f407a59503173df69c3f16c2c4c38ed4ef578e0b
[linux-block.git] / block / blk-flush.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 /*
3  * Functions to sequence PREFLUSH and FUA writes.
4  *
5  * Copyright (C) 2011           Max Planck Institute for Gravitational Physics
6  * Copyright (C) 2011           Tejun Heo <tj@kernel.org>
7  *
8  * REQ_{PREFLUSH|FUA} requests are decomposed to sequences consisted of three
9  * optional steps - PREFLUSH, DATA and POSTFLUSH - according to the request
10  * properties and hardware capability.
11  *
12  * If a request doesn't have data, only REQ_PREFLUSH makes sense, which
13  * indicates a simple flush request.  If there is data, REQ_PREFLUSH indicates
14  * that the device cache should be flushed before the data is executed, and
15  * REQ_FUA means that the data must be on non-volatile media on request
16  * completion.
17  *
18  * If the device doesn't have writeback cache, PREFLUSH and FUA don't make any
19  * difference.  The requests are either completed immediately if there's no data
20  * or executed as normal requests otherwise.
21  *
22  * If the device has writeback cache and supports FUA, REQ_PREFLUSH is
23  * translated to PREFLUSH but REQ_FUA is passed down directly with DATA.
24  *
25  * If the device has writeback cache and doesn't support FUA, REQ_PREFLUSH
26  * is translated to PREFLUSH and REQ_FUA to POSTFLUSH.
27  *
28  * The actual execution of flush is double buffered.  Whenever a request
29  * needs to execute PRE or POSTFLUSH, it queues at
30  * fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx].  Once certain criteria are met, a
31  * REQ_OP_FLUSH is issued and the pending_idx is toggled.  When the flush
32  * completes, all the requests which were pending are proceeded to the next
33  * step.  This allows arbitrary merging of different types of PREFLUSH/FUA
34  * requests.
35  *
36  * Currently, the following conditions are used to determine when to issue
37  * flush.
38  *
39  * C1. At any given time, only one flush shall be in progress.  This makes
40  *     double buffering sufficient.
41  *
42  * C2. Flush is deferred if any request is executing DATA of its sequence.
43  *     This avoids issuing separate POSTFLUSHes for requests which shared
44  *     PREFLUSH.
45  *
46  * C3. The second condition is ignored if there is a request which has
47  *     waited longer than FLUSH_PENDING_TIMEOUT.  This is to avoid
48  *     starvation in the unlikely case where there are continuous stream of
49  *     FUA (without PREFLUSH) requests.
50  *
51  * For devices which support FUA, it isn't clear whether C2 (and thus C3)
52  * is beneficial.
53  *
54  * Note that a sequenced PREFLUSH/FUA request with DATA is completed twice.
55  * Once while executing DATA and again after the whole sequence is
56  * complete.  The first completion updates the contained bio but doesn't
57  * finish it so that the bio submitter is notified only after the whole
58  * sequence is complete.  This is implemented by testing RQF_FLUSH_SEQ in
59  * req_bio_endio().
60  *
61  * The above peculiarity requires that each PREFLUSH/FUA request has only one
62  * bio attached to it, which is guaranteed as they aren't allowed to be
63  * merged in the usual way.
64  */
65
66 #include <linux/kernel.h>
67 #include <linux/module.h>
68 #include <linux/bio.h>
69 #include <linux/blkdev.h>
70 #include <linux/gfp.h>
71 #include <linux/part_stat.h>
72
73 #include "blk.h"
74 #include "blk-mq.h"
75 #include "blk-mq-sched.h"
76
77 /* PREFLUSH/FUA sequences */
78 enum {
79         REQ_FSEQ_PREFLUSH       = (1 << 0), /* pre-flushing in progress */
80         REQ_FSEQ_DATA           = (1 << 1), /* data write in progress */
81         REQ_FSEQ_POSTFLUSH      = (1 << 2), /* post-flushing in progress */
82         REQ_FSEQ_DONE           = (1 << 3),
83
84         REQ_FSEQ_ACTIONS        = REQ_FSEQ_PREFLUSH | REQ_FSEQ_DATA |
85                                   REQ_FSEQ_POSTFLUSH,
86
87         /*
88          * If flush has been pending longer than the following timeout,
89          * it's issued even if flush_data requests are still in flight.
90          */
91         FLUSH_PENDING_TIMEOUT   = 5 * HZ,
92 };
93
94 static void blk_kick_flush(struct request_queue *q,
95                            struct blk_flush_queue *fq, blk_opf_t flags);
96
97 static inline struct blk_flush_queue *
98 blk_get_flush_queue(struct request_queue *q, struct blk_mq_ctx *ctx)
99 {
100         return blk_mq_map_queue(q, REQ_OP_FLUSH, ctx)->fq;
101 }
102
103 static unsigned int blk_flush_policy(unsigned long fflags, struct request *rq)
104 {
105         unsigned int policy = 0;
106
107         if (blk_rq_sectors(rq))
108                 policy |= REQ_FSEQ_DATA;
109
110         if (fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_WC)) {
111                 if (rq->cmd_flags & REQ_PREFLUSH)
112                         policy |= REQ_FSEQ_PREFLUSH;
113                 if (!(fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_FUA)) &&
114                     (rq->cmd_flags & REQ_FUA))
115                         policy |= REQ_FSEQ_POSTFLUSH;
116         }
117         return policy;
118 }
119
120 static unsigned int blk_flush_cur_seq(struct request *rq)
121 {
122         return 1 << ffz(rq->flush.seq);
123 }
124
125 static void blk_flush_restore_request(struct request *rq)
126 {
127         /*
128          * After flush data completion, @rq->bio is %NULL but we need to
129          * complete the bio again.  @rq->biotail is guaranteed to equal the
130          * original @rq->bio.  Restore it.
131          */
132         rq->bio = rq->biotail;
133
134         /* make @rq a normal request */
135         rq->rq_flags &= ~RQF_FLUSH_SEQ;
136         rq->end_io = rq->flush.saved_end_io;
137 }
138
139 static void blk_account_io_flush(struct request *rq)
140 {
141         struct block_device *part = rq->q->disk->part0;
142
143         part_stat_lock();
144         part_stat_inc(part, ios[STAT_FLUSH]);
145         part_stat_add(part, nsecs[STAT_FLUSH],
146                       ktime_get_ns() - rq->start_time_ns);
147         part_stat_unlock();
148 }
149
150 /**
151  * blk_flush_complete_seq - complete flush sequence
152  * @rq: PREFLUSH/FUA request being sequenced
153  * @fq: flush queue
154  * @seq: sequences to complete (mask of %REQ_FSEQ_*, can be zero)
155  * @error: whether an error occurred
156  *
157  * @rq just completed @seq part of its flush sequence, record the
158  * completion and trigger the next step.
159  *
160  * CONTEXT:
161  * spin_lock_irq(fq->mq_flush_lock)
162  */
163 static void blk_flush_complete_seq(struct request *rq,
164                                    struct blk_flush_queue *fq,
165                                    unsigned int seq, blk_status_t error)
166 {
167         struct request_queue *q = rq->q;
168         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
169         blk_opf_t cmd_flags;
170
171         BUG_ON(rq->flush.seq & seq);
172         rq->flush.seq |= seq;
173         cmd_flags = rq->cmd_flags;
174
175         if (likely(!error))
176                 seq = blk_flush_cur_seq(rq);
177         else
178                 seq = REQ_FSEQ_DONE;
179
180         switch (seq) {
181         case REQ_FSEQ_PREFLUSH:
182         case REQ_FSEQ_POSTFLUSH:
183                 /* queue for flush */
184                 if (list_empty(pending))
185                         fq->flush_pending_since = jiffies;
186                 list_move_tail(&rq->flush.list, pending);
187                 break;
188
189         case REQ_FSEQ_DATA:
190                 list_move_tail(&rq->flush.list, &fq->flush_data_in_flight);
191                 blk_mq_add_to_requeue_list(rq, 0);
192                 blk_mq_kick_requeue_list(q);
193                 break;
194
195         case REQ_FSEQ_DONE:
196                 /*
197                  * @rq was previously adjusted by blk_insert_flush() for
198                  * flush sequencing and may already have gone through the
199                  * flush data request completion path.  Restore @rq for
200                  * normal completion and end it.
201                  */
202                 list_del_init(&rq->flush.list);
203                 blk_flush_restore_request(rq);
204                 blk_mq_end_request(rq, error);
205                 break;
206
207         default:
208                 BUG();
209         }
210
211         blk_kick_flush(q, fq, cmd_flags);
212 }
213
214 static enum rq_end_io_ret flush_end_io(struct request *flush_rq,
215                                        blk_status_t error)
216 {
217         struct request_queue *q = flush_rq->q;
218         struct list_head *running;
219         struct request *rq, *n;
220         unsigned long flags = 0;
221         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, flush_rq->mq_ctx);
222
223         /* release the tag's ownership to the req cloned from */
224         spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
225
226         if (!req_ref_put_and_test(flush_rq)) {
227                 fq->rq_status = error;
228                 spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
229                 return RQ_END_IO_NONE;
230         }
231
232         blk_account_io_flush(flush_rq);
233         /*
234          * Flush request has to be marked as IDLE when it is really ended
235          * because its .end_io() is called from timeout code path too for
236          * avoiding use-after-free.
237          */
238         WRITE_ONCE(flush_rq->state, MQ_RQ_IDLE);
239         if (fq->rq_status != BLK_STS_OK) {
240                 error = fq->rq_status;
241                 fq->rq_status = BLK_STS_OK;
242         }
243
244         if (!q->elevator) {
245                 flush_rq->tag = BLK_MQ_NO_TAG;
246         } else {
247                 blk_mq_put_driver_tag(flush_rq);
248                 flush_rq->internal_tag = BLK_MQ_NO_TAG;
249         }
250
251         running = &fq->flush_queue[fq->flush_running_idx];
252         BUG_ON(fq->flush_pending_idx == fq->flush_running_idx);
253
254         /* account completion of the flush request */
255         fq->flush_running_idx ^= 1;
256
257         /* and push the waiting requests to the next stage */
258         list_for_each_entry_safe(rq, n, running, flush.list) {
259                 unsigned int seq = blk_flush_cur_seq(rq);
260
261                 BUG_ON(seq != REQ_FSEQ_PREFLUSH && seq != REQ_FSEQ_POSTFLUSH);
262                 blk_flush_complete_seq(rq, fq, seq, error);
263         }
264
265         spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
266         return RQ_END_IO_NONE;
267 }
268
269 bool is_flush_rq(struct request *rq)
270 {
271         return rq->end_io == flush_end_io;
272 }
273
274 /**
275  * blk_kick_flush - consider issuing flush request
276  * @q: request_queue being kicked
277  * @fq: flush queue
278  * @flags: cmd_flags of the original request
279  *
280  * Flush related states of @q have changed, consider issuing flush request.
281  * Please read the comment at the top of this file for more info.
282  *
283  * CONTEXT:
284  * spin_lock_irq(fq->mq_flush_lock)
285  *
286  */
287 static void blk_kick_flush(struct request_queue *q, struct blk_flush_queue *fq,
288                            blk_opf_t flags)
289 {
290         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
291         struct request *first_rq =
292                 list_first_entry(pending, struct request, flush.list);
293         struct request *flush_rq = fq->flush_rq;
294
295         /* C1 described at the top of this file */
296         if (fq->flush_pending_idx != fq->flush_running_idx || list_empty(pending))
297                 return;
298
299         /* C2 and C3 */
300         if (!list_empty(&fq->flush_data_in_flight) &&
301             time_before(jiffies,
302                         fq->flush_pending_since + FLUSH_PENDING_TIMEOUT))
303                 return;
304
305         /*
306          * Issue flush and toggle pending_idx.  This makes pending_idx
307          * different from running_idx, which means flush is in flight.
308          */
309         fq->flush_pending_idx ^= 1;
310
311         blk_rq_init(q, flush_rq);
312
313         /*
314          * In case of none scheduler, borrow tag from the first request
315          * since they can't be in flight at the same time. And acquire
316          * the tag's ownership for flush req.
317          *
318          * In case of IO scheduler, flush rq need to borrow scheduler tag
319          * just for cheating put/get driver tag.
320          */
321         flush_rq->mq_ctx = first_rq->mq_ctx;
322         flush_rq->mq_hctx = first_rq->mq_hctx;
323
324         if (!q->elevator) {
325                 flush_rq->tag = first_rq->tag;
326
327                 /*
328                  * We borrow data request's driver tag, so have to mark
329                  * this flush request as INFLIGHT for avoiding double
330                  * account of this driver tag
331                  */
332                 flush_rq->rq_flags |= RQF_MQ_INFLIGHT;
333         } else
334                 flush_rq->internal_tag = first_rq->internal_tag;
335
336         flush_rq->cmd_flags = REQ_OP_FLUSH | REQ_PREFLUSH;
337         flush_rq->cmd_flags |= (flags & REQ_DRV) | (flags & REQ_FAILFAST_MASK);
338         flush_rq->rq_flags |= RQF_FLUSH_SEQ;
339         flush_rq->end_io = flush_end_io;
340         /*
341          * Order WRITE ->end_io and WRITE rq->ref, and its pair is the one
342          * implied in refcount_inc_not_zero() called from
343          * blk_mq_find_and_get_req(), which orders WRITE/READ flush_rq->ref
344          * and READ flush_rq->end_io
345          */
346         smp_wmb();
347         req_ref_set(flush_rq, 1);
348
349         blk_mq_add_to_requeue_list(flush_rq, 0);
350         blk_mq_kick_requeue_list(q);
351 }
352
353 static enum rq_end_io_ret mq_flush_data_end_io(struct request *rq,
354                                                blk_status_t error)
355 {
356         struct request_queue *q = rq->q;
357         struct blk_mq_hw_ctx *hctx = rq->mq_hctx;
358         struct blk_mq_ctx *ctx = rq->mq_ctx;
359         unsigned long flags;
360         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, ctx);
361
362         if (q->elevator) {
363                 WARN_ON(rq->tag < 0);
364                 blk_mq_put_driver_tag(rq);
365         }
366
367         /*
368          * After populating an empty queue, kick it to avoid stall.  Read
369          * the comment in flush_end_io().
370          */
371         spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
372         blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_DATA, error);
373         spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
374
375         blk_mq_sched_restart(hctx);
376         return RQ_END_IO_NONE;
377 }
378
379 static void blk_rq_init_flush(struct request *rq)
380 {
381         rq->flush.seq = 0;
382         INIT_LIST_HEAD(&rq->flush.list);
383         rq->rq_flags |= RQF_FLUSH_SEQ;
384         rq->flush.saved_end_io = rq->end_io; /* Usually NULL */
385         rq->end_io = mq_flush_data_end_io;
386 }
387
388 /*
389  * Insert a PREFLUSH/FUA request into the flush state machine.
390  * Returns true if the request has been consumed by the flush state machine,
391  * or false if the caller should continue to process it.
392  */
393 bool blk_insert_flush(struct request *rq)
394 {
395         struct request_queue *q = rq->q;
396         unsigned long fflags = q->queue_flags;  /* may change, cache */
397         unsigned int policy = blk_flush_policy(fflags, rq);
398         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, rq->mq_ctx);
399
400         /* FLUSH/FUA request must never be merged */
401         WARN_ON_ONCE(rq->bio != rq->biotail);
402
403         /*
404          * @policy now records what operations need to be done.  Adjust
405          * REQ_PREFLUSH and FUA for the driver.
406          */
407         rq->cmd_flags &= ~REQ_PREFLUSH;
408         if (!(fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_FUA)))
409                 rq->cmd_flags &= ~REQ_FUA;
410
411         /*
412          * REQ_PREFLUSH|REQ_FUA implies REQ_SYNC, so if we clear any
413          * of those flags, we have to set REQ_SYNC to avoid skewing
414          * the request accounting.
415          */
416         rq->cmd_flags |= REQ_SYNC;
417
418         switch (policy) {
419         case 0:
420                 /*
421                  * An empty flush handed down from a stacking driver may
422                  * translate into nothing if the underlying device does not
423                  * advertise a write-back cache.  In this case, simply
424                  * complete the request.
425                  */
426                 blk_mq_end_request(rq, 0);
427                 return true;
428         case REQ_FSEQ_DATA:
429                 /*
430                  * If there's data, but no flush is necessary, the request can
431                  * be processed directly without going through flush machinery.
432                  * Queue for normal execution.
433                  */
434                 return false;
435         case REQ_FSEQ_DATA | REQ_FSEQ_POSTFLUSH:
436                 /*
437                  * Initialize the flush fields and completion handler to trigger
438                  * the post flush, and then just pass the command on.
439                  */
440                 blk_rq_init_flush(rq);
441                 rq->flush.seq |= REQ_FSEQ_POSTFLUSH;
442                 spin_lock_irq(&fq->mq_flush_lock);
443                 list_move_tail(&rq->flush.list, &fq->flush_data_in_flight);
444                 spin_unlock_irq(&fq->mq_flush_lock);
445                 return false;
446         default:
447                 /*
448                  * Mark the request as part of a flush sequence and submit it
449                  * for further processing to the flush state machine.
450                  */
451                 blk_rq_init_flush(rq);
452                 spin_lock_irq(&fq->mq_flush_lock);
453                 blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_ACTIONS & ~policy, 0);
454                 spin_unlock_irq(&fq->mq_flush_lock);
455                 return true;
456         }
457 }
458
459 /**
460  * blkdev_issue_flush - queue a flush
461  * @bdev:       blockdev to issue flush for
462  *
463  * Description:
464  *    Issue a flush for the block device in question.
465  */
466 int blkdev_issue_flush(struct block_device *bdev)
467 {
468         struct bio bio;
469
470         bio_init(&bio, bdev, NULL, 0, REQ_OP_WRITE | REQ_PREFLUSH);
471         return submit_bio_wait(&bio);
472 }
473 EXPORT_SYMBOL(blkdev_issue_flush);
474
475 struct blk_flush_queue *blk_alloc_flush_queue(int node, int cmd_size,
476                                               gfp_t flags)
477 {
478         struct blk_flush_queue *fq;
479         int rq_sz = sizeof(struct request);
480
481         fq = kzalloc_node(sizeof(*fq), flags, node);
482         if (!fq)
483                 goto fail;
484
485         spin_lock_init(&fq->mq_flush_lock);
486
487         rq_sz = round_up(rq_sz + cmd_size, cache_line_size());
488         fq->flush_rq = kzalloc_node(rq_sz, flags, node);
489         if (!fq->flush_rq)
490                 goto fail_rq;
491
492         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[0]);
493         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[1]);
494         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_data_in_flight);
495
496         return fq;
497
498  fail_rq:
499         kfree(fq);
500  fail:
501         return NULL;
502 }
503
504 void blk_free_flush_queue(struct blk_flush_queue *fq)
505 {
506         /* bio based request queue hasn't flush queue */
507         if (!fq)
508                 return;
509
510         kfree(fq->flush_rq);
511         kfree(fq);
512 }
513
514 /*
515  * Allow driver to set its own lock class to fq->mq_flush_lock for
516  * avoiding lockdep complaint.
517  *
518  * flush_end_io() may be called recursively from some driver, such as
519  * nvme-loop, so lockdep may complain 'possible recursive locking' because
520  * all 'struct blk_flush_queue' instance share same mq_flush_lock lock class
521  * key. We need to assign different lock class for these driver's
522  * fq->mq_flush_lock for avoiding the lockdep warning.
523  *
524  * Use dynamically allocated lock class key for each 'blk_flush_queue'
525  * instance is over-kill, and more worse it introduces horrible boot delay
526  * issue because synchronize_rcu() is implied in lockdep_unregister_key which
527  * is called for each hctx release. SCSI probing may synchronously create and
528  * destroy lots of MQ request_queues for non-existent devices, and some robot
529  * test kernel always enable lockdep option. It is observed that more than half
530  * an hour is taken during SCSI MQ probe with per-fq lock class.
531  */
532 void blk_mq_hctx_set_fq_lock_class(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
533                 struct lock_class_key *key)
534 {
535         lockdep_set_class(&hctx->fq->mq_flush_lock, key);
536 }
537 EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_mq_hctx_set_fq_lock_class);