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[linux-2.6-block.git] / drivers / md / bcache / btree.h
1 #ifndef _BCACHE_BTREE_H
2 #define _BCACHE_BTREE_H
3
4 /*
5  * THE BTREE:
6  *
7  * At a high level, bcache's btree is relatively standard b+ tree. All keys and
8  * pointers are in the leaves; interior nodes only have pointers to the child
9  * nodes.
10  *
11  * In the interior nodes, a struct bkey always points to a child btree node, and
12  * the key is the highest key in the child node - except that the highest key in
13  * an interior node is always MAX_KEY. The size field refers to the size on disk
14  * of the child node - this would allow us to have variable sized btree nodes
15  * (handy for keeping the depth of the btree 1 by expanding just the root).
16  *
17  * Btree nodes are themselves log structured, but this is hidden fairly
18  * thoroughly. Btree nodes on disk will in practice have extents that overlap
19  * (because they were written at different times), but in memory we never have
20  * overlapping extents - when we read in a btree node from disk, the first thing
21  * we do is resort all the sets of keys with a mergesort, and in the same pass
22  * we check for overlapping extents and adjust them appropriately.
23  *
24  * struct btree_op is a central interface to the btree code. It's used for
25  * specifying read vs. write locking, and the embedded closure is used for
26  * waiting on IO or reserve memory.
27  *
28  * BTREE CACHE:
29  *
30  * Btree nodes are cached in memory; traversing the btree might require reading
31  * in btree nodes which is handled mostly transparently.
32  *
33  * bch_btree_node_get() looks up a btree node in the cache and reads it in from
34  * disk if necessary. This function is almost never called directly though - the
35  * btree() macro is used to get a btree node, call some function on it, and
36  * unlock the node after the function returns.
37  *
38  * The root is special cased - it's taken out of the cache's lru (thus pinning
39  * it in memory), so we can find the root of the btree by just dereferencing a
40  * pointer instead of looking it up in the cache. This makes locking a bit
41  * tricky, since the root pointer is protected by the lock in the btree node it
42  * points to - the btree_root() macro handles this.
43  *
44  * In various places we must be able to allocate memory for multiple btree nodes
45  * in order to make forward progress. To do this we use the btree cache itself
46  * as a reserve; if __get_free_pages() fails, we'll find a node in the btree
47  * cache we can reuse. We can't allow more than one thread to be doing this at a
48  * time, so there's a lock, implemented by a pointer to the btree_op closure -
49  * this allows the btree_root() macro to implicitly release this lock.
50  *
51  * BTREE IO:
52  *
53  * Btree nodes never have to be explicitly read in; bch_btree_node_get() handles
54  * this.
55  *
56  * For writing, we have two btree_write structs embeddded in struct btree - one
57  * write in flight, and one being set up, and we toggle between them.
58  *
59  * Writing is done with a single function -  bch_btree_write() really serves two
60  * different purposes and should be broken up into two different functions. When
61  * passing now = false, it merely indicates that the node is now dirty - calling
62  * it ensures that the dirty keys will be written at some point in the future.
63  *
64  * When passing now = true, bch_btree_write() causes a write to happen
65  * "immediately" (if there was already a write in flight, it'll cause the write
66  * to happen as soon as the previous write completes). It returns immediately
67  * though - but it takes a refcount on the closure in struct btree_op you passed
68  * to it, so a closure_sync() later can be used to wait for the write to
69  * complete.
70  *
71  * This is handy because btree_split() and garbage collection can issue writes
72  * in parallel, reducing the amount of time they have to hold write locks.
73  *
74  * LOCKING:
75  *
76  * When traversing the btree, we may need write locks starting at some level -
77  * inserting a key into the btree will typically only require a write lock on
78  * the leaf node.
79  *
80  * This is specified with the lock field in struct btree_op; lock = 0 means we
81  * take write locks at level <= 0, i.e. only leaf nodes. bch_btree_node_get()
82  * checks this field and returns the node with the appropriate lock held.
83  *
84  * If, after traversing the btree, the insertion code discovers it has to split
85  * then it must restart from the root and take new locks - to do this it changes
86  * the lock field and returns -EINTR, which causes the btree_root() macro to
87  * loop.
88  *
89  * Handling cache misses require a different mechanism for upgrading to a write
90  * lock. We do cache lookups with only a read lock held, but if we get a cache
91  * miss and we wish to insert this data into the cache, we have to insert a
92  * placeholder key to detect races - otherwise, we could race with a write and
93  * overwrite the data that was just written to the cache with stale data from
94  * the backing device.
95  *
96  * For this we use a sequence number that write locks and unlocks increment - to
97  * insert the check key it unlocks the btree node and then takes a write lock,
98  * and fails if the sequence number doesn't match.
99  */
100
101 #include "bset.h"
102 #include "debug.h"
103
104 struct btree_write {
105         atomic_t                *journal;
106
107         /* If btree_split() frees a btree node, it writes a new pointer to that
108          * btree node indicating it was freed; it takes a refcount on
109          * c->prio_blocked because we can't write the gens until the new
110          * pointer is on disk. This allows btree_write_endio() to release the
111          * refcount that btree_split() took.
112          */
113         int                     prio_blocked;
114 };
115
116 struct btree {
117         /* Hottest entries first */
118         struct hlist_node       hash;
119
120         /* Key/pointer for this btree node */
121         BKEY_PADDED(key);
122
123         /* Single bit - set when accessed, cleared by shrinker */
124         unsigned long           accessed;
125         unsigned long           seq;
126         struct rw_semaphore     lock;
127         struct cache_set        *c;
128         struct btree            *parent;
129
130         unsigned long           flags;
131         uint16_t                written;        /* would be nice to kill */
132         uint8_t                 level;
133         uint8_t                 nsets;
134         uint8_t                 page_order;
135
136         /*
137          * Set of sorted keys - the real btree node - plus a binary search tree
138          *
139          * sets[0] is special; set[0]->tree, set[0]->prev and set[0]->data point
140          * to the memory we have allocated for this btree node. Additionally,
141          * set[0]->data points to the entire btree node as it exists on disk.
142          */
143         struct bset_tree        sets[MAX_BSETS];
144
145         /* For outstanding btree writes, used as a lock - protects write_idx */
146         struct closure_with_waitlist    io;
147
148         struct list_head        list;
149         struct delayed_work     work;
150
151         struct btree_write      writes[2];
152         struct bio              *bio;
153 };
154
155 #define BTREE_FLAG(flag)                                                \
156 static inline bool btree_node_ ## flag(struct btree *b)                 \
157 {       return test_bit(BTREE_NODE_ ## flag, &b->flags); }              \
158                                                                         \
159 static inline void set_btree_node_ ## flag(struct btree *b)             \
160 {       set_bit(BTREE_NODE_ ## flag, &b->flags); }                      \
161
162 enum btree_flags {
163         BTREE_NODE_io_error,
164         BTREE_NODE_dirty,
165         BTREE_NODE_write_idx,
166 };
167
168 BTREE_FLAG(io_error);
169 BTREE_FLAG(dirty);
170 BTREE_FLAG(write_idx);
171
172 static inline struct btree_write *btree_current_write(struct btree *b)
173 {
174         return b->writes + btree_node_write_idx(b);
175 }
176
177 static inline struct btree_write *btree_prev_write(struct btree *b)
178 {
179         return b->writes + (btree_node_write_idx(b) ^ 1);
180 }
181
182 static inline unsigned bset_offset(struct btree *b, struct bset *i)
183 {
184         return (((size_t) i) - ((size_t) b->sets->data)) >> 9;
185 }
186
187 static inline struct bset *write_block(struct btree *b)
188 {
189         return ((void *) b->sets[0].data) + b->written * block_bytes(b->c);
190 }
191
192 static inline bool bset_written(struct btree *b, struct bset_tree *t)
193 {
194         return t->data < write_block(b);
195 }
196
197 static inline bool bkey_written(struct btree *b, struct bkey *k)
198 {
199         return k < write_block(b)->start;
200 }
201
202 static inline void set_gc_sectors(struct cache_set *c)
203 {
204         atomic_set(&c->sectors_to_gc, c->sb.bucket_size * c->nbuckets / 8);
205 }
206
207 static inline bool bch_ptr_invalid(struct btree *b, const struct bkey *k)
208 {
209         return __bch_ptr_invalid(b->c, b->level, k);
210 }
211
212 static inline struct bkey *bch_btree_iter_init(struct btree *b,
213                                                struct btree_iter *iter,
214                                                struct bkey *search)
215 {
216         return __bch_btree_iter_init(b, iter, search, b->sets);
217 }
218
219 void __bkey_put(struct cache_set *c, struct bkey *k);
220
221 /* Looping macros */
222
223 #define for_each_cached_btree(b, c, iter)                               \
224         for (iter = 0;                                                  \
225              iter < ARRAY_SIZE((c)->bucket_hash);                       \
226              iter++)                                                    \
227                 hlist_for_each_entry_rcu((b), (c)->bucket_hash + iter, hash)
228
229 #define for_each_key_filter(b, k, iter, filter)                         \
230         for (bch_btree_iter_init((b), (iter), NULL);                    \
231              ((k) = bch_btree_iter_next_filter((iter), b, filter));)
232
233 #define for_each_key(b, k, iter)                                        \
234         for (bch_btree_iter_init((b), (iter), NULL);                    \
235              ((k) = bch_btree_iter_next(iter));)
236
237 /* Recursing down the btree */
238
239 struct btree_op {
240         struct closure          cl;
241         struct cache_set        *c;
242
243         /* Journal entry we have a refcount on */
244         atomic_t                *journal;
245
246         /* Bio to be inserted into the cache */
247         struct bio              *cache_bio;
248
249         unsigned                inode;
250
251         uint16_t                write_prio;
252
253         /* Btree level at which we start taking write locks */
254         short                   lock;
255
256         /* Btree insertion type */
257         enum {
258                 BTREE_INSERT,
259                 BTREE_REPLACE
260         } type:8;
261
262         unsigned                csum:1;
263         unsigned                bypass:1;
264         unsigned                flush_journal:1;
265
266         unsigned                insert_data_done:1;
267         unsigned                lookup_done:1;
268         unsigned                insert_collision:1;
269
270         BKEY_PADDED(replace);
271 };
272
273 enum {
274         BTREE_INSERT_STATUS_INSERT,
275         BTREE_INSERT_STATUS_BACK_MERGE,
276         BTREE_INSERT_STATUS_OVERWROTE,
277         BTREE_INSERT_STATUS_FRONT_MERGE,
278 };
279
280 void bch_btree_op_init_stack(struct btree_op *);
281
282 static inline void rw_lock(bool w, struct btree *b, int level)
283 {
284         w ? down_write_nested(&b->lock, level + 1)
285           : down_read_nested(&b->lock, level + 1);
286         if (w)
287                 b->seq++;
288 }
289
290 static inline void rw_unlock(bool w, struct btree *b)
291 {
292 #ifdef CONFIG_BCACHE_EDEBUG
293         unsigned i;
294
295         if (w && b->key.ptr[0])
296                 for (i = 0; i <= b->nsets; i++)
297                         bch_check_key_order(b, b->sets[i].data);
298 #endif
299
300         if (w)
301                 b->seq++;
302         (w ? up_write : up_read)(&b->lock);
303 }
304
305 #define insert_lock(s, b)       ((b)->level <= (s)->lock)
306
307 /*
308  * These macros are for recursing down the btree - they handle the details of
309  * locking and looking up nodes in the cache for you. They're best treated as
310  * mere syntax when reading code that uses them.
311  *
312  * op->lock determines whether we take a read or a write lock at a given depth.
313  * If you've got a read lock and find that you need a write lock (i.e. you're
314  * going to have to split), set op->lock and return -EINTR; btree_root() will
315  * call you again and you'll have the correct lock.
316  */
317
318 /**
319  * btree - recurse down the btree on a specified key
320  * @fn:         function to call, which will be passed the child node
321  * @key:        key to recurse on
322  * @b:          parent btree node
323  * @op:         pointer to struct btree_op
324  */
325 #define btree(fn, key, b, op, ...)                                      \
326 ({                                                                      \
327         int _r, l = (b)->level - 1;                                     \
328         bool _w = l <= (op)->lock;                                      \
329         struct btree *_child = bch_btree_node_get((b)->c, key, l, _w);  \
330         if (!IS_ERR(_child)) {                                          \
331                 _child->parent = (b);                                   \
332                 _r = bch_btree_ ## fn(_child, op, ##__VA_ARGS__);       \
333                 rw_unlock(_w, _child);                                  \
334         } else                                                          \
335                 _r = PTR_ERR(_child);                                   \
336         _r;                                                             \
337 })
338
339 /**
340  * btree_root - call a function on the root of the btree
341  * @fn:         function to call, which will be passed the child node
342  * @c:          cache set
343  * @op:         pointer to struct btree_op
344  */
345 #define btree_root(fn, c, op, ...)                                      \
346 ({                                                                      \
347         int _r = -EINTR;                                                \
348         do {                                                            \
349                 struct btree *_b = (c)->root;                           \
350                 bool _w = insert_lock(op, _b);                          \
351                 rw_lock(_w, _b, _b->level);                             \
352                 if (_b == (c)->root &&                                  \
353                     _w == insert_lock(op, _b)) {                        \
354                         _b->parent = NULL;                              \
355                         _r = bch_btree_ ## fn(_b, op, ##__VA_ARGS__);   \
356                 }                                                       \
357                 rw_unlock(_w, _b);                                      \
358                 bch_cannibalize_unlock(c);                              \
359                 if (_r == -ENOSPC) {                                    \
360                         wait_event((c)->try_wait,                       \
361                                    !(c)->try_harder);                   \
362                         _r = -EINTR;                                    \
363                 }                                                       \
364         } while (_r == -EINTR);                                         \
365                                                                         \
366         _r;                                                             \
367 })
368
369 static inline bool should_split(struct btree *b)
370 {
371         struct bset *i = write_block(b);
372         return b->written >= btree_blocks(b) ||
373                 (b->written + __set_blocks(i, i->keys + 15, b->c)
374                  > btree_blocks(b));
375 }
376
377 void bch_btree_node_read(struct btree *);
378 void bch_btree_node_write(struct btree *, struct closure *);
379
380 void bch_cannibalize_unlock(struct cache_set *);
381 void bch_btree_set_root(struct btree *);
382 struct btree *bch_btree_node_alloc(struct cache_set *, int);
383 struct btree *bch_btree_node_get(struct cache_set *, struct bkey *, int, bool);
384
385 int bch_btree_insert_check_key(struct btree *, struct btree_op *,
386                                struct bkey *);
387 int bch_btree_insert(struct btree_op *, struct cache_set *, struct keylist *);
388
389 int bch_btree_search_recurse(struct btree *, struct btree_op *);
390
391 int bch_gc_thread_start(struct cache_set *);
392 size_t bch_btree_gc_finish(struct cache_set *);
393 void bch_moving_gc(struct cache_set *);
394 int bch_btree_check(struct cache_set *, struct btree_op *);
395 uint8_t __bch_btree_mark_key(struct cache_set *, int, struct bkey *);
396
397 static inline void wake_up_gc(struct cache_set *c)
398 {
399         if (c->gc_thread)
400                 wake_up_process(c->gc_thread);
401 }
402
403 void bch_keybuf_init(struct keybuf *);
404 void bch_refill_keybuf(struct cache_set *, struct keybuf *, struct bkey *,
405                        keybuf_pred_fn *);
406 bool bch_keybuf_check_overlapping(struct keybuf *, struct bkey *,
407                                   struct bkey *);
408 void bch_keybuf_del(struct keybuf *, struct keybuf_key *);
409 struct keybuf_key *bch_keybuf_next(struct keybuf *);
410 struct keybuf_key *bch_keybuf_next_rescan(struct cache_set *, struct keybuf *,
411                                           struct bkey *, keybuf_pred_fn *);
412
413 #endif