by
281                  * backing devices, so don't add anything here until we fix
282                  * things to not need it for backing devices anymore
283                  */
284         };
285         };
286
287         uint32_t                last_mount;     /* time_t */
288
289         uint16_t                first_bucket;
290         union {
291                 uint16_t        njournal_buckets;
292                 uint16_t        keys;
293         };
294         uint64_t                d[SB_JOURNAL_BUCKETS];  /* journal buckets */
295 };
296
297 BITMASK(CACHE_SYNC,             struct cache_sb, flags, 0, 1);
298 BITMASK(CACHE_DISCARD,          struct cache_sb, flags, 1, 1);
299 BITMASK(CACHE_REPLACEMENT,      struct cache_sb, flags, 2, 3);
300 #define CACHE_REPLACEMENT_LRU   0U
301 #define CACHE_REPLACEMENT_FIFO  1U
302 #define CACHE_REPLACEMENT_RANDOM 2U
303
304 BITMASK(BDEV_CACHE_MODE,        struct cache_sb, flags, 0, 4);
305 #define CACHE_MODE_WRITETHROUGH 0U
306 #define CACHE_MODE_WRITEBACK    1U
307 #define CACHE_MODE_WRITEAROUND  2U
308 #define CACHE_MODE_NONE         3U
309 BITMASK(BDEV_STATE,             struct cache_sb, flags, 61, 2);
310 #define BDEV_STATE_NONE         0U
311 #define BDEV_STATE_CLEAN        1U
312 #define BDEV_STATE_DIRTY        2U
313 #define BDEV_STATE_STALE        3U
314
315 /* Version 1: Seed pointer into btree node checksum
316  */
317 #define BCACHE_BSET_VERSION     1
318
319 /*
320  * This is the on disk format for btree nodes - a btree node on disk is a list
321  * of these; within each set the keys are sorted
322  */
323 struct bset {
324         uint64_t                csum;
325         uint64_t                magic;
326         uint64_t                seq;
327         uint32_t                version;
328         uint32_t                keys;
329
330         union {
331                 struct bkey     start[0];
332                 uint64_t        d[0];
333         };
334 };
335
336 /*
337  * On disk format for priorities and gens - see super.c near prio_write() for
338  * more.
339  */
340 struct prio_set {
341         uint64_t                csum;
342         uint64_t                magic;
343         uint64_t                seq;
344         uint32_t                version;
345         uint32_t                pad;
346
347         uint64_t                next_bucket;
348
349         struct bucket_disk {
350                 uint16_t        prio;
351                 uint8_t         gen;
352         } __attribute((packed)) data[];
353 };
354
355 struct uuid_entry {
356         union {
357                 struct {
358                         uint8_t         uuid[16];
359                         uint8_t         label[32];
360                         uint32_t        first_reg;
361                         uint32_t        last_reg;
362                         uint32_t        invalidated;
363
364                         uint32_t        flags;
365                         /* Size of flash only volumes */
366                         uint64_t        sectors;
367                 };
368
369                 uint8_t pad[128];
370         };
371 };
372
373 BITMASK(UUID_FLASH_ONLY,        struct uuid_entry, flags, 0, 1);
374
375 #include "journal.h"
376 #include "stats.h"
377 struct search;
378 struct btree;
379 struct keybuf;
380
381 struct keybuf_key {
382         struct rb_node          node;
383         BKEY_PADDED(key);
384         void                    *private;
385 };
386
387 typedef bool (keybuf_pred_fn)(struct keybuf *, struct bkey *);
388
389 struct keybuf {
390         struct bkey             last_scanned;
391         spinlock_t              lock;
392
393         /*
394          * Beginning and end of range in rb tree - so that we can skip taking
395          * lock and checking the rb tree when we need to check for overlapping
396          * keys.
397          */
398         struct bkey             start;
399         struct bkey             end;
400
401         struct rb_root          keys;
402
403 #define KEYBUF_NR               100
404         DECLARE_ARRAY_ALLOCATOR(struct keybuf_key, freelist, KEYBUF_NR);
405 };
406
407 struct bio_split_pool {
408         struct bio_set          *bio_split;
409         mempool_t               *bio_split_hook;
410 };
411
412 struct bio_split_hook {
413         struct closure          cl;
414         struct bio_split_pool   *p;
415         struct bio              *bio;
416         bio_end_io_t            *bi_end_io;
417         void                    *bi_private;
418 };
419
420 struct bcache_device {
421         struct closure          cl;
422
423         struct kobject          kobj;
424
425         struct cache_set        *c;
426         unsigned                id;
427 #define BCACHEDEVNAME_SIZE      12
428         char                    name[BCACHEDEVNAME_SIZE];
429
430         struct gendisk          *disk;
431
432         /* If nonzero, we're closing */
433         atomic_t                closing;
434
435         /* If nonzero, we're detaching/unregistering from cache set */
436         atomic_t                detaching;
437
438         uint64_t                nr_stripes;
439         unsigned                stripe_size_bits;
440         atomic_t                *stripe_sectors_dirty;
441
442         unsigned long           sectors_dirty_last;
443         long                    sectors_dirty_derivative;
444
445         mempool_t               *unaligned_bvec;
446         struct bio_set          *bio_split;
447
448         unsigned                data_csum:1;
449
450         int (*cache_miss)(struct btree *, struct search *,
451                           struct bio *, unsigned);
452         int (*ioctl) (struct bcache_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
453
454         struct bio_split_pool   bio_split_hook;
455 };
456
457 struct io {
458         /* Used to track sequential IO so it can be skipped */
459         struct hlist_node       hash;
460         struct list_head        lru;
461
462         unsigned long           jiffies;
463         unsigned                sequential;
464         sector_t                last;
465 };
466
467 struct cached_dev {
468         struct list_head        list;
469         struct bcache_device    disk;
470         struct block_device     *bdev;
471
472         struct cache_sb         sb;
473         struct bio              sb_bio;
474         struct bio_vec          sb_bv[1];
475         struct closure_with_waitlist sb_write;
476
477         /* Refcount on the cache set. Always nonzero when we're caching. */
478         atomic_t                count;
479         struct work_struct      detach;
480
481         /*
482          * Device might not be running if it's dirty and the cache set hasn't
483          * showed up yet.
484          */
485         atomic_t                running;
486
487         /*
488          * Writes take a shared lock from start to finish; scanning for dirty
489          * data to refill the rb tree requires an exclusive lock.
490          */
491         struct rw_semaphore     writeback_lock;
492
493         /*
494          * Nonzero, and writeback has a refcount (d->count), iff there is dirty
495          * data in the cache. Protected by writeback_lock; must have an
496          * shared lock to set and exclusive lock to clear.
497          */
498         atomic_t                has_dirty;
499
500         struct ratelimit        writeback_rate;
501         struct delayed_work     writeback_rate_update;
502
503         /*
504          * Internal to the writeback code, so read_dirty() can keep track of
505          * where it's at.
506          */
507         sector_t                last_read;
508
509         /* Number of writeback bios in flight */
510         atomic_t                in_flight;
511         struct closure_with_timer writeback;
512         struct closure_waitlist writeback_wait;
513
514         struct keybuf           writeback_keys;
515
516         /* For tracking sequential IO */
517 #define RECENT_IO_BITS  7
518 #define RECENT_IO       (1 << RECENT_IO_BITS)
519         struct io               io[RECENT_IO];
520         struct hlist_head       io_hash[RECENT_IO + 1];
521         struct list_head        io_lru;
522         spinlock_t              io_lock;
523
524         struct cache_accounting accounting;
525
526         /* The rest of this all shows up in sysfs */
527         unsigned                sequential_cutoff;
528         unsigned                readahead;
529
530         unsigned                sequential_merge:1;
531         unsigned                verify:1;
532
533         unsigned                partial_stripes_expensive:1;
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 task_struct      *alloc_thread;
569
570         struct closure          prio;
571         struct prio_set         *disk_buckets;
572
573         /*
574          * When allocating new buckets, prio_write() gets first dibs - since we
575          * may not be allocate at all without writing priorities and gens.
576          * prio_buckets[] contains the last buckets we wrote priorities to (so
577          * gc can mark them as metadata), prio_next[] contains the buckets
578          * allocated for the next prio write.
579          */
580         uint64_t                *prio_buckets;
581         uint64_t                *prio_last_buckets;
582
583         /*
584          * free: Buckets that are ready to be used
585          *
586          * free_inc: Incoming buckets - these are buckets that currently have
587          * cached data in them, and we can't reuse them until after we write
588          * their new gen to disk. After prio_write() finishes writing the new
589          * gens/prios, they'll be moved to the free list (and possibly discarded
590          * in the process)
591          *
592          * unused: GC found nothing pointing into these buckets (possibly
593          * because all the data they contained was overwritten), so we only
594          * need to discard them before they can be moved to the free list.
595          */
596         DECLARE_FIFO(long, free);
597         DECLARE_FIFO(long, free_inc);
598         DECLARE_FIFO(long, unused);
599
600         size_t                  fifo_last_bucket;
601
602         /* Allocation stuff: */
603         struct bucket           *buckets;
604
605         DECLARE_HEAP(struct bucket *, heap);
606
607         /*
608          * max(gen - disk_gen) for all buckets. When it gets too big we have to
609          * call prio_write() to keep gens from wrapping.
610          */
611         uint8_t                 need_save_prio;
612         unsigned                gc_move_threshold;
613
614         /*
615          * If nonzero, we know we aren't going to find any buckets to invalidate
616          * until a gc finishes - otherwise we could pointlessly burn a ton of
617          * cpu
618          */
619         unsigned                invalidate_needs_gc:1;
620
621         bool                    discard; /* Get rid of? */
622
623         /*
624          * We preallocate structs for issuing discards to buckets, and keep them
625          * on this list when they're not in use; do_discard() issues discards
626          * whenever there's work to do and is called by free_some_buckets() and
627          * when a discard finishes.
628          */
629         atomic_t                discards_in_flight;
630         struct list_head        discards;
631
632         struct journal_device   journal;
633
634         /* The rest of this all shows up in sysfs */
635 #define IO_ERROR_SHIFT          20
636         atomic_t                io_errors;
637         atomic_t                io_count;
638
639         atomic_long_t           meta_sectors_written;
640         atomic_long_t           btree_sectors_written;
641         atomic_long_t           sectors_written;
642
643         struct bio_split_pool   bio_split_hook;
644 };
645
646 struct gc_stat {
647         size_t                  nodes;
648         size_t                  key_bytes;
649
650         size_t                  nkeys;
651         uint64_t                data;   /* sectors */
652         uint64_t                dirty;  /* sectors */
653         unsigned                in_use; /* percent */
654 };
655
656 /*
657  * Flag bits, for how the cache set is shutting down, and what phase it's at:
658  *
659  * CACHE_SET_UNREGISTERING means we're not just shutting down, we're detaching
660  * all the backing devices first (their cached data gets invalidated, and they
661  * won't automatically reattach).
662  *
663  * CACHE_SET_STOPPING always gets set first when we're closing down a cache set;
664  * we'll continue to run normally for awhile with CACHE_SET_STOPPING set (i.e.
665  * flushing dirty data).
666  *
667  * CACHE_SET_STOPPING_2 gets set at the last phase, when it's time to shut down
668  * the allocation thread.
669  */
670 #define CACHE_SET_UNREGISTERING         0
671 #define CACHE_SET_STOPPING              1
672 #define CACHE_SET_STOPPING_2            2
673
674 struct cache_set {
675         struct closure          cl;
676
677         struct list_head        list;
678         struct kobject          kobj;
679         struct kobject          internal;
680         struct dentry           *debug;
681         struct cache_accounting accounting;
682
683         unsigned long           flags;
684
685         struct cache_sb         sb;
686
687         struct cache            *cache[MAX_CACHES_PER_SET];
688         struct cache            *cache_by_alloc[MAX_CACHES_PER_SET];
689         int                     caches_loaded;
690
691         struct bcache_device    **devices;
692         struct list_head        cached_devs;
693         uint64_t                cached_dev_sectors;
694         struct closure          caching;
695
696         struct closure_with_waitlist sb_write;
697
698         mempool_t               *search;
699         mempool_t               *bio_meta;
700         struct bio_set          *bio_split;
701
702         /* For the btree cache */
703         struct shrinker         shrink;
704
705         /* For the btree cache and anything allocation related */
706         struct mutex            bucket_lock;
707
708         /* log2(bucket_size), in sectors */
709         unsigned short          bucket_bits;
710
711         /* log2(block_size), in sectors */
712         unsigned short          block_bits;
713
714         /*
715          * Default number of pages for a new btree node - may be less than a
716          * full bucket
717          */
718         unsigned                btree_pages;
719
720         /*
721          * Lists of struct btrees; lru is the list for structs that have memory
722          * allocated for actual btree node, freed is for structs that do not.
723          *
724          * We never free a struct btree, except on shutdown - we just put it on
725          * the btree_cache_freed list and reuse it later. This simplifies the
726          * code, and it doesn't cost us much memory as the memory usage is
727          * dominated by buffers that hold the actual btree node data and those
728          * can be freed - and the number of struct btrees allocated is
729          * effectively bounded.
730          *
731          * btree_cache_freeable effectively is a small cache - we use it because
732          * high order page allocations can be rather expensive, and it's quite
733          * common to delete and allocate btree nodes in quick succession. It
734          * should never grow past ~2-3 nodes in practice.
735          */
736         struct list_head        btree_cache;
737         struct list_head        btree_cache_freeable;
738         struct list_head        btree_cache_freed;
739
740         /* Number of elements in btree_cache + btree_cache_freeable lists */
741         unsigned                bucket_cache_used;
742
743         /*
744          * If we need to allocate memory for a new btree node and that
745          * allocation fails, we can cannibalize another node in the btree cache
746          * to satisfy the allocation. However, only one thread can be doing this
747          * at a time, for obvious reasons - try_harder and try_wait are
748          * basically a lock for this that we can wait on asynchronously. The
749          * btree_root() macro releases the lock when it returns.
750          */
751         struct closure          *try_harder;
752         struct closure_waitlist try_wait;
753         uint64_t                try_harder_start;
754
755         /*
756          * When we free a btree node, we increment the gen of the bucket the
757          * node is in - but we can't rewrite the prios and gens until we
758          * finished whatever it is we were doing, otherwise after a crash the
759          * btree node would be freed but for say a split, we might not have the
760          * pointers to the new nodes inserted into the btree yet.
761          *
762          * This is a refcount that blocks prio_write() until the new keys are
763          * written.
764          */
765         atomic_t                prio_blocked;
766         struct closure_waitlist bucket_wait;
767
768         /*
769          * For any bio we don't skip we subtract the number of sectors from
770          * rescale; when it hits 0 we rescale all the bucket priorities.
771          */
772         atomic_t                rescale;
773         /*
774          * When we invalidate buckets, we use both the priority and the amount
775          * of good data to determine which buckets to reuse first - to weight
776          * those together consistently we keep track of the smallest nonzero
777          * priority of any bucket.
778          */
779         uint16_t                min_prio;
780
781         /*
782          * max(gen - gc_gen) for all buckets. When it gets too big we have to gc
783          * to keep gens from wrapping around.
784          */
785         uint8_t                 need_gc;
786         struct gc_stat          gc_stats;
787         size_t                  nbuckets;
788
789         struct closure_with_waitlist gc;
790         /* Where in the btree gc currently is */
791         struct bkey             gc_done;
792
793         /*
794          * The allocation code needs gc_mark in struct bucket to be correct, but
795          * it's not while a gc is in progress. Protected by bucket_lock.
796          */
797         int                     gc_mark_valid;
798
799         /* Counts how many sectors bio_insert has added to the cache */
800         atomic_t                sectors_to_gc;
801
802         struct closure          moving_gc;
803         struct closure_waitlist moving_gc_wait;
804         struct keybuf           moving_gc_keys;
805         /* Number of moving GC bios in flight */
806         atomic_t                in_flight;
807
808         struct btree            *root;
809
810 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
811         struct btree            *verify_data;
812         struct mutex            verify_lock;
813 #endif
814
815         unsigned                nr_uuids;
816         struct uuid_entry       *uuids;
817         BKEY_PADDED(uuid_bucket);
818         struct closure_with_waitlist uuid_write;
819
820         /*
821          * A btree node on disk could have too many bsets for an iterator to fit
822          * on the stack - have to dynamically allocate them
823          */
824         mempool_t               *fill_iter;
825
826         /*
827          * btree_sort() is a merge sort and requires temporary space - single
828          * element mempool
829          */
830         struct mutex            sort_lock;
831         struct bset             *sort;
832         unsigned                sort_crit_factor;
833
834         /* List of buckets we're currently writing data to */
835         struct list_head        data_buckets;
836         spinlock_t              data_bucket_lock;
837
838         struct journal          journal;
839
840 #define CONGESTED_MAX           1024
841         unsigned                congested_last_us;
842         atomic_t                congested;
843
844         /* The rest of this all shows up in sysfs */
845         unsigned                congested_read_threshold_us;
846         unsigned                congested_write_threshold_us;
847
848         spinlock_t              sort_time_lock;
849         struct time_stats       sort_time;
850         struct time_stats       btree_gc_time;
851         struct time_stats       btree_split_time;
852         spinlock_t              btree_read_time_lock;
853         struct time_stats       btree_read_time;
854         struct time_stats       try_harder_time;
855
856         atomic_long_t           cache_read_races;
857         atomic_long_t           writeback_keys_done;
858         atomic_long_t           writeback_keys_failed;
859         unsigned                error_limit;
860         unsigned                error_decay;
861         unsigned short          journal_delay_ms;
862         unsigned                verify:1;
863         unsigned                key_merging_disabled:1;
864         unsigned                gc_always_rewrite:1;
865         unsigned                shrinker_disabled:1;
866         unsigned                copy_gc_enabled:1;
867
868 #define BUCKET_HASH_BITS        12
869         struct hlist_head       bucket_hash[1 << BUCKET_HASH_BITS];
870 };
871
872 static inline bool key_merging_disabled(struct cache_set *c)
873 {
874 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
875         return c->key_merging_disabled;
876 #else
877         return 0;
878 #endif
879 }
880
881 static inline bool SB_IS_BDEV(const struct cache_sb *sb)
882 {
883         return sb->version == BCACHE_SB_VERSION_BDEV
884                 || sb->version == BCACHE_SB_VERSION_BDEV_WITH_OFFSET;
885 }
886
887 struct bbio {
888         unsigned                submit_time_us;
889         union {
890                 struct bkey     key;
891                 uint64_t        _pad[3];
892                 /*
893                  * We only need pad = 3 here because we only ever carry around a
894                  * single pointer - i.e. the pointer we're doing io to/from.
895                  */
896         };
897         struct bio              bio;
898 };
899
900 static inline unsigned local_clock_us(void)
901 {
902         return local_clock() >> 10;
903 }
904
905 #define BTREE_PRIO              USHRT_MAX
906 #define INITIAL_PRIO            32768
907
908 #define btree_bytes(c)          ((c)->btree_pages * PAGE_SIZE)
909 #define btree_blocks(b)                                                 \
910         ((unsigned) (KEY_SIZE(&b->key) >> (b)->c->block_bits))
911
912 #define btree_default_blocks(c)                                         \
913         ((unsigned) ((PAGE_SECTORS * (c)->btree_pages) >> (c)->block_bits))
914
915 #define bucket_pages(c)         ((c)->sb.bucket_size / PAGE_SECTORS)
916 #define bucket_bytes(c)         ((c)->sb.bucket_size << 9)
917 #define block_bytes(c)          ((c)->sb.block_size << 9)
918
919 #define __set_bytes(i, k)       (sizeof(*(i)) + (k) * sizeof(uint64_t))
920 #define set_bytes(i)            __set_bytes(i, i->keys)
921
922 #define __set_blocks(i, k, c)   DIV_ROUND_UP(__set_bytes(i, k), block_bytes(c))
923 #define set_blocks(i, c)        __set_blocks(i, (i)->keys, c)
924
925 #define node(i, j)              ((struct bkey *) ((i)->d + (j)))
926 #define end(i)                  node(i, (i)->keys)
927
928 #define index(i, b)                                                     \
929         ((size_t) (((void *) i - (void *) (b)->sets[0].data) /          \
930                    block_bytes(b->c)))
931
932 #define btree_data_space(b)     (PAGE_SIZE << (b)->page_order)
933
934 #define prios_per_bucket(c)                             \
935         ((bucket_bytes(c) - sizeof(struct prio_set)) /  \
936          sizeof(struct bucket_disk))
937 #define prio_buckets(c)                                 \
938         DIV_ROUND_UP((size_t) (c)->sb.nbuckets, prios_per_bucket(c))
939
940 #define JSET_MAGIC              0x245235c1a3625032ULL
941 #define PSET_MAGIC              0x6750e15f87337f91ULL
942 #define BSET_MAGIC              0x90135c78b99e07f5ULL
943
944 #define jset_magic(c)           ((c)->sb.set_magic ^ JSET_MAGIC)
945 #define pset_magic(c)           ((c)->sb.set_magic ^ PSET_MAGIC)
946 #define bset_magic(c)           ((c)->sb.set_magic ^ BSET_MAGIC)
947
948 /* Bkey fields: all units are in sectors */
949
950 #define KEY_FIELD(name, field, offset, size)                            \
951         BITMASK(name, struct bkey, field, offset, size)
952
953 #define PTR_FIELD(name, offset, size)                                   \
954         static inline uint64_t name(const struct bkey *k, unsigned i)   \
955         { return (k->ptr[i] >> offset) & ~(((uint64_t) ~0) << size); }  \
956                                                                         \
957         static inline void SET_##name(struct bkey *k, unsigned i, uint64_t v)\
958         {                                                               \
959                 k->ptr[i] &= ~(~((uint64_t) ~0 << size) << offset);     \
960                 k->ptr[i] |= v << offset;                               \
961         }
962
963 KEY_FIELD(KEY_PTRS,     high, 60, 3)
964 KEY_FIELD(HEADER_SIZE,  high, 58, 2)
965 KEY_FIELD(KEY_CSUM,     high, 56, 2)
966 KEY_FIELD(KEY_PINNED,   high, 55, 1)
967 KEY_FIELD(KEY_DIRTY,    high, 36, 1)
968
969 KEY_FIELD(KEY_SIZE,     high, 20, 16)
970 KEY_FIELD(KEY_INODE,    high, 0,  20)
971
972 /* Next time I change the on disk format, KEY_OFFSET() won't be 64 bits */
973
974 static inline uint64_t KEY_OFFSET(const struct bkey *k)
975 {
976         return k->low;
977 }
978
979 static inline void SET_KEY_OFFSET(struct bkey *k, uint64_t v)
980 {
981         k->low = v;
982 }
983
984 PTR_FIELD(PTR_DEV,              51, 12)
985 PTR_FIELD(PTR_OFFSET,           8,  43)
986 PTR_FIELD(PTR_GEN,              0,  8)
987
988 #define PTR_CHECK_DEV           ((1 << 12) - 1)
989
990 #define PTR(gen, offset, dev)                                           \
991         ((((uint64_t) dev) << 51) | ((uint64_t) offset) << 8 | gen)
992
993 static inline size_t sector_to_bucket(struct cache_set *c, sector_t s)
994 {
995         return s >> c->bucket_bits;
996 }
997
998 static inline sector_t bucket_to_sector(struct cache_set *c, size_t b)
999 {
1000         return ((sector_t) b) << c->bucket_bits;
1001 }
1002
1003 static inline sector_t bucket_remainder(struct cache_set *c, sector_t s)
1004 {
1005         return s & (c->sb.bucket_size - 1);
1006 }
1007
1008 static inline struct cache *PTR_CACHE(struct cache_set *c,
1009                                       const struct bkey *k,
1010                                       unsigned ptr)
1011 {
1012         return c->cache[PTR_DEV(k, ptr)];
1013 }
1014
1015 static inline size_t PTR_BUCKET_NR(struct cache_set *c,
1016                                    const struct bkey *k,
1017                                    unsigned ptr)
1018 {
1019         return sector_to_bucket(c, PTR_OFFSET(k, ptr));
1020 }
1021
1022 static inline struct bucket *PTR_BUCKET(struct cache_set *c,
1023                                         const struct bkey *k,
1024                                         unsigned ptr)
1025 {
1026         return PTR_CACHE(c, k, ptr)->buckets + PTR_BUCKET_NR(c, k, ptr);
1027 }
1028
1029 /* Btree key macros */
1030
1031 /*
1032  * The high bit being set is a relic from when we used it to do binary
1033  * searches - it told you where a key started. It's not used anymore,
1034  * and can probably be safely dropped.
1035  */
1036 #define KEY(dev, sector, len)                                           \
1037 ((struct bkey) {                                                        \
1038         .high = (1ULL << 63) | ((uint64_t) (len) << 20) | (dev),        \
1039         .low = (sector)                                                 \
1040 })
1041
1042 static inline void bkey_init(struct bkey *k)
1043 {
1044         *k = KEY(0, 0, 0);
1045 }
1046
1047 #define KEY_START(k)            (KEY_OFFSET(k) - KEY_SIZE(k))
1048 #define START_KEY(k)            KEY(KEY_INODE(k), KEY_START(k), 0)
1049 #define MAX_KEY                 KEY(~(~0 << 20), ((uint64_t) ~0) >> 1, 0)
1050 #define ZERO_KEY                KEY(0, 0, 0)
1051
1052 /*
1053  * This is used for various on disk data structures - cache_sb, prio_set, bset,
1054  * jset: The checksum is _always_ the first 8 bytes of these structs
1055  */
1056 #define csum_set(i)                                                     \
1057         bch_crc64(((void *) (i)) + sizeof(uint64_t),                    \
1058               ((void *) end(i)) - (((void *) (i)) + sizeof(uint64_t)))
1059
1060 /* Error handling macros */
1061
1062 #define btree_bug(b, ...)                                               \
1063 do {                                                                    \
1064         if (bch_cache_set_error((b)->c, __VA_ARGS__))                   \
1065                 dump_stack();                                           \
1066 } while (0)
1067
1068 #define cache_bug(c, ...)                                               \
1069 do {                                                                    \
1070         if (bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__))                        \
1071                 dump_stack();                                           \
1072 } while (0)
1073
1074 #define btree_bug_on(cond, b, ...)                                      \
1075 do {                                                                    \
1076         if (cond)                                                       \
1077                 btree_bug(b, __VA_ARGS__);                              \
1078 } while (0)
1079
1080 #define cache_bug_on(cond, c, ...)                                      \
1081 do {                                                                    \
1082         if (cond)                                                       \
1083                 cache_bug(c, __VA_ARGS__);                              \
1084 } while (0)
1085
1086 #define cache_set_err_on(cond, c, ...)                                  \
1087 do {                                                                    \
1088         if (cond)                                                       \
1089                 bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__);                    \
1090 } while (0)
1091
1092 /* Looping macros */
1093
1094 #define for_each_cache(ca, cs, iter)                                    \
1095         for (iter = 0; ca = cs->cache[iter], iter < (cs)->sb.nr_in_set; iter++)
1096
1097 #define for_each_bucket(b, ca)                                          \
1098         for (b = (ca)->buckets + (ca)->sb.first_bucket;                 \
1099              b < (ca)->buckets + (ca)->sb.nbuckets; b++)
1100
1101 static inline void __bkey_put(struct cache_set *c, struct bkey *k)
1102 {
1103         unsigned i;
1104
1105         for (i = 0; i < KEY_PTRS(k); i++)
1106                 atomic_dec_bug(&PTR_BUCKET(c, k, i)->pin);
1107 }
1108
1109 static inline void cached_dev_put(struct cached_dev *dc)
1110 {
1111         if (atomic_dec_and_test(&dc->count))
1112                 schedule_work(&dc->detach);
1113 }
1114
1115 static inline bool cached_dev_get(struct cached_dev *dc)
1116 {
1117         if (!atomic_inc_not_zero(&dc->count))
1118                 return false;
1119
1120         /* Paired with the mb in cached_dev_attach */
1121         smp_mb__after_atomic_inc();
1122         return true;
1123 }
1124
1125 /*
1126  * bucket_gc_gen() returns the difference between the bucket's current gen and
1127  * the oldest gen of any pointer into that bucket in the btree (last_gc).
1128  *
1129  * bucket_disk_gen() returns the difference between the current gen and the gen
1130  * on disk; they're both used to make sure gens don't wrap around.
1131  */
1132
1133 static inline uint8_t bucket_gc_gen(struct bucket *b)
1134 {
1135         return b->gen - b->last_gc;
1136 }
1137
1138 static inline uint8_t bucket_disk_gen(struct bucket *b)
1139 {
1140         return b->gen - b->disk_gen;
1141 }
1142
1143 #define BUCKET_GC_GEN_MAX       96U
1144 #define BUCKET_DISK_GEN_MAX     64U
1145
1146 #define kobj_attribute_write(n, fn)                                     \
1147         static struct kobj_attribute ksysfs_##n = __ATTR(n, S_IWUSR, NULL, fn)
1148
1149 #define kobj_attribute_rw(n, show, store)                               \
1150         static struct kobj_attribute ksysfs_##n =                       \
1151                 __ATTR(n, S_IWUSR|S_IRUSR, show, store)
1152
1153 static inline void wake_up_allocators(struct cache_set *c)
1154 {
1155         struct cache *ca;
1156         unsigned i;
1157
1158         for_each_cache(ca, c, i)
1159                 wake_up_process(ca->alloc_thread);
1160 }
1161
1162 /* Forward declarations */
1163
1164 void bch_count_io_errors(struct cache *, int, const char *);
1165 void bch_bbio_count_io_errors(struct cache_set *, struct bio *,
1166                               int, const char *);
1167 void bch_bbio_endio(struct cache_set *, struct bio *, int, const char *);
1168 void bch_bbio_free(struct bio *, struct cache_set *);
1169 struct bio *bch_bbio_alloc(struct cache_set *);
1170
1171 struct bio *bch_bio_split(struct bio *, int, gfp_t, struct bio_set *);
1172 void bch_generic_make_request(struct bio *, struct bio_split_pool *);
1173 void __bch_submit_bbio(struct bio *, struct cache_set *);
1174 void bch_submit_bbio(struct bio *, struct cache_set *, struct bkey *, unsigned);
1175
1176 uint8_t bch_inc_gen(struct cache *, struct bucket *);
1177 void bch_rescale_priorities(struct cache_set *, int);
1178 bool bch_bucket_add_unused(struct cache *, struct bucket *);
1179
1180 long bch_bucket_alloc(struct cache *, unsigned, struct closure *);
1181 void bch_bucket_free(struct cache_set *, struct bkey *);
1182
1183 int __bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *, unsigned,
1184                            struct bkey *, int, struct closure *);
1185 int bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *, unsigned,
1186                          struct bkey *, int, struct closure *);
1187
1188 __printf(2, 3)
1189 bool bch_cache_set_error(struct cache_set *, const char *, ...);
1190
1191 void bch_prio_write(struct cache *);
1192 void bch_write_bdev_super(struct cached_dev *, struct closure *);
1193
1194 extern struct workqueue_struct *bcache_wq, *bch_gc_wq;
1195 extern const char * const bch_cache_modes[];
1196 extern struct mutex bch_register_lock;
1197 extern struct list_head bch_cache_sets;
1198
1199 extern struct kobj_type bch_cached_dev_ktype;
1200 extern struct kobj_type bch_flash_dev_ktype;
1201 extern struct kobj_type bch_cache_set_ktype;
1202 extern struct kobj_type bch_cache_set_internal_ktype;
1203 extern struct kobj_type bch_cache_ktype;
1204
1205 void bch_cached_dev_release(struct kobject *);
1206 void bch_flash_dev_release(struct kobject *);
1207 void bch_cache_set_release(struct kobject *);
1208 void bch_cache_release(struct kobject *);
1209
1210 int bch_uuid_write(struct cache_set *);
1211 void bcache_write_super(struct cache_set *);
1212
1213 int bch_flash_dev_create(struct cache_set *c, uint64_t size);
1214
1215 int bch_cached_dev_attach(struct cached_dev *, struct cache_set *);
1216 void bch_cached_dev_detach(struct cached_dev *);
1217 void bch_cached_dev_run(struct cached_dev *);
1218 void bcache_device_stop(struct bcache_device *);
1219
1220 void bch_cache_set_unregister(struct cache_set *);
1221 void bch_cache_set_stop(struct cache_set *);
1222
1223 struct cache_set *bch_cache_set_alloc(struct cache_sb *);
1224 void bch_btree_cache_free(struct cache_set *);
1225 int bch_btree_cache_alloc(struct cache_set *);
1226 void bch_moving_init_cache_set(struct cache_set *);
1227
1228 int bch_cache_allocator_start(struct cache *ca);
1229 void bch_cache_allocator_exit(struct cache *ca);
1230 int bch_cache_allocator_init(struct cache *ca);
1231
1232 void bch_debug_exit(void);
1233 int bch_debug_init(struct kobject *);
1234 void bch_writeback_exit(void);
1235 int bch_writeback_init(void);
1236 void bch_request_exit(void);
1237 int bch_request_init(void);
1238 void bch_btree_exit(void);
1239 int bch_btree_init(void);
1240
1241 #endif /* _BCACHE_H */