kyber: fix out of bounds access when preempted
[linux-2.6-microblaze.git] / block / bfq-iosched.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
2 /*
3  * Budget Fair Queueing (BFQ) I/O scheduler.
4  *
5  * Based on ideas and code from CFQ:
6  * Copyright (C) 2003 Jens Axboe <axboe@kernel.dk>
7  *
8  * Copyright (C) 2008 Fabio Checconi <fabio@gandalf.sssup.it>
9  *                    Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
10  *
11  * Copyright (C) 2010 Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
12  *                    Arianna Avanzini <avanzini@google.com>
13  *
14  * Copyright (C) 2017 Paolo Valente <paolo.valente@linaro.org>
15  *
16  * BFQ is a proportional-share I/O scheduler, with some extra
17  * low-latency capabilities. BFQ also supports full hierarchical
18  * scheduling through cgroups. Next paragraphs provide an introduction
19  * on BFQ inner workings. Details on BFQ benefits, usage and
20  * limitations can be found in Documentation/block/bfq-iosched.rst.
21  *
22  * BFQ is a proportional-share storage-I/O scheduling algorithm based
23  * on the slice-by-slice service scheme of CFQ. But BFQ assigns
24  * budgets, measured in number of sectors, to processes instead of
25  * time slices. The device is not granted to the in-service process
26  * for a given time slice, but until it has exhausted its assigned
27  * budget. This change from the time to the service domain enables BFQ
28  * to distribute the device throughput among processes as desired,
29  * without any distortion due to throughput fluctuations, or to device
30  * internal queueing. BFQ uses an ad hoc internal scheduler, called
31  * B-WF2Q+, to schedule processes according to their budgets. More
32  * precisely, BFQ schedules queues associated with processes. Each
33  * process/queue is assigned a user-configurable weight, and B-WF2Q+
34  * guarantees that each queue receives a fraction of the throughput
35  * proportional to its weight. Thanks to the accurate policy of
36  * B-WF2Q+, BFQ can afford to assign high budgets to I/O-bound
37  * processes issuing sequential requests (to boost the throughput),
38  * and yet guarantee a low latency to interactive and soft real-time
39  * applications.
40  *
41  * In particular, to provide these low-latency guarantees, BFQ
42  * explicitly privileges the I/O of two classes of time-sensitive
43  * applications: interactive and soft real-time. In more detail, BFQ
44  * behaves this way if the low_latency parameter is set (default
45  * configuration). This feature enables BFQ to provide applications in
46  * these classes with a very low latency.
47  *
48  * To implement this feature, BFQ constantly tries to detect whether
49  * the I/O requests in a bfq_queue come from an interactive or a soft
50  * real-time application. For brevity, in these cases, the queue is
51  * said to be interactive or soft real-time. In both cases, BFQ
52  * privileges the service of the queue, over that of non-interactive
53  * and non-soft-real-time queues. This privileging is performed,
54  * mainly, by raising the weight of the queue. So, for brevity, we
55  * call just weight-raising periods the time periods during which a
56  * queue is privileged, because deemed interactive or soft real-time.
57  *
58  * The detection of soft real-time queues/applications is described in
59  * detail in the comments on the function
60  * bfq_bfqq_softrt_next_start. On the other hand, the detection of an
61  * interactive queue works as follows: a queue is deemed interactive
62  * if it is constantly non empty only for a limited time interval,
63  * after which it does become empty. The queue may be deemed
64  * interactive again (for a limited time), if it restarts being
65  * constantly non empty, provided that this happens only after the
66  * queue has remained empty for a given minimum idle time.
67  *
68  * By default, BFQ computes automatically the above maximum time
69  * interval, i.e., the time interval after which a constantly
70  * non-empty queue stops being deemed interactive. Since a queue is
71  * weight-raised while it is deemed interactive, this maximum time
72  * interval happens to coincide with the (maximum) duration of the
73  * weight-raising for interactive queues.
74  *
75  * Finally, BFQ also features additional heuristics for
76  * preserving both a low latency and a high throughput on NCQ-capable,
77  * rotational or flash-based devices, and to get the job done quickly
78  * for applications consisting in many I/O-bound processes.
79  *
80  * NOTE: if the main or only goal, with a given device, is to achieve
81  * the maximum-possible throughput at all times, then do switch off
82  * all low-latency heuristics for that device, by setting low_latency
83  * to 0.
84  *
85  * BFQ is described in [1], where also a reference to the initial,
86  * more theoretical paper on BFQ can be found. The interested reader
87  * can find in the latter paper full details on the main algorithm, as
88  * well as formulas of the guarantees and formal proofs of all the
89  * properties.  With respect to the version of BFQ presented in these
90  * papers, this implementation adds a few more heuristics, such as the
91  * ones that guarantee a low latency to interactive and soft real-time
92  * applications, and a hierarchical extension based on H-WF2Q+.
93  *
94  * B-WF2Q+ is based on WF2Q+, which is described in [2], together with
95  * H-WF2Q+, while the augmented tree used here to implement B-WF2Q+
96  * with O(log N) complexity derives from the one introduced with EEVDF
97  * in [3].
98  *
99  * [1] P. Valente, A. Avanzini, "Evolution of the BFQ Storage I/O
100  *     Scheduler", Proceedings of the First Workshop on Mobile System
101  *     Technologies (MST-2015), May 2015.
102  *     http://algogroup.unimore.it/people/paolo/disk_sched/mst-2015.pdf
103  *
104  * [2] Jon C.R. Bennett and H. Zhang, "Hierarchical Packet Fair Queueing
105  *     Algorithms", IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(5):675-689,
106  *     Oct 1997.
107  *
108  * http://www.cs.cmu.edu/~hzhang/papers/TON-97-Oct.ps.gz
109  *
110  * [3] I. Stoica and H. Abdel-Wahab, "Earliest Eligible Virtual Deadline
111  *     First: A Flexible and Accurate Mechanism for Proportional Share
112  *     Resource Allocation", technical report.
113  *
114  * http://www.cs.berkeley.edu/~istoica/papers/eevdf-tr-95.pdf
115  */
116 #include <linux/module.h>
117 #include <linux/slab.h>
118 #include <linux/blkdev.h>
119 #include <linux/cgroup.h>
120 #include <linux/elevator.h>
121 #include <linux/ktime.h>
122 #include <linux/rbtree.h>
123 #include <linux/ioprio.h>
124 #include <linux/sbitmap.h>
125 #include <linux/delay.h>
126 #include <linux/backing-dev.h>
127
128 #include <trace/events/block.h>
129
130 #include "blk.h"
131 #include "blk-mq.h"
132 #include "blk-mq-tag.h"
133 #include "blk-mq-sched.h"
134 #include "bfq-iosched.h"
135 #include "blk-wbt.h"
136
137 #define BFQ_BFQQ_FNS(name)                                              \
138 void bfq_mark_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                       \
139 {                                                                       \
140         __set_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);                        \
141 }                                                                       \
142 void bfq_clear_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                      \
143 {                                                                       \
144         __clear_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);              \
145 }                                                                       \
146 int bfq_bfqq_##name(const struct bfq_queue *bfqq)                       \
147 {                                                                       \
148         return test_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);          \
149 }
150
151 BFQ_BFQQ_FNS(just_created);
152 BFQ_BFQQ_FNS(busy);
153 BFQ_BFQQ_FNS(wait_request);
154 BFQ_BFQQ_FNS(non_blocking_wait_rq);
155 BFQ_BFQQ_FNS(fifo_expire);
156 BFQ_BFQQ_FNS(has_short_ttime);
157 BFQ_BFQQ_FNS(sync);
158 BFQ_BFQQ_FNS(IO_bound);
159 BFQ_BFQQ_FNS(in_large_burst);
160 BFQ_BFQQ_FNS(coop);
161 BFQ_BFQQ_FNS(split_coop);
162 BFQ_BFQQ_FNS(softrt_update);
163 #undef BFQ_BFQQ_FNS                                             \
164
165 /* Expiration time of async (0) and sync (1) requests, in ns. */
166 static const u64 bfq_fifo_expire[2] = { NSEC_PER_SEC / 4, NSEC_PER_SEC / 8 };
167
168 /* Maximum backwards seek (magic number lifted from CFQ), in KiB. */
169 static const int bfq_back_max = 16 * 1024;
170
171 /* Penalty of a backwards seek, in number of sectors. */
172 static const int bfq_back_penalty = 2;
173
174 /* Idling period duration, in ns. */
175 static u64 bfq_slice_idle = NSEC_PER_SEC / 125;
176
177 /* Minimum number of assigned budgets for which stats are safe to compute. */
178 static const int bfq_stats_min_budgets = 194;
179
180 /* Default maximum budget values, in sectors and number of requests. */
181 static const int bfq_default_max_budget = 16 * 1024;
182
183 /*
184  * When a sync request is dispatched, the queue that contains that
185  * request, and all the ancestor entities of that queue, are charged
186  * with the number of sectors of the request. In contrast, if the
187  * request is async, then the queue and its ancestor entities are
188  * charged with the number of sectors of the request, multiplied by
189  * the factor below. This throttles the bandwidth for async I/O,
190  * w.r.t. to sync I/O, and it is done to counter the tendency of async
191  * writes to steal I/O throughput to reads.
192  *
193  * The current value of this parameter is the result of a tuning with
194  * several hardware and software configurations. We tried to find the
195  * lowest value for which writes do not cause noticeable problems to
196  * reads. In fact, the lower this parameter, the stabler I/O control,
197  * in the following respect.  The lower this parameter is, the less
198  * the bandwidth enjoyed by a group decreases
199  * - when the group does writes, w.r.t. to when it does reads;
200  * - when other groups do reads, w.r.t. to when they do writes.
201  */
202 static const int bfq_async_charge_factor = 3;
203
204 /* Default timeout values, in jiffies, approximating CFQ defaults. */
205 const int bfq_timeout = HZ / 8;
206
207 /*
208  * Time limit for merging (see comments in bfq_setup_cooperator). Set
209  * to the slowest value that, in our tests, proved to be effective in
210  * removing false positives, while not causing true positives to miss
211  * queue merging.
212  *
213  * As can be deduced from the low time limit below, queue merging, if
214  * successful, happens at the very beginning of the I/O of the involved
215  * cooperating processes, as a consequence of the arrival of the very
216  * first requests from each cooperator.  After that, there is very
217  * little chance to find cooperators.
218  */
219 static const unsigned long bfq_merge_time_limit = HZ/10;
220
221 static struct kmem_cache *bfq_pool;
222
223 /* Below this threshold (in ns), we consider thinktime immediate. */
224 #define BFQ_MIN_TT              (2 * NSEC_PER_MSEC)
225
226 /* hw_tag detection: parallel requests threshold and min samples needed. */
227 #define BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD  3
228 #define BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES    32
229
230 #define BFQQ_SEEK_THR           (sector_t)(8 * 100)
231 #define BFQQ_SECT_THR_NONROT    (sector_t)(2 * 32)
232 #define BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, last_pos, rq) \
233         (get_sdist(last_pos, rq) >                      \
234          BFQQ_SEEK_THR &&                               \
235          (!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) ||             \
236           blk_rq_sectors(rq) < BFQQ_SECT_THR_NONROT))
237 #define BFQQ_CLOSE_THR          (sector_t)(8 * 1024)
238 #define BFQQ_SEEKY(bfqq)        (hweight32(bfqq->seek_history) > 19)
239 /*
240  * Sync random I/O is likely to be confused with soft real-time I/O,
241  * because it is characterized by limited throughput and apparently
242  * isochronous arrival pattern. To avoid false positives, queues
243  * containing only random (seeky) I/O are prevented from being tagged
244  * as soft real-time.
245  */
246 #define BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)        (bfqq->seek_history == -1)
247
248 /* Min number of samples required to perform peak-rate update */
249 #define BFQ_RATE_MIN_SAMPLES    32
250 /* Min observation time interval required to perform a peak-rate update (ns) */
251 #define BFQ_RATE_MIN_INTERVAL   (300*NSEC_PER_MSEC)
252 /* Target observation time interval for a peak-rate update (ns) */
253 #define BFQ_RATE_REF_INTERVAL   NSEC_PER_SEC
254
255 /*
256  * Shift used for peak-rate fixed precision calculations.
257  * With
258  * - the current shift: 16 positions
259  * - the current type used to store rate: u32
260  * - the current unit of measure for rate: [sectors/usec], or, more precisely,
261  *   [(sectors/usec) / 2^BFQ_RATE_SHIFT] to take into account the shift,
262  * the range of rates that can be stored is
263  * [1 / 2^BFQ_RATE_SHIFT, 2^(32 - BFQ_RATE_SHIFT)] sectors/usec =
264  * [1 / 2^16, 2^16] sectors/usec = [15e-6, 65536] sectors/usec =
265  * [15, 65G] sectors/sec
266  * Which, assuming a sector size of 512B, corresponds to a range of
267  * [7.5K, 33T] B/sec
268  */
269 #define BFQ_RATE_SHIFT          16
270
271 /*
272  * When configured for computing the duration of the weight-raising
273  * for interactive queues automatically (see the comments at the
274  * beginning of this file), BFQ does it using the following formula:
275  * duration = (ref_rate / r) * ref_wr_duration,
276  * where r is the peak rate of the device, and ref_rate and
277  * ref_wr_duration are two reference parameters.  In particular,
278  * ref_rate is the peak rate of the reference storage device (see
279  * below), and ref_wr_duration is about the maximum time needed, with
280  * BFQ and while reading two files in parallel, to load typical large
281  * applications on the reference device (see the comments on
282  * max_service_from_wr below, for more details on how ref_wr_duration
283  * is obtained).  In practice, the slower/faster the device at hand
284  * is, the more/less it takes to load applications with respect to the
285  * reference device.  Accordingly, the longer/shorter BFQ grants
286  * weight raising to interactive applications.
287  *
288  * BFQ uses two different reference pairs (ref_rate, ref_wr_duration),
289  * depending on whether the device is rotational or non-rotational.
290  *
291  * In the following definitions, ref_rate[0] and ref_wr_duration[0]
292  * are the reference values for a rotational device, whereas
293  * ref_rate[1] and ref_wr_duration[1] are the reference values for a
294  * non-rotational device. The reference rates are not the actual peak
295  * rates of the devices used as a reference, but slightly lower
296  * values. The reason for using slightly lower values is that the
297  * peak-rate estimator tends to yield slightly lower values than the
298  * actual peak rate (it can yield the actual peak rate only if there
299  * is only one process doing I/O, and the process does sequential
300  * I/O).
301  *
302  * The reference peak rates are measured in sectors/usec, left-shifted
303  * by BFQ_RATE_SHIFT.
304  */
305 static int ref_rate[2] = {14000, 33000};
306 /*
307  * To improve readability, a conversion function is used to initialize
308  * the following array, which entails that the array can be
309  * initialized only in a function.
310  */
311 static int ref_wr_duration[2];
312
313 /*
314  * BFQ uses the above-detailed, time-based weight-raising mechanism to
315  * privilege interactive tasks. This mechanism is vulnerable to the
316  * following false positives: I/O-bound applications that will go on
317  * doing I/O for much longer than the duration of weight
318  * raising. These applications have basically no benefit from being
319  * weight-raised at the beginning of their I/O. On the opposite end,
320  * while being weight-raised, these applications
321  * a) unjustly steal throughput to applications that may actually need
322  * low latency;
323  * b) make BFQ uselessly perform device idling; device idling results
324  * in loss of device throughput with most flash-based storage, and may
325  * increase latencies when used purposelessly.
326  *
327  * BFQ tries to reduce these problems, by adopting the following
328  * countermeasure. To introduce this countermeasure, we need first to
329  * finish explaining how the duration of weight-raising for
330  * interactive tasks is computed.
331  *
332  * For a bfq_queue deemed as interactive, the duration of weight
333  * raising is dynamically adjusted, as a function of the estimated
334  * peak rate of the device, so as to be equal to the time needed to
335  * execute the 'largest' interactive task we benchmarked so far. By
336  * largest task, we mean the task for which each involved process has
337  * to do more I/O than for any of the other tasks we benchmarked. This
338  * reference interactive task is the start-up of LibreOffice Writer,
339  * and in this task each process/bfq_queue needs to have at most ~110K
340  * sectors transferred.
341  *
342  * This last piece of information enables BFQ to reduce the actual
343  * duration of weight-raising for at least one class of I/O-bound
344  * applications: those doing sequential or quasi-sequential I/O. An
345  * example is file copy. In fact, once started, the main I/O-bound
346  * processes of these applications usually consume the above 110K
347  * sectors in much less time than the processes of an application that
348  * is starting, because these I/O-bound processes will greedily devote
349  * almost all their CPU cycles only to their target,
350  * throughput-friendly I/O operations. This is even more true if BFQ
351  * happens to be underestimating the device peak rate, and thus
352  * overestimating the duration of weight raising. But, according to
353  * our measurements, once transferred 110K sectors, these processes
354  * have no right to be weight-raised any longer.
355  *
356  * Basing on the last consideration, BFQ ends weight-raising for a
357  * bfq_queue if the latter happens to have received an amount of
358  * service at least equal to the following constant. The constant is
359  * set to slightly more than 110K, to have a minimum safety margin.
360  *
361  * This early ending of weight-raising reduces the amount of time
362  * during which interactive false positives cause the two problems
363  * described at the beginning of these comments.
364  */
365 static const unsigned long max_service_from_wr = 120000;
366
367 #define RQ_BIC(rq)              icq_to_bic((rq)->elv.priv[0])
368 #define RQ_BFQQ(rq)             ((rq)->elv.priv[1])
369
370 struct bfq_queue *bic_to_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
371 {
372         return bic->bfqq[is_sync];
373 }
374
375 void bic_set_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq, bool is_sync)
376 {
377         bic->bfqq[is_sync] = bfqq;
378 }
379
380 struct bfq_data *bic_to_bfqd(struct bfq_io_cq *bic)
381 {
382         return bic->icq.q->elevator->elevator_data;
383 }
384
385 /**
386  * icq_to_bic - convert iocontext queue structure to bfq_io_cq.
387  * @icq: the iocontext queue.
388  */
389 static struct bfq_io_cq *icq_to_bic(struct io_cq *icq)
390 {
391         /* bic->icq is the first member, %NULL will convert to %NULL */
392         return container_of(icq, struct bfq_io_cq, icq);
393 }
394
395 /**
396  * bfq_bic_lookup - search into @ioc a bic associated to @bfqd.
397  * @bfqd: the lookup key.
398  * @ioc: the io_context of the process doing I/O.
399  * @q: the request queue.
400  */
401 static struct bfq_io_cq *bfq_bic_lookup(struct bfq_data *bfqd,
402                                         struct io_context *ioc,
403                                         struct request_queue *q)
404 {
405         if (ioc) {
406                 unsigned long flags;
407                 struct bfq_io_cq *icq;
408
409                 spin_lock_irqsave(&q->queue_lock, flags);
410                 icq = icq_to_bic(ioc_lookup_icq(ioc, q));
411                 spin_unlock_irqrestore(&q->queue_lock, flags);
412
413                 return icq;
414         }
415
416         return NULL;
417 }
418
419 /*
420  * Scheduler run of queue, if there are requests pending and no one in the
421  * driver that will restart queueing.
422  */
423 void bfq_schedule_dispatch(struct bfq_data *bfqd)
424 {
425         if (bfqd->queued != 0) {
426                 bfq_log(bfqd, "schedule dispatch");
427                 blk_mq_run_hw_queues(bfqd->queue, true);
428         }
429 }
430
431 #define bfq_class_idle(bfqq)    ((bfqq)->ioprio_class == IOPRIO_CLASS_IDLE)
432
433 #define bfq_sample_valid(samples)       ((samples) > 80)
434
435 /*
436  * Lifted from AS - choose which of rq1 and rq2 that is best served now.
437  * We choose the request that is closer to the head right now.  Distance
438  * behind the head is penalized and only allowed to a certain extent.
439  */
440 static struct request *bfq_choose_req(struct bfq_data *bfqd,
441                                       struct request *rq1,
442                                       struct request *rq2,
443                                       sector_t last)
444 {
445         sector_t s1, s2, d1 = 0, d2 = 0;
446         unsigned long back_max;
447 #define BFQ_RQ1_WRAP    0x01 /* request 1 wraps */
448 #define BFQ_RQ2_WRAP    0x02 /* request 2 wraps */
449         unsigned int wrap = 0; /* bit mask: requests behind the disk head? */
450
451         if (!rq1 || rq1 == rq2)
452                 return rq2;
453         if (!rq2)
454                 return rq1;
455
456         if (rq_is_sync(rq1) && !rq_is_sync(rq2))
457                 return rq1;
458         else if (rq_is_sync(rq2) && !rq_is_sync(rq1))
459                 return rq2;
460         if ((rq1->cmd_flags & REQ_META) && !(rq2->cmd_flags & REQ_META))
461                 return rq1;
462         else if ((rq2->cmd_flags & REQ_META) && !(rq1->cmd_flags & REQ_META))
463                 return rq2;
464
465         s1 = blk_rq_pos(rq1);
466         s2 = blk_rq_pos(rq2);
467
468         /*
469          * By definition, 1KiB is 2 sectors.
470          */
471         back_max = bfqd->bfq_back_max * 2;
472
473         /*
474          * Strict one way elevator _except_ in the case where we allow
475          * short backward seeks which are biased as twice the cost of a
476          * similar forward seek.
477          */
478         if (s1 >= last)
479                 d1 = s1 - last;
480         else if (s1 + back_max >= last)
481                 d1 = (last - s1) * bfqd->bfq_back_penalty;
482         else
483                 wrap |= BFQ_RQ1_WRAP;
484
485         if (s2 >= last)
486                 d2 = s2 - last;
487         else if (s2 + back_max >= last)
488                 d2 = (last - s2) * bfqd->bfq_back_penalty;
489         else
490                 wrap |= BFQ_RQ2_WRAP;
491
492         /* Found required data */
493
494         /*
495          * By doing switch() on the bit mask "wrap" we avoid having to
496          * check two variables for all permutations: --> faster!
497          */
498         switch (wrap) {
499         case 0: /* common case for CFQ: rq1 and rq2 not wrapped */
500                 if (d1 < d2)
501                         return rq1;
502                 else if (d2 < d1)
503                         return rq2;
504
505                 if (s1 >= s2)
506                         return rq1;
507                 else
508                         return rq2;
509
510         case BFQ_RQ2_WRAP:
511                 return rq1;
512         case BFQ_RQ1_WRAP:
513                 return rq2;
514         case BFQ_RQ1_WRAP|BFQ_RQ2_WRAP: /* both rqs wrapped */
515         default:
516                 /*
517                  * Since both rqs are wrapped,
518                  * start with the one that's further behind head
519                  * (--> only *one* back seek required),
520                  * since back seek takes more time than forward.
521                  */
522                 if (s1 <= s2)
523                         return rq1;
524                 else
525                         return rq2;
526         }
527 }
528
529 /*
530  * Async I/O can easily starve sync I/O (both sync reads and sync
531  * writes), by consuming all tags. Similarly, storms of sync writes,
532  * such as those that sync(2) may trigger, can starve sync reads.
533  * Limit depths of async I/O and sync writes so as to counter both
534  * problems.
535  */
536 static void bfq_limit_depth(unsigned int op, struct blk_mq_alloc_data *data)
537 {
538         struct bfq_data *bfqd = data->q->elevator->elevator_data;
539
540         if (op_is_sync(op) && !op_is_write(op))
541                 return;
542
543         data->shallow_depth =
544                 bfqd->word_depths[!!bfqd->wr_busy_queues][op_is_sync(op)];
545
546         bfq_log(bfqd, "[%s] wr_busy %d sync %d depth %u",
547                         __func__, bfqd->wr_busy_queues, op_is_sync(op),
548                         data->shallow_depth);
549 }
550
551 static struct bfq_queue *
552 bfq_rq_pos_tree_lookup(struct bfq_data *bfqd, struct rb_root *root,
553                      sector_t sector, struct rb_node **ret_parent,
554                      struct rb_node ***rb_link)
555 {
556         struct rb_node **p, *parent;
557         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
558
559         parent = NULL;
560         p = &root->rb_node;
561         while (*p) {
562                 struct rb_node **n;
563
564                 parent = *p;
565                 bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
566
567                 /*
568                  * Sort strictly based on sector. Smallest to the left,
569                  * largest to the right.
570                  */
571                 if (sector > blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
572                         n = &(*p)->rb_right;
573                 else if (sector < blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
574                         n = &(*p)->rb_left;
575                 else
576                         break;
577                 p = n;
578                 bfqq = NULL;
579         }
580
581         *ret_parent = parent;
582         if (rb_link)
583                 *rb_link = p;
584
585         bfq_log(bfqd, "rq_pos_tree_lookup %llu: returning %d",
586                 (unsigned long long)sector,
587                 bfqq ? bfqq->pid : 0);
588
589         return bfqq;
590 }
591
592 static bool bfq_too_late_for_merging(struct bfq_queue *bfqq)
593 {
594         return bfqq->service_from_backlogged > 0 &&
595                 time_is_before_jiffies(bfqq->first_IO_time +
596                                        bfq_merge_time_limit);
597 }
598
599 /*
600  * The following function is not marked as __cold because it is
601  * actually cold, but for the same performance goal described in the
602  * comments on the likely() at the beginning of
603  * bfq_setup_cooperator(). Unexpectedly, to reach an even lower
604  * execution time for the case where this function is not invoked, we
605  * had to add an unlikely() in each involved if().
606  */
607 void __cold
608 bfq_pos_tree_add_move(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
609 {
610         struct rb_node **p, *parent;
611         struct bfq_queue *__bfqq;
612
613         if (bfqq->pos_root) {
614                 rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
615                 bfqq->pos_root = NULL;
616         }
617
618         /* oom_bfqq does not participate in queue merging */
619         if (bfqq == &bfqd->oom_bfqq)
620                 return;
621
622         /*
623          * bfqq cannot be merged any longer (see comments in
624          * bfq_setup_cooperator): no point in adding bfqq into the
625          * position tree.
626          */
627         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
628                 return;
629
630         if (bfq_class_idle(bfqq))
631                 return;
632         if (!bfqq->next_rq)
633                 return;
634
635         bfqq->pos_root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
636         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, bfqq->pos_root,
637                         blk_rq_pos(bfqq->next_rq), &parent, &p);
638         if (!__bfqq) {
639                 rb_link_node(&bfqq->pos_node, parent, p);
640                 rb_insert_color(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
641         } else
642                 bfqq->pos_root = NULL;
643 }
644
645 /*
646  * The following function returns false either if every active queue
647  * must receive the same share of the throughput (symmetric scenario),
648  * or, as a special case, if bfqq must receive a share of the
649  * throughput lower than or equal to the share that every other active
650  * queue must receive.  If bfqq does sync I/O, then these are the only
651  * two cases where bfqq happens to be guaranteed its share of the
652  * throughput even if I/O dispatching is not plugged when bfqq remains
653  * temporarily empty (for more details, see the comments in the
654  * function bfq_better_to_idle()). For this reason, the return value
655  * of this function is used to check whether I/O-dispatch plugging can
656  * be avoided.
657  *
658  * The above first case (symmetric scenario) occurs when:
659  * 1) all active queues have the same weight,
660  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
661  * 3) all active groups at the same level in the groups tree have the same
662  *    weight,
663  * 4) all active groups at the same level in the groups tree have the same
664  *    number of children.
665  *
666  * Unfortunately, keeping the necessary state for evaluating exactly
667  * the last two symmetry sub-conditions above would be quite complex
668  * and time consuming. Therefore this function evaluates, instead,
669  * only the following stronger three sub-conditions, for which it is
670  * much easier to maintain the needed state:
671  * 1) all active queues have the same weight,
672  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
673  * 3) there are no active groups.
674  * In particular, the last condition is always true if hierarchical
675  * support or the cgroups interface are not enabled, thus no state
676  * needs to be maintained in this case.
677  */
678 static bool bfq_asymmetric_scenario(struct bfq_data *bfqd,
679                                    struct bfq_queue *bfqq)
680 {
681         bool smallest_weight = bfqq &&
682                 bfqq->weight_counter &&
683                 bfqq->weight_counter ==
684                 container_of(
685                         rb_first_cached(&bfqd->queue_weights_tree),
686                         struct bfq_weight_counter,
687                         weights_node);
688
689         /*
690          * For queue weights to differ, queue_weights_tree must contain
691          * at least two nodes.
692          */
693         bool varied_queue_weights = !smallest_weight &&
694                 !RB_EMPTY_ROOT(&bfqd->queue_weights_tree.rb_root) &&
695                 (bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_left ||
696                  bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_right);
697
698         bool multiple_classes_busy =
699                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[1]) ||
700                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[2]) ||
701                 (bfqd->busy_queues[1] && bfqd->busy_queues[2]);
702
703         return varied_queue_weights || multiple_classes_busy
704 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
705                || bfqd->num_groups_with_pending_reqs > 0
706 #endif
707                 ;
708 }
709
710 /*
711  * If the weight-counter tree passed as input contains no counter for
712  * the weight of the input queue, then add that counter; otherwise just
713  * increment the existing counter.
714  *
715  * Note that weight-counter trees contain few nodes in mostly symmetric
716  * scenarios. For example, if all queues have the same weight, then the
717  * weight-counter tree for the queues may contain at most one node.
718  * This holds even if low_latency is on, because weight-raised queues
719  * are not inserted in the tree.
720  * In most scenarios, the rate at which nodes are created/destroyed
721  * should be low too.
722  */
723 void bfq_weights_tree_add(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
724                           struct rb_root_cached *root)
725 {
726         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
727         struct rb_node **new = &(root->rb_root.rb_node), *parent = NULL;
728         bool leftmost = true;
729
730         /*
731          * Do not insert if the queue is already associated with a
732          * counter, which happens if:
733          *   1) a request arrival has caused the queue to become both
734          *      non-weight-raised, and hence change its weight, and
735          *      backlogged; in this respect, each of the two events
736          *      causes an invocation of this function,
737          *   2) this is the invocation of this function caused by the
738          *      second event. This second invocation is actually useless,
739          *      and we handle this fact by exiting immediately. More
740          *      efficient or clearer solutions might possibly be adopted.
741          */
742         if (bfqq->weight_counter)
743                 return;
744
745         while (*new) {
746                 struct bfq_weight_counter *__counter = container_of(*new,
747                                                 struct bfq_weight_counter,
748                                                 weights_node);
749                 parent = *new;
750
751                 if (entity->weight == __counter->weight) {
752                         bfqq->weight_counter = __counter;
753                         goto inc_counter;
754                 }
755                 if (entity->weight < __counter->weight)
756                         new = &((*new)->rb_left);
757                 else {
758                         new = &((*new)->rb_right);
759                         leftmost = false;
760                 }
761         }
762
763         bfqq->weight_counter = kzalloc(sizeof(struct bfq_weight_counter),
764                                        GFP_ATOMIC);
765
766         /*
767          * In the unlucky event of an allocation failure, we just
768          * exit. This will cause the weight of queue to not be
769          * considered in bfq_asymmetric_scenario, which, in its turn,
770          * causes the scenario to be deemed wrongly symmetric in case
771          * bfqq's weight would have been the only weight making the
772          * scenario asymmetric.  On the bright side, no unbalance will
773          * however occur when bfqq becomes inactive again (the
774          * invocation of this function is triggered by an activation
775          * of queue).  In fact, bfq_weights_tree_remove does nothing
776          * if !bfqq->weight_counter.
777          */
778         if (unlikely(!bfqq->weight_counter))
779                 return;
780
781         bfqq->weight_counter->weight = entity->weight;
782         rb_link_node(&bfqq->weight_counter->weights_node, parent, new);
783         rb_insert_color_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root,
784                                 leftmost);
785
786 inc_counter:
787         bfqq->weight_counter->num_active++;
788         bfqq->ref++;
789 }
790
791 /*
792  * Decrement the weight counter associated with the queue, and, if the
793  * counter reaches 0, remove the counter from the tree.
794  * See the comments to the function bfq_weights_tree_add() for considerations
795  * about overhead.
796  */
797 void __bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
798                                struct bfq_queue *bfqq,
799                                struct rb_root_cached *root)
800 {
801         if (!bfqq->weight_counter)
802                 return;
803
804         bfqq->weight_counter->num_active--;
805         if (bfqq->weight_counter->num_active > 0)
806                 goto reset_entity_pointer;
807
808         rb_erase_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root);
809         kfree(bfqq->weight_counter);
810
811 reset_entity_pointer:
812         bfqq->weight_counter = NULL;
813         bfq_put_queue(bfqq);
814 }
815
816 /*
817  * Invoke __bfq_weights_tree_remove on bfqq and decrement the number
818  * of active groups for each queue's inactive parent entity.
819  */
820 void bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
821                              struct bfq_queue *bfqq)
822 {
823         struct bfq_entity *entity = bfqq->entity.parent;
824
825         for_each_entity(entity) {
826                 struct bfq_sched_data *sd = entity->my_sched_data;
827
828                 if (sd->next_in_service || sd->in_service_entity) {
829                         /*
830                          * entity is still active, because either
831                          * next_in_service or in_service_entity is not
832                          * NULL (see the comments on the definition of
833                          * next_in_service for details on why
834                          * in_service_entity must be checked too).
835                          *
836                          * As a consequence, its parent entities are
837                          * active as well, and thus this loop must
838                          * stop here.
839                          */
840                         break;
841                 }
842
843                 /*
844                  * The decrement of num_groups_with_pending_reqs is
845                  * not performed immediately upon the deactivation of
846                  * entity, but it is delayed to when it also happens
847                  * that the first leaf descendant bfqq of entity gets
848                  * all its pending requests completed. The following
849                  * instructions perform this delayed decrement, if
850                  * needed. See the comments on
851                  * num_groups_with_pending_reqs for details.
852                  */
853                 if (entity->in_groups_with_pending_reqs) {
854                         entity->in_groups_with_pending_reqs = false;
855                         bfqd->num_groups_with_pending_reqs--;
856                 }
857         }
858
859         /*
860          * Next function is invoked last, because it causes bfqq to be
861          * freed if the following holds: bfqq is not in service and
862          * has no dispatched request. DO NOT use bfqq after the next
863          * function invocation.
864          */
865         __bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq,
866                                   &bfqd->queue_weights_tree);
867 }
868
869 /*
870  * Return expired entry, or NULL to just start from scratch in rbtree.
871  */
872 static struct request *bfq_check_fifo(struct bfq_queue *bfqq,
873                                       struct request *last)
874 {
875         struct request *rq;
876
877         if (bfq_bfqq_fifo_expire(bfqq))
878                 return NULL;
879
880         bfq_mark_bfqq_fifo_expire(bfqq);
881
882         rq = rq_entry_fifo(bfqq->fifo.next);
883
884         if (rq == last || ktime_get_ns() < rq->fifo_time)
885                 return NULL;
886
887         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "check_fifo: returned %p", rq);
888         return rq;
889 }
890
891 static struct request *bfq_find_next_rq(struct bfq_data *bfqd,
892                                         struct bfq_queue *bfqq,
893                                         struct request *last)
894 {
895         struct rb_node *rbnext = rb_next(&last->rb_node);
896         struct rb_node *rbprev = rb_prev(&last->rb_node);
897         struct request *next, *prev = NULL;
898
899         /* Follow expired path, else get first next available. */
900         next = bfq_check_fifo(bfqq, last);
901         if (next)
902                 return next;
903
904         if (rbprev)
905                 prev = rb_entry_rq(rbprev);
906
907         if (rbnext)
908                 next = rb_entry_rq(rbnext);
909         else {
910                 rbnext = rb_first(&bfqq->sort_list);
911                 if (rbnext && rbnext != &last->rb_node)
912                         next = rb_entry_rq(rbnext);
913         }
914
915         return bfq_choose_req(bfqd, next, prev, blk_rq_pos(last));
916 }
917
918 /* see the definition of bfq_async_charge_factor for details */
919 static unsigned long bfq_serv_to_charge(struct request *rq,
920                                         struct bfq_queue *bfqq)
921 {
922         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfqq->wr_coeff > 1 ||
923             bfq_asymmetric_scenario(bfqq->bfqd, bfqq))
924                 return blk_rq_sectors(rq);
925
926         return blk_rq_sectors(rq) * bfq_async_charge_factor;
927 }
928
929 /**
930  * bfq_updated_next_req - update the queue after a new next_rq selection.
931  * @bfqd: the device data the queue belongs to.
932  * @bfqq: the queue to update.
933  *
934  * If the first request of a queue changes we make sure that the queue
935  * has enough budget to serve at least its first request (if the
936  * request has grown).  We do this because if the queue has not enough
937  * budget for its first request, it has to go through two dispatch
938  * rounds to actually get it dispatched.
939  */
940 static void bfq_updated_next_req(struct bfq_data *bfqd,
941                                  struct bfq_queue *bfqq)
942 {
943         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
944         struct request *next_rq = bfqq->next_rq;
945         unsigned long new_budget;
946
947         if (!next_rq)
948                 return;
949
950         if (bfqq == bfqd->in_service_queue)
951                 /*
952                  * In order not to break guarantees, budgets cannot be
953                  * changed after an entity has been selected.
954                  */
955                 return;
956
957         new_budget = max_t(unsigned long,
958                            max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
959                                  bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq)),
960                            entity->service);
961         if (entity->budget != new_budget) {
962                 entity->budget = new_budget;
963                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "updated next rq: new budget %lu",
964                                          new_budget);
965                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, false);
966         }
967 }
968
969 static unsigned int bfq_wr_duration(struct bfq_data *bfqd)
970 {
971         u64 dur;
972
973         if (bfqd->bfq_wr_max_time > 0)
974                 return bfqd->bfq_wr_max_time;
975
976         dur = bfqd->rate_dur_prod;
977         do_div(dur, bfqd->peak_rate);
978
979         /*
980          * Limit duration between 3 and 25 seconds. The upper limit
981          * has been conservatively set after the following worst case:
982          * on a QEMU/KVM virtual machine
983          * - running in a slow PC
984          * - with a virtual disk stacked on a slow low-end 5400rpm HDD
985          * - serving a heavy I/O workload, such as the sequential reading
986          *   of several files
987          * mplayer took 23 seconds to start, if constantly weight-raised.
988          *
989          * As for higher values than that accommodating the above bad
990          * scenario, tests show that higher values would often yield
991          * the opposite of the desired result, i.e., would worsen
992          * responsiveness by allowing non-interactive applications to
993          * preserve weight raising for too long.
994          *
995          * On the other end, lower values than 3 seconds make it
996          * difficult for most interactive tasks to complete their jobs
997          * before weight-raising finishes.
998          */
999         return clamp_val(dur, msecs_to_jiffies(3000), msecs_to_jiffies(25000));
1000 }
1001
1002 /* switch back from soft real-time to interactive weight raising */
1003 static void switch_back_to_interactive_wr(struct bfq_queue *bfqq,
1004                                           struct bfq_data *bfqd)
1005 {
1006         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1007         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1008         bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
1009 }
1010
1011 static void
1012 bfq_bfqq_resume_state(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd,
1013                       struct bfq_io_cq *bic, bool bfq_already_existing)
1014 {
1015         unsigned int old_wr_coeff = 1;
1016         bool busy = bfq_already_existing && bfq_bfqq_busy(bfqq);
1017
1018         if (bic->saved_has_short_ttime)
1019                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1020         else
1021                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1022
1023         if (bic->saved_IO_bound)
1024                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1025         else
1026                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1027
1028         bfqq->last_serv_time_ns = bic->saved_last_serv_time_ns;
1029         bfqq->inject_limit = bic->saved_inject_limit;
1030         bfqq->decrease_time_jif = bic->saved_decrease_time_jif;
1031
1032         bfqq->entity.new_weight = bic->saved_weight;
1033         bfqq->ttime = bic->saved_ttime;
1034         bfqq->io_start_time = bic->saved_io_start_time;
1035         bfqq->tot_idle_time = bic->saved_tot_idle_time;
1036         /*
1037          * Restore weight coefficient only if low_latency is on
1038          */
1039         if (bfqd->low_latency) {
1040                 old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
1041                 bfqq->wr_coeff = bic->saved_wr_coeff;
1042         }
1043         bfqq->service_from_wr = bic->saved_service_from_wr;
1044         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt;
1045         bfqq->last_wr_start_finish = bic->saved_last_wr_start_finish;
1046         bfqq->wr_cur_max_time = bic->saved_wr_cur_max_time;
1047
1048         if (bfqq->wr_coeff > 1 && (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1049             time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
1050                                    bfqq->wr_cur_max_time))) {
1051                 if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
1052                     !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
1053                     time_is_after_eq_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
1054                                              bfq_wr_duration(bfqd))) {
1055                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
1056                 } else {
1057                         bfqq->wr_coeff = 1;
1058                         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
1059                                      "resume state: switching off wr");
1060                 }
1061         }
1062
1063         /* make sure weight will be updated, however we got here */
1064         bfqq->entity.prio_changed = 1;
1065
1066         if (likely(!busy))
1067                 return;
1068
1069         if (old_wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1)
1070                 bfqd->wr_busy_queues++;
1071         else if (old_wr_coeff > 1 && bfqq->wr_coeff == 1)
1072                 bfqd->wr_busy_queues--;
1073 }
1074
1075 static int bfqq_process_refs(struct bfq_queue *bfqq)
1076 {
1077         return bfqq->ref - bfqq->allocated - bfqq->entity.on_st_or_in_serv -
1078                 (bfqq->weight_counter != NULL) - bfqq->stable_ref;
1079 }
1080
1081 /* Empty burst list and add just bfqq (see comments on bfq_handle_burst) */
1082 static void bfq_reset_burst_list(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1083 {
1084         struct bfq_queue *item;
1085         struct hlist_node *n;
1086
1087         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqd->burst_list, burst_list_node)
1088                 hlist_del_init(&item->burst_list_node);
1089
1090         /*
1091          * Start the creation of a new burst list only if there is no
1092          * active queue. See comments on the conditional invocation of
1093          * bfq_handle_burst().
1094          */
1095         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0) {
1096                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1097                 bfqd->burst_size = 1;
1098         } else
1099                 bfqd->burst_size = 0;
1100
1101         bfqd->burst_parent_entity = bfqq->entity.parent;
1102 }
1103
1104 /* Add bfqq to the list of queues in current burst (see bfq_handle_burst) */
1105 static void bfq_add_to_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1106 {
1107         /* Increment burst size to take into account also bfqq */
1108         bfqd->burst_size++;
1109
1110         if (bfqd->burst_size == bfqd->bfq_large_burst_thresh) {
1111                 struct bfq_queue *pos, *bfqq_item;
1112                 struct hlist_node *n;
1113
1114                 /*
1115                  * Enough queues have been activated shortly after each
1116                  * other to consider this burst as large.
1117                  */
1118                 bfqd->large_burst = true;
1119
1120                 /*
1121                  * We can now mark all queues in the burst list as
1122                  * belonging to a large burst.
1123                  */
1124                 hlist_for_each_entry(bfqq_item, &bfqd->burst_list,
1125                                      burst_list_node)
1126                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq_item);
1127                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1128
1129                 /*
1130                  * From now on, and until the current burst finishes, any
1131                  * new queue being activated shortly after the last queue
1132                  * was inserted in the burst can be immediately marked as
1133                  * belonging to a large burst. So the burst list is not
1134                  * needed any more. Remove it.
1135                  */
1136                 hlist_for_each_entry_safe(pos, n, &bfqd->burst_list,
1137                                           burst_list_node)
1138                         hlist_del_init(&pos->burst_list_node);
1139         } else /*
1140                 * Burst not yet large: add bfqq to the burst list. Do
1141                 * not increment the ref counter for bfqq, because bfqq
1142                 * is removed from the burst list before freeing bfqq
1143                 * in put_queue.
1144                 */
1145                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1146 }
1147
1148 /*
1149  * If many queues belonging to the same group happen to be created
1150  * shortly after each other, then the processes associated with these
1151  * queues have typically a common goal. In particular, bursts of queue
1152  * creations are usually caused by services or applications that spawn
1153  * many parallel threads/processes. Examples are systemd during boot,
1154  * or git grep. To help these processes get their job done as soon as
1155  * possible, it is usually better to not grant either weight-raising
1156  * or device idling to their queues, unless these queues must be
1157  * protected from the I/O flowing through other active queues.
1158  *
1159  * In this comment we describe, firstly, the reasons why this fact
1160  * holds, and, secondly, the next function, which implements the main
1161  * steps needed to properly mark these queues so that they can then be
1162  * treated in a different way.
1163  *
1164  * The above services or applications benefit mostly from a high
1165  * throughput: the quicker the requests of the activated queues are
1166  * cumulatively served, the sooner the target job of these queues gets
1167  * completed. As a consequence, weight-raising any of these queues,
1168  * which also implies idling the device for it, is almost always
1169  * counterproductive, unless there are other active queues to isolate
1170  * these new queues from. If there no other active queues, then
1171  * weight-raising these new queues just lowers throughput in most
1172  * cases.
1173  *
1174  * On the other hand, a burst of queue creations may be caused also by
1175  * the start of an application that does not consist of a lot of
1176  * parallel I/O-bound threads. In fact, with a complex application,
1177  * several short processes may need to be executed to start-up the
1178  * application. In this respect, to start an application as quickly as
1179  * possible, the best thing to do is in any case to privilege the I/O
1180  * related to the application with respect to all other
1181  * I/O. Therefore, the best strategy to start as quickly as possible
1182  * an application that causes a burst of queue creations is to
1183  * weight-raise all the queues created during the burst. This is the
1184  * exact opposite of the best strategy for the other type of bursts.
1185  *
1186  * In the end, to take the best action for each of the two cases, the
1187  * two types of bursts need to be distinguished. Fortunately, this
1188  * seems relatively easy, by looking at the sizes of the bursts. In
1189  * particular, we found a threshold such that only bursts with a
1190  * larger size than that threshold are apparently caused by
1191  * services or commands such as systemd or git grep. For brevity,
1192  * hereafter we call just 'large' these bursts. BFQ *does not*
1193  * weight-raise queues whose creation occurs in a large burst. In
1194  * addition, for each of these queues BFQ performs or does not perform
1195  * idling depending on which choice boosts the throughput more. The
1196  * exact choice depends on the device and request pattern at
1197  * hand.
1198  *
1199  * Unfortunately, false positives may occur while an interactive task
1200  * is starting (e.g., an application is being started). The
1201  * consequence is that the queues associated with the task do not
1202  * enjoy weight raising as expected. Fortunately these false positives
1203  * are very rare. They typically occur if some service happens to
1204  * start doing I/O exactly when the interactive task starts.
1205  *
1206  * Turning back to the next function, it is invoked only if there are
1207  * no active queues (apart from active queues that would belong to the
1208  * same, possible burst bfqq would belong to), and it implements all
1209  * the steps needed to detect the occurrence of a large burst and to
1210  * properly mark all the queues belonging to it (so that they can then
1211  * be treated in a different way). This goal is achieved by
1212  * maintaining a "burst list" that holds, temporarily, the queues that
1213  * belong to the burst in progress. The list is then used to mark
1214  * these queues as belonging to a large burst if the burst does become
1215  * large. The main steps are the following.
1216  *
1217  * . when the very first queue is created, the queue is inserted into the
1218  *   list (as it could be the first queue in a possible burst)
1219  *
1220  * . if the current burst has not yet become large, and a queue Q that does
1221  *   not yet belong to the burst is activated shortly after the last time
1222  *   at which a new queue entered the burst list, then the function appends
1223  *   Q to the burst list
1224  *
1225  * . if, as a consequence of the previous step, the burst size reaches
1226  *   the large-burst threshold, then
1227  *
1228  *     . all the queues in the burst list are marked as belonging to a
1229  *       large burst
1230  *
1231  *     . the burst list is deleted; in fact, the burst list already served
1232  *       its purpose (keeping temporarily track of the queues in a burst,
1233  *       so as to be able to mark them as belonging to a large burst in the
1234  *       previous sub-step), and now is not needed any more
1235  *
1236  *     . the device enters a large-burst mode
1237  *
1238  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created while
1239  *   the device is in large-burst mode and shortly after the last time
1240  *   at which a queue either entered the burst list or was marked as
1241  *   belonging to the current large burst, then Q is immediately marked
1242  *   as belonging to a large burst.
1243  *
1244  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created a while
1245  *   later, i.e., not shortly after, than the last time at which a queue
1246  *   either entered the burst list or was marked as belonging to the
1247  *   current large burst, then the current burst is deemed as finished and:
1248  *
1249  *        . the large-burst mode is reset if set
1250  *
1251  *        . the burst list is emptied
1252  *
1253  *        . Q is inserted in the burst list, as Q may be the first queue
1254  *          in a possible new burst (then the burst list contains just Q
1255  *          after this step).
1256  */
1257 static void bfq_handle_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1258 {
1259         /*
1260          * If bfqq is already in the burst list or is part of a large
1261          * burst, or finally has just been split, then there is
1262          * nothing else to do.
1263          */
1264         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node) ||
1265             bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1266             time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
1267                                      msecs_to_jiffies(10)))
1268                 return;
1269
1270         /*
1271          * If bfqq's creation happens late enough, or bfqq belongs to
1272          * a different group than the burst group, then the current
1273          * burst is finished, and related data structures must be
1274          * reset.
1275          *
1276          * In this respect, consider the special case where bfqq is
1277          * the very first queue created after BFQ is selected for this
1278          * device. In this case, last_ins_in_burst and
1279          * burst_parent_entity are not yet significant when we get
1280          * here. But it is easy to verify that, whether or not the
1281          * following condition is true, bfqq will end up being
1282          * inserted into the burst list. In particular the list will
1283          * happen to contain only bfqq. And this is exactly what has
1284          * to happen, as bfqq may be the first queue of the first
1285          * burst.
1286          */
1287         if (time_is_before_jiffies(bfqd->last_ins_in_burst +
1288             bfqd->bfq_burst_interval) ||
1289             bfqq->entity.parent != bfqd->burst_parent_entity) {
1290                 bfqd->large_burst = false;
1291                 bfq_reset_burst_list(bfqd, bfqq);
1292                 goto end;
1293         }
1294
1295         /*
1296          * If we get here, then bfqq is being activated shortly after the
1297          * last queue. So, if the current burst is also large, we can mark
1298          * bfqq as belonging to this large burst immediately.
1299          */
1300         if (bfqd->large_burst) {
1301                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1302                 goto end;
1303         }
1304
1305         /*
1306          * If we get here, then a large-burst state has not yet been
1307          * reached, but bfqq is being activated shortly after the last
1308          * queue. Then we add bfqq to the burst.
1309          */
1310         bfq_add_to_burst(bfqd, bfqq);
1311 end:
1312         /*
1313          * At this point, bfqq either has been added to the current
1314          * burst or has caused the current burst to terminate and a
1315          * possible new burst to start. In particular, in the second
1316          * case, bfqq has become the first queue in the possible new
1317          * burst.  In both cases last_ins_in_burst needs to be moved
1318          * forward.
1319          */
1320         bfqd->last_ins_in_burst = jiffies;
1321 }
1322
1323 static int bfq_bfqq_budget_left(struct bfq_queue *bfqq)
1324 {
1325         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1326
1327         return entity->budget - entity->service;
1328 }
1329
1330 /*
1331  * If enough samples have been computed, return the current max budget
1332  * stored in bfqd, which is dynamically updated according to the
1333  * estimated disk peak rate; otherwise return the default max budget
1334  */
1335 static int bfq_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
1336 {
1337         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1338                 return bfq_default_max_budget;
1339         else
1340                 return bfqd->bfq_max_budget;
1341 }
1342
1343 /*
1344  * Return min budget, which is a fraction of the current or default
1345  * max budget (trying with 1/32)
1346  */
1347 static int bfq_min_budget(struct bfq_data *bfqd)
1348 {
1349         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1350                 return bfq_default_max_budget / 32;
1351         else
1352                 return bfqd->bfq_max_budget / 32;
1353 }
1354
1355 /*
1356  * The next function, invoked after the input queue bfqq switches from
1357  * idle to busy, updates the budget of bfqq. The function also tells
1358  * whether the in-service queue should be expired, by returning
1359  * true. The purpose of expiring the in-service queue is to give bfqq
1360  * the chance to possibly preempt the in-service queue, and the reason
1361  * for preempting the in-service queue is to achieve one of the two
1362  * goals below.
1363  *
1364  * 1. Guarantee to bfqq its reserved bandwidth even if bfqq has
1365  * expired because it has remained idle. In particular, bfqq may have
1366  * expired for one of the following two reasons:
1367  *
1368  * - BFQQE_NO_MORE_REQUESTS bfqq did not enjoy any device idling
1369  *   and did not make it to issue a new request before its last
1370  *   request was served;
1371  *
1372  * - BFQQE_TOO_IDLE bfqq did enjoy device idling, but did not issue
1373  *   a new request before the expiration of the idling-time.
1374  *
1375  * Even if bfqq has expired for one of the above reasons, the process
1376  * associated with the queue may be however issuing requests greedily,
1377  * and thus be sensitive to the bandwidth it receives (bfqq may have
1378  * remained idle for other reasons: CPU high load, bfqq not enjoying
1379  * idling, I/O throttling somewhere in the path from the process to
1380  * the I/O scheduler, ...). But if, after every expiration for one of
1381  * the above two reasons, bfqq has to wait for the service of at least
1382  * one full budget of another queue before being served again, then
1383  * bfqq is likely to get a much lower bandwidth or resource time than
1384  * its reserved ones. To address this issue, two countermeasures need
1385  * to be taken.
1386  *
1387  * First, the budget and the timestamps of bfqq need to be updated in
1388  * a special way on bfqq reactivation: they need to be updated as if
1389  * bfqq did not remain idle and did not expire. In fact, if they are
1390  * computed as if bfqq expired and remained idle until reactivation,
1391  * then the process associated with bfqq is treated as if, instead of
1392  * being greedy, it stopped issuing requests when bfqq remained idle,
1393  * and restarts issuing requests only on this reactivation. In other
1394  * words, the scheduler does not help the process recover the "service
1395  * hole" between bfqq expiration and reactivation. As a consequence,
1396  * the process receives a lower bandwidth than its reserved one. In
1397  * contrast, to recover this hole, the budget must be updated as if
1398  * bfqq was not expired at all before this reactivation, i.e., it must
1399  * be set to the value of the remaining budget when bfqq was
1400  * expired. Along the same line, timestamps need to be assigned the
1401  * value they had the last time bfqq was selected for service, i.e.,
1402  * before last expiration. Thus timestamps need to be back-shifted
1403  * with respect to their normal computation (see [1] for more details
1404  * on this tricky aspect).
1405  *
1406  * Secondly, to allow the process to recover the hole, the in-service
1407  * queue must be expired too, to give bfqq the chance to preempt it
1408  * immediately. In fact, if bfqq has to wait for a full budget of the
1409  * in-service queue to be completed, then it may become impossible to
1410  * let the process recover the hole, even if the back-shifted
1411  * timestamps of bfqq are lower than those of the in-service queue. If
1412  * this happens for most or all of the holes, then the process may not
1413  * receive its reserved bandwidth. In this respect, it is worth noting
1414  * that, being the service of outstanding requests unpreemptible, a
1415  * little fraction of the holes may however be unrecoverable, thereby
1416  * causing a little loss of bandwidth.
1417  *
1418  * The last important point is detecting whether bfqq does need this
1419  * bandwidth recovery. In this respect, the next function deems the
1420  * process associated with bfqq greedy, and thus allows it to recover
1421  * the hole, if: 1) the process is waiting for the arrival of a new
1422  * request (which implies that bfqq expired for one of the above two
1423  * reasons), and 2) such a request has arrived soon. The first
1424  * condition is controlled through the flag non_blocking_wait_rq,
1425  * while the second through the flag arrived_in_time. If both
1426  * conditions hold, then the function computes the budget in the
1427  * above-described special way, and signals that the in-service queue
1428  * should be expired. Timestamp back-shifting is done later in
1429  * __bfq_activate_entity.
1430  *
1431  * 2. Reduce latency. Even if timestamps are not backshifted to let
1432  * the process associated with bfqq recover a service hole, bfqq may
1433  * however happen to have, after being (re)activated, a lower finish
1434  * timestamp than the in-service queue.  That is, the next budget of
1435  * bfqq may have to be completed before the one of the in-service
1436  * queue. If this is the case, then preempting the in-service queue
1437  * allows this goal to be achieved, apart from the unpreemptible,
1438  * outstanding requests mentioned above.
1439  *
1440  * Unfortunately, regardless of which of the above two goals one wants
1441  * to achieve, service trees need first to be updated to know whether
1442  * the in-service queue must be preempted. To have service trees
1443  * correctly updated, the in-service queue must be expired and
1444  * rescheduled, and bfqq must be scheduled too. This is one of the
1445  * most costly operations (in future versions, the scheduling
1446  * mechanism may be re-designed in such a way to make it possible to
1447  * know whether preemption is needed without needing to update service
1448  * trees). In addition, queue preemptions almost always cause random
1449  * I/O, which may in turn cause loss of throughput. Finally, there may
1450  * even be no in-service queue when the next function is invoked (so,
1451  * no queue to compare timestamps with). Because of these facts, the
1452  * next function adopts the following simple scheme to avoid costly
1453  * operations, too frequent preemptions and too many dependencies on
1454  * the state of the scheduler: it requests the expiration of the
1455  * in-service queue (unconditionally) only for queues that need to
1456  * recover a hole. Then it delegates to other parts of the code the
1457  * responsibility of handling the above case 2.
1458  */
1459 static bool bfq_bfqq_update_budg_for_activation(struct bfq_data *bfqd,
1460                                                 struct bfq_queue *bfqq,
1461                                                 bool arrived_in_time)
1462 {
1463         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1464
1465         /*
1466          * In the next compound condition, we check also whether there
1467          * is some budget left, because otherwise there is no point in
1468          * trying to go on serving bfqq with this same budget: bfqq
1469          * would be expired immediately after being selected for
1470          * service. This would only cause useless overhead.
1471          */
1472         if (bfq_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq) && arrived_in_time &&
1473             bfq_bfqq_budget_left(bfqq) > 0) {
1474                 /*
1475                  * We do not clear the flag non_blocking_wait_rq here, as
1476                  * the latter is used in bfq_activate_bfqq to signal
1477                  * that timestamps need to be back-shifted (and is
1478                  * cleared right after).
1479                  */
1480
1481                 /*
1482                  * In next assignment we rely on that either
1483                  * entity->service or entity->budget are not updated
1484                  * on expiration if bfqq is empty (see
1485                  * __bfq_bfqq_recalc_budget). Thus both quantities
1486                  * remain unchanged after such an expiration, and the
1487                  * following statement therefore assigns to
1488                  * entity->budget the remaining budget on such an
1489                  * expiration.
1490                  */
1491                 entity->budget = min_t(unsigned long,
1492                                        bfq_bfqq_budget_left(bfqq),
1493                                        bfqq->max_budget);
1494
1495                 /*
1496                  * At this point, we have used entity->service to get
1497                  * the budget left (needed for updating
1498                  * entity->budget). Thus we finally can, and have to,
1499                  * reset entity->service. The latter must be reset
1500                  * because bfqq would otherwise be charged again for
1501                  * the service it has received during its previous
1502                  * service slot(s).
1503                  */
1504                 entity->service = 0;
1505
1506                 return true;
1507         }
1508
1509         /*
1510          * We can finally complete expiration, by setting service to 0.
1511          */
1512         entity->service = 0;
1513         entity->budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
1514                                bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq));
1515         bfq_clear_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
1516         return false;
1517 }
1518
1519 /*
1520  * Return the farthest past time instant according to jiffies
1521  * macros.
1522  */
1523 static unsigned long bfq_smallest_from_now(void)
1524 {
1525         return jiffies - MAX_JIFFY_OFFSET;
1526 }
1527
1528 static void bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(struct bfq_data *bfqd,
1529                                              struct bfq_queue *bfqq,
1530                                              unsigned int old_wr_coeff,
1531                                              bool wr_or_deserves_wr,
1532                                              bool interactive,
1533                                              bool in_burst,
1534                                              bool soft_rt)
1535 {
1536         if (old_wr_coeff == 1 && wr_or_deserves_wr) {
1537                 /* start a weight-raising period */
1538                 if (interactive) {
1539                         bfqq->service_from_wr = 0;
1540                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1541                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1542                 } else {
1543                         /*
1544                          * No interactive weight raising in progress
1545                          * here: assign minus infinity to
1546                          * wr_start_at_switch_to_srt, to make sure
1547                          * that, at the end of the soft-real-time
1548                          * weight raising periods that is starting
1549                          * now, no interactive weight-raising period
1550                          * may be wrongly considered as still in
1551                          * progress (and thus actually started by
1552                          * mistake).
1553                          */
1554                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1555                                 bfq_smallest_from_now();
1556                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1557                                 BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1558                         bfqq->wr_cur_max_time =
1559                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1560                 }
1561
1562                 /*
1563                  * If needed, further reduce budget to make sure it is
1564                  * close to bfqq's backlog, so as to reduce the
1565                  * scheduling-error component due to a too large
1566                  * budget. Do not care about throughput consequences,
1567                  * but only about latency. Finally, do not assign a
1568                  * too small budget either, to avoid increasing
1569                  * latency by causing too frequent expirations.
1570                  */
1571                 bfqq->entity.budget = min_t(unsigned long,
1572                                             bfqq->entity.budget,
1573                                             2 * bfq_min_budget(bfqd));
1574         } else if (old_wr_coeff > 1) {
1575                 if (interactive) { /* update wr coeff and duration */
1576                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1577                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1578                 } else if (in_burst)
1579                         bfqq->wr_coeff = 1;
1580                 else if (soft_rt) {
1581                         /*
1582                          * The application is now or still meeting the
1583                          * requirements for being deemed soft rt.  We
1584                          * can then correctly and safely (re)charge
1585                          * the weight-raising duration for the
1586                          * application with the weight-raising
1587                          * duration for soft rt applications.
1588                          *
1589                          * In particular, doing this recharge now, i.e.,
1590                          * before the weight-raising period for the
1591                          * application finishes, reduces the probability
1592                          * of the following negative scenario:
1593                          * 1) the weight of a soft rt application is
1594                          *    raised at startup (as for any newly
1595                          *    created application),
1596                          * 2) since the application is not interactive,
1597                          *    at a certain time weight-raising is
1598                          *    stopped for the application,
1599                          * 3) at that time the application happens to
1600                          *    still have pending requests, and hence
1601                          *    is destined to not have a chance to be
1602                          *    deemed soft rt before these requests are
1603                          *    completed (see the comments to the
1604                          *    function bfq_bfqq_softrt_next_start()
1605                          *    for details on soft rt detection),
1606                          * 4) these pending requests experience a high
1607                          *    latency because the application is not
1608                          *    weight-raised while they are pending.
1609                          */
1610                         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
1611                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time) {
1612                                 bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1613                                         bfqq->last_wr_start_finish;
1614
1615                                 bfqq->wr_cur_max_time =
1616                                         bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1617                                 bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1618                                         BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1619                         }
1620                         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1621                 }
1622         }
1623 }
1624
1625 static bool bfq_bfqq_idle_for_long_time(struct bfq_data *bfqd,
1626                                         struct bfq_queue *bfqq)
1627 {
1628         return bfqq->dispatched == 0 &&
1629                 time_is_before_jiffies(
1630                         bfqq->budget_timeout +
1631                         bfqd->bfq_wr_min_idle_time);
1632 }
1633
1634
1635 /*
1636  * Return true if bfqq is in a higher priority class, or has a higher
1637  * weight than the in-service queue.
1638  */
1639 static bool bfq_bfqq_higher_class_or_weight(struct bfq_queue *bfqq,
1640                                             struct bfq_queue *in_serv_bfqq)
1641 {
1642         int bfqq_weight, in_serv_weight;
1643
1644         if (bfqq->ioprio_class < in_serv_bfqq->ioprio_class)
1645                 return true;
1646
1647         if (in_serv_bfqq->entity.parent == bfqq->entity.parent) {
1648                 bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1649                 in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1650         } else {
1651                 if (bfqq->entity.parent)
1652                         bfqq_weight = bfqq->entity.parent->weight;
1653                 else
1654                         bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1655                 if (in_serv_bfqq->entity.parent)
1656                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.parent->weight;
1657                 else
1658                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1659         }
1660
1661         return bfqq_weight > in_serv_weight;
1662 }
1663
1664 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq);
1665
1666 static void bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(struct bfq_data *bfqd,
1667                                              struct bfq_queue *bfqq,
1668                                              int old_wr_coeff,
1669                                              struct request *rq,
1670                                              bool *interactive)
1671 {
1672         bool soft_rt, in_burst, wr_or_deserves_wr,
1673                 bfqq_wants_to_preempt,
1674                 idle_for_long_time = bfq_bfqq_idle_for_long_time(bfqd, bfqq),
1675                 /*
1676                  * See the comments on
1677                  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation for
1678                  * details on the usage of the next variable.
1679                  */
1680                 arrived_in_time =  ktime_get_ns() <=
1681                         bfqq->ttime.last_end_request +
1682                         bfqd->bfq_slice_idle * 3;
1683
1684
1685         /*
1686          * bfqq deserves to be weight-raised if:
1687          * - it is sync,
1688          * - it does not belong to a large burst,
1689          * - it has been idle for enough time or is soft real-time,
1690          * - is linked to a bfq_io_cq (it is not shared in any sense),
1691          * - has a default weight (otherwise we assume the user wanted
1692          *   to control its weight explicitly)
1693          */
1694         in_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1695         soft_rt = bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
1696                 !BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq) &&
1697                 !in_burst &&
1698                 time_is_before_jiffies(bfqq->soft_rt_next_start) &&
1699                 bfqq->dispatched == 0 &&
1700                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1701         *interactive = !in_burst && idle_for_long_time &&
1702                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1703         wr_or_deserves_wr = bfqd->low_latency &&
1704                 (bfqq->wr_coeff > 1 ||
1705                  (bfq_bfqq_sync(bfqq) &&
1706                   bfqq->bic && (*interactive || soft_rt)));
1707
1708         /*
1709          * Using the last flag, update budget and check whether bfqq
1710          * may want to preempt the in-service queue.
1711          */
1712         bfqq_wants_to_preempt =
1713                 bfq_bfqq_update_budg_for_activation(bfqd, bfqq,
1714                                                     arrived_in_time);
1715
1716         /*
1717          * If bfqq happened to be activated in a burst, but has been
1718          * idle for much more than an interactive queue, then we
1719          * assume that, in the overall I/O initiated in the burst, the
1720          * I/O associated with bfqq is finished. So bfqq does not need
1721          * to be treated as a queue belonging to a burst
1722          * anymore. Accordingly, we reset bfqq's in_large_burst flag
1723          * if set, and remove bfqq from the burst list if it's
1724          * there. We do not decrement burst_size, because the fact
1725          * that bfqq does not need to belong to the burst list any
1726          * more does not invalidate the fact that bfqq was created in
1727          * a burst.
1728          */
1729         if (likely(!bfq_bfqq_just_created(bfqq)) &&
1730             idle_for_long_time &&
1731             time_is_before_jiffies(
1732                     bfqq->budget_timeout +
1733                     msecs_to_jiffies(10000))) {
1734                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
1735                 bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1736         }
1737
1738         bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
1739
1740         if (bfqd->low_latency) {
1741                 if (unlikely(time_is_after_jiffies(bfqq->split_time)))
1742                         /* wraparound */
1743                         bfqq->split_time =
1744                                 jiffies - bfqd->bfq_wr_min_idle_time - 1;
1745
1746                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
1747                                            bfqd->bfq_wr_min_idle_time)) {
1748                         bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(bfqd, bfqq,
1749                                                          old_wr_coeff,
1750                                                          wr_or_deserves_wr,
1751                                                          *interactive,
1752                                                          in_burst,
1753                                                          soft_rt);
1754
1755                         if (old_wr_coeff != bfqq->wr_coeff)
1756                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
1757                 }
1758         }
1759
1760         bfqq->last_idle_bklogged = jiffies;
1761         bfqq->service_from_backlogged = 0;
1762         bfq_clear_bfqq_softrt_update(bfqq);
1763
1764         bfq_add_bfqq_busy(bfqd, bfqq);
1765
1766         /*
1767          * Expire in-service queue if preemption may be needed for
1768          * guarantees or throughput. As for guarantees, we care
1769          * explicitly about two cases. The first is that bfqq has to
1770          * recover a service hole, as explained in the comments on
1771          * bfq_bfqq_update_budg_for_activation(), i.e., that
1772          * bfqq_wants_to_preempt is true. However, if bfqq does not
1773          * carry time-critical I/O, then bfqq's bandwidth is less
1774          * important than that of queues that carry time-critical I/O.
1775          * So, as a further constraint, we consider this case only if
1776          * bfqq is at least as weight-raised, i.e., at least as time
1777          * critical, as the in-service queue.
1778          *
1779          * The second case is that bfqq is in a higher priority class,
1780          * or has a higher weight than the in-service queue. If this
1781          * condition does not hold, we don't care because, even if
1782          * bfqq does not start to be served immediately, the resulting
1783          * delay for bfqq's I/O is however lower or much lower than
1784          * the ideal completion time to be guaranteed to bfqq's I/O.
1785          *
1786          * In both cases, preemption is needed only if, according to
1787          * the timestamps of both bfqq and of the in-service queue,
1788          * bfqq actually is the next queue to serve. So, to reduce
1789          * useless preemptions, the return value of
1790          * next_queue_may_preempt() is considered in the next compound
1791          * condition too. Yet next_queue_may_preempt() just checks a
1792          * simple, necessary condition for bfqq to be the next queue
1793          * to serve. In fact, to evaluate a sufficient condition, the
1794          * timestamps of the in-service queue would need to be
1795          * updated, and this operation is quite costly (see the
1796          * comments on bfq_bfqq_update_budg_for_activation()).
1797          *
1798          * As for throughput, we ask bfq_better_to_idle() whether we
1799          * still need to plug I/O dispatching. If bfq_better_to_idle()
1800          * says no, then plugging is not needed any longer, either to
1801          * boost throughput or to perserve service guarantees. Then
1802          * the best option is to stop plugging I/O, as not doing so
1803          * would certainly lower throughput. We may end up in this
1804          * case if: (1) upon a dispatch attempt, we detected that it
1805          * was better to plug I/O dispatch, and to wait for a new
1806          * request to arrive for the currently in-service queue, but
1807          * (2) this switch of bfqq to busy changes the scenario.
1808          */
1809         if (bfqd->in_service_queue &&
1810             ((bfqq_wants_to_preempt &&
1811               bfqq->wr_coeff >= bfqd->in_service_queue->wr_coeff) ||
1812              bfq_bfqq_higher_class_or_weight(bfqq, bfqd->in_service_queue) ||
1813              !bfq_better_to_idle(bfqd->in_service_queue)) &&
1814             next_queue_may_preempt(bfqd))
1815                 bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqd->in_service_queue,
1816                                 false, BFQQE_PREEMPTED);
1817 }
1818
1819 static void bfq_reset_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
1820                                    struct bfq_queue *bfqq)
1821 {
1822         /* invalidate baseline total service time */
1823         bfqq->last_serv_time_ns = 0;
1824
1825         /*
1826          * Reset pointer in case we are waiting for
1827          * some request completion.
1828          */
1829         bfqd->waited_rq = NULL;
1830
1831         /*
1832          * If bfqq has a short think time, then start by setting the
1833          * inject limit to 0 prudentially, because the service time of
1834          * an injected I/O request may be higher than the think time
1835          * of bfqq, and therefore, if one request was injected when
1836          * bfqq remains empty, this injected request might delay the
1837          * service of the next I/O request for bfqq significantly. In
1838          * case bfqq can actually tolerate some injection, then the
1839          * adaptive update will however raise the limit soon. This
1840          * lucky circumstance holds exactly because bfqq has a short
1841          * think time, and thus, after remaining empty, is likely to
1842          * get new I/O enqueued---and then completed---before being
1843          * expired. This is the very pattern that gives the
1844          * limit-update algorithm the chance to measure the effect of
1845          * injection on request service times, and then to update the
1846          * limit accordingly.
1847          *
1848          * However, in the following special case, the inject limit is
1849          * left to 1 even if the think time is short: bfqq's I/O is
1850          * synchronized with that of some other queue, i.e., bfqq may
1851          * receive new I/O only after the I/O of the other queue is
1852          * completed. Keeping the inject limit to 1 allows the
1853          * blocking I/O to be served while bfqq is in service. And
1854          * this is very convenient both for bfqq and for overall
1855          * throughput, as explained in detail in the comments in
1856          * bfq_update_has_short_ttime().
1857          *
1858          * On the opposite end, if bfqq has a long think time, then
1859          * start directly by 1, because:
1860          * a) on the bright side, keeping at most one request in
1861          * service in the drive is unlikely to cause any harm to the
1862          * latency of bfqq's requests, as the service time of a single
1863          * request is likely to be lower than the think time of bfqq;
1864          * b) on the downside, after becoming empty, bfqq is likely to
1865          * expire before getting its next request. With this request
1866          * arrival pattern, it is very hard to sample total service
1867          * times and update the inject limit accordingly (see comments
1868          * on bfq_update_inject_limit()). So the limit is likely to be
1869          * never, or at least seldom, updated.  As a consequence, by
1870          * setting the limit to 1, we avoid that no injection ever
1871          * occurs with bfqq. On the downside, this proactive step
1872          * further reduces chances to actually compute the baseline
1873          * total service time. Thus it reduces chances to execute the
1874          * limit-update algorithm and possibly raise the limit to more
1875          * than 1.
1876          */
1877         if (bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq))
1878                 bfqq->inject_limit = 0;
1879         else
1880                 bfqq->inject_limit = 1;
1881
1882         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
1883 }
1884
1885 static void bfq_update_io_intensity(struct bfq_queue *bfqq, u64 now_ns)
1886 {
1887         u64 tot_io_time = now_ns - bfqq->io_start_time;
1888
1889         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfqq->dispatched == 0)
1890                 bfqq->tot_idle_time +=
1891                         now_ns - bfqq->ttime.last_end_request;
1892
1893         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq)))
1894                 return;
1895
1896         /*
1897          * Must be busy for at least about 80% of the time to be
1898          * considered I/O bound.
1899          */
1900         if (bfqq->tot_idle_time * 5 > tot_io_time)
1901                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1902         else
1903                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1904
1905         /*
1906          * Keep an observation window of at most 200 ms in the past
1907          * from now.
1908          */
1909         if (tot_io_time > 200 * NSEC_PER_MSEC) {
1910                 bfqq->io_start_time = now_ns - (tot_io_time>>1);
1911                 bfqq->tot_idle_time >>= 1;
1912         }
1913 }
1914
1915 /*
1916  * Detect whether bfqq's I/O seems synchronized with that of some
1917  * other queue, i.e., whether bfqq, after remaining empty, happens to
1918  * receive new I/O only right after some I/O request of the other
1919  * queue has been completed. We call waker queue the other queue, and
1920  * we assume, for simplicity, that bfqq may have at most one waker
1921  * queue.
1922  *
1923  * A remarkable throughput boost can be reached by unconditionally
1924  * injecting the I/O of the waker queue, every time a new
1925  * bfq_dispatch_request happens to be invoked while I/O is being
1926  * plugged for bfqq.  In addition to boosting throughput, this
1927  * unblocks bfqq's I/O, thereby improving bandwidth and latency for
1928  * bfqq. Note that these same results may be achieved with the general
1929  * injection mechanism, but less effectively. For details on this
1930  * aspect, see the comments on the choice of the queue for injection
1931  * in bfq_select_queue().
1932  *
1933  * Turning back to the detection of a waker queue, a queue Q is deemed
1934  * as a waker queue for bfqq if, for three consecutive times, bfqq
1935  * happens to become non empty right after a request of Q has been
1936  * completed. In particular, on the first time, Q is tentatively set
1937  * as a candidate waker queue, while on the third consecutive time
1938  * that Q is detected, the field waker_bfqq is set to Q, to confirm
1939  * that Q is a waker queue for bfqq. These detection steps are
1940  * performed only if bfqq has a long think time, so as to make it more
1941  * likely that bfqq's I/O is actually being blocked by a
1942  * synchronization. This last filter, plus the above three-times
1943  * requirement, make false positives less likely.
1944  *
1945  * NOTE
1946  *
1947  * The sooner a waker queue is detected, the sooner throughput can be
1948  * boosted by injecting I/O from the waker queue. Fortunately,
1949  * detection is likely to be actually fast, for the following
1950  * reasons. While blocked by synchronization, bfqq has a long think
1951  * time. This implies that bfqq's inject limit is at least equal to 1
1952  * (see the comments in bfq_update_inject_limit()). So, thanks to
1953  * injection, the waker queue is likely to be served during the very
1954  * first I/O-plugging time interval for bfqq. This triggers the first
1955  * step of the detection mechanism. Thanks again to injection, the
1956  * candidate waker queue is then likely to be confirmed no later than
1957  * during the next I/O-plugging interval for bfqq.
1958  *
1959  * ISSUE
1960  *
1961  * On queue merging all waker information is lost.
1962  */
1963 static void bfq_check_waker(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
1964                             u64 now_ns)
1965 {
1966         if (!bfqd->last_completed_rq_bfqq ||
1967             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq ||
1968             bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) ||
1969             now_ns - bfqd->last_completion >= 4 * NSEC_PER_MSEC ||
1970             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq->waker_bfqq)
1971                 return;
1972
1973         if (bfqd->last_completed_rq_bfqq !=
1974             bfqq->tentative_waker_bfqq) {
1975                 /*
1976                  * First synchronization detected with a
1977                  * candidate waker queue, or with a different
1978                  * candidate waker queue from the current one.
1979                  */
1980                 bfqq->tentative_waker_bfqq =
1981                         bfqd->last_completed_rq_bfqq;
1982                 bfqq->num_waker_detections = 1;
1983         } else /* Same tentative waker queue detected again */
1984                 bfqq->num_waker_detections++;
1985
1986         if (bfqq->num_waker_detections == 3) {
1987                 bfqq->waker_bfqq = bfqd->last_completed_rq_bfqq;
1988                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
1989
1990                 /*
1991                  * If the waker queue disappears, then
1992                  * bfqq->waker_bfqq must be reset. To
1993                  * this goal, we maintain in each
1994                  * waker queue a list, woken_list, of
1995                  * all the queues that reference the
1996                  * waker queue through their
1997                  * waker_bfqq pointer. When the waker
1998                  * queue exits, the waker_bfqq pointer
1999                  * of all the queues in the woken_list
2000                  * is reset.
2001                  *
2002                  * In addition, if bfqq is already in
2003                  * the woken_list of a waker queue,
2004                  * then, before being inserted into
2005                  * the woken_list of a new waker
2006                  * queue, bfqq must be removed from
2007                  * the woken_list of the old waker
2008                  * queue.
2009                  */
2010                 if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
2011                         hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
2012                 hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
2013                                &bfqd->last_completed_rq_bfqq->woken_list);
2014         }
2015 }
2016
2017 static void bfq_add_request(struct request *rq)
2018 {
2019         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2020         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2021         struct request *next_rq, *prev;
2022         unsigned int old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2023         bool interactive = false;
2024         u64 now_ns = ktime_get_ns();
2025
2026         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "add_request %d", rq_is_sync(rq));
2027         bfqq->queued[rq_is_sync(rq)]++;
2028         bfqd->queued++;
2029
2030         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
2031                 bfq_check_waker(bfqd, bfqq, now_ns);
2032
2033                 /*
2034                  * Periodically reset inject limit, to make sure that
2035                  * the latter eventually drops in case workload
2036                  * changes, see step (3) in the comments on
2037                  * bfq_update_inject_limit().
2038                  */
2039                 if (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2040                                              msecs_to_jiffies(1000)))
2041                         bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
2042
2043                 /*
2044                  * The following conditions must hold to setup a new
2045                  * sampling of total service time, and then a new
2046                  * update of the inject limit:
2047                  * - bfqq is in service, because the total service
2048                  *   time is evaluated only for the I/O requests of
2049                  *   the queues in service;
2050                  * - this is the right occasion to compute or to
2051                  *   lower the baseline total service time, because
2052                  *   there are actually no requests in the drive,
2053                  *   or
2054                  *   the baseline total service time is available, and
2055                  *   this is the right occasion to compute the other
2056                  *   quantity needed to update the inject limit, i.e.,
2057                  *   the total service time caused by the amount of
2058                  *   injection allowed by the current value of the
2059                  *   limit. It is the right occasion because injection
2060                  *   has actually been performed during the service
2061                  *   hole, and there are still in-flight requests,
2062                  *   which are very likely to be exactly the injected
2063                  *   requests, or part of them;
2064                  * - the minimum interval for sampling the total
2065                  *   service time and updating the inject limit has
2066                  *   elapsed.
2067                  */
2068                 if (bfqq == bfqd->in_service_queue &&
2069                     (bfqd->rq_in_driver == 0 ||
2070                      (bfqq->last_serv_time_ns > 0 &&
2071                       bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver > 0)) &&
2072                     time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2073                                               msecs_to_jiffies(10))) {
2074                         bfqd->last_empty_occupied_ns = ktime_get_ns();
2075                         /*
2076                          * Start the state machine for measuring the
2077                          * total service time of rq: setting
2078                          * wait_dispatch will cause bfqd->waited_rq to
2079                          * be set when rq will be dispatched.
2080                          */
2081                         bfqd->wait_dispatch = true;
2082                         /*
2083                          * If there is no I/O in service in the drive,
2084                          * then possible injection occurred before the
2085                          * arrival of rq will not affect the total
2086                          * service time of rq. So the injection limit
2087                          * must not be updated as a function of such
2088                          * total service time, unless new injection
2089                          * occurs before rq is completed. To have the
2090                          * injection limit updated only in the latter
2091                          * case, reset rqs_injected here (rqs_injected
2092                          * will be set in case injection is performed
2093                          * on bfqq before rq is completed).
2094                          */
2095                         if (bfqd->rq_in_driver == 0)
2096                                 bfqd->rqs_injected = false;
2097                 }
2098         }
2099
2100         if (bfq_bfqq_sync(bfqq))
2101                 bfq_update_io_intensity(bfqq, now_ns);
2102
2103         elv_rb_add(&bfqq->sort_list, rq);
2104
2105         /*
2106          * Check if this request is a better next-serve candidate.
2107          */
2108         prev = bfqq->next_rq;
2109         next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, rq, bfqd->last_position);
2110         bfqq->next_rq = next_rq;
2111
2112         /*
2113          * Adjust priority tree position, if next_rq changes.
2114          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
2115          */
2116         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing && prev != bfqq->next_rq))
2117                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2118
2119         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq)) /* switching to busy ... */
2120                 bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(bfqd, bfqq, old_wr_coeff,
2121                                                  rq, &interactive);
2122         else {
2123                 if (bfqd->low_latency && old_wr_coeff == 1 && !rq_is_sync(rq) &&
2124                     time_is_before_jiffies(
2125                                 bfqq->last_wr_start_finish +
2126                                 bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async)) {
2127                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
2128                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
2129
2130                         bfqd->wr_busy_queues++;
2131                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2132                 }
2133                 if (prev != bfqq->next_rq)
2134                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2135         }
2136
2137         /*
2138          * Assign jiffies to last_wr_start_finish in the following
2139          * cases:
2140          *
2141          * . if bfqq is not going to be weight-raised, because, for
2142          *   non weight-raised queues, last_wr_start_finish stores the
2143          *   arrival time of the last request; as of now, this piece
2144          *   of information is used only for deciding whether to
2145          *   weight-raise async queues
2146          *
2147          * . if bfqq is not weight-raised, because, if bfqq is now
2148          *   switching to weight-raised, then last_wr_start_finish
2149          *   stores the time when weight-raising starts
2150          *
2151          * . if bfqq is interactive, because, regardless of whether
2152          *   bfqq is currently weight-raised, the weight-raising
2153          *   period must start or restart (this case is considered
2154          *   separately because it is not detected by the above
2155          *   conditions, if bfqq is already weight-raised)
2156          *
2157          * last_wr_start_finish has to be updated also if bfqq is soft
2158          * real-time, because the weight-raising period is constantly
2159          * restarted on idle-to-busy transitions for these queues, but
2160          * this is already done in bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch if
2161          * needed.
2162          */
2163         if (bfqd->low_latency &&
2164                 (old_wr_coeff == 1 || bfqq->wr_coeff == 1 || interactive))
2165                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2166 }
2167
2168 static struct request *bfq_find_rq_fmerge(struct bfq_data *bfqd,
2169                                           struct bio *bio,
2170                                           struct request_queue *q)
2171 {
2172         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq;
2173
2174
2175         if (bfqq)
2176                 return elv_rb_find(&bfqq->sort_list, bio_end_sector(bio));
2177
2178         return NULL;
2179 }
2180
2181 static sector_t get_sdist(sector_t last_pos, struct request *rq)
2182 {
2183         if (last_pos)
2184                 return abs(blk_rq_pos(rq) - last_pos);
2185
2186         return 0;
2187 }
2188
2189 #if 0 /* Still not clear if we can do without next two functions */
2190 static void bfq_activate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2191 {
2192         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2193
2194         bfqd->rq_in_driver++;
2195 }
2196
2197 static void bfq_deactivate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2198 {
2199         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2200
2201         bfqd->rq_in_driver--;
2202 }
2203 #endif
2204
2205 static void bfq_remove_request(struct request_queue *q,
2206                                struct request *rq)
2207 {
2208         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2209         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2210         const int sync = rq_is_sync(rq);
2211
2212         if (bfqq->next_rq == rq) {
2213                 bfqq->next_rq = bfq_find_next_rq(bfqd, bfqq, rq);
2214                 bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2215         }
2216
2217         if (rq->queuelist.prev != &rq->queuelist)
2218                 list_del_init(&rq->queuelist);
2219         bfqq->queued[sync]--;
2220         bfqd->queued--;
2221         elv_rb_del(&bfqq->sort_list, rq);
2222
2223         elv_rqhash_del(q, rq);
2224         if (q->last_merge == rq)
2225                 q->last_merge = NULL;
2226
2227         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
2228                 bfqq->next_rq = NULL;
2229
2230                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && bfqq != bfqd->in_service_queue) {
2231                         bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2232                         /*
2233                          * bfqq emptied. In normal operation, when
2234                          * bfqq is empty, bfqq->entity.service and
2235                          * bfqq->entity.budget must contain,
2236                          * respectively, the service received and the
2237                          * budget used last time bfqq emptied. These
2238                          * facts do not hold in this case, as at least
2239                          * this last removal occurred while bfqq is
2240                          * not in service. To avoid inconsistencies,
2241                          * reset both bfqq->entity.service and
2242                          * bfqq->entity.budget, if bfqq has still a
2243                          * process that may issue I/O requests to it.
2244                          */
2245                         bfqq->entity.budget = bfqq->entity.service = 0;
2246                 }
2247
2248                 /*
2249                  * Remove queue from request-position tree as it is empty.
2250                  */
2251                 if (bfqq->pos_root) {
2252                         rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
2253                         bfqq->pos_root = NULL;
2254                 }
2255         } else {
2256                 /* see comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely() */
2257                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2258                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2259         }
2260
2261         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
2262                 bfqq->meta_pending--;
2263
2264 }
2265
2266 static bool bfq_bio_merge(struct request_queue *q, struct bio *bio,
2267                 unsigned int nr_segs)
2268 {
2269         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2270         struct request *free = NULL;
2271         /*
2272          * bfq_bic_lookup grabs the queue_lock: invoke it now and
2273          * store its return value for later use, to avoid nesting
2274          * queue_lock inside the bfqd->lock. We assume that the bic
2275          * returned by bfq_bic_lookup does not go away before
2276          * bfqd->lock is taken.
2277          */
2278         struct bfq_io_cq *bic = bfq_bic_lookup(bfqd, current->io_context, q);
2279         bool ret;
2280
2281         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2282
2283         if (bic)
2284                 bfqd->bio_bfqq = bic_to_bfqq(bic, op_is_sync(bio->bi_opf));
2285         else
2286                 bfqd->bio_bfqq = NULL;
2287         bfqd->bio_bic = bic;
2288
2289         ret = blk_mq_sched_try_merge(q, bio, nr_segs, &free);
2290
2291         if (free)
2292                 blk_mq_free_request(free);
2293         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2294
2295         return ret;
2296 }
2297
2298 static int bfq_request_merge(struct request_queue *q, struct request **req,
2299                              struct bio *bio)
2300 {
2301         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2302         struct request *__rq;
2303
2304         __rq = bfq_find_rq_fmerge(bfqd, bio, q);
2305         if (__rq && elv_bio_merge_ok(__rq, bio)) {
2306                 *req = __rq;
2307                 return ELEVATOR_FRONT_MERGE;
2308         }
2309
2310         return ELEVATOR_NO_MERGE;
2311 }
2312
2313 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq);
2314
2315 static void bfq_request_merged(struct request_queue *q, struct request *req,
2316                                enum elv_merge type)
2317 {
2318         if (type == ELEVATOR_FRONT_MERGE &&
2319             rb_prev(&req->rb_node) &&
2320             blk_rq_pos(req) <
2321             blk_rq_pos(container_of(rb_prev(&req->rb_node),
2322                                     struct request, rb_node))) {
2323                 struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(req);
2324                 struct bfq_data *bfqd;
2325                 struct request *prev, *next_rq;
2326
2327                 if (!bfqq)
2328                         return;
2329
2330                 bfqd = bfqq->bfqd;
2331
2332                 /* Reposition request in its sort_list */
2333                 elv_rb_del(&bfqq->sort_list, req);
2334                 elv_rb_add(&bfqq->sort_list, req);
2335
2336                 /* Choose next request to be served for bfqq */
2337                 prev = bfqq->next_rq;
2338                 next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, req,
2339                                          bfqd->last_position);
2340                 bfqq->next_rq = next_rq;
2341                 /*
2342                  * If next_rq changes, update both the queue's budget to
2343                  * fit the new request and the queue's position in its
2344                  * rq_pos_tree.
2345                  */
2346                 if (prev != bfqq->next_rq) {
2347                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2348                         /*
2349                          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for
2350                          * the unlikely().
2351                          */
2352                         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2353                                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2354                 }
2355         }
2356 }
2357
2358 /*
2359  * This function is called to notify the scheduler that the requests
2360  * rq and 'next' have been merged, with 'next' going away.  BFQ
2361  * exploits this hook to address the following issue: if 'next' has a
2362  * fifo_time lower that rq, then the fifo_time of rq must be set to
2363  * the value of 'next', to not forget the greater age of 'next'.
2364  *
2365  * NOTE: in this function we assume that rq is in a bfq_queue, basing
2366  * on that rq is picked from the hash table q->elevator->hash, which,
2367  * in its turn, is filled only with I/O requests present in
2368  * bfq_queues, while BFQ is in use for the request queue q. In fact,
2369  * the function that fills this hash table (elv_rqhash_add) is called
2370  * only by bfq_insert_request.
2371  */
2372 static void bfq_requests_merged(struct request_queue *q, struct request *rq,
2373                                 struct request *next)
2374 {
2375         struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(rq),
2376                 *next_bfqq = bfq_init_rq(next);
2377
2378         if (!bfqq)
2379                 return;
2380
2381         /*
2382          * If next and rq belong to the same bfq_queue and next is older
2383          * than rq, then reposition rq in the fifo (by substituting next
2384          * with rq). Otherwise, if next and rq belong to different
2385          * bfq_queues, never reposition rq: in fact, we would have to
2386          * reposition it with respect to next's position in its own fifo,
2387          * which would most certainly be too expensive with respect to
2388          * the benefits.
2389          */
2390         if (bfqq == next_bfqq &&
2391             !list_empty(&rq->queuelist) && !list_empty(&next->queuelist) &&
2392             next->fifo_time < rq->fifo_time) {
2393                 list_del_init(&rq->queuelist);
2394                 list_replace_init(&next->queuelist, &rq->queuelist);
2395                 rq->fifo_time = next->fifo_time;
2396         }
2397
2398         if (bfqq->next_rq == next)
2399                 bfqq->next_rq = rq;
2400
2401         bfqg_stats_update_io_merged(bfqq_group(bfqq), next->cmd_flags);
2402 }
2403
2404 /* Must be called with bfqq != NULL */
2405 static void bfq_bfqq_end_wr(struct bfq_queue *bfqq)
2406 {
2407         /*
2408          * If bfqq has been enjoying interactive weight-raising, then
2409          * reset soft_rt_next_start. We do it for the following
2410          * reason. bfqq may have been conveying the I/O needed to load
2411          * a soft real-time application. Such an application actually
2412          * exhibits a soft real-time I/O pattern after it finishes
2413          * loading, and finally starts doing its job. But, if bfqq has
2414          * been receiving a lot of bandwidth so far (likely to happen
2415          * on a fast device), then soft_rt_next_start now contains a
2416          * high value that. So, without this reset, bfqq would be
2417          * prevented from being possibly considered as soft_rt for a
2418          * very long time.
2419          */
2420
2421         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
2422             bfqq->bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
2423                 bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
2424
2425         if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2426                 bfqq->bfqd->wr_busy_queues--;
2427         bfqq->wr_coeff = 1;
2428         bfqq->wr_cur_max_time = 0;
2429         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2430         /*
2431          * Trigger a weight change on the next invocation of
2432          * __bfq_entity_update_weight_prio.
2433          */
2434         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2435 }
2436
2437 void bfq_end_wr_async_queues(struct bfq_data *bfqd,
2438                              struct bfq_group *bfqg)
2439 {
2440         int i, j;
2441
2442         for (i = 0; i < 2; i++)
2443                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
2444                         if (bfqg->async_bfqq[i][j])
2445                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_bfqq[i][j]);
2446         if (bfqg->async_idle_bfqq)
2447                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_idle_bfqq);
2448 }
2449
2450 static void bfq_end_wr(struct bfq_data *bfqd)
2451 {
2452         struct bfq_queue *bfqq;
2453
2454         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2455
2456         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
2457                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2458         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
2459                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2460         bfq_end_wr_async(bfqd);
2461
2462         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2463 }
2464
2465 static sector_t bfq_io_struct_pos(void *io_struct, bool request)
2466 {
2467         if (request)
2468                 return blk_rq_pos(io_struct);
2469         else
2470                 return ((struct bio *)io_struct)->bi_iter.bi_sector;
2471 }
2472
2473 static int bfq_rq_close_to_sector(void *io_struct, bool request,
2474                                   sector_t sector)
2475 {
2476         return abs(bfq_io_struct_pos(io_struct, request) - sector) <=
2477                BFQQ_CLOSE_THR;
2478 }
2479
2480 static struct bfq_queue *bfqq_find_close(struct bfq_data *bfqd,
2481                                          struct bfq_queue *bfqq,
2482                                          sector_t sector)
2483 {
2484         struct rb_root *root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
2485         struct rb_node *parent, *node;
2486         struct bfq_queue *__bfqq;
2487
2488         if (RB_EMPTY_ROOT(root))
2489                 return NULL;
2490
2491         /*
2492          * First, if we find a request starting at the end of the last
2493          * request, choose it.
2494          */
2495         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, root, sector, &parent, NULL);
2496         if (__bfqq)
2497                 return __bfqq;
2498
2499         /*
2500          * If the exact sector wasn't found, the parent of the NULL leaf
2501          * will contain the closest sector (rq_pos_tree sorted by
2502          * next_request position).
2503          */
2504         __bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
2505         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2506                 return __bfqq;
2507
2508         if (blk_rq_pos(__bfqq->next_rq) < sector)
2509                 node = rb_next(&__bfqq->pos_node);
2510         else
2511                 node = rb_prev(&__bfqq->pos_node);
2512         if (!node)
2513                 return NULL;
2514
2515         __bfqq = rb_entry(node, struct bfq_queue, pos_node);
2516         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2517                 return __bfqq;
2518
2519         return NULL;
2520 }
2521
2522 static struct bfq_queue *bfq_find_close_cooperator(struct bfq_data *bfqd,
2523                                                    struct bfq_queue *cur_bfqq,
2524                                                    sector_t sector)
2525 {
2526         struct bfq_queue *bfqq;
2527
2528         /*
2529          * We shall notice if some of the queues are cooperating,
2530          * e.g., working closely on the same area of the device. In
2531          * that case, we can group them together and: 1) don't waste
2532          * time idling, and 2) serve the union of their requests in
2533          * the best possible order for throughput.
2534          */
2535         bfqq = bfqq_find_close(bfqd, cur_bfqq, sector);
2536         if (!bfqq || bfqq == cur_bfqq)
2537                 return NULL;
2538
2539         return bfqq;
2540 }
2541
2542 static struct bfq_queue *
2543 bfq_setup_merge(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2544 {
2545         int process_refs, new_process_refs;
2546         struct bfq_queue *__bfqq;
2547
2548         /*
2549          * If there are no process references on the new_bfqq, then it is
2550          * unsafe to follow the ->new_bfqq chain as other bfqq's in the chain
2551          * may have dropped their last reference (not just their last process
2552          * reference).
2553          */
2554         if (!bfqq_process_refs(new_bfqq))
2555                 return NULL;
2556
2557         /* Avoid a circular list and skip interim queue merges. */
2558         while ((__bfqq = new_bfqq->new_bfqq)) {
2559                 if (__bfqq == bfqq)
2560                         return NULL;
2561                 new_bfqq = __bfqq;
2562         }
2563
2564         process_refs = bfqq_process_refs(bfqq);
2565         new_process_refs = bfqq_process_refs(new_bfqq);
2566         /*
2567          * If the process for the bfqq has gone away, there is no
2568          * sense in merging the queues.
2569          */
2570         if (process_refs == 0 || new_process_refs == 0)
2571                 return NULL;
2572
2573         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "scheduling merge with queue %d",
2574                 new_bfqq->pid);
2575
2576         /*
2577          * Merging is just a redirection: the requests of the process
2578          * owning one of the two queues are redirected to the other queue.
2579          * The latter queue, in its turn, is set as shared if this is the
2580          * first time that the requests of some process are redirected to
2581          * it.
2582          *
2583          * We redirect bfqq to new_bfqq and not the opposite, because
2584          * we are in the context of the process owning bfqq, thus we
2585          * have the io_cq of this process. So we can immediately
2586          * configure this io_cq to redirect the requests of the
2587          * process to new_bfqq. In contrast, the io_cq of new_bfqq is
2588          * not available any more (new_bfqq->bic == NULL).
2589          *
2590          * Anyway, even in case new_bfqq coincides with the in-service
2591          * queue, redirecting requests the in-service queue is the
2592          * best option, as we feed the in-service queue with new
2593          * requests close to the last request served and, by doing so,
2594          * are likely to increase the throughput.
2595          */
2596         bfqq->new_bfqq = new_bfqq;
2597         new_bfqq->ref += process_refs;
2598         return new_bfqq;
2599 }
2600
2601 static bool bfq_may_be_close_cooperator(struct bfq_queue *bfqq,
2602                                         struct bfq_queue *new_bfqq)
2603 {
2604         if (bfq_too_late_for_merging(new_bfqq))
2605                 return false;
2606
2607         if (bfq_class_idle(bfqq) || bfq_class_idle(new_bfqq) ||
2608             (bfqq->ioprio_class != new_bfqq->ioprio_class))
2609                 return false;
2610
2611         /*
2612          * If either of the queues has already been detected as seeky,
2613          * then merging it with the other queue is unlikely to lead to
2614          * sequential I/O.
2615          */
2616         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) || BFQQ_SEEKY(new_bfqq))
2617                 return false;
2618
2619         /*
2620          * Interleaved I/O is known to be done by (some) applications
2621          * only for reads, so it does not make sense to merge async
2622          * queues.
2623          */
2624         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || !bfq_bfqq_sync(new_bfqq))
2625                 return false;
2626
2627         return true;
2628 }
2629
2630 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
2631                                              struct bfq_queue *bfqq);
2632
2633 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq);
2634
2635 /*
2636  * Attempt to schedule a merge of bfqq with the currently in-service
2637  * queue or with a close queue among the scheduled queues.  Return
2638  * NULL if no merge was scheduled, a pointer to the shared bfq_queue
2639  * structure otherwise.
2640  *
2641  * The OOM queue is not allowed to participate to cooperation: in fact, since
2642  * the requests temporarily redirected to the OOM queue could be redirected
2643  * again to dedicated queues at any time, the state needed to correctly
2644  * handle merging with the OOM queue would be quite complex and expensive
2645  * to maintain. Besides, in such a critical condition as an out of memory,
2646  * the benefits of queue merging may be little relevant, or even negligible.
2647  *
2648  * WARNING: queue merging may impair fairness among non-weight raised
2649  * queues, for at least two reasons: 1) the original weight of a
2650  * merged queue may change during the merged state, 2) even being the
2651  * weight the same, a merged queue may be bloated with many more
2652  * requests than the ones produced by its originally-associated
2653  * process.
2654  */
2655 static struct bfq_queue *
2656 bfq_setup_cooperator(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
2657                      void *io_struct, bool request, struct bfq_io_cq *bic)
2658 {
2659         struct bfq_queue *in_service_bfqq, *new_bfqq;
2660
2661         /*
2662          * Check delayed stable merge for rotational or non-queueing
2663          * devs. For this branch to be executed, bfqq must not be
2664          * currently merged with some other queue (i.e., bfqq->bic
2665          * must be non null). If we considered also merged queues,
2666          * then we should also check whether bfqq has already been
2667          * merged with bic->stable_merge_bfqq. But this would be
2668          * costly and complicated.
2669          */
2670         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing)) {
2671                 if (bic->stable_merge_bfqq &&
2672                     !bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2673                     time_is_after_jiffies(bfqq->split_time +
2674                                           msecs_to_jiffies(200))) {
2675                         struct bfq_queue *stable_merge_bfqq =
2676                                 bic->stable_merge_bfqq;
2677                         int proc_ref = min(bfqq_process_refs(bfqq),
2678                                            bfqq_process_refs(stable_merge_bfqq));
2679
2680                         /* deschedule stable merge, because done or aborted here */
2681                         bfq_put_stable_ref(stable_merge_bfqq);
2682
2683                         bic->stable_merge_bfqq = NULL;
2684
2685                         if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
2686                             proc_ref > 0) {
2687                                 /* next function will take at least one ref */
2688                                 struct bfq_queue *new_bfqq =
2689                                         bfq_setup_merge(bfqq, stable_merge_bfqq);
2690
2691                                 bic->stably_merged = true;
2692                                 if (new_bfqq && new_bfqq->bic)
2693                                         new_bfqq->bic->stably_merged = true;
2694                                 return new_bfqq;
2695                         } else
2696                                 return NULL;
2697                 }
2698         }
2699
2700         /*
2701          * Do not perform queue merging if the device is non
2702          * rotational and performs internal queueing. In fact, such a
2703          * device reaches a high speed through internal parallelism
2704          * and pipelining. This means that, to reach a high
2705          * throughput, it must have many requests enqueued at the same
2706          * time. But, in this configuration, the internal scheduling
2707          * algorithm of the device does exactly the job of queue
2708          * merging: it reorders requests so as to obtain as much as
2709          * possible a sequential I/O pattern. As a consequence, with
2710          * the workload generated by processes doing interleaved I/O,
2711          * the throughput reached by the device is likely to be the
2712          * same, with and without queue merging.
2713          *
2714          * Disabling merging also provides a remarkable benefit in
2715          * terms of throughput. Merging tends to make many workloads
2716          * artificially more uneven, because of shared queues
2717          * remaining non empty for incomparably more time than
2718          * non-merged queues. This may accentuate workload
2719          * asymmetries. For example, if one of the queues in a set of
2720          * merged queues has a higher weight than a normal queue, then
2721          * the shared queue may inherit such a high weight and, by
2722          * staying almost always active, may force BFQ to perform I/O
2723          * plugging most of the time. This evidently makes it harder
2724          * for BFQ to let the device reach a high throughput.
2725          *
2726          * Finally, the likely() macro below is not used because one
2727          * of the two branches is more likely than the other, but to
2728          * have the code path after the following if() executed as
2729          * fast as possible for the case of a non rotational device
2730          * with queueing. We want it because this is the fastest kind
2731          * of device. On the opposite end, the likely() may lengthen
2732          * the execution time of BFQ for the case of slower devices
2733          * (rotational or at least without queueing). But in this case
2734          * the execution time of BFQ matters very little, if not at
2735          * all.
2736          */
2737         if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
2738                 return NULL;
2739
2740         /*
2741          * Prevent bfqq from being merged if it has been created too
2742          * long ago. The idea is that true cooperating processes, and
2743          * thus their associated bfq_queues, are supposed to be
2744          * created shortly after each other. This is the case, e.g.,
2745          * for KVM/QEMU and dump I/O threads. Basing on this
2746          * assumption, the following filtering greatly reduces the
2747          * probability that two non-cooperating processes, which just
2748          * happen to do close I/O for some short time interval, have
2749          * their queues merged by mistake.
2750          */
2751         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
2752                 return NULL;
2753
2754         if (bfqq->new_bfqq)
2755                 return bfqq->new_bfqq;
2756
2757         if (!io_struct || unlikely(bfqq == &bfqd->oom_bfqq))
2758                 return NULL;
2759
2760         /* If there is only one backlogged queue, don't search. */
2761         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1)
2762                 return NULL;
2763
2764         in_service_bfqq = bfqd->in_service_queue;
2765
2766         if (in_service_bfqq && in_service_bfqq != bfqq &&
2767             likely(in_service_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2768             bfq_rq_close_to_sector(io_struct, request,
2769                                    bfqd->in_serv_last_pos) &&
2770             bfqq->entity.parent == in_service_bfqq->entity.parent &&
2771             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, in_service_bfqq)) {
2772                 new_bfqq = bfq_setup_merge(bfqq, in_service_bfqq);
2773                 if (new_bfqq)
2774                         return new_bfqq;
2775         }
2776         /*
2777          * Check whether there is a cooperator among currently scheduled
2778          * queues. The only thing we need is that the bio/request is not
2779          * NULL, as we need it to establish whether a cooperator exists.
2780          */
2781         new_bfqq = bfq_find_close_cooperator(bfqd, bfqq,
2782                         bfq_io_struct_pos(io_struct, request));
2783
2784         if (new_bfqq && likely(new_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2785             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, new_bfqq))
2786                 return bfq_setup_merge(bfqq, new_bfqq);
2787
2788         return NULL;
2789 }
2790
2791 static void bfq_bfqq_save_state(struct bfq_queue *bfqq)
2792 {
2793         struct bfq_io_cq *bic = bfqq->bic;
2794
2795         /*
2796          * If !bfqq->bic, the queue is already shared or its requests
2797          * have already been redirected to a shared queue; both idle window
2798          * and weight raising state have already been saved. Do nothing.
2799          */
2800         if (!bic)
2801                 return;
2802
2803         bic->saved_last_serv_time_ns = bfqq->last_serv_time_ns;
2804         bic->saved_inject_limit = bfqq->inject_limit;
2805         bic->saved_decrease_time_jif = bfqq->decrease_time_jif;
2806
2807         bic->saved_weight = bfqq->entity.orig_weight;
2808         bic->saved_ttime = bfqq->ttime;
2809         bic->saved_has_short_ttime = bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
2810         bic->saved_IO_bound = bfq_bfqq_IO_bound(bfqq);
2811         bic->saved_io_start_time = bfqq->io_start_time;
2812         bic->saved_tot_idle_time = bfqq->tot_idle_time;
2813         bic->saved_in_large_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
2814         bic->was_in_burst_list = !hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node);
2815         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2816                      !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
2817                      bfqq->bfqd->low_latency)) {
2818                 /*
2819                  * bfqq being merged right after being created: bfqq
2820                  * would have deserved interactive weight raising, but
2821                  * did not make it to be set in a weight-raised state,
2822                  * because of this early merge. Store directly the
2823                  * weight-raising state that would have been assigned
2824                  * to bfqq, so that to avoid that bfqq unjustly fails
2825                  * to enjoy weight raising if split soon.
2826                  */
2827                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->bfqd->bfq_wr_coeff;
2828                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
2829                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqq->bfqd);
2830                 bic->saved_last_wr_start_finish = jiffies;
2831         } else {
2832                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2833                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt =
2834                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2835                 bic->saved_service_from_wr = bfqq->service_from_wr;
2836                 bic->saved_last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2837                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2838         }
2839 }
2840
2841
2842 static void
2843 bfq_reassign_last_bfqq(struct bfq_queue *cur_bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2844 {
2845         if (cur_bfqq->entity.parent &&
2846             cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2847                 cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created = new_bfqq;
2848         else if (cur_bfqq->bfqd && cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2849                 cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created = new_bfqq;
2850 }
2851
2852 void bfq_release_process_ref(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
2853 {
2854         /*
2855          * To prevent bfqq's service guarantees from being violated,
2856          * bfqq may be left busy, i.e., queued for service, even if
2857          * empty (see comments in __bfq_bfqq_expire() for
2858          * details). But, if no process will send requests to bfqq any
2859          * longer, then there is no point in keeping bfqq queued for
2860          * service. In addition, keeping bfqq queued for service, but
2861          * with no process ref any longer, may have caused bfqq to be
2862          * freed when dequeued from service. But this is assumed to
2863          * never happen.
2864          */
2865         if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
2866             bfqq != bfqd->in_service_queue)
2867                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2868
2869         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, NULL);
2870
2871         bfq_put_queue(bfqq);
2872 }
2873
2874 static void
2875 bfq_merge_bfqqs(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_io_cq *bic,
2876                 struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2877 {
2878         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "merging with queue %lu",
2879                 (unsigned long)new_bfqq->pid);
2880         /* Save weight raising and idle window of the merged queues */
2881         bfq_bfqq_save_state(bfqq);
2882         bfq_bfqq_save_state(new_bfqq);
2883         if (bfq_bfqq_IO_bound(bfqq))
2884                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(new_bfqq);
2885         bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
2886
2887         /*
2888          * The processes associated with bfqq are cooperators of the
2889          * processes associated with new_bfqq. So, if bfqq has a
2890          * waker, then assume that all these processes will be happy
2891          * to let bfqq's waker freely inject I/O when they have no
2892          * I/O.
2893          */
2894         if (bfqq->waker_bfqq && !new_bfqq->waker_bfqq &&
2895             bfqq->waker_bfqq != new_bfqq) {
2896                 new_bfqq->waker_bfqq = bfqq->waker_bfqq;
2897                 new_bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2898
2899                 /*
2900                  * If the waker queue disappears, then
2901                  * new_bfqq->waker_bfqq must be reset. So insert
2902                  * new_bfqq into the woken_list of the waker. See
2903                  * bfq_check_waker for details.
2904                  */
2905                 hlist_add_head(&new_bfqq->woken_list_node,
2906                                &new_bfqq->waker_bfqq->woken_list);
2907
2908         }
2909
2910         /*
2911          * If bfqq is weight-raised, then let new_bfqq inherit
2912          * weight-raising. To reduce false positives, neglect the case
2913          * where bfqq has just been created, but has not yet made it
2914          * to be weight-raised (which may happen because EQM may merge
2915          * bfqq even before bfq_add_request is executed for the first
2916          * time for bfqq). Handling this case would however be very
2917          * easy, thanks to the flag just_created.
2918          */
2919         if (new_bfqq->wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1) {
2920                 new_bfqq->wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2921                 new_bfqq->wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2922                 new_bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2923                 new_bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
2924                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2925                 if (bfq_bfqq_busy(new_bfqq))
2926                         bfqd->wr_busy_queues++;
2927                 new_bfqq->entity.prio_changed = 1;
2928         }
2929
2930         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* bfqq has given its wr to new_bfqq */
2931                 bfqq->wr_coeff = 1;
2932                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
2933                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2934                         bfqd->wr_busy_queues--;
2935         }
2936
2937         bfq_log_bfqq(bfqd, new_bfqq, "merge_bfqqs: wr_busy %d",
2938                      bfqd->wr_busy_queues);
2939
2940         /*
2941          * Merge queues (that is, let bic redirect its requests to new_bfqq)
2942          */
2943         bic_set_bfqq(bic, new_bfqq, 1);
2944         bfq_mark_bfqq_coop(new_bfqq);
2945         /*
2946          * new_bfqq now belongs to at least two bics (it is a shared queue):
2947          * set new_bfqq->bic to NULL. bfqq either:
2948          * - does not belong to any bic any more, and hence bfqq->bic must
2949          *   be set to NULL, or
2950          * - is a queue whose owning bics have already been redirected to a
2951          *   different queue, hence the queue is destined to not belong to
2952          *   any bic soon and bfqq->bic is already NULL (therefore the next
2953          *   assignment causes no harm).
2954          */
2955         new_bfqq->bic = NULL;
2956         /*
2957          * If the queue is shared, the pid is the pid of one of the associated
2958          * processes. Which pid depends on the exact sequence of merge events
2959          * the queue underwent. So printing such a pid is useless and confusing
2960          * because it reports a random pid between those of the associated
2961          * processes.
2962          * We mark such a queue with a pid -1, and then print SHARED instead of
2963          * a pid in logging messages.
2964          */
2965         new_bfqq->pid = -1;
2966         bfqq->bic = NULL;
2967
2968         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, new_bfqq);
2969
2970         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
2971 }
2972
2973 static bool bfq_allow_bio_merge(struct request_queue *q, struct request *rq,
2974                                 struct bio *bio)
2975 {
2976         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2977         bool is_sync = op_is_sync(bio->bi_opf);
2978         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq, *new_bfqq;
2979
2980         /*
2981          * Disallow merge of a sync bio into an async request.
2982          */
2983         if (is_sync && !rq_is_sync(rq))
2984                 return false;
2985
2986         /*
2987          * Lookup the bfqq that this bio will be queued with. Allow
2988          * merge only if rq is queued there.
2989          */
2990         if (!bfqq)
2991                 return false;
2992
2993         /*
2994          * We take advantage of this function to perform an early merge
2995          * of the queues of possible cooperating processes.
2996          */
2997         new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, bio, false, bfqd->bio_bic);
2998         if (new_bfqq) {
2999                 /*
3000                  * bic still points to bfqq, then it has not yet been
3001                  * redirected to some other bfq_queue, and a queue
3002                  * merge between bfqq and new_bfqq can be safely
3003                  * fulfilled, i.e., bic can be redirected to new_bfqq
3004                  * and bfqq can be put.
3005                  */
3006                 bfq_merge_bfqqs(bfqd, bfqd->bio_bic, bfqq,
3007                                 new_bfqq);
3008                 /*
3009                  * If we get here, bio will be queued into new_queue,
3010                  * so use new_bfqq to decide whether bio and rq can be
3011                  * merged.
3012                  */
3013                 bfqq = new_bfqq;
3014
3015                 /*
3016                  * Change also bqfd->bio_bfqq, as
3017                  * bfqd->bio_bic now points to new_bfqq, and
3018                  * this function may be invoked again (and then may
3019                  * use again bqfd->bio_bfqq).
3020                  */
3021                 bfqd->bio_bfqq = bfqq;
3022         }
3023
3024         return bfqq == RQ_BFQQ(rq);
3025 }
3026
3027 /*
3028  * Set the maximum time for the in-service queue to consume its
3029  * budget. This prevents seeky processes from lowering the throughput.
3030  * In practice, a time-slice service scheme is used with seeky
3031  * processes.
3032  */
3033 static void bfq_set_budget_timeout(struct bfq_data *bfqd,
3034                                    struct bfq_queue *bfqq)
3035 {
3036         unsigned int timeout_coeff;
3037
3038         if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
3039                 timeout_coeff = 1;
3040         else
3041                 timeout_coeff = bfqq->entity.weight / bfqq->entity.orig_weight;
3042
3043         bfqd->last_budget_start = ktime_get();
3044
3045         bfqq->budget_timeout = jiffies +
3046                 bfqd->bfq_timeout * timeout_coeff;
3047 }
3048
3049 static void __bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd,
3050                                        struct bfq_queue *bfqq)
3051 {
3052         if (bfqq) {
3053                 bfq_clear_bfqq_fifo_expire(bfqq);
3054
3055                 bfqd->budgets_assigned = (bfqd->budgets_assigned * 7 + 256) / 8;
3056
3057                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish) &&
3058                     bfqq->wr_coeff > 1 &&
3059                     bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
3060                     time_is_before_jiffies(bfqq->budget_timeout)) {
3061                         /*
3062                          * For soft real-time queues, move the start
3063                          * of the weight-raising period forward by the
3064                          * time the queue has not received any
3065                          * service. Otherwise, a relatively long
3066                          * service delay is likely to cause the
3067                          * weight-raising period of the queue to end,
3068                          * because of the short duration of the
3069                          * weight-raising period of a soft real-time
3070                          * queue.  It is worth noting that this move
3071                          * is not so dangerous for the other queues,
3072                          * because soft real-time queues are not
3073                          * greedy.
3074                          *
3075                          * To not add a further variable, we use the
3076                          * overloaded field budget_timeout to
3077                          * determine for how long the queue has not
3078                          * received service, i.e., how much time has
3079                          * elapsed since the queue expired. However,
3080                          * this is a little imprecise, because
3081                          * budget_timeout is set to jiffies if bfqq
3082                          * not only expires, but also remains with no
3083                          * request.
3084                          */
3085                         if (time_after(bfqq->budget_timeout,
3086                                        bfqq->last_wr_start_finish))
3087                                 bfqq->last_wr_start_finish +=
3088                                         jiffies - bfqq->budget_timeout;
3089                         else
3090                                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
3091                 }
3092
3093                 bfq_set_budget_timeout(bfqd, bfqq);
3094                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
3095                              "set_in_service_queue, cur-budget = %d",
3096                              bfqq->entity.budget);
3097         }
3098
3099         bfqd->in_service_queue = bfqq;
3100         bfqd->in_serv_last_pos = 0;
3101 }
3102
3103 /*
3104  * Get and set a new queue for service.
3105  */
3106 static struct bfq_queue *bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd)
3107 {
3108         struct bfq_queue *bfqq = bfq_get_next_queue(bfqd);
3109
3110         __bfq_set_in_service_queue(bfqd, bfqq);
3111         return bfqq;
3112 }
3113
3114 static void bfq_arm_slice_timer(struct bfq_data *bfqd)
3115 {
3116         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
3117         u32 sl;
3118
3119         bfq_mark_bfqq_wait_request(bfqq);
3120
3121         /*
3122          * We don't want to idle for seeks, but we do want to allow
3123          * fair distribution of slice time for a process doing back-to-back
3124          * seeks. So allow a little bit of time for him to submit a new rq.
3125          */
3126         sl = bfqd->bfq_slice_idle;
3127         /*
3128          * Unless the queue is being weight-raised or the scenario is
3129          * asymmetric, grant only minimum idle time if the queue
3130          * is seeky. A long idling is preserved for a weight-raised
3131          * queue, or, more in general, in an asymmetric scenario,
3132          * because a long idling is needed for guaranteeing to a queue
3133          * its reserved share of the throughput (in particular, it is
3134          * needed if the queue has a higher weight than some other
3135          * queue).
3136          */
3137         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1 &&
3138             !bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq))
3139                 sl = min_t(u64, sl, BFQ_MIN_TT);
3140         else if (bfqq->wr_coeff > 1)
3141                 sl = max_t(u32, sl, 20ULL * NSEC_PER_MSEC);
3142
3143         bfqd->last_idling_start = ktime_get();
3144         bfqd->last_idling_start_jiffies = jiffies;
3145
3146         hrtimer_start(&bfqd->idle_slice_timer, ns_to_ktime(sl),
3147                       HRTIMER_MODE_REL);
3148         bfqg_stats_set_start_idle_time(bfqq_group(bfqq));
3149 }
3150
3151 /*
3152  * In autotuning mode, max_budget is dynamically recomputed as the
3153  * amount of sectors transferred in timeout at the estimated peak
3154  * rate. This enables BFQ to utilize a full timeslice with a full
3155  * budget, even if the in-service queue is served at peak rate. And
3156  * this maximises throughput with sequential workloads.
3157  */
3158 static unsigned long bfq_calc_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
3159 {
3160         return (u64)bfqd->peak_rate * USEC_PER_MSEC *
3161                 jiffies_to_msecs(bfqd->bfq_timeout)>>BFQ_RATE_SHIFT;
3162 }
3163
3164 /*
3165  * Update parameters related to throughput and responsiveness, as a
3166  * function of the estimated peak rate. See comments on
3167  * bfq_calc_max_budget(), and on the ref_wr_duration array.
3168  */
3169 static void update_thr_responsiveness_params(struct bfq_data *bfqd)
3170 {
3171         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0) {
3172                 bfqd->bfq_max_budget =
3173                         bfq_calc_max_budget(bfqd);
3174                 bfq_log(bfqd, "new max_budget = %d", bfqd->bfq_max_budget);
3175         }
3176 }
3177
3178 static void bfq_reset_rate_computation(struct bfq_data *bfqd,
3179                                        struct request *rq)
3180 {
3181         if (rq != NULL) { /* new rq dispatch now, reset accordingly */
3182                 bfqd->last_dispatch = bfqd->first_dispatch = ktime_get_ns();
3183                 bfqd->peak_rate_samples = 1;
3184                 bfqd->sequential_samples = 0;
3185                 bfqd->tot_sectors_dispatched = bfqd->last_rq_max_size =
3186                         blk_rq_sectors(rq);
3187         } else /* no new rq dispatched, just reset the number of samples */
3188                 bfqd->peak_rate_samples = 0; /* full re-init on next disp. */
3189
3190         bfq_log(bfqd,
3191                 "reset_rate_computation at end, sample %u/%u tot_sects %llu",
3192                 bfqd->peak_rate_samples, bfqd->sequential_samples,
3193                 bfqd->tot_sectors_dispatched);
3194 }
3195
3196 static void bfq_update_rate_reset(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3197 {
3198         u32 rate, weight, divisor;
3199
3200         /*
3201          * For the convergence property to hold (see comments on
3202          * bfq_update_peak_rate()) and for the assessment to be
3203          * reliable, a minimum number of samples must be present, and
3204          * a minimum amount of time must have elapsed. If not so, do
3205          * not compute new rate. Just reset parameters, to get ready
3206          * for a new evaluation attempt.
3207          */
3208         if (bfqd->peak_rate_samples < BFQ_RATE_MIN_SAMPLES ||
3209             bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_MIN_INTERVAL)
3210                 goto reset_computation;
3211
3212         /*
3213          * If a new request completion has occurred after last
3214          * dispatch, then, to approximate the rate at which requests
3215          * have been served by the device, it is more precise to
3216          * extend the observation interval to the last completion.
3217          */
3218         bfqd->delta_from_first =
3219                 max_t(u64, bfqd->delta_from_first,
3220                       bfqd->last_completion - bfqd->first_dispatch);
3221
3222         /*
3223          * Rate computed in sects/usec, and not sects/nsec, for
3224          * precision issues.
3225          */
3226         rate = div64_ul(bfqd->tot_sectors_dispatched<<BFQ_RATE_SHIFT,
3227                         div_u64(bfqd->delta_from_first, NSEC_PER_USEC));
3228
3229         /*
3230          * Peak rate not updated if:
3231          * - the percentage of sequential dispatches is below 3/4 of the
3232          *   total, and rate is below the current estimated peak rate
3233          * - rate is unreasonably high (> 20M sectors/sec)
3234          */
3235         if ((bfqd->sequential_samples < (3 * bfqd->peak_rate_samples)>>2 &&
3236              rate <= bfqd->peak_rate) ||
3237                 rate > 20<<BFQ_RATE_SHIFT)
3238                 goto reset_computation;
3239
3240         /*
3241          * We have to update the peak rate, at last! To this purpose,
3242          * we use a low-pass filter. We compute the smoothing constant
3243          * of the filter as a function of the 'weight' of the new
3244          * measured rate.
3245          *
3246          * As can be seen in next formulas, we define this weight as a
3247          * quantity proportional to how sequential the workload is,
3248          * and to how long the observation time interval is.
3249          *
3250          * The weight runs from 0 to 8. The maximum value of the
3251          * weight, 8, yields the minimum value for the smoothing
3252          * constant. At this minimum value for the smoothing constant,
3253          * the measured rate contributes for half of the next value of
3254          * the estimated peak rate.
3255          *
3256          * So, the first step is to compute the weight as a function
3257          * of how sequential the workload is. Note that the weight
3258          * cannot reach 9, because bfqd->sequential_samples cannot
3259          * become equal to bfqd->peak_rate_samples, which, in its
3260          * turn, holds true because bfqd->sequential_samples is not
3261          * incremented for the first sample.
3262          */
3263         weight = (9 * bfqd->sequential_samples) / bfqd->peak_rate_samples;
3264
3265         /*
3266          * Second step: further refine the weight as a function of the
3267          * duration of the observation interval.
3268          */
3269         weight = min_t(u32, 8,
3270                        div_u64(weight * bfqd->delta_from_first,
3271                                BFQ_RATE_REF_INTERVAL));
3272
3273         /*
3274          * Divisor ranging from 10, for minimum weight, to 2, for
3275          * maximum weight.
3276          */
3277         divisor = 10 - weight;
3278
3279         /*
3280          * Finally, update peak rate:
3281          *
3282          * peak_rate = peak_rate * (divisor-1) / divisor  +  rate / divisor
3283          */
3284         bfqd->peak_rate *= divisor-1;
3285         bfqd->peak_rate /= divisor;
3286         rate /= divisor; /* smoothing constant alpha = 1/divisor */
3287
3288         bfqd->peak_rate += rate;
3289
3290         /*
3291          * For a very slow device, bfqd->peak_rate can reach 0 (see
3292          * the minimum representable values reported in the comments
3293          * on BFQ_RATE_SHIFT). Push to 1 if this happens, to avoid
3294          * divisions by zero where bfqd->peak_rate is used as a
3295          * divisor.
3296          */
3297         bfqd->peak_rate = max_t(u32, 1, bfqd->peak_rate);
3298
3299         update_thr_responsiveness_params(bfqd);
3300
3301 reset_computation:
3302         bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3303 }
3304
3305 /*
3306  * Update the read/write peak rate (the main quantity used for
3307  * auto-tuning, see update_thr_responsiveness_params()).
3308  *
3309  * It is not trivial to estimate the peak rate (correctly): because of
3310  * the presence of sw and hw queues between the scheduler and the
3311  * device components that finally serve I/O requests, it is hard to
3312  * say exactly when a given dispatched request is served inside the
3313  * device, and for how long. As a consequence, it is hard to know
3314  * precisely at what rate a given set of requests is actually served
3315  * by the device.
3316  *
3317  * On the opposite end, the dispatch time of any request is trivially
3318  * available, and, from this piece of information, the "dispatch rate"
3319  * of requests can be immediately computed. So, the idea in the next
3320  * function is to use what is known, namely request dispatch times
3321  * (plus, when useful, request completion times), to estimate what is
3322  * unknown, namely in-device request service rate.
3323  *
3324  * The main issue is that, because of the above facts, the rate at
3325  * which a certain set of requests is dispatched over a certain time
3326  * interval can vary greatly with respect to the rate at which the
3327  * same requests are then served. But, since the size of any
3328  * intermediate queue is limited, and the service scheme is lossless
3329  * (no request is silently dropped), the following obvious convergence
3330  * property holds: the number of requests dispatched MUST become
3331  * closer and closer to the number of requests completed as the
3332  * observation interval grows. This is the key property used in
3333  * the next function to estimate the peak service rate as a function
3334  * of the observed dispatch rate. The function assumes to be invoked
3335  * on every request dispatch.
3336  */
3337 static void bfq_update_peak_rate(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3338 {
3339         u64 now_ns = ktime_get_ns();
3340
3341         if (bfqd->peak_rate_samples == 0) { /* first dispatch */
3342                 bfq_log(bfqd, "update_peak_rate: goto reset, samples %d",
3343                         bfqd->peak_rate_samples);
3344                 bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3345                 goto update_last_values; /* will add one sample */
3346         }
3347
3348         /*
3349          * Device idle for very long: the observation interval lasting
3350          * up to this dispatch cannot be a valid observation interval
3351          * for computing a new peak rate (similarly to the late-
3352          * completion event in bfq_completed_request()). Go to
3353          * update_rate_and_reset to have the following three steps
3354          * taken:
3355          * - close the observation interval at the last (previous)
3356          *   request dispatch or completion
3357          * - compute rate, if possible, for that observation interval
3358          * - start a new observation interval with this dispatch
3359          */
3360         if (now_ns - bfqd->last_dispatch > 100*NSEC_PER_MSEC &&
3361             bfqd->rq_in_driver == 0)
3362                 goto update_rate_and_reset;
3363
3364         /* Update sampling information */
3365         bfqd->peak_rate_samples++;
3366
3367         if ((bfqd->rq_in_driver > 0 ||
3368                 now_ns - bfqd->last_completion < BFQ_MIN_TT)
3369             && !BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqd->last_position, rq))
3370                 bfqd->sequential_samples++;
3371
3372         bfqd->tot_sectors_dispatched += blk_rq_sectors(rq);
3373
3374         /* Reset max observed rq size every 32 dispatches */
3375         if (likely(bfqd->peak_rate_samples % 32))
3376                 bfqd->last_rq_max_size =
3377                         max_t(u32, blk_rq_sectors(rq), bfqd->last_rq_max_size);
3378         else
3379                 bfqd->last_rq_max_size = blk_rq_sectors(rq);
3380
3381         bfqd->delta_from_first = now_ns - bfqd->first_dispatch;
3382
3383         /* Target observation interval not yet reached, go on sampling */
3384         if (bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_REF_INTERVAL)
3385                 goto update_last_values;
3386
3387 update_rate_and_reset:
3388         bfq_update_rate_reset(bfqd, rq);
3389 update_last_values:
3390         bfqd->last_position = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
3391         if (RQ_BFQQ(rq) == bfqd->in_service_queue)
3392                 bfqd->in_serv_last_pos = bfqd->last_position;
3393         bfqd->last_dispatch = now_ns;
3394 }
3395
3396 /*
3397  * Remove request from internal lists.
3398  */
3399 static void bfq_dispatch_remove(struct request_queue *q, struct request *rq)
3400 {
3401         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
3402
3403         /*
3404          * For consistency, the next instruction should have been
3405          * executed after removing the request from the queue and
3406          * dispatching it.  We execute instead this instruction before
3407          * bfq_remove_request() (and hence introduce a temporary
3408          * inconsistency), for efficiency.  In fact, should this
3409          * dispatch occur for a non in-service bfqq, this anticipated
3410          * increment prevents two counters related to bfqq->dispatched
3411          * from risking to be, first, uselessly decremented, and then
3412          * incremented again when the (new) value of bfqq->dispatched
3413          * happens to be taken into account.
3414          */
3415         bfqq->dispatched++;
3416         bfq_update_peak_rate(q->elevator->elevator_data, rq);
3417
3418         bfq_remove_request(q, rq);
3419 }
3420
3421 /*
3422  * There is a case where idling does not have to be performed for
3423  * throughput concerns, but to preserve the throughput share of
3424  * the process associated with bfqq.
3425  *
3426  * To introduce this case, we can note that allowing the drive
3427  * to enqueue more than one request at a time, and hence
3428  * delegating de facto final scheduling decisions to the
3429  * drive's internal scheduler, entails loss of control on the
3430  * actual request service order. In particular, the critical
3431  * situation is when requests from different processes happen
3432  * to be present, at the same time, in the internal queue(s)
3433  * of the drive. In such a situation, the drive, by deciding
3434  * the service order of the internally-queued requests, does
3435  * determine also the actual throughput distribution among
3436  * these processes. But the drive typically has no notion or
3437  * concern about per-process throughput distribution, and
3438  * makes its decisions only on a per-request basis. Therefore,
3439  * the service distribution enforced by the drive's internal
3440  * scheduler is likely to coincide with the desired throughput
3441  * distribution only in a completely symmetric, or favorably
3442  * skewed scenario where:
3443  * (i-a) each of these processes must get the same throughput as
3444  *       the others,
3445  * (i-b) in case (i-a) does not hold, it holds that the process
3446  *       associated with bfqq must receive a lower or equal
3447  *       throughput than any of the other processes;
3448  * (ii)  the I/O of each process has the same properties, in
3449  *       terms of locality (sequential or random), direction
3450  *       (reads or writes), request sizes, greediness
3451  *       (from I/O-bound to sporadic), and so on;
3452
3453  * In fact, in such a scenario, the drive tends to treat the requests
3454  * of each process in about the same way as the requests of the
3455  * others, and thus to provide each of these processes with about the
3456  * same throughput.  This is exactly the desired throughput
3457  * distribution if (i-a) holds, or, if (i-b) holds instead, this is an
3458  * even more convenient distribution for (the process associated with)
3459  * bfqq.
3460  *
3461  * In contrast, in any asymmetric or unfavorable scenario, device
3462  * idling (I/O-dispatch plugging) is certainly needed to guarantee
3463  * that bfqq receives its assigned fraction of the device throughput
3464  * (see [1] for details).
3465  *
3466  * The problem is that idling may significantly reduce throughput with
3467  * certain combinations of types of I/O and devices. An important
3468  * example is sync random I/O on flash storage with command
3469  * queueing. So, unless bfqq falls in cases where idling also boosts
3470  * throughput, it is important to check conditions (i-a), i(-b) and
3471  * (ii) accurately, so as to avoid idling when not strictly needed for
3472  * service guarantees.
3473  *
3474  * Unfortunately, it is extremely difficult to thoroughly check
3475  * condition (ii). And, in case there are active groups, it becomes
3476  * very difficult to check conditions (i-a) and (i-b) too.  In fact,
3477  * if there are active groups, then, for conditions (i-a) or (i-b) to
3478  * become false 'indirectly', it is enough that an active group
3479  * contains more active processes or sub-groups than some other active
3480  * group. More precisely, for conditions (i-a) or (i-b) to become
3481  * false because of such a group, it is not even necessary that the
3482  * group is (still) active: it is sufficient that, even if the group
3483  * has become inactive, some of its descendant processes still have
3484  * some request already dispatched but still waiting for
3485  * completion. In fact, requests have still to be guaranteed their
3486  * share of the throughput even after being dispatched. In this
3487  * respect, it is easy to show that, if a group frequently becomes
3488  * inactive while still having in-flight requests, and if, when this
3489  * happens, the group is not considered in the calculation of whether
3490  * the scenario is asymmetric, then the group may fail to be
3491  * guaranteed its fair share of the throughput (basically because
3492  * idling may not be performed for the descendant processes of the
3493  * group, but it had to be).  We address this issue with the following
3494  * bi-modal behavior, implemented in the function
3495  * bfq_asymmetric_scenario().
3496  *
3497  * If there are groups with requests waiting for completion
3498  * (as commented above, some of these groups may even be
3499  * already inactive), then the scenario is tagged as
3500  * asymmetric, conservatively, without checking any of the
3501  * conditions (i-a), (i-b) or (ii). So the device is idled for bfqq.
3502  * This behavior matches also the fact that groups are created
3503  * exactly if controlling I/O is a primary concern (to
3504  * preserve bandwidth and latency guarantees).
3505  *
3506  * On the opposite end, if there are no groups with requests waiting
3507  * for completion, then only conditions (i-a) and (i-b) are actually
3508  * controlled, i.e., provided that conditions (i-a) or (i-b) holds,
3509  * idling is not performed, regardless of whether condition (ii)
3510  * holds.  In other words, only if conditions (i-a) and (i-b) do not
3511  * hold, then idling is allowed, and the device tends to be prevented
3512  * from queueing many requests, possibly of several processes. Since
3513  * there are no groups with requests waiting for completion, then, to
3514  * control conditions (i-a) and (i-b) it is enough to check just
3515  * whether all the queues with requests waiting for completion also
3516  * have the same weight.
3517  *
3518  * Not checking condition (ii) evidently exposes bfqq to the
3519  * risk of getting less throughput than its fair share.
3520  * However, for queues with the same weight, a further
3521  * mechanism, preemption, mitigates or even eliminates this
3522  * problem. And it does so without consequences on overall
3523  * throughput. This mechanism and its benefits are explained
3524  * in the next three paragraphs.
3525  *
3526  * Even if a queue, say Q, is expired when it remains idle, Q
3527  * can still preempt the new in-service queue if the next
3528  * request of Q arrives soon (see the comments on
3529  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation). If all queues and
3530  * groups have the same weight, this form of preemption,
3531  * combined with the hole-recovery heuristic described in the
3532  * comments on function bfq_bfqq_update_budg_for_activation,
3533  * are enough to preserve a correct bandwidth distribution in
3534  * the mid term, even without idling. In fact, even if not
3535  * idling allows the internal queues of the device to contain
3536  * many requests, and thus to reorder requests, we can rather
3537  * safely assume that the internal scheduler still preserves a
3538  * minimum of mid-term fairness.
3539  *
3540  * More precisely, this preemption-based, idleless approach
3541  * provides fairness in terms of IOPS, and not sectors per
3542  * second. This can be seen with a simple example. Suppose
3543  * that there are two queues with the same weight, but that
3544  * the first queue receives requests of 8 sectors, while the
3545  * second queue receives requests of 1024 sectors. In
3546  * addition, suppose that each of the two queues contains at
3547  * most one request at a time, which implies that each queue
3548  * always remains idle after it is served. Finally, after
3549  * remaining idle, each queue receives very quickly a new
3550  * request. It follows that the two queues are served
3551  * alternatively, preempting each other if needed. This
3552  * implies that, although both queues have the same weight,
3553  * the queue with large requests receives a service that is
3554  * 1024/8 times as high as the service received by the other
3555  * queue.
3556  *
3557  * The motivation for using preemption instead of idling (for
3558  * queues with the same weight) is that, by not idling,
3559  * service guarantees are preserved (completely or at least in
3560  * part) without minimally sacrificing throughput. And, if
3561  * there is no active group, then the primary expectation for
3562  * this device is probably a high throughput.
3563  *
3564  * We are now left only with explaining the two sub-conditions in the
3565  * additional compound condition that is checked below for deciding
3566  * whether the scenario is asymmetric. To explain the first
3567  * sub-condition, we need to add that the function
3568  * bfq_asymmetric_scenario checks the weights of only
3569  * non-weight-raised queues, for efficiency reasons (see comments on
3570  * bfq_weights_tree_add()). Then the fact that bfqq is weight-raised
3571  * is checked explicitly here. More precisely, the compound condition
3572  * below takes into account also the fact that, even if bfqq is being
3573  * weight-raised, the scenario is still symmetric if all queues with
3574  * requests waiting for completion happen to be
3575  * weight-raised. Actually, we should be even more precise here, and
3576  * differentiate between interactive weight raising and soft real-time
3577  * weight raising.
3578  *
3579  * The second sub-condition checked in the compound condition is
3580  * whether there is a fair amount of already in-flight I/O not
3581  * belonging to bfqq. If so, I/O dispatching is to be plugged, for the
3582  * following reason. The drive may decide to serve in-flight
3583  * non-bfqq's I/O requests before bfqq's ones, thereby delaying the
3584  * arrival of new I/O requests for bfqq (recall that bfqq is sync). If
3585  * I/O-dispatching is not plugged, then, while bfqq remains empty, a
3586  * basically uncontrolled amount of I/O from other queues may be
3587  * dispatched too, possibly causing the service of bfqq's I/O to be
3588  * delayed even longer in the drive. This problem gets more and more
3589  * serious as the speed and the queue depth of the drive grow,
3590  * because, as these two quantities grow, the probability to find no
3591  * queue busy but many requests in flight grows too. By contrast,
3592  * plugging I/O dispatching minimizes the delay induced by already
3593  * in-flight I/O, and enables bfqq to recover the bandwidth it may
3594  * lose because of this delay.
3595  *
3596  * As a side note, it is worth considering that the above
3597  * device-idling countermeasures may however fail in the following
3598  * unlucky scenario: if I/O-dispatch plugging is (correctly) disabled
3599  * in a time period during which all symmetry sub-conditions hold, and
3600  * therefore the device is allowed to enqueue many requests, but at
3601  * some later point in time some sub-condition stops to hold, then it
3602  * may become impossible to make requests be served in the desired
3603  * order until all the requests already queued in the device have been
3604  * served. The last sub-condition commented above somewhat mitigates
3605  * this problem for weight-raised queues.
3606  *
3607  * However, as an additional mitigation for this problem, we preserve
3608  * plugging for a special symmetric case that may suddenly turn into
3609  * asymmetric: the case where only bfqq is busy. In this case, not
3610  * expiring bfqq does not cause any harm to any other queues in terms
3611  * of service guarantees. In contrast, it avoids the following unlucky
3612  * sequence of events: (1) bfqq is expired, (2) a new queue with a
3613  * lower weight than bfqq becomes busy (or more queues), (3) the new
3614  * queue is served until a new request arrives for bfqq, (4) when bfqq
3615  * is finally served, there are so many requests of the new queue in
3616  * the drive that the pending requests for bfqq take a lot of time to
3617  * be served. In particular, event (2) may case even already
3618  * dispatched requests of bfqq to be delayed, inside the drive. So, to
3619  * avoid this series of events, the scenario is preventively declared
3620  * as asymmetric also if bfqq is the only busy queues
3621  */
3622 static bool idling_needed_for_service_guarantees(struct bfq_data *bfqd,
3623                                                  struct bfq_queue *bfqq)
3624 {
3625         int tot_busy_queues = bfq_tot_busy_queues(bfqd);
3626
3627         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
3628         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
3629                 return false;
3630
3631         return (bfqq->wr_coeff > 1 &&
3632                 (bfqd->wr_busy_queues <
3633                  tot_busy_queues ||
3634                  bfqd->rq_in_driver >=
3635                  bfqq->dispatched + 4)) ||
3636                 bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq) ||
3637                 tot_busy_queues == 1;
3638 }
3639
3640 static bool __bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3641                               enum bfqq_expiration reason)
3642 {
3643         /*
3644          * If this bfqq is shared between multiple processes, check
3645          * to make sure that those processes are still issuing I/Os
3646          * within the mean seek distance. If not, it may be time to
3647          * break the queues apart again.
3648          */
3649         if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && BFQQ_SEEKY(bfqq))
3650                 bfq_mark_bfqq_split_coop(bfqq);
3651
3652         /*
3653          * Consider queues with a higher finish virtual time than
3654          * bfqq. If idling_needed_for_service_guarantees(bfqq) returns
3655          * true, then bfqq's bandwidth would be violated if an
3656          * uncontrolled amount of I/O from these queues were
3657          * dispatched while bfqq is waiting for its new I/O to
3658          * arrive. This is exactly what may happen if this is a forced
3659          * expiration caused by a preemption attempt, and if bfqq is
3660          * not re-scheduled. To prevent this from happening, re-queue
3661          * bfqq if it needs I/O-dispatch plugging, even if it is
3662          * empty. By doing so, bfqq is granted to be served before the
3663          * above queues (provided that bfqq is of course eligible).
3664          */
3665         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
3666             !(reason == BFQQE_PREEMPTED &&
3667               idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq))) {
3668                 if (bfqq->dispatched == 0)
3669                         /*
3670                          * Overloading budget_timeout field to store
3671                          * the time at which the queue remains with no
3672                          * backlog and no outstanding request; used by
3673                          * the weight-raising mechanism.
3674                          */
3675                         bfqq->budget_timeout = jiffies;
3676
3677                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, true);
3678         } else {
3679                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, true);
3680                 /*
3681                  * Resort priority tree of potential close cooperators.
3682                  * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
3683                  */
3684                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing &&
3685                              !RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)))
3686                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
3687         }
3688
3689         /*
3690          * All in-service entities must have been properly deactivated
3691          * or requeued before executing the next function, which
3692          * resets all in-service entities as no more in service. This
3693          * may cause bfqq to be freed. If this happens, the next
3694          * function returns true.
3695          */
3696         return __bfq_bfqd_reset_in_service(bfqd);
3697 }
3698
3699 /**
3700  * __bfq_bfqq_recalc_budget - try to adapt the budget to the @bfqq behavior.
3701  * @bfqd: device data.
3702  * @bfqq: queue to update.
3703  * @reason: reason for expiration.
3704  *
3705  * Handle the feedback on @bfqq budget at queue expiration.
3706  * See the body for detailed comments.
3707  */
3708 static void __bfq_bfqq_recalc_budget(struct bfq_data *bfqd,
3709                                      struct bfq_queue *bfqq,
3710                                      enum bfqq_expiration reason)
3711 {
3712         struct request *next_rq;
3713         int budget, min_budget;
3714
3715         min_budget = bfq_min_budget(bfqd);
3716
3717         if (bfqq->wr_coeff == 1)
3718                 budget = bfqq->max_budget;
3719         else /*
3720               * Use a constant, low budget for weight-raised queues,
3721               * to help achieve a low latency. Keep it slightly higher
3722               * than the minimum possible budget, to cause a little
3723               * bit fewer expirations.
3724               */
3725                 budget = 2 * min_budget;
3726
3727         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last budg %d, budg left %d",
3728                 bfqq->entity.budget, bfq_bfqq_budget_left(bfqq));
3729         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last max_budg %d, min budg %d",
3730                 budget, bfq_min_budget(bfqd));
3731         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: sync %d, seeky %d",
3732                 bfq_bfqq_sync(bfqq), BFQQ_SEEKY(bfqd->in_service_queue));
3733
3734         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1) {
3735                 switch (reason) {
3736                 /*
3737                  * Caveat: in all the following cases we trade latency
3738                  * for throughput.
3739                  */
3740                 case BFQQE_TOO_IDLE:
3741                         /*
3742                          * This is the only case where we may reduce
3743                          * the budget: if there is no request of the
3744                          * process still waiting for completion, then
3745                          * we assume (tentatively) that the timer has
3746                          * expired because the batch of requests of
3747                          * the process could have been served with a
3748                          * smaller budget.  Hence, betting that
3749                          * process will behave in the same way when it
3750                          * becomes backlogged again, we reduce its
3751                          * next budget.  As long as we guess right,
3752                          * this budget cut reduces the latency
3753                          * experienced by the process.
3754                          *
3755                          * However, if there are still outstanding
3756                          * requests, then the process may have not yet
3757                          * issued its next request just because it is
3758                          * still waiting for the completion of some of
3759                          * the still outstanding ones.  So in this
3760                          * subcase we do not reduce its budget, on the
3761                          * contrary we increase it to possibly boost
3762                          * the throughput, as discussed in the
3763                          * comments to the BUDGET_TIMEOUT case.
3764                          */
3765                         if (bfqq->dispatched > 0) /* still outstanding reqs */
3766                                 budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3767                         else {
3768                                 if (budget > 5 * min_budget)
3769                                         budget -= 4 * min_budget;
3770                                 else
3771                                         budget = min_budget;
3772                         }
3773                         break;
3774                 case BFQQE_BUDGET_TIMEOUT:
3775                         /*
3776                          * We double the budget here because it gives
3777                          * the chance to boost the throughput if this
3778                          * is not a seeky process (and has bumped into
3779                          * this timeout because of, e.g., ZBR).
3780                          */
3781                         budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3782                         break;
3783                 case BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED:
3784                         /*
3785                          * The process still has backlog, and did not
3786                          * let either the budget timeout or the disk
3787                          * idling timeout expire. Hence it is not
3788                          * seeky, has a short thinktime and may be
3789                          * happy with a higher budget too. So
3790                          * definitely increase the budget of this good
3791                          * candidate to boost the disk throughput.
3792                          */
3793                         budget = min(budget * 4, bfqd->bfq_max_budget);
3794                         break;
3795                 case BFQQE_NO_MORE_REQUESTS:
3796                         /*
3797                          * For queues that expire for this reason, it
3798                          * is particularly important to keep the
3799                          * budget close to the actual service they
3800                          * need. Doing so reduces the timestamp
3801                          * misalignment problem described in the
3802                          * comments in the body of
3803                          * __bfq_activate_entity. In fact, suppose
3804                          * that a queue systematically expires for
3805                          * BFQQE_NO_MORE_REQUESTS and presents a
3806                          * new request in time to enjoy timestamp
3807                          * back-shifting. The larger the budget of the
3808                          * queue is with respect to the service the
3809                          * queue actually requests in each service
3810                          * slot, the more times the queue can be
3811                          * reactivated with the same virtual finish
3812                          * time. It follows that, even if this finish
3813                          * time is pushed to the system virtual time
3814                          * to reduce the consequent timestamp
3815                          * misalignment, the queue unjustly enjoys for
3816                          * many re-activations a lower finish time
3817                          * than all newly activated queues.
3818                          *
3819                          * The service needed by bfqq is measured
3820                          * quite precisely by bfqq->entity.service.
3821                          * Since bfqq does not enjoy device idling,
3822                          * bfqq->entity.service is equal to the number
3823                          * of sectors that the process associated with
3824                          * bfqq requested to read/write before waiting
3825                          * for request completions, or blocking for
3826                          * other reasons.
3827                          */
3828                         budget = max_t(int, bfqq->entity.service, min_budget);
3829                         break;
3830                 default:
3831                         return;
3832                 }
3833         } else if (!bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
3834                 /*
3835                  * Async queues get always the maximum possible
3836                  * budget, as for them we do not care about latency
3837                  * (in addition, their ability to dispatch is limited
3838                  * by the charging factor).
3839                  */
3840                 budget = bfqd->bfq_max_budget;
3841         }
3842
3843         bfqq->max_budget = budget;
3844
3845         if (bfqd->budgets_assigned >= bfq_stats_min_budgets &&
3846             !bfqd->bfq_user_max_budget)
3847                 bfqq->max_budget = min(bfqq->max_budget, bfqd->bfq_max_budget);
3848
3849         /*
3850          * If there is still backlog, then assign a new budget, making
3851          * sure that it is large enough for the next request.  Since
3852          * the finish time of bfqq must be kept in sync with the
3853          * budget, be sure to call __bfq_bfqq_expire() *after* this
3854          * update.
3855          *
3856          * If there is no backlog, then no need to update the budget;
3857          * it will be updated on the arrival of a new request.
3858          */
3859         next_rq = bfqq->next_rq;
3860         if (next_rq)
3861                 bfqq->entity.budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
3862                                             bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq));
3863
3864         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "head sect: %u, new budget %d",
3865                         next_rq ? blk_rq_sectors(next_rq) : 0,
3866                         bfqq->entity.budget);
3867 }
3868
3869 /*
3870  * Return true if the process associated with bfqq is "slow". The slow
3871  * flag is used, in addition to the budget timeout, to reduce the
3872  * amount of service provided to seeky processes, and thus reduce
3873  * their chances to lower the throughput. More details in the comments
3874  * on the function bfq_bfqq_expire().
3875  *
3876  * An important observation is in order: as discussed in the comments
3877  * on the function bfq_update_peak_rate(), with devices with internal
3878  * queues, it is hard if ever possible to know when and for how long
3879  * an I/O request is processed by the device (apart from the trivial
3880  * I/O pattern where a new request is dispatched only after the
3881  * previous one has been completed). This makes it hard to evaluate
3882  * the real rate at which the I/O requests of each bfq_queue are
3883  * served.  In fact, for an I/O scheduler like BFQ, serving a
3884  * bfq_queue means just dispatching its requests during its service
3885  * slot (i.e., until the budget of the queue is exhausted, or the
3886  * queue remains idle, or, finally, a timeout fires). But, during the
3887  * service slot of a bfq_queue, around 100 ms at most, the device may
3888  * be even still processing requests of bfq_queues served in previous
3889  * service slots. On the opposite end, the requests of the in-service
3890  * bfq_queue may be completed after the service slot of the queue
3891  * finishes.
3892  *
3893  * Anyway, unless more sophisticated solutions are used
3894  * (where possible), the sum of the sizes of the requests dispatched
3895  * during the service slot of a bfq_queue is probably the only
3896  * approximation available for the service received by the bfq_queue
3897  * during its service slot. And this sum is the quantity used in this
3898  * function to evaluate the I/O speed of a process.
3899  */
3900 static bool bfq_bfqq_is_slow(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3901                                  bool compensate, enum bfqq_expiration reason,
3902                                  unsigned long *delta_ms)
3903 {
3904         ktime_t delta_ktime;
3905         u32 delta_usecs;
3906         bool slow = BFQQ_SEEKY(bfqq); /* if delta too short, use seekyness */
3907
3908         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq))
3909                 return false;
3910
3911         if (compensate)
3912                 delta_ktime = bfqd->last_idling_start;
3913         else
3914                 delta_ktime = ktime_get();
3915         delta_ktime = ktime_sub(delta_ktime, bfqd->last_budget_start);
3916         delta_usecs = ktime_to_us(delta_ktime);
3917
3918         /* don't use too short time intervals */
3919         if (delta_usecs < 1000) {
3920                 if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue))
3921                          /*
3922                           * give same worst-case guarantees as idling
3923                           * for seeky
3924                           */
3925                         *delta_ms = BFQ_MIN_TT / NSEC_PER_MSEC;
3926                 else /* charge at least one seek */
3927                         *delta_ms = bfq_slice_idle / NSEC_PER_MSEC;
3928
3929                 return slow;
3930         }
3931
3932         *delta_ms = delta_usecs / USEC_PER_MSEC;
3933
3934         /*
3935          * Use only long (> 20ms) intervals to filter out excessive
3936          * spikes in service rate estimation.
3937          */
3938         if (delta_usecs > 20000) {
3939                 /*
3940                  * Caveat for rotational devices: processes doing I/O
3941                  * in the slower disk zones tend to be slow(er) even
3942                  * if not seeky. In this respect, the estimated peak
3943                  * rate is likely to be an average over the disk
3944                  * surface. Accordingly, to not be too harsh with
3945                  * unlucky processes, a process is deemed slow only if
3946                  * its rate has been lower than half of the estimated
3947                  * peak rate.
3948                  */
3949                 slow = bfqq->entity.service < bfqd->bfq_max_budget / 2;
3950         }
3951
3952         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "bfq_bfqq_is_slow: slow %d", slow);
3953
3954         return slow;
3955 }
3956
3957 /*
3958  * To be deemed as soft real-time, an application must meet two
3959  * requirements. First, the application must not require an average
3960  * bandwidth higher than the approximate bandwidth required to playback or
3961  * record a compressed high-definition video.
3962  * The next function is invoked on the completion of the last request of a
3963  * batch, to compute the next-start time instant, soft_rt_next_start, such
3964  * that, if the next request of the application does not arrive before
3965  * soft_rt_next_start, then the above requirement on the bandwidth is met.
3966  *
3967  * The second requirement is that the request pattern of the application is
3968  * isochronous, i.e., that, after issuing a request or a batch of requests,
3969  * the application stops issuing new requests until all its pending requests
3970  * have been completed. After that, the application may issue a new batch,
3971  * and so on.
3972  * For this reason the next function is invoked to compute
3973  * soft_rt_next_start only for applications that meet this requirement,
3974  * whereas soft_rt_next_start is set to infinity for applications that do
3975  * not.
3976  *
3977  * Unfortunately, even a greedy (i.e., I/O-bound) application may
3978  * happen to meet, occasionally or systematically, both the above
3979  * bandwidth and isochrony requirements. This may happen at least in
3980  * the following circumstances. First, if the CPU load is high. The
3981  * application may stop issuing requests while the CPUs are busy
3982  * serving other processes, then restart, then stop again for a while,
3983  * and so on. The other circumstances are related to the storage
3984  * device: the storage device is highly loaded or reaches a low-enough
3985  * throughput with the I/O of the application (e.g., because the I/O
3986  * is random and/or the device is slow). In all these cases, the
3987  * I/O of the application may be simply slowed down enough to meet
3988  * the bandwidth and isochrony requirements. To reduce the probability
3989  * that greedy applications are deemed as soft real-time in these
3990  * corner cases, a further rule is used in the computation of
3991  * soft_rt_next_start: the return value of this function is forced to
3992  * be higher than the maximum between the following two quantities.
3993  *
3994  * (a) Current time plus: (1) the maximum time for which the arrival
3995  *     of a request is waited for when a sync queue becomes idle,
3996  *     namely bfqd->bfq_slice_idle, and (2) a few extra jiffies. We
3997  *     postpone for a moment the reason for adding a few extra
3998  *     jiffies; we get back to it after next item (b).  Lower-bounding
3999  *     the return value of this function with the current time plus
4000  *     bfqd->bfq_slice_idle tends to filter out greedy applications,
4001  *     because the latter issue their next request as soon as possible
4002  *     after the last one has been completed. In contrast, a soft
4003  *     real-time application spends some time processing data, after a
4004  *     batch of its requests has been completed.
4005  *
4006  * (b) Current value of bfqq->soft_rt_next_start. As pointed out
4007  *     above, greedy applications may happen to meet both the
4008  *     bandwidth and isochrony requirements under heavy CPU or
4009  *     storage-device load. In more detail, in these scenarios, these
4010  *     applications happen, only for limited time periods, to do I/O
4011  *     slowly enough to meet all the requirements described so far,
4012  *     including the filtering in above item (a). These slow-speed
4013  *     time intervals are usually interspersed between other time
4014  *     intervals during which these applications do I/O at a very high
4015  *     speed. Fortunately, exactly because of the high speed of the
4016  *     I/O in the high-speed intervals, the values returned by this
4017  *     function happen to be so high, near the end of any such
4018  *     high-speed interval, to be likely to fall *after* the end of
4019  *     the low-speed time interval that follows. These high values are
4020  *     stored in bfqq->soft_rt_next_start after each invocation of
4021  *     this function. As a consequence, if the last value of
4022  *     bfqq->soft_rt_next_start is constantly used to lower-bound the
4023  *     next value that this function may return, then, from the very
4024  *     beginning of a low-speed interval, bfqq->soft_rt_next_start is
4025  *     likely to be constantly kept so high that any I/O request
4026  *     issued during the low-speed interval is considered as arriving
4027  *     to soon for the application to be deemed as soft
4028  *     real-time. Then, in the high-speed interval that follows, the
4029  *     application will not be deemed as soft real-time, just because
4030  *     it will do I/O at a high speed. And so on.
4031  *
4032  * Getting back to the filtering in item (a), in the following two
4033  * cases this filtering might be easily passed by a greedy
4034  * application, if the reference quantity was just
4035  * bfqd->bfq_slice_idle:
4036  * 1) HZ is so low that the duration of a jiffy is comparable to or
4037  *    higher than bfqd->bfq_slice_idle. This happens, e.g., on slow
4038  *    devices with HZ=100. The time granularity may be so coarse
4039  *    that the approximation, in jiffies, of bfqd->bfq_slice_idle
4040  *    is rather lower than the exact value.
4041  * 2) jiffies, instead of increasing at a constant rate, may stop increasing
4042  *    for a while, then suddenly 'jump' by several units to recover the lost
4043  *    increments. This seems to happen, e.g., inside virtual machines.
4044  * To address this issue, in the filtering in (a) we do not use as a
4045  * reference time interval just bfqd->bfq_slice_idle, but
4046  * bfqd->bfq_slice_idle plus a few jiffies. In particular, we add the
4047  * minimum number of jiffies for which the filter seems to be quite
4048  * precise also in embedded systems and KVM/QEMU virtual machines.
4049  */
4050 static unsigned long bfq_bfqq_softrt_next_start(struct bfq_data *bfqd,
4051                                                 struct bfq_queue *bfqq)
4052 {
4053         return max3(bfqq->soft_rt_next_start,
4054                     bfqq->last_idle_bklogged +
4055                     HZ * bfqq->service_from_backlogged /
4056                     bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate,
4057                     jiffies + nsecs_to_jiffies(bfqq->bfqd->bfq_slice_idle) + 4);
4058 }
4059
4060 /**
4061  * bfq_bfqq_expire - expire a queue.
4062  * @bfqd: device owning the queue.
4063  * @bfqq: the queue to expire.
4064  * @compensate: if true, compensate for the time spent idling.
4065  * @reason: the reason causing the expiration.
4066  *
4067  * If the process associated with bfqq does slow I/O (e.g., because it
4068  * issues random requests), we charge bfqq with the time it has been
4069  * in service instead of the service it has received (see
4070  * bfq_bfqq_charge_time for details on how this goal is achieved). As
4071  * a consequence, bfqq will typically get higher timestamps upon
4072  * reactivation, and hence it will be rescheduled as if it had
4073  * received more service than what it has actually received. In the
4074  * end, bfqq receives less service in proportion to how slowly its
4075  * associated process consumes its budgets (and hence how seriously it
4076  * tends to lower the throughput). In addition, this time-charging
4077  * strategy guarantees time fairness among slow processes. In
4078  * contrast, if the process associated with bfqq is not slow, we
4079  * charge bfqq exactly with the service it has received.
4080  *
4081  * Charging time to the first type of queues and the exact service to
4082  * the other has the effect of using the WF2Q+ policy to schedule the
4083  * former on a timeslice basis, without violating service domain
4084  * guarantees among the latter.
4085  */
4086 void bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd,
4087                      struct bfq_queue *bfqq,
4088                      bool compensate,
4089                      enum bfqq_expiration reason)
4090 {
4091         bool slow;
4092         unsigned long delta = 0;
4093         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4094
4095         /*
4096          * Check whether the process is slow (see bfq_bfqq_is_slow).
4097          */
4098         slow = bfq_bfqq_is_slow(bfqd, bfqq, compensate, reason, &delta);
4099
4100         /*
4101          * As above explained, charge slow (typically seeky) and
4102          * timed-out queues with the time and not the service
4103          * received, to favor sequential workloads.
4104          *
4105          * Processes doing I/O in the slower disk zones will tend to
4106          * be slow(er) even if not seeky. Therefore, since the
4107          * estimated peak rate is actually an average over the disk
4108          * surface, these processes may timeout just for bad luck. To
4109          * avoid punishing them, do not charge time to processes that
4110          * succeeded in consuming at least 2/3 of their budget. This
4111          * allows BFQ to preserve enough elasticity to still perform
4112          * bandwidth, and not time, distribution with little unlucky
4113          * or quasi-sequential processes.
4114          */
4115         if (bfqq->wr_coeff == 1 &&
4116             (slow ||
4117              (reason == BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4118               bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  entity->budget / 3)))
4119                 bfq_bfqq_charge_time(bfqd, bfqq, delta);
4120
4121         if (bfqd->low_latency && bfqq->wr_coeff == 1)
4122                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
4123
4124         if (bfqd->low_latency && bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
4125             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
4126                 /*
4127                  * If we get here, and there are no outstanding
4128                  * requests, then the request pattern is isochronous
4129                  * (see the comments on the function
4130                  * bfq_bfqq_softrt_next_start()). Therefore we can
4131                  * compute soft_rt_next_start.
4132                  *
4133                  * If, instead, the queue still has outstanding
4134                  * requests, then we have to wait for the completion
4135                  * of all the outstanding requests to discover whether
4136                  * the request pattern is actually isochronous.
4137                  */
4138                 if (bfqq->dispatched == 0)
4139                         bfqq->soft_rt_next_start =
4140                                 bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
4141                 else if (bfqq->dispatched > 0) {
4142                         /*
4143                          * Schedule an update of soft_rt_next_start to when
4144                          * the task may be discovered to be isochronous.
4145                          */
4146                         bfq_mark_bfqq_softrt_update(bfqq);
4147                 }
4148         }
4149
4150         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4151                 "expire (%d, slow %d, num_disp %d, short_ttime %d)", reason,
4152                 slow, bfqq->dispatched, bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq));
4153
4154         /*
4155          * bfqq expired, so no total service time needs to be computed
4156          * any longer: reset state machine for measuring total service
4157          * times.
4158          */
4159         bfqd->rqs_injected = bfqd->wait_dispatch = false;
4160         bfqd->waited_rq = NULL;
4161
4162         /*
4163          * Increase, decrease or leave budget unchanged according to
4164          * reason.
4165          */
4166         __bfq_bfqq_recalc_budget(bfqd, bfqq, reason);
4167         if (__bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, reason))
4168                 /* bfqq is gone, no more actions on it */
4169                 return;
4170
4171         /* mark bfqq as waiting a request only if a bic still points to it */
4172         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
4173             reason != BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4174             reason != BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED) {
4175                 bfq_mark_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
4176                 /*
4177                  * Not setting service to 0, because, if the next rq
4178                  * arrives in time, the queue will go on receiving
4179                  * service with this same budget (as if it never expired)
4180                  */
4181         } else
4182                 entity->service = 0;
4183
4184         /*
4185          * Reset the received-service counter for every parent entity.
4186          * Differently from what happens with bfqq->entity.service,
4187          * the resetting of this counter never needs to be postponed
4188          * for parent entities. In fact, in case bfqq may have a
4189          * chance to go on being served using the last, partially
4190          * consumed budget, bfqq->entity.service needs to be kept,
4191          * because if bfqq then actually goes on being served using
4192          * the same budget, the last value of bfqq->entity.service is
4193          * needed to properly decrement bfqq->entity.budget by the
4194          * portion already consumed. In contrast, it is not necessary
4195          * to keep entity->service for parent entities too, because
4196          * the bubble up of the new value of bfqq->entity.budget will
4197          * make sure that the budgets of parent entities are correct,
4198          * even in case bfqq and thus parent entities go on receiving
4199          * service with the same budget.
4200          */
4201         entity = entity->parent;
4202         for_each_entity(entity)
4203                 entity->service = 0;
4204 }
4205
4206 /*
4207  * Budget timeout is not implemented through a dedicated timer, but
4208  * just checked on request arrivals and completions, as well as on
4209  * idle timer expirations.
4210  */
4211 static bool bfq_bfqq_budget_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4212 {
4213         return time_is_before_eq_jiffies(bfqq->budget_timeout);
4214 }
4215
4216 /*
4217  * If we expire a queue that is actively waiting (i.e., with the
4218  * device idled) for the arrival of a new request, then we may incur
4219  * the timestamp misalignment problem described in the body of the
4220  * function __bfq_activate_entity. Hence we return true only if this
4221  * condition does not hold, or if the queue is slow enough to deserve
4222  * only to be kicked off for preserving a high throughput.
4223  */
4224 static bool bfq_may_expire_for_budg_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4225 {
4226         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
4227                 "may_budget_timeout: wait_request %d left %d timeout %d",
4228                 bfq_bfqq_wait_request(bfqq),
4229                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3,
4230                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq));
4231
4232         return (!bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4233                 bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3)
4234                 &&
4235                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
4236 }
4237
4238 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
4239                                              struct bfq_queue *bfqq)
4240 {
4241         bool rot_without_queueing =
4242                 !blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && !bfqd->hw_tag,
4243                 bfqq_sequential_and_IO_bound,
4244                 idling_boosts_thr;
4245
4246         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4247         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4248                 return false;
4249
4250         bfqq_sequential_and_IO_bound = !BFQQ_SEEKY(bfqq) &&
4251                 bfq_bfqq_IO_bound(bfqq) && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4252
4253         /*
4254          * The next variable takes into account the cases where idling
4255          * boosts the throughput.
4256          *
4257          * The value of the variable is computed considering, first, that
4258          * idling is virtually always beneficial for the throughput if:
4259          * (a) the device is not NCQ-capable and rotational, or
4260          * (b) regardless of the presence of NCQ, the device is rotational and
4261          *     the request pattern for bfqq is I/O-bound and sequential, or
4262          * (c) regardless of whether it is rotational, the device is
4263          *     not NCQ-capable and the request pattern for bfqq is
4264          *     I/O-bound and sequential.
4265          *
4266          * Secondly, and in contrast to the above item (b), idling an
4267          * NCQ-capable flash-based device would not boost the
4268          * throughput even with sequential I/O; rather it would lower
4269          * the throughput in proportion to how fast the device
4270          * is. Accordingly, the next variable is true if any of the
4271          * above conditions (a), (b) or (c) is true, and, in
4272          * particular, happens to be false if bfqd is an NCQ-capable
4273          * flash-based device.
4274          */
4275         idling_boosts_thr = rot_without_queueing ||
4276                 ((!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) || !bfqd->hw_tag) &&
4277                  bfqq_sequential_and_IO_bound);
4278
4279         /*
4280          * The return value of this function is equal to that of
4281          * idling_boosts_thr, unless a special case holds. In this
4282          * special case, described below, idling may cause problems to
4283          * weight-raised queues.
4284          *
4285          * When the request pool is saturated (e.g., in the presence
4286          * of write hogs), if the processes associated with
4287          * non-weight-raised queues ask for requests at a lower rate,
4288          * then processes associated with weight-raised queues have a
4289          * higher probability to get a request from the pool
4290          * immediately (or at least soon) when they need one. Thus
4291          * they have a higher probability to actually get a fraction
4292          * of the device throughput proportional to their high
4293          * weight. This is especially true with NCQ-capable drives,
4294          * which enqueue several requests in advance, and further
4295          * reorder internally-queued requests.
4296          *
4297          * For this reason, we force to false the return value if
4298          * there are weight-raised busy queues. In this case, and if
4299          * bfqq is not weight-raised, this guarantees that the device
4300          * is not idled for bfqq (if, instead, bfqq is weight-raised,
4301          * then idling will be guaranteed by another variable, see
4302          * below). Combined with the timestamping rules of BFQ (see
4303          * [1] for details), this behavior causes bfqq, and hence any
4304          * sync non-weight-raised queue, to get a lower number of
4305          * requests served, and thus to ask for a lower number of
4306          * requests from the request pool, before the busy
4307          * weight-raised queues get served again. This often mitigates
4308          * starvation problems in the presence of heavy write
4309          * workloads and NCQ, thereby guaranteeing a higher
4310          * application and system responsiveness in these hostile
4311          * scenarios.
4312          */
4313         return idling_boosts_thr &&
4314                 bfqd->wr_busy_queues == 0;
4315 }
4316
4317 /*
4318  * For a queue that becomes empty, device idling is allowed only if
4319  * this function returns true for that queue. As a consequence, since
4320  * device idling plays a critical role for both throughput boosting
4321  * and service guarantees, the return value of this function plays a
4322  * critical role as well.
4323  *
4324  * In a nutshell, this function returns true only if idling is
4325  * beneficial for throughput or, even if detrimental for throughput,
4326  * idling is however necessary to preserve service guarantees (low
4327  * latency, desired throughput distribution, ...). In particular, on
4328  * NCQ-capable devices, this function tries to return false, so as to
4329  * help keep the drives' internal queues full, whenever this helps the
4330  * device boost the throughput without causing any service-guarantee
4331  * issue.
4332  *
4333  * Most of the issues taken into account to get the return value of
4334  * this function are not trivial. We discuss these issues in the two
4335  * functions providing the main pieces of information needed by this
4336  * function.
4337  */
4338 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4339 {
4340         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
4341         bool idling_boosts_thr_with_no_issue, idling_needed_for_service_guar;
4342
4343         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4344         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4345                 return false;
4346
4347         if (unlikely(bfqd->strict_guarantees))
4348                 return true;
4349
4350         /*
4351          * Idling is performed only if slice_idle > 0. In addition, we
4352          * do not idle if
4353          * (a) bfqq is async
4354          * (b) bfqq is in the idle io prio class: in this case we do
4355          * not idle because we want to minimize the bandwidth that
4356          * queues in this class can steal to higher-priority queues
4357          */
4358         if (bfqd->bfq_slice_idle == 0 || !bfq_bfqq_sync(bfqq) ||
4359            bfq_class_idle(bfqq))
4360                 return false;
4361
4362         idling_boosts_thr_with_no_issue =
4363                 idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq);
4364
4365         idling_needed_for_service_guar =
4366                 idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq);
4367
4368         /*
4369          * We have now the two components we need to compute the
4370          * return value of the function, which is true only if idling
4371          * either boosts the throughput (without issues), or is
4372          * necessary to preserve service guarantees.
4373          */
4374         return idling_boosts_thr_with_no_issue ||
4375                 idling_needed_for_service_guar;
4376 }
4377
4378 /*
4379  * If the in-service queue is empty but the function bfq_better_to_idle
4380  * returns true, then:
4381  * 1) the queue must remain in service and cannot be expired, and
4382  * 2) the device must be idled to wait for the possible arrival of a new
4383  *    request for the queue.
4384  * See the comments on the function bfq_better_to_idle for the reasons
4385  * why performing device idling is the best choice to boost the throughput
4386  * and preserve service guarantees when bfq_better_to_idle itself
4387  * returns true.
4388  */
4389 static bool bfq_bfqq_must_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4390 {
4391         return RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_better_to_idle(bfqq);
4392 }
4393
4394 /*
4395  * This function chooses the queue from which to pick the next extra
4396  * I/O request to inject, if it finds a compatible queue. See the
4397  * comments on bfq_update_inject_limit() for details on the injection
4398  * mechanism, and for the definitions of the quantities mentioned
4399  * below.
4400  */
4401 static struct bfq_queue *
4402 bfq_choose_bfqq_for_injection(struct bfq_data *bfqd)
4403 {
4404         struct bfq_queue *bfqq, *in_serv_bfqq = bfqd->in_service_queue;
4405         unsigned int limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4406         /*
4407          * If
4408          * - bfqq is not weight-raised and therefore does not carry
4409          *   time-critical I/O,
4410          * or
4411          * - regardless of whether bfqq is weight-raised, bfqq has
4412          *   however a long think time, during which it can absorb the
4413          *   effect of an appropriate number of extra I/O requests
4414          *   from other queues (see bfq_update_inject_limit for
4415          *   details on the computation of this number);
4416          * then injection can be performed without restrictions.
4417          */
4418         bool in_serv_always_inject = in_serv_bfqq->wr_coeff == 1 ||
4419                 !bfq_bfqq_has_short_ttime(in_serv_bfqq);
4420
4421         /*
4422          * If
4423          * - the baseline total service time could not be sampled yet,
4424          *   so the inject limit happens to be still 0, and
4425          * - a lot of time has elapsed since the plugging of I/O
4426          *   dispatching started, so drive speed is being wasted
4427          *   significantly;
4428          * then temporarily raise inject limit to one request.
4429          */
4430         if (limit == 0 && in_serv_bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
4431             bfq_bfqq_wait_request(in_serv_bfqq) &&
4432             time_is_before_eq_jiffies(bfqd->last_idling_start_jiffies +
4433                                       bfqd->bfq_slice_idle)
4434                 )
4435                 limit = 1;
4436
4437         if (bfqd->rq_in_driver >= limit)
4438                 return NULL;
4439
4440         /*
4441          * Linear search of the source queue for injection; but, with
4442          * a high probability, very few steps are needed to find a
4443          * candidate queue, i.e., a queue with enough budget left for
4444          * its next request. In fact:
4445          * - BFQ dynamically updates the budget of every queue so as
4446          *   to accommodate the expected backlog of the queue;
4447          * - if a queue gets all its requests dispatched as injected
4448          *   service, then the queue is removed from the active list
4449          *   (and re-added only if it gets new requests, but then it
4450          *   is assigned again enough budget for its new backlog).
4451          */
4452         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
4453                 if (!RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
4454                     (in_serv_always_inject || bfqq->wr_coeff > 1) &&
4455                     bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq) <=
4456                     bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4457                         /*
4458                          * Allow for only one large in-flight request
4459                          * on non-rotational devices, for the
4460                          * following reason. On non-rotationl drives,
4461                          * large requests take much longer than
4462                          * smaller requests to be served. In addition,
4463                          * the drive prefers to serve large requests
4464                          * w.r.t. to small ones, if it can choose. So,
4465                          * having more than one large requests queued
4466                          * in the drive may easily make the next first
4467                          * request of the in-service queue wait for so
4468                          * long to break bfqq's service guarantees. On
4469                          * the bright side, large requests let the
4470                          * drive reach a very high throughput, even if
4471                          * there is only one in-flight large request
4472                          * at a time.
4473                          */
4474                         if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue) &&
4475                             blk_rq_sectors(bfqq->next_rq) >=
4476                             BFQQ_SECT_THR_NONROT)
4477                                 limit = min_t(unsigned int, 1, limit);
4478                         else
4479                                 limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4480
4481                         if (bfqd->rq_in_driver < limit) {
4482                                 bfqd->rqs_injected = true;
4483                                 return bfqq;
4484                         }
4485                 }
4486
4487         return NULL;
4488 }
4489
4490 /*
4491  * Select a queue for service.  If we have a current queue in service,
4492  * check whether to continue servicing it, or retrieve and set a new one.
4493  */
4494 static struct bfq_queue *bfq_select_queue(struct bfq_data *bfqd)
4495 {
4496         struct bfq_queue *bfqq;
4497         struct request *next_rq;
4498         enum bfqq_expiration reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
4499
4500         bfqq = bfqd->in_service_queue;
4501         if (!bfqq)
4502                 goto new_queue;
4503
4504         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: already in-service queue");
4505
4506         /*
4507          * Do not expire bfqq for budget timeout if bfqq may be about
4508          * to enjoy device idling. The reason why, in this case, we
4509          * prevent bfqq from expiring is the same as in the comments
4510          * on the case where bfq_bfqq_must_idle() returns true, in
4511          * bfq_completed_request().
4512          */
4513         if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq) &&
4514             !bfq_bfqq_must_idle(bfqq))
4515                 goto expire;
4516
4517 check_queue:
4518         /*
4519          * This loop is rarely executed more than once. Even when it
4520          * happens, it is much more convenient to re-execute this loop
4521          * than to return NULL and trigger a new dispatch to get a
4522          * request served.
4523          */
4524         next_rq = bfqq->next_rq;
4525         /*
4526          * If bfqq has requests queued and it has enough budget left to
4527          * serve them, keep the queue, otherwise expire it.
4528          */
4529         if (next_rq) {
4530                 if (bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq) >
4531                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4532                         /*
4533                          * Expire the queue for budget exhaustion,
4534                          * which makes sure that the next budget is
4535                          * enough to serve the next request, even if
4536                          * it comes from the fifo expired path.
4537                          */
4538                         reason = BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED;
4539                         goto expire;
4540                 } else {
4541                         /*
4542                          * The idle timer may be pending because we may
4543                          * not disable disk idling even when a new request
4544                          * arrives.
4545                          */
4546                         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
4547                                 /*
4548                                  * If we get here: 1) at least a new request
4549                                  * has arrived but we have not disabled the
4550                                  * timer because the request was too small,
4551                                  * 2) then the block layer has unplugged
4552                                  * the device, causing the dispatch to be
4553                                  * invoked.
4554                                  *
4555                                  * Since the device is unplugged, now the
4556                                  * requests are probably large enough to
4557                                  * provide a reasonable throughput.
4558                                  * So we disable idling.
4559                                  */
4560                                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
4561                                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
4562                         }
4563                         goto keep_queue;
4564                 }
4565         }
4566
4567         /*
4568          * No requests pending. However, if the in-service queue is idling
4569          * for a new request, or has requests waiting for a completion and
4570          * may idle after their completion, then keep it anyway.
4571          *
4572          * Yet, inject service from other queues if it boosts
4573          * throughput and is possible.
4574          */
4575         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4576             (bfqq->dispatched != 0 && bfq_better_to_idle(bfqq))) {
4577                 struct bfq_queue *async_bfqq =
4578                         bfqq->bic && bfqq->bic->bfqq[0] &&
4579                         bfq_bfqq_busy(bfqq->bic->bfqq[0]) &&
4580                         bfqq->bic->bfqq[0]->next_rq ?
4581                         bfqq->bic->bfqq[0] : NULL;
4582                 struct bfq_queue *blocked_bfqq =
4583                         !hlist_empty(&bfqq->woken_list) ?
4584                         container_of(bfqq->woken_list.first,
4585                                      struct bfq_queue,
4586                                      woken_list_node)
4587                         : NULL;
4588
4589                 /*
4590                  * The next four mutually-exclusive ifs decide
4591                  * whether to try injection, and choose the queue to
4592                  * pick an I/O request from.
4593                  *
4594                  * The first if checks whether the process associated
4595                  * with bfqq has also async I/O pending. If so, it
4596                  * injects such I/O unconditionally. Injecting async
4597                  * I/O from the same process can cause no harm to the
4598                  * process. On the contrary, it can only increase
4599                  * bandwidth and reduce latency for the process.
4600                  *
4601                  * The second if checks whether there happens to be a
4602                  * non-empty waker queue for bfqq, i.e., a queue whose
4603                  * I/O needs to be completed for bfqq to receive new
4604                  * I/O. This happens, e.g., if bfqq is associated with
4605                  * a process that does some sync. A sync generates
4606                  * extra blocking I/O, which must be completed before
4607                  * the process associated with bfqq can go on with its
4608                  * I/O. If the I/O of the waker queue is not served,
4609                  * then bfqq remains empty, and no I/O is dispatched,
4610                  * until the idle timeout fires for bfqq. This is
4611                  * likely to result in lower bandwidth and higher
4612                  * latencies for bfqq, and in a severe loss of total
4613                  * throughput. The best action to take is therefore to
4614                  * serve the waker queue as soon as possible. So do it
4615                  * (without relying on the third alternative below for
4616                  * eventually serving waker_bfqq's I/O; see the last
4617                  * paragraph for further details). This systematic
4618                  * injection of I/O from the waker queue does not
4619                  * cause any delay to bfqq's I/O. On the contrary,
4620                  * next bfqq's I/O is brought forward dramatically,
4621                  * for it is not blocked for milliseconds.
4622                  *
4623                  * The third if checks whether there is a queue woken
4624                  * by bfqq, and currently with pending I/O. Such a
4625                  * woken queue does not steal bandwidth from bfqq,
4626                  * because it remains soon without I/O if bfqq is not
4627                  * served. So there is virtually no risk of loss of
4628                  * bandwidth for bfqq if this woken queue has I/O
4629                  * dispatched while bfqq is waiting for new I/O.
4630                  *
4631                  * The fourth if checks whether bfqq is a queue for
4632                  * which it is better to avoid injection. It is so if
4633                  * bfqq delivers more throughput when served without
4634                  * any further I/O from other queues in the middle, or
4635                  * if the service times of bfqq's I/O requests both
4636                  * count more than overall throughput, and may be
4637                  * easily increased by injection (this happens if bfqq
4638                  * has a short think time). If none of these
4639                  * conditions holds, then a candidate queue for
4640                  * injection is looked for through
4641                  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). Note that the
4642                  * latter may return NULL (for example if the inject
4643                  * limit for bfqq is currently 0).
4644                  *
4645                  * NOTE: motivation for the second alternative
4646                  *
4647                  * Thanks to the way the inject limit is updated in
4648                  * bfq_update_has_short_ttime(), it is rather likely
4649                  * that, if I/O is being plugged for bfqq and the
4650                  * waker queue has pending I/O requests that are
4651                  * blocking bfqq's I/O, then the fourth alternative
4652                  * above lets the waker queue get served before the
4653                  * I/O-plugging timeout fires. So one may deem the
4654                  * second alternative superfluous. It is not, because
4655                  * the fourth alternative may be way less effective in
4656                  * case of a synchronization. For two main
4657                  * reasons. First, throughput may be low because the
4658                  * inject limit may be too low to guarantee the same
4659                  * amount of injected I/O, from the waker queue or
4660                  * other queues, that the second alternative
4661                  * guarantees (the second alternative unconditionally
4662                  * injects a pending I/O request of the waker queue
4663                  * for each bfq_dispatch_request()). Second, with the
4664                  * fourth alternative, the duration of the plugging,
4665                  * i.e., the time before bfqq finally receives new I/O,
4666                  * may not be minimized, because the waker queue may
4667                  * happen to be served only after other queues.
4668                  */
4669                 if (async_bfqq &&
4670                     icq_to_bic(async_bfqq->next_rq->elv.icq) == bfqq->bic &&
4671                     bfq_serv_to_charge(async_bfqq->next_rq, async_bfqq) <=
4672                     bfq_bfqq_budget_left(async_bfqq))
4673                         bfqq = bfqq->bic->bfqq[0];
4674                 else if (bfqq->waker_bfqq &&
4675                            bfq_bfqq_busy(bfqq->waker_bfqq) &&
4676                            bfqq->waker_bfqq->next_rq &&
4677                            bfq_serv_to_charge(bfqq->waker_bfqq->next_rq,
4678                                               bfqq->waker_bfqq) <=
4679                            bfq_bfqq_budget_left(bfqq->waker_bfqq)
4680                         )
4681                         bfqq = bfqq->waker_bfqq;
4682                 else if (blocked_bfqq &&
4683                            bfq_bfqq_busy(blocked_bfqq) &&
4684                            blocked_bfqq->next_rq &&
4685                            bfq_serv_to_charge(blocked_bfqq->next_rq,
4686                                               blocked_bfqq) <=
4687                            bfq_bfqq_budget_left(blocked_bfqq)
4688                         )
4689                         bfqq = blocked_bfqq;
4690                 else if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
4691                          (bfqq->wr_coeff == 1 || bfqd->wr_busy_queues > 1 ||
4692                           !bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq)))
4693                         bfqq = bfq_choose_bfqq_for_injection(bfqd);
4694                 else
4695                         bfqq = NULL;
4696
4697                 goto keep_queue;
4698         }
4699
4700         reason = BFQQE_NO_MORE_REQUESTS;
4701 expire:
4702         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, reason);
4703 new_queue:
4704         bfqq = bfq_set_in_service_queue(bfqd);
4705         if (bfqq) {
4706                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: checking new queue");
4707                 goto check_queue;
4708         }
4709 keep_queue:
4710         if (bfqq)
4711                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: returned this queue");
4712         else
4713                 bfq_log(bfqd, "select_queue: no queue returned");
4714
4715         return bfqq;
4716 }
4717
4718 static void bfq_update_wr_data(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
4719 {
4720         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4721
4722         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* queue is being weight-raised */
4723                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4724                         "raising period dur %u/%u msec, old coeff %u, w %d(%d)",
4725                         jiffies_to_msecs(jiffies - bfqq->last_wr_start_finish),
4726                         jiffies_to_msecs(bfqq->wr_cur_max_time),
4727                         bfqq->wr_coeff,
4728                         bfqq->entity.weight, bfqq->entity.orig_weight);
4729
4730                 if (entity->prio_changed)
4731                         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "WARN: pending prio change");
4732
4733                 /*
4734                  * If the queue was activated in a burst, or too much
4735                  * time has elapsed from the beginning of this
4736                  * weight-raising period, then end weight raising.
4737                  */
4738                 if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
4739                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4740                 else if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
4741                                                 bfqq->wr_cur_max_time)) {
4742                         if (bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time ||
4743                         time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
4744                                                bfq_wr_duration(bfqd))) {
4745                                 /*
4746                                  * Either in interactive weight
4747                                  * raising, or in soft_rt weight
4748                                  * raising with the
4749                                  * interactive-weight-raising period
4750                                  * elapsed (so no switch back to
4751                                  * interactive weight raising).
4752                                  */
4753                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4754                         } else { /*
4755                                   * soft_rt finishing while still in
4756                                   * interactive period, switch back to
4757                                   * interactive weight raising
4758                                   */
4759                                 switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
4760                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
4761                         }
4762                 }
4763                 if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
4764                     bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
4765                     bfqq->service_from_wr > max_service_from_wr) {
4766                         /* see comments on max_service_from_wr */
4767                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4768                 }
4769         }
4770         /*
4771          * To improve latency (for this or other queues), immediately
4772          * update weight both if it must be raised and if it must be
4773          * lowered. Since, entity may be on some active tree here, and
4774          * might have a pending change of its ioprio class, invoke
4775          * next function with the last parameter unset (see the
4776          * comments on the function).
4777          */
4778         if ((entity->weight > entity->orig_weight) != (bfqq->wr_coeff > 1))
4779                 __bfq_entity_update_weight_prio(bfq_entity_service_tree(entity),
4780                                                 entity, false);
4781 }
4782
4783 /*
4784  * Dispatch next request from bfqq.
4785  */
4786 static struct request *bfq_dispatch_rq_from_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
4787                                                  struct bfq_queue *bfqq)
4788 {
4789         struct request *rq = bfqq->next_rq;
4790         unsigned long service_to_charge;
4791
4792         service_to_charge = bfq_serv_to_charge(rq, bfqq);
4793
4794         bfq_bfqq_served(bfqq, service_to_charge);
4795
4796         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfqd->wait_dispatch) {
4797                 bfqd->wait_dispatch = false;
4798                 bfqd->waited_rq = rq;
4799         }
4800
4801         bfq_dispatch_remove(bfqd->queue, rq);
4802
4803         if (bfqq != bfqd->in_service_queue)
4804                 goto return_rq;
4805
4806         /*
4807          * If weight raising has to terminate for bfqq, then next
4808          * function causes an immediate update of bfqq's weight,
4809          * without waiting for next activation. As a consequence, on
4810          * expiration, bfqq will be timestamped as if has never been
4811          * weight-raised during this service slot, even if it has
4812          * received part or even most of the service as a
4813          * weight-raised queue. This inflates bfqq's timestamps, which
4814          * is beneficial, as bfqq is then more willing to leave the
4815          * device immediately to possible other weight-raised queues.
4816          */
4817         bfq_update_wr_data(bfqd, bfqq);
4818
4819         /*
4820          * Expire bfqq, pretending that its budget expired, if bfqq
4821          * belongs to CLASS_IDLE and other queues are waiting for
4822          * service.
4823          */
4824         if (!(bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 1 && bfq_class_idle(bfqq)))
4825                 goto return_rq;
4826
4827         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED);
4828
4829 return_rq:
4830         return rq;
4831 }
4832
4833 static bool bfq_has_work(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4834 {
4835         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4836
4837         /*
4838          * Avoiding lock: a race on bfqd->busy_queues should cause at
4839          * most a call to dispatch for nothing
4840          */
4841         return !list_empty_careful(&bfqd->dispatch) ||
4842                 bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 0;
4843 }
4844
4845 static struct request *__bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4846 {
4847         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4848         struct request *rq = NULL;
4849         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
4850
4851         if (!list_empty(&bfqd->dispatch)) {
4852                 rq = list_first_entry(&bfqd->dispatch, struct request,
4853                                       queuelist);
4854                 list_del_init(&rq->queuelist);
4855
4856                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
4857
4858                 if (bfqq) {
4859                         /*
4860                          * Increment counters here, because this
4861                          * dispatch does not follow the standard
4862                          * dispatch flow (where counters are
4863                          * incremented)
4864                          */
4865                         bfqq->dispatched++;
4866
4867                         goto inc_in_driver_start_rq;
4868                 }
4869
4870                 /*
4871                  * We exploit the bfq_finish_requeue_request hook to
4872                  * decrement rq_in_driver, but
4873                  * bfq_finish_requeue_request will not be invoked on
4874                  * this request. So, to avoid unbalance, just start
4875                  * this request, without incrementing rq_in_driver. As
4876                  * a negative consequence, rq_in_driver is deceptively
4877                  * lower than it should be while this request is in
4878                  * service. This may cause bfq_schedule_dispatch to be
4879                  * invoked uselessly.
4880                  *
4881                  * As for implementing an exact solution, the
4882                  * bfq_finish_requeue_request hook, if defined, is
4883                  * probably invoked also on this request. So, by
4884                  * exploiting this hook, we could 1) increment
4885                  * rq_in_driver here, and 2) decrement it in
4886                  * bfq_finish_requeue_request. Such a solution would
4887                  * let the value of the counter be always accurate,
4888                  * but it would entail using an extra interface
4889                  * function. This cost seems higher than the benefit,
4890                  * being the frequency of non-elevator-private
4891                  * requests very low.
4892                  */
4893                 goto start_rq;
4894         }
4895
4896         bfq_log(bfqd, "dispatch requests: %d busy queues",
4897                 bfq_tot_busy_queues(bfqd));
4898
4899         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)
4900                 goto exit;
4901
4902         /*
4903          * Force device to serve one request at a time if
4904          * strict_guarantees is true. Forcing this service scheme is
4905          * currently the ONLY way to guarantee that the request
4906          * service order enforced by the scheduler is respected by a
4907          * queueing device. Otherwise the device is free even to make
4908          * some unlucky request wait for as long as the device
4909          * wishes.
4910          *
4911          * Of course, serving one request at a time may cause loss of
4912          * throughput.
4913          */
4914         if (bfqd->strict_guarantees && bfqd->rq_in_driver > 0)
4915                 goto exit;
4916
4917         bfqq = bfq_select_queue(bfqd);
4918         if (!bfqq)
4919                 goto exit;
4920
4921         rq = bfq_dispatch_rq_from_bfqq(bfqd, bfqq);
4922
4923         if (rq) {
4924 inc_in_driver_start_rq:
4925                 bfqd->rq_in_driver++;
4926 start_rq:
4927                 rq->rq_flags |= RQF_STARTED;
4928         }
4929 exit:
4930         return rq;
4931 }
4932
4933 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
4934 static void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
4935                                       struct request *rq,
4936                                       struct bfq_queue *in_serv_queue,
4937                                       bool idle_timer_disabled)
4938 {
4939         struct bfq_queue *bfqq = rq ? RQ_BFQQ(rq) : NULL;
4940
4941         if (!idle_timer_disabled && !bfqq)
4942                 return;
4943
4944         /*
4945          * rq and bfqq are guaranteed to exist until this function
4946          * ends, for the following reasons. First, rq can be
4947          * dispatched to the device, and then can be completed and
4948          * freed, only after this function ends. Second, rq cannot be
4949          * merged (and thus freed because of a merge) any longer,
4950          * because it has already started. Thus rq cannot be freed
4951          * before this function ends, and, since rq has a reference to
4952          * bfqq, the same guarantee holds for bfqq too.
4953          *
4954          * In addition, the following queue lock guarantees that
4955          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
4956          */
4957         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
4958         if (idle_timer_disabled)
4959                 /*
4960                  * Since the idle timer has been disabled,
4961                  * in_serv_queue contained some request when
4962                  * __bfq_dispatch_request was invoked above, which
4963                  * implies that rq was picked exactly from
4964                  * in_serv_queue. Thus in_serv_queue == bfqq, and is
4965                  * therefore guaranteed to exist because of the above
4966                  * arguments.
4967                  */
4968                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(in_serv_queue));
4969         if (bfqq) {
4970                 struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
4971
4972                 bfqg_stats_update_avg_queue_size(bfqg);
4973                 bfqg_stats_set_start_empty_time(bfqg);
4974                 bfqg_stats_update_io_remove(bfqg, rq->cmd_flags);
4975         }
4976         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
4977 }
4978 #else
4979 static inline void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
4980                                              struct request *rq,
4981                                              struct bfq_queue *in_serv_queue,
4982                                              bool idle_timer_disabled) {}
4983 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
4984
4985 static struct request *bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4986 {
4987         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4988         struct request *rq;
4989         struct bfq_queue *in_serv_queue;
4990         bool waiting_rq, idle_timer_disabled;
4991
4992         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
4993
4994         in_serv_queue = bfqd->in_service_queue;
4995         waiting_rq = in_serv_queue && bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
4996
4997         rq = __bfq_dispatch_request(hctx);
4998
4999         idle_timer_disabled =
5000                 waiting_rq && !bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5001
5002         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5003
5004         bfq_update_dispatch_stats(hctx->queue, rq, in_serv_queue,
5005                                   idle_timer_disabled);
5006
5007         return rq;
5008 }
5009
5010 /*
5011  * Task holds one reference to the queue, dropped when task exits.  Each rq
5012  * in-flight on this queue also holds a reference, dropped when rq is freed.
5013  *
5014  * Scheduler lock must be held here. Recall not to use bfqq after calling
5015  * this function on it.
5016  */
5017 void bfq_put_queue(struct bfq_queue *bfqq)
5018 {
5019         struct bfq_queue *item;
5020         struct hlist_node *n;
5021         struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
5022
5023         if (bfqq->bfqd)
5024                 bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "put_queue: %p %d",
5025                              bfqq, bfqq->ref);
5026
5027         bfqq->ref--;
5028         if (bfqq->ref)
5029                 return;
5030
5031         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node)) {
5032                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
5033                 /*
5034                  * Decrement also burst size after the removal, if the
5035                  * process associated with bfqq is exiting, and thus
5036                  * does not contribute to the burst any longer. This
5037                  * decrement helps filter out false positives of large
5038                  * bursts, when some short-lived process (often due to
5039                  * the execution of commands by some service) happens
5040                  * to start and exit while a complex application is
5041                  * starting, and thus spawning several processes that
5042                  * do I/O (and that *must not* be treated as a large
5043                  * burst, see comments on bfq_handle_burst).
5044                  *
5045                  * In particular, the decrement is performed only if:
5046                  * 1) bfqq is not a merged queue, because, if it is,
5047                  * then this free of bfqq is not triggered by the exit
5048                  * of the process bfqq is associated with, but exactly
5049                  * by the fact that bfqq has just been merged.
5050                  * 2) burst_size is greater than 0, to handle
5051                  * unbalanced decrements. Unbalanced decrements may
5052                  * happen in te following case: bfqq is inserted into
5053                  * the current burst list--without incrementing
5054                  * bust_size--because of a split, but the current
5055                  * burst list is not the burst list bfqq belonged to
5056                  * (see comments on the case of a split in
5057                  * bfq_set_request).
5058                  */
5059                 if (bfqq->bic && bfqq->bfqd->burst_size > 0)
5060                         bfqq->bfqd->burst_size--;
5061         }
5062
5063         /*
5064          * bfqq does not exist any longer, so it cannot be woken by
5065          * any other queue, and cannot wake any other queue. Then bfqq
5066          * must be removed from the woken list of its possible waker
5067          * queue, and all queues in the woken list of bfqq must stop
5068          * having a waker queue. Strictly speaking, these updates
5069          * should be performed when bfqq remains with no I/O source
5070          * attached to it, which happens before bfqq gets freed. In
5071          * particular, this happens when the last process associated
5072          * with bfqq exits or gets associated with a different
5073          * queue. However, both events lead to bfqq being freed soon,
5074          * and dangling references would come out only after bfqq gets
5075          * freed. So these updates are done here, as a simple and safe
5076          * way to handle all cases.
5077          */
5078         /* remove bfqq from woken list */
5079         if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
5080                 hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
5081
5082         /* reset waker for all queues in woken list */
5083         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqq->woken_list,
5084                                   woken_list_node) {
5085                 item->waker_bfqq = NULL;
5086                 hlist_del_init(&item->woken_list_node);
5087         }
5088
5089         if (bfqq->bfqd && bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq)
5090                 bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq = NULL;
5091
5092         kmem_cache_free(bfq_pool, bfqq);
5093         bfqg_and_blkg_put(bfqg);
5094 }
5095
5096 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq)
5097 {
5098         bfqq->stable_ref--;
5099         bfq_put_queue(bfqq);
5100 }
5101
5102 static void bfq_put_cooperator(struct bfq_queue *bfqq)
5103 {
5104         struct bfq_queue *__bfqq, *next;
5105
5106         /*
5107          * If this queue was scheduled to merge with another queue, be
5108          * sure to drop the reference taken on that queue (and others in
5109          * the merge chain). See bfq_setup_merge and bfq_merge_bfqqs.
5110          */
5111         __bfqq = bfqq->new_bfqq;
5112         while (__bfqq) {
5113                 if (__bfqq == bfqq)
5114                         break;
5115                 next = __bfqq->new_bfqq;
5116                 bfq_put_queue(__bfqq);
5117                 __bfqq = next;
5118         }
5119 }
5120
5121 static void bfq_exit_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
5122 {
5123         if (bfqq == bfqd->in_service_queue) {
5124                 __bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5125                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
5126         }
5127
5128         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "exit_bfqq: %p, %d", bfqq, bfqq->ref);
5129
5130         bfq_put_cooperator(bfqq);
5131
5132         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5133 }
5134
5135 static void bfq_exit_icq_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
5136 {
5137         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
5138         struct bfq_data *bfqd;
5139
5140         if (bfqq)
5141                 bfqd = bfqq->bfqd; /* NULL if scheduler already exited */
5142
5143         if (bfqq && bfqd) {
5144                 unsigned long flags;
5145
5146                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5147                 bfqq->bic = NULL;
5148                 bfq_exit_bfqq(bfqd, bfqq);
5149                 bic_set_bfqq(bic, NULL, is_sync);
5150                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5151         }
5152 }
5153
5154 static void bfq_exit_icq(struct io_cq *icq)
5155 {
5156         struct bfq_io_cq *bic = icq_to_bic(icq);
5157
5158         if (bic->stable_merge_bfqq) {
5159                 struct bfq_data *bfqd = bic->stable_merge_bfqq->bfqd;
5160
5161                 /*
5162                  * bfqd is NULL if scheduler already exited, and in
5163                  * that case this is the last time bfqq is accessed.
5164                  */
5165                 if (bfqd) {
5166                         unsigned long flags;
5167
5168                         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5169                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5170                         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5171                 } else {
5172                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5173                 }
5174         }
5175
5176         bfq_exit_icq_bfqq(bic, true);
5177         bfq_exit_icq_bfqq(bic, false);
5178 }
5179
5180 /*
5181  * Update the entity prio values; note that the new values will not
5182  * be used until the next (re)activation.
5183  */
5184 static void
5185 bfq_set_next_ioprio_data(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_io_cq *bic)
5186 {
5187         struct task_struct *tsk = current;
5188         int ioprio_class;
5189         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
5190
5191         if (!bfqd)
5192                 return;
5193
5194         ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5195         switch (ioprio_class) {
5196         default:
5197                 pr_err("bdi %s: bfq: bad prio class %d\n",
5198                                 bdi_dev_name(bfqq->bfqd->queue->backing_dev_info),
5199                                 ioprio_class);
5200                 fallthrough;
5201         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5202                 /*
5203                  * No prio set, inherit CPU scheduling settings.
5204                  */
5205                 bfqq->new_ioprio = task_nice_ioprio(tsk);
5206                 bfqq->new_ioprio_class = task_nice_ioclass(tsk);
5207                 break;
5208         case IOPRIO_CLASS_RT:
5209                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5210                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_RT;
5211                 break;
5212         case IOPRIO_CLASS_BE:
5213                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5214                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
5215                 break;
5216         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5217                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_IDLE;
5218                 bfqq->new_ioprio = 7;
5219                 break;
5220         }
5221
5222         if (bfqq->new_ioprio >= IOPRIO_BE_NR) {
5223                 pr_crit("bfq_set_next_ioprio_data: new_ioprio %d\n",
5224                         bfqq->new_ioprio);
5225                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_BE_NR;
5226         }
5227
5228         bfqq->entity.new_weight = bfq_ioprio_to_weight(bfqq->new_ioprio);
5229         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "new_ioprio %d new_weight %d",
5230                      bfqq->new_ioprio, bfqq->entity.new_weight);
5231         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5232 }
5233
5234 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5235                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5236                                        struct bfq_io_cq *bic,
5237                                        bool respawn);
5238
5239 static void bfq_check_ioprio_change(struct bfq_io_cq *bic, struct bio *bio)
5240 {
5241         struct bfq_data *bfqd = bic_to_bfqd(bic);
5242         struct bfq_queue *bfqq;
5243         int ioprio = bic->icq.ioc->ioprio;
5244
5245         /*
5246          * This condition may trigger on a newly created bic, be sure to
5247          * drop the lock before returning.
5248          */
5249         if (unlikely(!bfqd) || likely(bic->ioprio == ioprio))
5250                 return;
5251
5252         bic->ioprio = ioprio;
5253
5254         bfqq = bic_to_bfqq(bic, false);
5255         if (bfqq) {
5256                 bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5257                 bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, BLK_RW_ASYNC, bic, true);
5258                 bic_set_bfqq(bic, bfqq, false);
5259         }
5260
5261         bfqq = bic_to_bfqq(bic, true);
5262         if (bfqq)
5263                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5264 }
5265
5266 static void bfq_init_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5267                           struct bfq_io_cq *bic, pid_t pid, int is_sync)
5268 {
5269         u64 now_ns = ktime_get_ns();
5270
5271         RB_CLEAR_NODE(&bfqq->entity.rb_node);
5272         INIT_LIST_HEAD(&bfqq->fifo);
5273         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->burst_list_node);
5274         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->woken_list_node);
5275         INIT_HLIST_HEAD(&bfqq->woken_list);
5276
5277         bfqq->ref = 0;
5278         bfqq->bfqd = bfqd;
5279
5280         if (bic)
5281                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5282
5283         if (is_sync) {
5284                 /*
5285                  * No need to mark as has_short_ttime if in
5286                  * idle_class, because no device idling is performed
5287                  * for queues in idle class
5288                  */
5289                 if (!bfq_class_idle(bfqq))
5290                         /* tentatively mark as has_short_ttime */
5291                         bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5292                 bfq_mark_bfqq_sync(bfqq);
5293                 bfq_mark_bfqq_just_created(bfqq);
5294         } else
5295                 bfq_clear_bfqq_sync(bfqq);
5296
5297         /* set end request to minus infinity from now */
5298         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns + 1;
5299
5300         bfqq->creation_time = jiffies;
5301
5302         bfqq->io_start_time = now_ns;
5303
5304         bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
5305
5306         bfqq->pid = pid;
5307
5308         /* Tentative initial value to trade off between thr and lat */
5309         bfqq->max_budget = (2 * bfq_max_budget(bfqd)) / 3;
5310         bfqq->budget_timeout = bfq_smallest_from_now();
5311
5312         bfqq->wr_coeff = 1;
5313         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
5314         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
5315         bfqq->split_time = bfq_smallest_from_now();
5316
5317         /*
5318          * To not forget the possibly high bandwidth consumed by a
5319          * process/queue in the recent past,
5320          * bfq_bfqq_softrt_next_start() returns a value at least equal
5321          * to the current value of bfqq->soft_rt_next_start (see
5322          * comments on bfq_bfqq_softrt_next_start).  Set
5323          * soft_rt_next_start to now, to mean that bfqq has consumed
5324          * no bandwidth so far.
5325          */
5326         bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
5327
5328         /* first request is almost certainly seeky */
5329         bfqq->seek_history = 1;
5330 }
5331
5332 static struct bfq_queue **bfq_async_queue_prio(struct bfq_data *bfqd,
5333                                                struct bfq_group *bfqg,
5334                                                int ioprio_class, int ioprio)
5335 {
5336         switch (ioprio_class) {
5337         case IOPRIO_CLASS_RT:
5338                 return &bfqg->async_bfqq[0][ioprio];
5339         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5340                 ioprio = IOPRIO_NORM;
5341                 fallthrough;
5342         case IOPRIO_CLASS_BE:
5343                 return &bfqg->async_bfqq[1][ioprio];
5344         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5345                 return &bfqg->async_idle_bfqq;
5346         default:
5347                 return NULL;
5348         }
5349 }
5350
5351 static struct bfq_queue *
5352 bfq_do_early_stable_merge(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5353                           struct bfq_io_cq *bic,
5354                           struct bfq_queue *last_bfqq_created)
5355 {
5356         struct bfq_queue *new_bfqq =
5357                 bfq_setup_merge(bfqq, last_bfqq_created);
5358
5359         if (!new_bfqq)
5360                 return bfqq;
5361
5362         if (new_bfqq->bic)
5363                 new_bfqq->bic->stably_merged = true;
5364         bic->stably_merged = true;
5365
5366         /*
5367          * Reusing merge functions. This implies that
5368          * bfqq->bic must be set too, for
5369          * bfq_merge_bfqqs to correctly save bfqq's
5370          * state before killing it.
5371          */
5372         bfqq->bic = bic;
5373         bfq_merge_bfqqs(bfqd, bic, bfqq, new_bfqq);
5374
5375         return new_bfqq;
5376 }
5377
5378 /*
5379  * Many throughput-sensitive workloads are made of several parallel
5380  * I/O flows, with all flows generated by the same application, or
5381  * more generically by the same task (e.g., system boot). The most
5382  * counterproductive action with these workloads is plugging I/O
5383  * dispatch when one of the bfq_queues associated with these flows
5384  * remains temporarily empty.
5385  *
5386  * To avoid this plugging, BFQ has been using a burst-handling
5387  * mechanism for years now. This mechanism has proven effective for
5388  * throughput, and not detrimental for service guarantees. The
5389  * following function pushes this mechanism a little bit further,
5390  * basing on the following two facts.
5391  *
5392  * First, all the I/O flows of a the same application or task
5393  * contribute to the execution/completion of that common application
5394  * or task. So the performance figures that matter are total
5395  * throughput of the flows and task-wide I/O latency.  In particular,
5396  * these flows do not need to be protected from each other, in terms
5397  * of individual bandwidth or latency.
5398  *
5399  * Second, the above fact holds regardless of the number of flows.
5400  *
5401  * Putting these two facts together, this commits merges stably the
5402  * bfq_queues associated with these I/O flows, i.e., with the
5403  * processes that generate these IO/ flows, regardless of how many the
5404  * involved processes are.
5405  *
5406  * To decide whether a set of bfq_queues is actually associated with
5407  * the I/O flows of a common application or task, and to merge these
5408  * queues stably, this function operates as follows: given a bfq_queue,
5409  * say Q2, currently being created, and the last bfq_queue, say Q1,
5410  * created before Q2, Q2 is merged stably with Q1 if
5411  * - very little time has elapsed since when Q1 was created
5412  * - Q2 has the same ioprio as Q1
5413  * - Q2 belongs to the same group as Q1
5414  *
5415  * Merging bfq_queues also reduces scheduling overhead. A fio test
5416  * with ten random readers on /dev/nullb shows a throughput boost of
5417  * 40%, with a quadcore. Since BFQ's execution time amounts to ~50% of
5418  * the total per-request processing time, the above throughput boost
5419  * implies that BFQ's overhead is reduced by more than 50%.
5420  *
5421  * This new mechanism most certainly obsoletes the current
5422  * burst-handling heuristics. We keep those heuristics for the moment.
5423  */
5424 static struct bfq_queue *bfq_do_or_sched_stable_merge(struct bfq_data *bfqd,
5425                                                       struct bfq_queue *bfqq,
5426                                                       struct bfq_io_cq *bic)
5427 {
5428         struct bfq_queue **source_bfqq = bfqq->entity.parent ?
5429                 &bfqq->entity.parent->last_bfqq_created :
5430                 &bfqd->last_bfqq_created;
5431
5432         struct bfq_queue *last_bfqq_created = *source_bfqq;
5433
5434         /*
5435          * If last_bfqq_created has not been set yet, then init it. If
5436          * it has been set already, but too long ago, then move it
5437          * forward to bfqq. Finally, move also if bfqq belongs to a
5438          * different group than last_bfqq_created, or if bfqq has a
5439          * different ioprio or ioprio_class. If none of these
5440          * conditions holds true, then try an early stable merge or
5441          * schedule a delayed stable merge.
5442          *
5443          * A delayed merge is scheduled (instead of performing an
5444          * early merge), in case bfqq might soon prove to be more
5445          * throughput-beneficial if not merged. Currently this is
5446          * possible only if bfqd is rotational with no queueing. For
5447          * such a drive, not merging bfqq is better for throughput if
5448          * bfqq happens to contain sequential I/O. So, we wait a
5449          * little bit for enough I/O to flow through bfqq. After that,
5450          * if such an I/O is sequential, then the merge is
5451          * canceled. Otherwise the merge is finally performed.
5452          */
5453         if (!last_bfqq_created ||
5454             time_before(last_bfqq_created->creation_time +
5455                         bfqd->bfq_burst_interval,
5456                         bfqq->creation_time) ||
5457                 bfqq->entity.parent != last_bfqq_created->entity.parent ||
5458                 bfqq->ioprio != last_bfqq_created->ioprio ||
5459                 bfqq->ioprio_class != last_bfqq_created->ioprio_class)
5460                 *source_bfqq = bfqq;
5461         else if (time_after_eq(last_bfqq_created->creation_time +
5462                                  bfqd->bfq_burst_interval,
5463                                  bfqq->creation_time)) {
5464                 if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
5465                         /*
5466                          * With this type of drive, leaving
5467                          * bfqq alone may provide no
5468                          * throughput benefits compared with
5469                          * merging bfqq. So merge bfqq now.
5470                          */
5471                         bfqq = bfq_do_early_stable_merge(bfqd, bfqq,
5472                                                          bic,
5473                                                          last_bfqq_created);
5474                 else { /* schedule tentative stable merge */
5475                         /*
5476                          * get reference on last_bfqq_created,
5477                          * to prevent it from being freed,
5478                          * until we decide whether to merge
5479                          */
5480                         last_bfqq_created->ref++;
5481                         /*
5482                          * need to keep track of stable refs, to
5483                          * compute process refs correctly
5484                          */
5485                         last_bfqq_created->stable_ref++;
5486                         /*
5487                          * Record the bfqq to merge to.
5488                          */
5489                         bic->stable_merge_bfqq = last_bfqq_created;
5490                 }
5491         }
5492
5493         return bfqq;
5494 }
5495
5496
5497 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5498                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5499                                        struct bfq_io_cq *bic,
5500                                        bool respawn)
5501 {
5502         const int ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5503         const int ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5504         struct bfq_queue **async_bfqq = NULL;
5505         struct bfq_queue *bfqq;
5506         struct bfq_group *bfqg;
5507
5508         rcu_read_lock();
5509
5510         bfqg = bfq_find_set_group(bfqd, __bio_blkcg(bio));
5511         if (!bfqg) {
5512                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5513                 goto out;
5514         }
5515
5516         if (!is_sync) {
5517                 async_bfqq = bfq_async_queue_prio(bfqd, bfqg, ioprio_class,
5518                                                   ioprio);
5519                 bfqq = *async_bfqq;
5520                 if (bfqq)
5521                         goto out;
5522         }
5523
5524         bfqq = kmem_cache_alloc_node(bfq_pool,
5525                                      GFP_NOWAIT | __GFP_ZERO | __GFP_NOWARN,
5526                                      bfqd->queue->node);
5527
5528         if (bfqq) {
5529                 bfq_init_bfqq(bfqd, bfqq, bic, current->pid,
5530                               is_sync);
5531                 bfq_init_entity(&bfqq->entity, bfqg);
5532                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "allocated");
5533         } else {
5534                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5535                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "using oom bfqq");
5536                 goto out;
5537         }
5538
5539         /*
5540          * Pin the queue now that it's allocated, scheduler exit will
5541          * prune it.
5542          */
5543         if (async_bfqq) {
5544                 bfqq->ref++; /*
5545                               * Extra group reference, w.r.t. sync
5546                               * queue. This extra reference is removed
5547                               * only if bfqq->bfqg disappears, to
5548                               * guarantee that this queue is not freed
5549                               * until its group goes away.
5550                               */
5551                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_queue, bfqq not in async: %p, %d",
5552                              bfqq, bfqq->ref);
5553                 *async_bfqq = bfqq;
5554         }
5555
5556 out:
5557         bfqq->ref++; /* get a process reference to this queue */
5558
5559         if (bfqq != &bfqd->oom_bfqq && is_sync && !respawn)
5560                 bfqq = bfq_do_or_sched_stable_merge(bfqd, bfqq, bic);
5561
5562         rcu_read_unlock();
5563         return bfqq;
5564 }
5565
5566 static void bfq_update_io_thinktime(struct bfq_data *bfqd,
5567                                     struct bfq_queue *bfqq)
5568 {
5569         struct bfq_ttime *ttime = &bfqq->ttime;
5570         u64 elapsed;
5571
5572         /*
5573          * We are really interested in how long it takes for the queue to
5574          * become busy when there is no outstanding IO for this queue. So
5575          * ignore cases when the bfq queue has already IO queued.
5576          */
5577         if (bfqq->dispatched || bfq_bfqq_busy(bfqq))
5578                 return;
5579         elapsed = ktime_get_ns() - bfqq->ttime.last_end_request;
5580         elapsed = min_t(u64, elapsed, 2ULL * bfqd->bfq_slice_idle);
5581
5582         ttime->ttime_samples = (7*ttime->ttime_samples + 256) / 8;
5583         ttime->ttime_total = div_u64(7*ttime->ttime_total + 256*elapsed,  8);
5584         ttime->ttime_mean = div64_ul(ttime->ttime_total + 128,
5585                                      ttime->ttime_samples);
5586 }
5587
5588 static void
5589 bfq_update_io_seektime(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5590                        struct request *rq)
5591 {
5592         bfqq->seek_history <<= 1;
5593         bfqq->seek_history |= BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqq->last_request_pos, rq);
5594
5595         if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
5596             bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
5597             BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)) {
5598                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
5599                                            bfq_wr_duration(bfqd))) {
5600                         /*
5601                          * In soft_rt weight raising with the
5602                          * interactive-weight-raising period
5603                          * elapsed (so no switch back to
5604                          * interactive weight raising).
5605                          */
5606                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
5607                 } else { /*
5608                           * stopping soft_rt weight raising
5609                           * while still in interactive period,
5610                           * switch back to interactive weight
5611                           * raising
5612                           */
5613                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
5614                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5615                 }
5616         }
5617 }
5618
5619 static void bfq_update_has_short_ttime(struct bfq_data *bfqd,
5620                                        struct bfq_queue *bfqq,
5621                                        struct bfq_io_cq *bic)
5622 {
5623         bool has_short_ttime = true, state_changed;
5624
5625         /*
5626          * No need to update has_short_ttime if bfqq is async or in
5627          * idle io prio class, or if bfq_slice_idle is zero, because
5628          * no device idling is performed for bfqq in this case.
5629          */
5630         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfq_class_idle(bfqq) ||
5631             bfqd->bfq_slice_idle == 0)
5632                 return;
5633
5634         /* Idle window just restored, statistics are meaningless. */
5635         if (time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
5636                                      bfqd->bfq_wr_min_idle_time))
5637                 return;
5638
5639         /* Think time is infinite if no process is linked to
5640          * bfqq. Otherwise check average think time to decide whether
5641          * to mark as has_short_ttime. To this goal, compare average
5642          * think time with half the I/O-plugging timeout.
5643          */
5644         if (atomic_read(&bic->icq.ioc->active_ref) == 0 ||
5645             (bfq_sample_valid(bfqq->ttime.ttime_samples) &&
5646              bfqq->ttime.ttime_mean > bfqd->bfq_slice_idle>>1))
5647                 has_short_ttime = false;
5648
5649         state_changed = has_short_ttime != bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5650
5651         if (has_short_ttime)
5652                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5653         else
5654                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5655
5656         /*
5657          * Until the base value for the total service time gets
5658          * finally computed for bfqq, the inject limit does depend on
5659          * the think-time state (short|long). In particular, the limit
5660          * is 0 or 1 if the think time is deemed, respectively, as
5661          * short or long (details in the comments in
5662          * bfq_update_inject_limit()). Accordingly, the next
5663          * instructions reset the inject limit if the think-time state
5664          * has changed and the above base value is still to be
5665          * computed.
5666          *
5667          * However, the reset is performed only if more than 100 ms
5668          * have elapsed since the last update of the inject limit, or
5669          * (inclusive) if the change is from short to long think
5670          * time. The reason for this waiting is as follows.
5671          *
5672          * bfqq may have a long think time because of a
5673          * synchronization with some other queue, i.e., because the
5674          * I/O of some other queue may need to be completed for bfqq
5675          * to receive new I/O. Details in the comments on the choice
5676          * of the queue for injection in bfq_select_queue().
5677          *
5678          * As stressed in those comments, if such a synchronization is
5679          * actually in place, then, without injection on bfqq, the
5680          * blocking I/O cannot happen to served while bfqq is in
5681          * service. As a consequence, if bfqq is granted
5682          * I/O-dispatch-plugging, then bfqq remains empty, and no I/O
5683          * is dispatched, until the idle timeout fires. This is likely
5684          * to result in lower bandwidth and higher latencies for bfqq,
5685          * and in a severe loss of total throughput.
5686          *
5687          * On the opposite end, a non-zero inject limit may allow the
5688          * I/O that blocks bfqq to be executed soon, and therefore
5689          * bfqq to receive new I/O soon.
5690          *
5691          * But, if the blocking gets actually eliminated, then the
5692          * next think-time sample for bfqq may be very low. This in
5693          * turn may cause bfqq's think time to be deemed
5694          * short. Without the 100 ms barrier, this new state change
5695          * would cause the body of the next if to be executed
5696          * immediately. But this would set to 0 the inject
5697          * limit. Without injection, the blocking I/O would cause the
5698          * think time of bfqq to become long again, and therefore the
5699          * inject limit to be raised again, and so on. The only effect
5700          * of such a steady oscillation between the two think-time
5701          * states would be to prevent effective injection on bfqq.
5702          *
5703          * In contrast, if the inject limit is not reset during such a
5704          * long time interval as 100 ms, then the number of short
5705          * think time samples can grow significantly before the reset
5706          * is performed. As a consequence, the think time state can
5707          * become stable before the reset. Therefore there will be no
5708          * state change when the 100 ms elapse, and no reset of the
5709          * inject limit. The inject limit remains steadily equal to 1
5710          * both during and after the 100 ms. So injection can be
5711          * performed at all times, and throughput gets boosted.
5712          *
5713          * An inject limit equal to 1 is however in conflict, in
5714          * general, with the fact that the think time of bfqq is
5715          * short, because injection may be likely to delay bfqq's I/O
5716          * (as explained in the comments in
5717          * bfq_update_inject_limit()). But this does not happen in
5718          * this special case, because bfqq's low think time is due to
5719          * an effective handling of a synchronization, through
5720          * injection. In this special case, bfqq's I/O does not get
5721          * delayed by injection; on the contrary, bfqq's I/O is
5722          * brought forward, because it is not blocked for
5723          * milliseconds.
5724          *
5725          * In addition, serving the blocking I/O much sooner, and much
5726          * more frequently than once per I/O-plugging timeout, makes
5727          * it much quicker to detect a waker queue (the concept of
5728          * waker queue is defined in the comments in
5729          * bfq_add_request()). This makes it possible to start sooner
5730          * to boost throughput more effectively, by injecting the I/O
5731          * of the waker queue unconditionally on every
5732          * bfq_dispatch_request().
5733          *
5734          * One last, important benefit of not resetting the inject
5735          * limit before 100 ms is that, during this time interval, the
5736          * base value for the total service time is likely to get
5737          * finally computed for bfqq, freeing the inject limit from
5738          * its relation with the think time.
5739          */
5740         if (state_changed && bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
5741             (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
5742                                       msecs_to_jiffies(100)) ||
5743              !has_short_ttime))
5744                 bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
5745 }
5746
5747 /*
5748  * Called when a new fs request (rq) is added to bfqq.  Check if there's
5749  * something we should do about it.
5750  */
5751 static void bfq_rq_enqueued(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5752                             struct request *rq)
5753 {
5754         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
5755                 bfqq->meta_pending++;
5756
5757         bfqq->last_request_pos = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
5758
5759         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
5760                 bool small_req = bfqq->queued[rq_is_sync(rq)] == 1 &&
5761                                  blk_rq_sectors(rq) < 32;
5762                 bool budget_timeout = bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
5763
5764                 /*
5765                  * There is just this request queued: if
5766                  * - the request is small, and
5767                  * - we are idling to boost throughput, and
5768                  * - the queue is not to be expired,
5769                  * then just exit.
5770                  *
5771                  * In this way, if the device is being idled to wait
5772                  * for a new request from the in-service queue, we
5773                  * avoid unplugging the device and committing the
5774                  * device to serve just a small request. In contrast
5775                  * we wait for the block layer to decide when to
5776                  * unplug the device: hopefully, new requests will be
5777                  * merged to this one quickly, then the device will be
5778                  * unplugged and larger requests will be dispatched.
5779                  */
5780                 if (small_req && idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
5781                     !budget_timeout)
5782                         return;
5783
5784                 /*
5785                  * A large enough request arrived, or idling is being
5786                  * performed to preserve service guarantees, or
5787                  * finally the queue is to be expired: in all these
5788                  * cases disk idling is to be stopped, so clear
5789                  * wait_request flag and reset timer.
5790                  */
5791                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
5792                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
5793
5794                 /*
5795                  * The queue is not empty, because a new request just
5796                  * arrived. Hence we can safely expire the queue, in
5797                  * case of budget timeout, without risking that the
5798                  * timestamps of the queue are not updated correctly.
5799                  * See [1] for more details.
5800                  */
5801                 if (budget_timeout)
5802                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
5803                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5804         }
5805 }
5806
5807 /* returns true if it causes the idle timer to be disabled */
5808 static bool __bfq_insert_request(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
5809 {
5810         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq),
5811                 *new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, rq, true,
5812                                                  RQ_BIC(rq));
5813         bool waiting, idle_timer_disabled = false;
5814
5815         if (new_bfqq) {
5816                 /*
5817                  * Release the request's reference to the old bfqq
5818                  * and make sure one is taken to the shared queue.
5819                  */
5820                 new_bfqq->allocated++;
5821                 bfqq->allocated--;
5822                 new_bfqq->ref++;
5823                 /*
5824                  * If the bic associated with the process
5825                  * issuing this request still points to bfqq
5826                  * (and thus has not been already redirected
5827                  * to new_bfqq or even some other bfq_queue),
5828                  * then complete the merge and redirect it to
5829                  * new_bfqq.
5830                  */
5831                 if (bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1) == bfqq)
5832                         bfq_merge_bfqqs(bfqd, RQ_BIC(rq),
5833                                         bfqq, new_bfqq);
5834
5835                 bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
5836                 /*
5837                  * rq is about to be enqueued into new_bfqq,
5838                  * release rq reference on bfqq
5839                  */
5840                 bfq_put_queue(bfqq);
5841                 rq->elv.priv[1] = new_bfqq;
5842                 bfqq = new_bfqq;
5843         }
5844
5845         bfq_update_io_thinktime(bfqd, bfqq);
5846         bfq_update_has_short_ttime(bfqd, bfqq, RQ_BIC(rq));
5847         bfq_update_io_seektime(bfqd, bfqq, rq);
5848
5849         waiting = bfqq && bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5850         bfq_add_request(rq);
5851         idle_timer_disabled = waiting && !bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5852
5853         rq->fifo_time = ktime_get_ns() + bfqd->bfq_fifo_expire[rq_is_sync(rq)];
5854         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqq->fifo);
5855
5856         bfq_rq_enqueued(bfqd, bfqq, rq);
5857
5858         return idle_timer_disabled;
5859 }
5860
5861 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
5862 static void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5863                                     struct bfq_queue *bfqq,
5864                                     bool idle_timer_disabled,
5865                                     unsigned int cmd_flags)
5866 {
5867         if (!bfqq)
5868                 return;
5869
5870         /*
5871          * bfqq still exists, because it can disappear only after
5872          * either it is merged with another queue, or the process it
5873          * is associated with exits. But both actions must be taken by
5874          * the same process currently executing this flow of
5875          * instructions.
5876          *
5877          * In addition, the following queue lock guarantees that
5878          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
5879          */
5880         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
5881         bfqg_stats_update_io_add(bfqq_group(bfqq), bfqq, cmd_flags);
5882         if (idle_timer_disabled)
5883                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(bfqq));
5884         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5885 }
5886 #else
5887 static inline void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5888                                            struct bfq_queue *bfqq,
5889                                            bool idle_timer_disabled,
5890                                            unsigned int cmd_flags) {}
5891 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5892
5893 static void bfq_insert_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct request *rq,
5894                                bool at_head)
5895 {
5896         struct request_queue *q = hctx->queue;
5897         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
5898         struct bfq_queue *bfqq;
5899         bool idle_timer_disabled = false;
5900         unsigned int cmd_flags;
5901
5902 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5903         if (!cgroup_subsys_on_dfl(io_cgrp_subsys) && rq->bio)
5904                 bfqg_stats_update_legacy_io(q, rq);
5905 #endif
5906         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5907         if (blk_mq_sched_try_insert_merge(q, rq)) {
5908                 spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5909                 return;
5910         }
5911
5912         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5913
5914         trace_block_rq_insert(rq);
5915
5916         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5917         bfqq = bfq_init_rq(rq);
5918
5919         /*
5920          * Reqs with at_head or passthrough flags set are to be put
5921          * directly into dispatch list. Additional case for putting rq
5922          * directly into the dispatch queue: the only active
5923          * bfq_queues are bfqq and either its waker bfq_queue or one
5924          * of its woken bfq_queues. The rationale behind this
5925          * additional condition is as follows:
5926          * - consider a bfq_queue, say Q1, detected as a waker of
5927          *   another bfq_queue, say Q2
5928          * - by definition of a waker, Q1 blocks the I/O of Q2, i.e.,
5929          *   some I/O of Q1 needs to be completed for new I/O of Q2
5930          *   to arrive.  A notable example of waker is journald
5931          * - so, Q1 and Q2 are in any respect the queues of two
5932          *   cooperating processes (or of two cooperating sets of
5933          *   processes): the goal of Q1's I/O is doing what needs to
5934          *   be done so that new Q2's I/O can finally be
5935          *   issued. Therefore, if the service of Q1's I/O is delayed,
5936          *   then Q2's I/O is delayed too.  Conversely, if Q2's I/O is
5937          *   delayed, the goal of Q1's I/O is hindered.
5938          * - as a consequence, if some I/O of Q1/Q2 arrives while
5939          *   Q2/Q1 is the only queue in service, there is absolutely
5940          *   no point in delaying the service of such an I/O. The
5941          *   only possible result is a throughput loss
5942          * - so, when the above condition holds, the best option is to
5943          *   have the new I/O dispatched as soon as possible
5944          * - the most effective and efficient way to attain the above
5945          *   goal is to put the new I/O directly in the dispatch
5946          *   list
5947          * - as an additional restriction, Q1 and Q2 must be the only
5948          *   busy queues for this commit to put the I/O of Q2/Q1 in
5949          *   the dispatch list.  This is necessary, because, if also
5950          *   other queues are waiting for service, then putting new
5951          *   I/O directly in the dispatch list may evidently cause a
5952          *   violation of service guarantees for the other queues
5953          */
5954         if (!bfqq ||
5955             (bfqq != bfqd->in_service_queue &&
5956              bfqd->in_service_queue != NULL &&
5957              bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1 + bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
5958              (bfqq->waker_bfqq == bfqd->in_service_queue ||
5959               bfqd->in_service_queue->waker_bfqq == bfqq)) || at_head) {
5960                 if (at_head)
5961                         list_add(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5962                 else
5963                         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5964         } else {
5965                 idle_timer_disabled = __bfq_insert_request(bfqd, rq);
5966                 /*
5967                  * Update bfqq, because, if a queue merge has occurred
5968                  * in __bfq_insert_request, then rq has been
5969                  * redirected into a new queue.
5970                  */
5971                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
5972
5973                 if (rq_mergeable(rq)) {
5974                         elv_rqhash_add(q, rq);
5975                         if (!q->last_merge)
5976                                 q->last_merge = rq;
5977                 }
5978         }
5979
5980         /*
5981          * Cache cmd_flags before releasing scheduler lock, because rq
5982          * may disappear afterwards (for example, because of a request
5983          * merge).
5984          */
5985         cmd_flags = rq->cmd_flags;
5986
5987         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5988
5989         bfq_update_insert_stats(q, bfqq, idle_timer_disabled,
5990                                 cmd_flags);
5991 }
5992
5993 static void bfq_insert_requests(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
5994                                 struct list_head *list, bool at_head)
5995 {
5996         while (!list_empty(list)) {
5997                 struct request *rq;
5998
5999                 rq = list_first_entry(list, struct request, queuelist);
6000                 list_del_init(&rq->queuelist);
6001                 bfq_insert_request(hctx, rq, at_head);
6002         }
6003 }
6004
6005 static void bfq_update_hw_tag(struct bfq_data *bfqd)
6006 {
6007         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6008
6009         bfqd->max_rq_in_driver = max_t(int, bfqd->max_rq_in_driver,
6010                                        bfqd->rq_in_driver);
6011
6012         if (bfqd->hw_tag == 1)
6013                 return;
6014
6015         /*
6016          * This sample is valid if the number of outstanding requests
6017          * is large enough to allow a queueing behavior.  Note that the
6018          * sum is not exact, as it's not taking into account deactivated
6019          * requests.
6020          */
6021         if (bfqd->rq_in_driver + bfqd->queued <= BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6022                 return;
6023
6024         /*
6025          * If active queue hasn't enough requests and can idle, bfq might not
6026          * dispatch sufficient requests to hardware. Don't zero hw_tag in this
6027          * case
6028          */
6029         if (bfqq && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) &&
6030             bfqq->dispatched + bfqq->queued[0] + bfqq->queued[1] <
6031             BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD &&
6032             bfqd->rq_in_driver < BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6033                 return;
6034
6035         if (bfqd->hw_tag_samples++ < BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES)
6036                 return;
6037
6038         bfqd->hw_tag = bfqd->max_rq_in_driver > BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD;
6039         bfqd->max_rq_in_driver = 0;
6040         bfqd->hw_tag_samples = 0;
6041
6042         bfqd->nonrot_with_queueing =
6043                 blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && bfqd->hw_tag;
6044 }
6045
6046 static void bfq_completed_request(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd)
6047 {
6048         u64 now_ns;
6049         u32 delta_us;
6050
6051         bfq_update_hw_tag(bfqd);
6052
6053         bfqd->rq_in_driver--;
6054         bfqq->dispatched--;
6055
6056         if (!bfqq->dispatched && !bfq_bfqq_busy(bfqq)) {
6057                 /*
6058                  * Set budget_timeout (which we overload to store the
6059                  * time at which the queue remains with no backlog and
6060                  * no outstanding request; used by the weight-raising
6061                  * mechanism).
6062                  */
6063                 bfqq->budget_timeout = jiffies;
6064
6065                 bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq);
6066         }
6067
6068         now_ns = ktime_get_ns();
6069
6070         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns;
6071
6072         /*
6073          * Using us instead of ns, to get a reasonable precision in
6074          * computing rate in next check.
6075          */
6076         delta_us = div_u64(now_ns - bfqd->last_completion, NSEC_PER_USEC);
6077
6078         /*
6079          * If the request took rather long to complete, and, according
6080          * to the maximum request size recorded, this completion latency
6081          * implies that the request was certainly served at a very low
6082          * rate (less than 1M sectors/sec), then the whole observation
6083          * interval that lasts up to this time instant cannot be a
6084          * valid time interval for computing a new peak rate.  Invoke
6085          * bfq_update_rate_reset to have the following three steps
6086          * taken:
6087          * - close the observation interval at the last (previous)
6088          *   request dispatch or completion
6089          * - compute rate, if possible, for that observation interval
6090          * - reset to zero samples, which will trigger a proper
6091          *   re-initialization of the observation interval on next
6092          *   dispatch
6093          */
6094         if (delta_us > BFQ_MIN_TT/NSEC_PER_USEC &&
6095            (bfqd->last_rq_max_size<<BFQ_RATE_SHIFT)/delta_us <
6096                         1UL<<(BFQ_RATE_SHIFT - 10))
6097                 bfq_update_rate_reset(bfqd, NULL);
6098         bfqd->last_completion = now_ns;
6099         /*
6100          * Shared queues are likely to receive I/O at a high
6101          * rate. This may deceptively let them be considered as wakers
6102          * of other queues. But a false waker will unjustly steal
6103          * bandwidth to its supposedly woken queue. So considering
6104          * also shared queues in the waking mechanism may cause more
6105          * control troubles than throughput benefits. Then do not set
6106          * last_completed_rq_bfqq to bfqq if bfqq is a shared queue.
6107          */
6108         if (!bfq_bfqq_coop(bfqq))
6109                 bfqd->last_completed_rq_bfqq = bfqq;
6110
6111         /*
6112          * If we are waiting to discover whether the request pattern
6113          * of the task associated with the queue is actually
6114          * isochronous, and both requisites for this condition to hold
6115          * are now satisfied, then compute soft_rt_next_start (see the
6116          * comments on the function bfq_bfqq_softrt_next_start()). We
6117          * do not compute soft_rt_next_start if bfqq is in interactive
6118          * weight raising (see the comments in bfq_bfqq_expire() for
6119          * an explanation). We schedule this delayed update when bfqq
6120          * expires, if it still has in-flight requests.
6121          */
6122         if (bfq_bfqq_softrt_update(bfqq) && bfqq->dispatched == 0 &&
6123             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6124             bfqq->wr_coeff != bfqd->bfq_wr_coeff)
6125                 bfqq->soft_rt_next_start =
6126                         bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
6127
6128         /*
6129          * If this is the in-service queue, check if it needs to be expired,
6130          * or if we want to idle in case it has no pending requests.
6131          */
6132         if (bfqd->in_service_queue == bfqq) {
6133                 if (bfq_bfqq_must_idle(bfqq)) {
6134                         if (bfqq->dispatched == 0)
6135                                 bfq_arm_slice_timer(bfqd);
6136                         /*
6137                          * If we get here, we do not expire bfqq, even
6138                          * if bfqq was in budget timeout or had no
6139                          * more requests (as controlled in the next
6140                          * conditional instructions). The reason for
6141                          * not expiring bfqq is as follows.
6142                          *
6143                          * Here bfqq->dispatched > 0 holds, but
6144                          * bfq_bfqq_must_idle() returned true. This
6145                          * implies that, even if no request arrives
6146                          * for bfqq before bfqq->dispatched reaches 0,
6147                          * bfqq will, however, not be expired on the
6148                          * completion event that causes bfqq->dispatch
6149                          * to reach zero. In contrast, on this event,
6150                          * bfqq will start enjoying device idling
6151                          * (I/O-dispatch plugging).
6152                          *
6153                          * But, if we expired bfqq here, bfqq would
6154                          * not have the chance to enjoy device idling
6155                          * when bfqq->dispatched finally reaches
6156                          * zero. This would expose bfqq to violation
6157                          * of its reserved service guarantees.
6158                          */
6159                         return;
6160                 } else if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq))
6161                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6162                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
6163                 else if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6164                          (bfqq->dispatched == 0 ||
6165                           !bfq_better_to_idle(bfqq)))
6166                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6167                                         BFQQE_NO_MORE_REQUESTS);
6168         }
6169
6170         if (!bfqd->rq_in_driver)
6171                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6172 }
6173
6174 static void bfq_finish_requeue_request_body(struct bfq_queue *bfqq)
6175 {
6176         bfqq->allocated--;
6177
6178         bfq_put_queue(bfqq);
6179 }
6180
6181 /*
6182  * The processes associated with bfqq may happen to generate their
6183  * cumulative I/O at a lower rate than the rate at which the device
6184  * could serve the same I/O. This is rather probable, e.g., if only
6185  * one process is associated with bfqq and the device is an SSD. It
6186  * results in bfqq becoming often empty while in service. In this
6187  * respect, if BFQ is allowed to switch to another queue when bfqq
6188  * remains empty, then the device goes on being fed with I/O requests,
6189  * and the throughput is not affected. In contrast, if BFQ is not
6190  * allowed to switch to another queue---because bfqq is sync and
6191  * I/O-dispatch needs to be plugged while bfqq is temporarily
6192  * empty---then, during the service of bfqq, there will be frequent
6193  * "service holes", i.e., time intervals during which bfqq gets empty
6194  * and the device can only consume the I/O already queued in its
6195  * hardware queues. During service holes, the device may even get to
6196  * remaining idle. In the end, during the service of bfqq, the device
6197  * is driven at a lower speed than the one it can reach with the kind
6198  * of I/O flowing through bfqq.
6199  *
6200  * To counter this loss of throughput, BFQ implements a "request
6201  * injection mechanism", which tries to fill the above service holes
6202  * with I/O requests taken from other queues. The hard part in this
6203  * mechanism is finding the right amount of I/O to inject, so as to
6204  * both boost throughput and not break bfqq's bandwidth and latency
6205  * guarantees. In this respect, the mechanism maintains a per-queue
6206  * inject limit, computed as below. While bfqq is empty, the injection
6207  * mechanism dispatches extra I/O requests only until the total number
6208  * of I/O requests in flight---i.e., already dispatched but not yet
6209  * completed---remains lower than this limit.
6210  *
6211  * A first definition comes in handy to introduce the algorithm by
6212  * which the inject limit is computed.  We define as first request for
6213  * bfqq, an I/O request for bfqq that arrives while bfqq is in
6214  * service, and causes bfqq to switch from empty to non-empty. The
6215  * algorithm updates the limit as a function of the effect of
6216  * injection on the service times of only the first requests of
6217  * bfqq. The reason for this restriction is that these are the
6218  * requests whose service time is affected most, because they are the
6219  * first to arrive after injection possibly occurred.
6220  *
6221  * To evaluate the effect of injection, the algorithm measures the
6222  * "total service time" of first requests. We define as total service
6223  * time of an I/O request, the time that elapses since when the
6224  * request is enqueued into bfqq, to when it is completed. This
6225  * quantity allows the whole effect of injection to be measured. It is
6226  * easy to see why. Suppose that some requests of other queues are
6227  * actually injected while bfqq is empty, and that a new request R
6228  * then arrives for bfqq. If the device does start to serve all or
6229  * part of the injected requests during the service hole, then,
6230  * because of this extra service, it may delay the next invocation of
6231  * the dispatch hook of BFQ. Then, even after R gets eventually
6232  * dispatched, the device may delay the actual service of R if it is
6233  * still busy serving the extra requests, or if it decides to serve,
6234  * before R, some extra request still present in its queues. As a
6235  * conclusion, the cumulative extra delay caused by injection can be
6236  * easily evaluated by just comparing the total service time of first
6237  * requests with and without injection.
6238  *
6239  * The limit-update algorithm works as follows. On the arrival of a
6240  * first request of bfqq, the algorithm measures the total time of the
6241  * request only if one of the three cases below holds, and, for each
6242  * case, it updates the limit as described below:
6243  *
6244  * (1) If there is no in-flight request. This gives a baseline for the
6245  *     total service time of the requests of bfqq. If the baseline has
6246  *     not been computed yet, then, after computing it, the limit is
6247  *     set to 1, to start boosting throughput, and to prepare the
6248  *     ground for the next case. If the baseline has already been
6249  *     computed, then it is updated, in case it results to be lower
6250  *     than the previous value.
6251  *
6252  * (2) If the limit is higher than 0 and there are in-flight
6253  *     requests. By comparing the total service time in this case with
6254  *     the above baseline, it is possible to know at which extent the
6255  *     current value of the limit is inflating the total service
6256  *     time. If the inflation is below a certain threshold, then bfqq
6257  *     is assumed to be suffering from no perceivable loss of its
6258  *     service guarantees, and the limit is even tentatively
6259  *     increased. If the inflation is above the threshold, then the
6260  *     limit is decreased. Due to the lack of any hysteresis, this
6261  *     logic makes the limit oscillate even in steady workload
6262  *     conditions. Yet we opted for it, because it is fast in reaching
6263  *     the best value for the limit, as a function of the current I/O
6264  *     workload. To reduce oscillations, this step is disabled for a
6265  *     short time interval after the limit happens to be decreased.
6266  *
6267  * (3) Periodically, after resetting the limit, to make sure that the
6268  *     limit eventually drops in case the workload changes. This is
6269  *     needed because, after the limit has gone safely up for a
6270  *     certain workload, it is impossible to guess whether the
6271  *     baseline total service time may have changed, without measuring
6272  *     it again without injection. A more effective version of this
6273  *     step might be to just sample the baseline, by interrupting
6274  *     injection only once, and then to reset/lower the limit only if
6275  *     the total service time with the current limit does happen to be
6276  *     too large.
6277  *
6278  * More details on each step are provided in the comments on the
6279  * pieces of code that implement these steps: the branch handling the
6280  * transition from empty to non empty in bfq_add_request(), the branch
6281  * handling injection in bfq_select_queue(), and the function
6282  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). These comments also explain some
6283  * exceptions, made by the injection mechanism in some special cases.
6284  */
6285 static void bfq_update_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
6286                                     struct bfq_queue *bfqq)
6287 {
6288         u64 tot_time_ns = ktime_get_ns() - bfqd->last_empty_occupied_ns;
6289         unsigned int old_limit = bfqq->inject_limit;
6290
6291         if (bfqq->last_serv_time_ns > 0 && bfqd->rqs_injected) {
6292                 u64 threshold = (bfqq->last_serv_time_ns * 3)>>1;
6293
6294                 if (tot_time_ns >= threshold && old_limit > 0) {
6295                         bfqq->inject_limit--;
6296                         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
6297                 } else if (tot_time_ns < threshold &&
6298                            old_limit <= bfqd->max_rq_in_driver)
6299                         bfqq->inject_limit++;
6300         }
6301
6302         /*
6303          * Either we still have to compute the base value for the
6304          * total service time, and there seem to be the right
6305          * conditions to do it, or we can lower the last base value
6306          * computed.
6307          *
6308          * NOTE: (bfqd->rq_in_driver == 1) means that there is no I/O
6309          * request in flight, because this function is in the code
6310          * path that handles the completion of a request of bfqq, and,
6311          * in particular, this function is executed before
6312          * bfqd->rq_in_driver is decremented in such a code path.
6313          */
6314         if ((bfqq->last_serv_time_ns == 0 && bfqd->rq_in_driver == 1) ||
6315             tot_time_ns < bfqq->last_serv_time_ns) {
6316                 if (bfqq->last_serv_time_ns == 0) {
6317                         /*
6318                          * Now we certainly have a base value: make sure we
6319                          * start trying injection.
6320                          */
6321                         bfqq->inject_limit = max_t(unsigned int, 1, old_limit);
6322                 }
6323                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6324         } else if (!bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver == 1)
6325                 /*
6326                  * No I/O injected and no request still in service in
6327                  * the drive: these are the exact conditions for
6328                  * computing the base value of the total service time
6329                  * for bfqq. So let's update this value, because it is
6330                  * rather variable. For example, it varies if the size
6331                  * or the spatial locality of the I/O requests in bfqq
6332                  * change.
6333                  */
6334                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6335
6336
6337         /* update complete, not waiting for any request completion any longer */
6338         bfqd->waited_rq = NULL;
6339         bfqd->rqs_injected = false;
6340 }
6341
6342 /*
6343  * Handle either a requeue or a finish for rq. The things to do are
6344  * the same in both cases: all references to rq are to be dropped. In
6345  * particular, rq is considered completed from the point of view of
6346  * the scheduler.
6347  */
6348 static void bfq_finish_requeue_request(struct request *rq)
6349 {
6350         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
6351         struct bfq_data *bfqd;
6352
6353         /*
6354          * rq either is not associated with any icq, or is an already
6355          * requeued request that has not (yet) been re-inserted into
6356          * a bfq_queue.
6357          */
6358         if (!rq->elv.icq || !bfqq)
6359                 return;
6360
6361         bfqd = bfqq->bfqd;
6362
6363         if (rq->rq_flags & RQF_STARTED)
6364                 bfqg_stats_update_completion(bfqq_group(bfqq),
6365                                              rq->start_time_ns,
6366                                              rq->io_start_time_ns,
6367                                              rq->cmd_flags);
6368
6369         if (likely(rq->rq_flags & RQF_STARTED)) {
6370                 unsigned long flags;
6371
6372                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6373
6374                 if (rq == bfqd->waited_rq)
6375                         bfq_update_inject_limit(bfqd, bfqq);
6376
6377                 bfq_completed_request(bfqq, bfqd);
6378                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6379
6380                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6381         } else {
6382                 /*
6383                  * Request rq may be still/already in the scheduler,
6384                  * in which case we need to remove it (this should
6385                  * never happen in case of requeue). And we cannot
6386                  * defer such a check and removal, to avoid
6387                  * inconsistencies in the time interval from the end
6388                  * of this function to the start of the deferred work.
6389                  * This situation seems to occur only in process
6390                  * context, as a consequence of a merge. In the
6391                  * current version of the code, this implies that the
6392                  * lock is held.
6393                  */
6394
6395                 if (!RB_EMPTY_NODE(&rq->rb_node)) {
6396                         bfq_remove_request(rq->q, rq);
6397                         bfqg_stats_update_io_remove(bfqq_group(bfqq),
6398                                                     rq->cmd_flags);
6399                 }
6400                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6401         }
6402
6403         /*
6404          * Reset private fields. In case of a requeue, this allows
6405          * this function to correctly do nothing if it is spuriously
6406          * invoked again on this same request (see the check at the
6407          * beginning of the function). Probably, a better general
6408          * design would be to prevent blk-mq from invoking the requeue
6409          * or finish hooks of an elevator, for a request that is not
6410          * referred by that elevator.
6411          *
6412          * Resetting the following fields would break the
6413          * request-insertion logic if rq is re-inserted into a bfq
6414          * internal queue, without a re-preparation. Here we assume
6415          * that re-insertions of requeued requests, without
6416          * re-preparation, can happen only for pass_through or at_head
6417          * requests (which are not re-inserted into bfq internal
6418          * queues).
6419          */
6420         rq->elv.priv[0] = NULL;
6421         rq->elv.priv[1] = NULL;
6422 }
6423
6424 /*
6425  * Removes the association between the current task and bfqq, assuming
6426  * that bic points to the bfq iocontext of the task.
6427  * Returns NULL if a new bfqq should be allocated, or the old bfqq if this
6428  * was the last process referring to that bfqq.
6429  */
6430 static struct bfq_queue *
6431 bfq_split_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq)
6432 {
6433         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "splitting queue");
6434
6435         if (bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6436                 bfqq->pid = current->pid;
6437                 bfq_clear_bfqq_coop(bfqq);
6438                 bfq_clear_bfqq_split_coop(bfqq);
6439                 return bfqq;
6440         }
6441
6442         bic_set_bfqq(bic, NULL, 1);
6443
6444         bfq_put_cooperator(bfqq);
6445
6446         bfq_release_process_ref(bfqq->bfqd, bfqq);
6447         return NULL;
6448 }
6449
6450 static struct bfq_queue *bfq_get_bfqq_handle_split(struct bfq_data *bfqd,
6451                                                    struct bfq_io_cq *bic,
6452                                                    struct bio *bio,
6453                                                    bool split, bool is_sync,
6454                                                    bool *new_queue)
6455 {
6456         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
6457
6458         if (likely(bfqq && bfqq != &bfqd->oom_bfqq))
6459                 return bfqq;
6460
6461         if (new_queue)
6462                 *new_queue = true;
6463
6464         if (bfqq)
6465                 bfq_put_queue(bfqq);
6466         bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, is_sync, bic, split);
6467
6468         bic_set_bfqq(bic, bfqq, is_sync);
6469         if (split && is_sync) {
6470                 if ((bic->was_in_burst_list && bfqd->large_burst) ||
6471                     bic->saved_in_large_burst)
6472                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6473                 else {
6474                         bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6475                         if (bic->was_in_burst_list)
6476                                 /*
6477                                  * If bfqq was in the current
6478                                  * burst list before being
6479                                  * merged, then we have to add
6480                                  * it back. And we do not need
6481                                  * to increase burst_size, as
6482                                  * we did not decrement
6483                                  * burst_size when we removed
6484                                  * bfqq from the burst list as
6485                                  * a consequence of a merge
6486                                  * (see comments in
6487                                  * bfq_put_queue). In this
6488                                  * respect, it would be rather
6489                                  * costly to know whether the
6490                                  * current burst list is still
6491                                  * the same burst list from
6492                                  * which bfqq was removed on
6493                                  * the merge. To avoid this
6494                                  * cost, if bfqq was in a
6495                                  * burst list, then we add
6496                                  * bfqq to the current burst
6497                                  * list without any further
6498                                  * check. This can cause
6499                                  * inappropriate insertions,
6500                                  * but rarely enough to not
6501                                  * harm the detection of large
6502                                  * bursts significantly.
6503                                  */
6504                                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node,
6505                                                &bfqd->burst_list);
6506                 }
6507                 bfqq->split_time = jiffies;
6508         }
6509
6510         return bfqq;
6511 }
6512
6513 /*
6514  * Only reset private fields. The actual request preparation will be
6515  * performed by bfq_init_rq, when rq is either inserted or merged. See
6516  * comments on bfq_init_rq for the reason behind this delayed
6517  * preparation.
6518  */
6519 static void bfq_prepare_request(struct request *rq)
6520 {
6521         /*
6522          * Regardless of whether we have an icq attached, we have to
6523          * clear the scheduler pointers, as they might point to
6524          * previously allocated bic/bfqq structs.
6525          */
6526         rq->elv.priv[0] = rq->elv.priv[1] = NULL;
6527 }
6528
6529 /*
6530  * If needed, init rq, allocate bfq data structures associated with
6531  * rq, and increment reference counters in the destination bfq_queue
6532  * for rq. Return the destination bfq_queue for rq, or NULL is rq is
6533  * not associated with any bfq_queue.
6534  *
6535  * This function is invoked by the functions that perform rq insertion
6536  * or merging. One may have expected the above preparation operations
6537  * to be performed in bfq_prepare_request, and not delayed to when rq
6538  * is inserted or merged. The rationale behind this delayed
6539  * preparation is that, after the prepare_request hook is invoked for
6540  * rq, rq may still be transformed into a request with no icq, i.e., a
6541  * request not associated with any queue. No bfq hook is invoked to
6542  * signal this transformation. As a consequence, should these
6543  * preparation operations be performed when the prepare_request hook
6544  * is invoked, and should rq be transformed one moment later, bfq
6545  * would end up in an inconsistent state, because it would have
6546  * incremented some queue counters for an rq destined to
6547  * transformation, without any chance to correctly lower these
6548  * counters back. In contrast, no transformation can still happen for
6549  * rq after rq has been inserted or merged. So, it is safe to execute
6550  * these preparation operations when rq is finally inserted or merged.
6551  */
6552 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq)
6553 {
6554         struct request_queue *q = rq->q;
6555         struct bio *bio = rq->bio;
6556         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
6557         struct bfq_io_cq *bic;
6558         const int is_sync = rq_is_sync(rq);
6559         struct bfq_queue *bfqq;
6560         bool new_queue = false;
6561         bool bfqq_already_existing = false, split = false;
6562
6563         if (unlikely(!rq->elv.icq))
6564                 return NULL;
6565
6566         /*
6567          * Assuming that elv.priv[1] is set only if everything is set
6568          * for this rq. This holds true, because this function is
6569          * invoked only for insertion or merging, and, after such
6570          * events, a request cannot be manipulated any longer before
6571          * being removed from bfq.
6572          */
6573         if (rq->elv.priv[1])
6574                 return rq->elv.priv[1];
6575
6576         bic = icq_to_bic(rq->elv.icq);
6577
6578         bfq_check_ioprio_change(bic, bio);
6579
6580         bfq_bic_update_cgroup(bic, bio);
6581
6582         bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio, false, is_sync,
6583                                          &new_queue);
6584
6585         if (likely(!new_queue)) {
6586                 /* If the queue was seeky for too long, break it apart. */
6587                 if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && bfq_bfqq_split_coop(bfqq) &&
6588                         !bic->stably_merged) {
6589                         struct bfq_queue *old_bfqq = bfqq;
6590
6591                         /* Update bic before losing reference to bfqq */
6592                         if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
6593                                 bic->saved_in_large_burst = true;
6594
6595                         bfqq = bfq_split_bfqq(bic, bfqq);
6596                         split = true;
6597
6598                         if (!bfqq) {
6599                                 bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio,
6600                                                                  true, is_sync,
6601                                                                  NULL);
6602                                 bfqq->waker_bfqq = old_bfqq->waker_bfqq;
6603                                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
6604
6605                                 /*
6606                                  * If the waker queue disappears, then
6607                                  * new_bfqq->waker_bfqq must be
6608                                  * reset. So insert new_bfqq into the
6609                                  * woken_list of the waker. See
6610                                  * bfq_check_waker for details.
6611                                  */
6612                                 if (bfqq->waker_bfqq)
6613                                         hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
6614                                                        &bfqq->waker_bfqq->woken_list);
6615                         } else
6616                                 bfqq_already_existing = true;
6617                 }
6618         }
6619
6620         bfqq->allocated++;
6621         bfqq->ref++;
6622         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_request %p: bfqq %p, %d",
6623                      rq, bfqq, bfqq->ref);
6624
6625         rq->elv.priv[0] = bic;
6626         rq->elv.priv[1] = bfqq;
6627
6628         /*
6629          * If a bfq_queue has only one process reference, it is owned
6630          * by only this bic: we can then set bfqq->bic = bic. in
6631          * addition, if the queue has also just been split, we have to
6632          * resume its state.
6633          */
6634         if (likely(bfqq != &bfqd->oom_bfqq) && bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6635                 bfqq->bic = bic;
6636                 if (split) {
6637                         /*
6638                          * The queue has just been split from a shared
6639                          * queue: restore the idle window and the
6640                          * possible weight raising period.
6641                          */
6642                         bfq_bfqq_resume_state(bfqq, bfqd, bic,
6643                                               bfqq_already_existing);
6644                 }
6645         }
6646
6647         /*
6648          * Consider bfqq as possibly belonging to a burst of newly
6649          * created queues only if:
6650          * 1) A burst is actually happening (bfqd->burst_size > 0)
6651          * or
6652          * 2) There is no other active queue. In fact, if, in
6653          *    contrast, there are active queues not belonging to the
6654          *    possible burst bfqq may belong to, then there is no gain
6655          *    in considering bfqq as belonging to a burst, and
6656          *    therefore in not weight-raising bfqq. See comments on
6657          *    bfq_handle_burst().
6658          *
6659          * This filtering also helps eliminating false positives,
6660          * occurring when bfqq does not belong to an actual large
6661          * burst, but some background task (e.g., a service) happens
6662          * to trigger the creation of new queues very close to when
6663          * bfqq and its possible companion queues are created. See
6664          * comments on bfq_handle_burst() for further details also on
6665          * this issue.
6666          */
6667         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
6668                      (bfqd->burst_size > 0 ||
6669                       bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)))
6670                 bfq_handle_burst(bfqd, bfqq);
6671
6672         return bfqq;
6673 }
6674
6675 static void
6676 bfq_idle_slice_timer_body(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
6677 {
6678         enum bfqq_expiration reason;
6679         unsigned long flags;
6680
6681         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6682
6683         /*
6684          * Considering that bfqq may be in race, we should firstly check
6685          * whether bfqq is in service before doing something on it. If
6686          * the bfqq in race is not in service, it has already been expired
6687          * through __bfq_bfqq_expire func and its wait_request flags has
6688          * been cleared in __bfq_bfqd_reset_in_service func.
6689          */
6690         if (bfqq != bfqd->in_service_queue) {
6691                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6692                 return;
6693         }
6694
6695         bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
6696
6697         if (bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq))
6698                 /*
6699                  * Also here the queue can be safely expired
6700                  * for budget timeout without wasting
6701                  * guarantees
6702                  */
6703                 reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
6704         else if (bfqq->queued[0] == 0 && bfqq->queued[1] == 0)
6705                 /*
6706                  * The queue may not be empty upon timer expiration,
6707                  * because we may not disable the timer when the
6708                  * first request of the in-service queue arrives
6709                  * during disk idling.
6710                  */
6711                 reason = BFQQE_TOO_IDLE;
6712         else
6713                 goto schedule_dispatch;
6714
6715         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, true, reason);
6716
6717 schedule_dispatch:
6718         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6719         bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6720 }
6721
6722 /*
6723  * Handler of the expiration of the timer running if the in-service queue
6724  * is idling inside its time slice.
6725  */
6726 static enum hrtimer_restart bfq_idle_slice_timer(struct hrtimer *timer)
6727 {
6728         struct bfq_data *bfqd = container_of(timer, struct bfq_data,
6729                                              idle_slice_timer);
6730         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6731
6732         /*
6733          * Theoretical race here: the in-service queue can be NULL or
6734          * different from the queue that was idling if a new request
6735          * arrives for the current queue and there is a full dispatch
6736          * cycle that changes the in-service queue.  This can hardly
6737          * happen, but in the worst case we just expire a queue too
6738          * early.
6739          */
6740         if (bfqq)
6741                 bfq_idle_slice_timer_body(bfqd, bfqq);
6742
6743         return HRTIMER_NORESTART;
6744 }
6745
6746 static void __bfq_put_async_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
6747                                  struct bfq_queue **bfqq_ptr)
6748 {
6749         struct bfq_queue *bfqq = *bfqq_ptr;
6750
6751         bfq_log(bfqd, "put_async_bfqq: %p", bfqq);
6752         if (bfqq) {
6753                 bfq_bfqq_move(bfqd, bfqq, bfqd->root_group);
6754
6755                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "put_async_bfqq: putting %p, %d",
6756                              bfqq, bfqq->ref);
6757                 bfq_put_queue(bfqq);
6758                 *bfqq_ptr = NULL;
6759         }
6760 }
6761
6762 /*
6763  * Release all the bfqg references to its async queues.  If we are
6764  * deallocating the group these queues may still contain requests, so
6765  * we reparent them to the root cgroup (i.e., the only one that will
6766  * exist for sure until all the requests on a device are gone).
6767  */
6768 void bfq_put_async_queues(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_group *bfqg)
6769 {
6770         int i, j;
6771
6772         for (i = 0; i < 2; i++)
6773                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
6774                         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_bfqq[i][j]);
6775
6776         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_idle_bfqq);
6777 }
6778
6779 /*
6780  * See the comments on bfq_limit_depth for the purpose of
6781  * the depths set in the function. Return minimum shallow depth we'll use.
6782  */
6783 static unsigned int bfq_update_depths(struct bfq_data *bfqd,
6784                                       struct sbitmap_queue *bt)
6785 {
6786         unsigned int i, j, min_shallow = UINT_MAX;
6787
6788         /*
6789          * In-word depths if no bfq_queue is being weight-raised:
6790          * leaving 25% of tags only for sync reads.
6791          *
6792          * In next formulas, right-shift the value
6793          * (1U<<bt->sb.shift), instead of computing directly
6794          * (1U<<(bt->sb.shift - something)), to be robust against
6795          * any possible value of bt->sb.shift, without having to
6796          * limit 'something'.
6797          */
6798         /* no more than 50% of tags for async I/O */
6799         bfqd->word_depths[0][0] = max((1U << bt->sb.shift) >> 1, 1U);
6800         /*
6801          * no more than 75% of tags for sync writes (25% extra tags
6802          * w.r.t. async I/O, to prevent async I/O from starving sync
6803          * writes)
6804          */
6805         bfqd->word_depths[0][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 2, 1U);
6806
6807         /*
6808          * In-word depths in case some bfq_queue is being weight-
6809          * raised: leaving ~63% of tags for sync reads. This is the
6810          * highest percentage for which, in our tests, application
6811          * start-up times didn't suffer from any regression due to tag
6812          * shortage.
6813          */
6814         /* no more than ~18% of tags for async I/O */
6815         bfqd->word_depths[1][0] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 4, 1U);
6816         /* no more than ~37% of tags for sync writes (~20% extra tags) */
6817         bfqd->word_depths[1][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 6) >> 4, 1U);
6818
6819         for (i = 0; i < 2; i++)
6820                 for (j = 0; j < 2; j++)
6821                         min_shallow = min(min_shallow, bfqd->word_depths[i][j]);
6822
6823         return min_shallow;
6824 }
6825
6826 static void bfq_depth_updated(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
6827 {
6828         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
6829         struct blk_mq_tags *tags = hctx->sched_tags;
6830         unsigned int min_shallow;
6831
6832         min_shallow = bfq_update_depths(bfqd, tags->bitmap_tags);
6833         sbitmap_queue_min_shallow_depth(tags->bitmap_tags, min_shallow);
6834 }
6835
6836 static int bfq_init_hctx(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, unsigned int index)
6837 {
6838         bfq_depth_updated(hctx);
6839         return 0;
6840 }
6841
6842 static void bfq_exit_queue(struct elevator_queue *e)
6843 {
6844         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
6845         struct bfq_queue *bfqq, *n;
6846
6847         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6848
6849         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6850         list_for_each_entry_safe(bfqq, n, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
6851                 bfq_deactivate_bfqq(bfqd, bfqq, false, false);
6852         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6853
6854         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6855
6856         /* release oom-queue reference to root group */
6857         bfqg_and_blkg_put(bfqd->root_group);
6858
6859 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6860         blkcg_deactivate_policy(bfqd->queue, &blkcg_policy_bfq);
6861 #else
6862         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6863         bfq_put_async_queues(bfqd, bfqd->root_group);
6864         kfree(bfqd->root_group);
6865         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6866 #endif
6867
6868         kfree(bfqd);
6869 }
6870
6871 static void bfq_init_root_group(struct bfq_group *root_group,
6872                                 struct bfq_data *bfqd)
6873 {
6874         int i;
6875
6876 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6877         root_group->entity.parent = NULL;
6878         root_group->my_entity = NULL;
6879         root_group->bfqd = bfqd;
6880 #endif
6881         root_group->rq_pos_tree = RB_ROOT;
6882         for (i = 0; i < BFQ_IOPRIO_CLASSES; i++)
6883                 root_group->sched_data.service_tree[i] = BFQ_SERVICE_TREE_INIT;
6884         root_group->sched_data.bfq_class_idle_last_service = jiffies;
6885 }
6886
6887 static int bfq_init_queue(struct request_queue *q, struct elevator_type *e)
6888 {
6889         struct bfq_data *bfqd;
6890         struct elevator_queue *eq;
6891
6892         eq = elevator_alloc(q, e);
6893         if (!eq)
6894                 return -ENOMEM;
6895
6896         bfqd = kzalloc_node(sizeof(*bfqd), GFP_KERNEL, q->node);
6897         if (!bfqd) {
6898                 kobject_put(&eq->kobj);
6899                 return -ENOMEM;
6900         }
6901         eq->elevator_data = bfqd;
6902
6903         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
6904         q->elevator = eq;
6905         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
6906
6907         /*
6908          * Our fallback bfqq if bfq_find_alloc_queue() runs into OOM issues.
6909          * Grab a permanent reference to it, so that the normal code flow
6910          * will not attempt to free it.
6911          */
6912         bfq_init_bfqq(bfqd, &bfqd->oom_bfqq, NULL, 1, 0);
6913         bfqd->oom_bfqq.ref++;
6914         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio = BFQ_DEFAULT_QUEUE_IOPRIO;
6915         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
6916         bfqd->oom_bfqq.entity.new_weight =
6917                 bfq_ioprio_to_weight(bfqd->oom_bfqq.new_ioprio);
6918
6919         /* oom_bfqq does not participate to bursts */
6920         bfq_clear_bfqq_just_created(&bfqd->oom_bfqq);
6921
6922         /*
6923          * Trigger weight initialization, according to ioprio, at the
6924          * oom_bfqq's first activation. The oom_bfqq's ioprio and ioprio
6925          * class won't be changed any more.
6926          */
6927         bfqd->oom_bfqq.entity.prio_changed = 1;
6928
6929         bfqd->queue = q;
6930
6931         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->dispatch);
6932
6933         hrtimer_init(&bfqd->idle_slice_timer, CLOCK_MONOTONIC,
6934                      HRTIMER_MODE_REL);
6935         bfqd->idle_slice_timer.function = bfq_idle_slice_timer;
6936
6937         bfqd->queue_weights_tree = RB_ROOT_CACHED;
6938         bfqd->num_groups_with_pending_reqs = 0;
6939
6940         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->active_list);
6941         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->idle_list);
6942         INIT_HLIST_HEAD(&bfqd->burst_list);
6943
6944         bfqd->hw_tag = -1;
6945         bfqd->nonrot_with_queueing = blk_queue_nonrot(bfqd->queue);
6946
6947         bfqd->bfq_max_budget = bfq_default_max_budget;
6948
6949         bfqd->bfq_fifo_expire[0] = bfq_fifo_expire[0];
6950         bfqd->bfq_fifo_expire[1] = bfq_fifo_expire[1];
6951         bfqd->bfq_back_max = bfq_back_max;
6952         bfqd->bfq_back_penalty = bfq_back_penalty;
6953         bfqd->bfq_slice_idle = bfq_slice_idle;
6954         bfqd->bfq_timeout = bfq_timeout;
6955
6956         bfqd->bfq_large_burst_thresh = 8;
6957         bfqd->bfq_burst_interval = msecs_to_jiffies(180);
6958
6959         bfqd->low_latency = true;
6960
6961         /*
6962          * Trade-off between responsiveness and fairness.
6963          */
6964         bfqd->bfq_wr_coeff = 30;
6965         bfqd->bfq_wr_rt_max_time = msecs_to_jiffies(300);
6966         bfqd->bfq_wr_max_time = 0;
6967         bfqd->bfq_wr_min_idle_time = msecs_to_jiffies(2000);
6968         bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async = msecs_to_jiffies(500);
6969         bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate = 7000; /*
6970                                               * Approximate rate required
6971                                               * to playback or record a
6972                                               * high-definition compressed
6973                                               * video.
6974                                               */
6975         bfqd->wr_busy_queues = 0;
6976
6977         /*
6978          * Begin by assuming, optimistically, that the device peak
6979          * rate is equal to 2/3 of the highest reference rate.
6980          */
6981         bfqd->rate_dur_prod = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] *
6982                 ref_wr_duration[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)];
6983         bfqd->peak_rate = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] * 2 / 3;
6984
6985         spin_lock_init(&bfqd->lock);
6986
6987         /*
6988          * The invocation of the next bfq_create_group_hierarchy
6989          * function is the head of a chain of function calls
6990          * (bfq_create_group_hierarchy->blkcg_activate_policy->
6991          * blk_mq_freeze_queue) that may lead to the invocation of the
6992          * has_work hook function. For this reason,
6993          * bfq_create_group_hierarchy is invoked only after all
6994          * scheduler data has been initialized, apart from the fields
6995          * that can be initialized only after invoking
6996          * bfq_create_group_hierarchy. This, in particular, enables
6997          * has_work to correctly return false. Of course, to avoid
6998          * other inconsistencies, the blk-mq stack must then refrain
6999          * from invoking further scheduler hooks before this init
7000          * function is finished.
7001          */
7002         bfqd->root_group = bfq_create_group_hierarchy(bfqd, q->node);
7003         if (!bfqd->root_group)
7004                 goto out_free;
7005         bfq_init_root_group(bfqd->root_group, bfqd);
7006         bfq_init_entity(&bfqd->oom_bfqq.entity, bfqd->root_group);
7007
7008         wbt_disable_default(q);
7009         return 0;
7010
7011 out_free:
7012         kfree(bfqd);
7013         kobject_put(&eq->kobj);
7014         return -ENOMEM;
7015 }
7016
7017 static void bfq_slab_kill(void)
7018 {
7019         kmem_cache_destroy(bfq_pool);
7020 }
7021
7022 static int __init bfq_slab_setup(void)
7023 {
7024         bfq_pool = KMEM_CACHE(bfq_queue, 0);
7025         if (!bfq_pool)
7026                 return -ENOMEM;
7027         return 0;
7028 }
7029
7030 static ssize_t bfq_var_show(unsigned int var, char *page)
7031 {
7032         return sprintf(page, "%u\n", var);
7033 }
7034
7035 static int bfq_var_store(unsigned long *var, const char *page)
7036 {
7037         unsigned long new_val;
7038         int ret = kstrtoul(page, 10, &new_val);
7039
7040         if (ret)
7041                 return ret;
7042         *var = new_val;
7043         return 0;
7044 }
7045
7046 #define SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR, __CONV)                            \
7047 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7048 {                                                                       \
7049         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7050         u64 __data = __VAR;                                             \
7051         if (__CONV == 1)                                                \
7052                 __data = jiffies_to_msecs(__data);                      \
7053         else if (__CONV == 2)                                           \
7054                 __data = div_u64(__data, NSEC_PER_MSEC);                \
7055         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7056 }
7057 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_show, bfqd->bfq_fifo_expire[1], 2);
7058 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_show, bfqd->bfq_fifo_expire[0], 2);
7059 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_max_show, bfqd->bfq_back_max, 0);
7060 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_show, bfqd->bfq_back_penalty, 0);
7061 SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_show, bfqd->bfq_slice_idle, 2);
7062 SHOW_FUNCTION(bfq_max_budget_show, bfqd->bfq_user_max_budget, 0);
7063 SHOW_FUNCTION(bfq_timeout_sync_show, bfqd->bfq_timeout, 1);
7064 SHOW_FUNCTION(bfq_strict_guarantees_show, bfqd->strict_guarantees, 0);
7065 SHOW_FUNCTION(bfq_low_latency_show, bfqd->low_latency, 0);
7066 #undef SHOW_FUNCTION
7067
7068 #define USEC_SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR)                               \
7069 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7070 {                                                                       \
7071         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7072         u64 __data = __VAR;                                             \
7073         __data = div_u64(__data, NSEC_PER_USEC);                        \
7074         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7075 }
7076 USEC_SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_show, bfqd->bfq_slice_idle);
7077 #undef USEC_SHOW_FUNCTION
7078
7079 #define STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX, __CONV)                 \
7080 static ssize_t                                                          \
7081 __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)        \
7082 {                                                                       \
7083         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7084         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7085         int ret;                                                        \
7086                                                                         \
7087         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7088         if (ret)                                                        \
7089                 return ret;                                             \
7090         if (__data < __min)                                             \
7091                 __data = __min;                                         \
7092         else if (__data > __max)                                        \
7093                 __data = __max;                                         \
7094         if (__CONV == 1)                                                \
7095                 *(__PTR) = msecs_to_jiffies(__data);                    \
7096         else if (__CONV == 2)                                           \
7097                 *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_MSEC;                 \
7098         else                                                            \
7099                 *(__PTR) = __data;                                      \
7100         return count;                                                   \
7101 }
7102 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[1], 1,
7103                 INT_MAX, 2);
7104 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[0], 1,
7105                 INT_MAX, 2);
7106 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_max_store, &bfqd->bfq_back_max, 0, INT_MAX, 0);
7107 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_store, &bfqd->bfq_back_penalty, 1,
7108                 INT_MAX, 0);
7109 STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0, INT_MAX, 2);
7110 #undef STORE_FUNCTION
7111
7112 #define USEC_STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX)                    \
7113 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)\
7114 {                                                                       \
7115         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7116         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7117         int ret;                                                        \
7118                                                                         \
7119         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7120         if (ret)                                                        \
7121                 return ret;                                             \
7122         if (__data < __min)                                             \
7123                 __data = __min;                                         \
7124         else if (__data > __max)                                        \
7125                 __data = __max;                                         \
7126         *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_USEC;                         \
7127         return count;                                                   \
7128 }
7129 USEC_STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0,
7130                     UINT_MAX);
7131 #undef USEC_STORE_FUNCTION
7132
7133 static ssize_t bfq_max_budget_store(struct elevator_queue *e,
7134                                     const char *page, size_t count)
7135 {
7136         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7137         unsigned long __data;
7138         int ret;
7139
7140         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7141         if (ret)
7142                 return ret;
7143
7144         if (__data == 0)
7145                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7146         else {
7147                 if (__data > INT_MAX)
7148                         __data = INT_MAX;
7149                 bfqd->bfq_max_budget = __data;
7150         }
7151
7152         bfqd->bfq_user_max_budget = __data;
7153
7154         return count;
7155 }
7156
7157 /*
7158  * Leaving this name to preserve name compatibility with cfq
7159  * parameters, but this timeout is used for both sync and async.
7160  */
7161 static ssize_t bfq_timeout_sync_store(struct elevator_queue *e,
7162                                       const char *page, size_t count)
7163 {
7164         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7165         unsigned long __data;
7166         int ret;
7167
7168         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7169         if (ret)
7170                 return ret;
7171
7172         if (__data < 1)
7173                 __data = 1;
7174         else if (__data > INT_MAX)
7175                 __data = INT_MAX;
7176
7177         bfqd->bfq_timeout = msecs_to_jiffies(__data);
7178         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0)
7179                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7180
7181         return count;
7182 }
7183
7184 static ssize_t bfq_strict_guarantees_store(struct elevator_queue *e,
7185                                      const char *page, size_t count)
7186 {
7187         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7188         unsigned long __data;
7189         int ret;
7190
7191         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7192         if (ret)
7193                 return ret;
7194
7195         if (__data > 1)
7196                 __data = 1;
7197         if (!bfqd->strict_guarantees && __data == 1
7198             && bfqd->bfq_slice_idle < 8 * NSEC_PER_MSEC)
7199                 bfqd->bfq_slice_idle = 8 * NSEC_PER_MSEC;
7200
7201         bfqd->strict_guarantees = __data;
7202
7203         return count;
7204 }
7205
7206 static ssize_t bfq_low_latency_store(struct elevator_queue *e,
7207                                      const char *page, size_t count)
7208 {
7209         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7210         unsigned long __data;
7211         int ret;
7212
7213         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7214         if (ret)
7215                 return ret;
7216
7217         if (__data > 1)
7218                 __data = 1;
7219         if (__data == 0 && bfqd->low_latency != 0)
7220                 bfq_end_wr(bfqd);
7221         bfqd->low_latency = __data;
7222
7223         return count;
7224 }
7225
7226 #define BFQ_ATTR(name) \
7227         __ATTR(name, 0644, bfq_##name##_show, bfq_##name##_store)
7228
7229 static struct elv_fs_entry bfq_attrs[] = {
7230         BFQ_ATTR(fifo_expire_sync),
7231         BFQ_ATTR(fifo_expire_async),
7232         BFQ_ATTR(back_seek_max),
7233         BFQ_ATTR(back_seek_penalty),
7234         BFQ_ATTR(slice_idle),
7235         BFQ_ATTR(slice_idle_us),
7236         BFQ_ATTR(max_budget),
7237         BFQ_ATTR(timeout_sync),
7238         BFQ_ATTR(strict_guarantees),
7239         BFQ_ATTR(low_latency),
7240         __ATTR_NULL
7241 };
7242
7243 static struct elevator_type iosched_bfq_mq = {
7244         .ops = {
7245                 .limit_depth            = bfq_limit_depth,
7246                 .prepare_request        = bfq_prepare_request,
7247                 .requeue_request        = bfq_finish_requeue_request,
7248                 .finish_request         = bfq_finish_requeue_request,
7249                 .exit_icq               = bfq_exit_icq,
7250                 .insert_requests        = bfq_insert_requests,
7251                 .dispatch_request       = bfq_dispatch_request,
7252                 .next_request           = elv_rb_latter_request,
7253                 .former_request         = elv_rb_former_request,
7254                 .allow_merge            = bfq_allow_bio_merge,
7255                 .bio_merge              = bfq_bio_merge,
7256                 .request_merge          = bfq_request_merge,
7257                 .requests_merged        = bfq_requests_merged,
7258                 .request_merged         = bfq_request_merged,
7259                 .has_work               = bfq_has_work,
7260                 .depth_updated          = bfq_depth_updated,
7261                 .init_hctx              = bfq_init_hctx,
7262                 .init_sched             = bfq_init_queue,
7263                 .exit_sched             = bfq_exit_queue,
7264         },
7265
7266         .icq_size =             sizeof(struct bfq_io_cq),
7267         .icq_align =            __alignof__(struct bfq_io_cq),
7268         .elevator_attrs =       bfq_attrs,
7269         .elevator_name =        "bfq",
7270         .elevator_owner =       THIS_MODULE,
7271 };
7272 MODULE_ALIAS("bfq-iosched");
7273
7274 static int __init bfq_init(void)
7275 {
7276         int ret;
7277
7278 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7279         ret = blkcg_policy_register(&blkcg_policy_bfq);
7280         if (ret)
7281                 return ret;
7282 #endif
7283
7284         ret = -ENOMEM;
7285         if (bfq_slab_setup())
7286                 goto err_pol_unreg;
7287
7288         /*
7289          * Times to load large popular applications for the typical
7290          * systems installed on the reference devices (see the
7291          * comments before the definition of the next
7292          * array). Actually, we use slightly lower values, as the
7293          * estimated peak rate tends to be smaller than the actual
7294          * peak rate.  The reason for this last fact is that estimates
7295          * are computed over much shorter time intervals than the long
7296          * intervals typically used for benchmarking. Why? First, to
7297          * adapt more quickly to variations. Second, because an I/O
7298          * scheduler cannot rely on a peak-rate-evaluation workload to
7299          * be run for a long time.
7300          */
7301         ref_wr_duration[0] = msecs_to_jiffies(7000); /* actually 8 sec */
7302         ref_wr_duration[1] = msecs_to_jiffies(2500); /* actually 3 sec */
7303
7304         ret = elv_register(&iosched_bfq_mq);
7305         if (ret)
7306                 goto slab_kill;
7307
7308         return 0;
7309
7310 slab_kill:
7311         bfq_slab_kill();
7312 err_pol_unreg:
7313 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7314         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7315 #endif
7316         return ret;
7317 }
7318
7319 static void __exit bfq_exit(void)
7320 {
7321         elv_unregister(&iosched_bfq_mq);
7322 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7323         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7324 #endif
7325         bfq_slab_kill();
7326 }
7327
7328 module_init(bfq_init);
7329 module_exit(bfq_exit);
7330
7331 MODULE_AUTHOR("Paolo Valente");
7332 MODULE_LICENSE("GPL");
7333 MODULE_DESCRIPTION("MQ Budget Fair Queueing I/O Scheduler");