Merge tag 'io_uring-5.13-2021-05-07' of git://git.kernel.dk/linux-block
[linux-2.6-microblaze.git] / drivers / md / bcache / bcache.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _BCACHE_H
3 #define _BCACHE_H
4
5 /*
6  * SOME HIGH LEVEL CODE DOCUMENTATION:
7  *
8  * Bcache mostly works with cache sets, cache devices, and backing devices.
9  *
10  * Support for multiple cache devices hasn't quite been finished off yet, but
11  * it's about 95% plumbed through. A cache set and its cache devices is sort of
12  * like a md raid array and its component devices. Most of the code doesn't care
13  * about individual cache devices, the main abstraction is the cache set.
14  *
15  * Multiple cache devices is intended to give us the ability to mirror dirty
16  * cached data and metadata, without mirroring clean cached data.
17  *
18  * Backing devices are different, in that they have a lifetime independent of a
19  * cache set. When you register a newly formatted backing device it'll come up
20  * in passthrough mode, and then you can attach and detach a backing device from
21  * a cache set at runtime - while it's mounted and in use. Detaching implicitly
22  * invalidates any cached data for that backing device.
23  *
24  * A cache set can have multiple (many) backing devices attached to it.
25  *
26  * There's also flash only volumes - this is the reason for the distinction
27  * between struct cached_dev and struct bcache_device. A flash only volume
28  * works much like a bcache device that has a backing device, except the
29  * "cached" data is always dirty. The end result is that we get thin
30  * provisioning with very little additional code.
31  *
32  * Flash only volumes work but they're not production ready because the moving
33  * garbage collector needs more work. More on that later.
34  *
35  * BUCKETS/ALLOCATION:
36  *
37  * Bcache is primarily designed for caching, which means that in normal
38  * operation all of our available space will be allocated. Thus, we need an
39  * efficient way of deleting things from the cache so we can write new things to
40  * it.
41  *
42  * To do this, we first divide the cache device up into buckets. A bucket is the
43  * unit of allocation; they're typically around 1 mb - anywhere from 128k to 2M+
44  * works efficiently.
45  *
46  * Each bucket has a 16 bit priority, and an 8 bit generation associated with
47  * it. The gens and priorities for all the buckets are stored contiguously and
48  * packed on disk (in a linked list of buckets - aside from the superblock, all
49  * of bcache's metadata is stored in buckets).
50  *
51  * The priority is used to implement an LRU. We reset a bucket's priority when
52  * we allocate it or on cache it, and every so often we decrement the priority
53  * of each bucket. It could be used to implement something more sophisticated,
54  * if anyone ever gets around to it.
55  *
56  * The generation is used for invalidating buckets. Each pointer also has an 8
57  * bit generation embedded in it; for a pointer to be considered valid, its gen
58  * must match the gen of the bucket it points into.  Thus, to reuse a bucket all
59  * we have to do is increment its gen (and write its new gen to disk; we batch
60  * this up).
61  *
62  * Bcache is entirely COW - we never write twice to a bucket, even buckets that
63  * contain metadata (including btree nodes).
64  *
65  * THE BTREE:
66  *
67  * Bcache is in large part design around the btree.
68  *
69  * At a high level, the btree is just an index of key -> ptr tuples.
70  *
71  * Keys represent extents, and thus have a size field. Keys also have a variable
72  * number of pointers attached to them (potentially zero, which is handy for
73  * invalidating the cache).
74  *
75  * The key itself is an inode:offset pair. The inode number corresponds to a
76  * backing device or a flash only volume. The offset is the ending offset of the
77  * extent within the inode - not the starting offset; this makes lookups
78  * slightly more convenient.
79  *
80  * Pointers contain the cache device id, the offset on that device, and an 8 bit
81  * generation number. More on the gen later.
82  *
83  * Index lookups are not fully abstracted - cache lookups in particular are
84  * still somewhat mixed in with the btree code, but things are headed in that
85  * direction.
86  *
87  * Updates are fairly well abstracted, though. There are two different ways of
88  * updating the btree; insert and replace.
89  *
90  * BTREE_INSERT will just take a list of keys and insert them into the btree -
91  * overwriting (possibly only partially) any extents they overlap with. This is
92  * used to update the index after a write.
93  *
94  * BTREE_REPLACE is really cmpxchg(); it inserts a key into the btree iff it is
95  * overwriting a key that matches another given key. This is used for inserting
96  * data into the cache after a cache miss, and for background writeback, and for
97  * the moving garbage collector.
98  *
99  * There is no "delete" operation; deleting things from the index is
100  * accomplished by either by invalidating pointers (by incrementing a bucket's
101  * gen) or by inserting a key with 0 pointers - which will overwrite anything
102  * previously present at that location in the index.
103  *
104  * This means that there are always stale/invalid keys in the btree. They're
105  * filtered out by the code that iterates through a btree node, and removed when
106  * a btree node is rewritten.
107  *
108  * BTREE NODES:
109  *
110  * Our unit of allocation is a bucket, and we we can't arbitrarily allocate and
111  * free smaller than a bucket - so, that's how big our btree nodes are.
112  *
113  * (If buckets are really big we'll only use part of the bucket for a btree node
114  * - no less than 1/4th - but a bucket still contains no more than a single
115  * btree node. I'd actually like to change this, but for now we rely on the
116  * bucket's gen for deleting btree nodes when we rewrite/split a node.)
117  *
118  * Anyways, btree nodes are big - big enough to be inefficient with a textbook
119  * btree implementation.
120  *
121  * The way this is solved is that btree nodes are internally log structured; we
122  * can append new keys to an existing btree node without rewriting it. This
123  * means each set of keys we write is sorted, but the node is not.
124  *
125  * We maintain this log structure in memory - keeping 1Mb of keys sorted would
126  * be expensive, and we have to distinguish between the keys we have written and
127  * the keys we haven't. So to do a lookup in a btree node, we have to search
128  * each sorted set. But we do merge written sets together lazily, so the cost of
129  * these extra searches is quite low (normally most of the keys in a btree node
130  * will be in one big set, and then there'll be one or two sets that are much
131  * smaller).
132  *
133  * This log structure makes bcache's btree more of a hybrid between a
134  * conventional btree and a compacting data structure, with some of the
135  * advantages of both.
136  *
137  * GARBAGE COLLECTION:
138  *
139  * We can't just invalidate any bucket - it might contain dirty data or
140  * metadata. If it once contained dirty data, other writes might overwrite it
141  * later, leaving no valid pointers into that bucket in the index.
142  *
143  * Thus, the primary purpose of garbage collection is to find buckets to reuse.
144  * It also counts how much valid data it each bucket currently contains, so that
145  * allocation can reuse buckets sooner when they've been mostly overwritten.
146  *
147  * It also does some things that are really internal to the btree
148  * implementation. If a btree node contains pointers that are stale by more than
149  * some threshold, it rewrites the btree node to avoid the bucket's generation
150  * wrapping around. It also merges adjacent btree nodes if they're empty enough.
151  *
152  * THE JOURNAL:
153  *
154  * Bcache's journal is not necessary for consistency; we always strictly
155  * order metadata writes so that the btree and everything else is consistent on
156  * disk in the event of an unclean shutdown, and in fact bcache had writeback
157  * caching (with recovery from unclean shutdown) before journalling was
158  * implemented.
159  *
160  * Rather, the journal is purely a performance optimization; we can't complete a
161  * write until we've updated the index on disk, otherwise the cache would be
162  * inconsistent in the event of an unclean shutdown. This means that without the
163  * journal, on random write workloads we constantly have to update all the leaf
164  * nodes in the btree, and those writes will be mostly empty (appending at most
165  * a few keys each) - highly inefficient in terms of amount of metadata writes,
166  * and it puts more strain on the various btree resorting/compacting code.
167  *
168  * The journal is just a log of keys we've inserted; on startup we just reinsert
169  * all the keys in the open journal entries. That means that when we're updating
170  * a node in the btree, we can wait until a 4k block of keys fills up before
171  * writing them out.
172  *
173  * For simplicity, we only journal updates to leaf nodes; updates to parent
174  * nodes are rare enough (since our leaf nodes are huge) that it wasn't worth
175  * the complexity to deal with journalling them (in particular, journal replay)
176  * - updates to non leaf nodes just happen synchronously (see btree_split()).
177  */
178
179 #define pr_fmt(fmt) "bcache: %s() " fmt, __func__
180
181 #include <linux/bcache.h>
182 #include <linux/bio.h>
183 #include <linux/kobject.h>
184 #include <linux/list.h>
185 #include <linux/mutex.h>
186 #include <linux/rbtree.h>
187 #include <linux/rwsem.h>
188 #include <linux/refcount.h>
189 #include <linux/types.h>
190 #include <linux/workqueue.h>
191 #include <linux/kthread.h>
192
193 #include "bset.h"
194 #include "util.h"
195 #include "closure.h"
196
197 struct bucket {
198         atomic_t        pin;
199         uint16_t        prio;
200         uint8_t         gen;
201         uint8_t         last_gc; /* Most out of date gen in the btree */
202         uint16_t        gc_mark; /* Bitfield used by GC. See below for field */
203 };
204
205 /*
206  * I'd use bitfields for these, but I don't trust the compiler not to screw me
207  * as multiple threads touch struct bucket without locking
208  */
209
210 BITMASK(GC_MARK,         struct bucket, gc_mark, 0, 2);
211 #define GC_MARK_RECLAIMABLE     1
212 #define GC_MARK_DIRTY           2
213 #define GC_MARK_METADATA        3
214 #define GC_SECTORS_USED_SIZE    13
215 #define MAX_GC_SECTORS_USED     (~(~0ULL << GC_SECTORS_USED_SIZE))
216 BITMASK(GC_SECTORS_USED, struct bucket, gc_mark, 2, GC_SECTORS_USED_SIZE);
217 BITMASK(GC_MOVE, struct bucket, gc_mark, 15, 1);
218
219 #include "journal.h"
220 #include "stats.h"
221 struct search;
222 struct btree;
223 struct keybuf;
224
225 struct keybuf_key {
226         struct rb_node          node;
227         BKEY_PADDED(key);
228         void                    *private;
229 };
230
231 struct keybuf {
232         struct bkey             last_scanned;
233         spinlock_t              lock;
234
235         /*
236          * Beginning and end of range in rb tree - so that we can skip taking
237          * lock and checking the rb tree when we need to check for overlapping
238          * keys.
239          */
240         struct bkey             start;
241         struct bkey             end;
242
243         struct rb_root          keys;
244
245 #define KEYBUF_NR               500
246         DECLARE_ARRAY_ALLOCATOR(struct keybuf_key, freelist, KEYBUF_NR);
247 };
248
249 struct bcache_device {
250         struct closure          cl;
251
252         struct kobject          kobj;
253
254         struct cache_set        *c;
255         unsigned int            id;
256 #define BCACHEDEVNAME_SIZE      12
257         char                    name[BCACHEDEVNAME_SIZE];
258
259         struct gendisk          *disk;
260
261         unsigned long           flags;
262 #define BCACHE_DEV_CLOSING              0
263 #define BCACHE_DEV_DETACHING            1
264 #define BCACHE_DEV_UNLINK_DONE          2
265 #define BCACHE_DEV_WB_RUNNING           3
266 #define BCACHE_DEV_RATE_DW_RUNNING      4
267         int                     nr_stripes;
268         unsigned int            stripe_size;
269         atomic_t                *stripe_sectors_dirty;
270         unsigned long           *full_dirty_stripes;
271
272         struct bio_set          bio_split;
273
274         unsigned int            data_csum:1;
275
276         int (*cache_miss)(struct btree *b, struct search *s,
277                           struct bio *bio, unsigned int sectors);
278         int (*ioctl)(struct bcache_device *d, fmode_t mode,
279                      unsigned int cmd, unsigned long arg);
280 };
281
282 struct io {
283         /* Used to track sequential IO so it can be skipped */
284         struct hlist_node       hash;
285         struct list_head        lru;
286
287         unsigned long           jiffies;
288         unsigned int            sequential;
289         sector_t                last;
290 };
291
292 enum stop_on_failure {
293         BCH_CACHED_DEV_STOP_AUTO = 0,
294         BCH_CACHED_DEV_STOP_ALWAYS,
295         BCH_CACHED_DEV_STOP_MODE_MAX,
296 };
297
298 struct cached_dev {
299         struct list_head        list;
300         struct bcache_device    disk;
301         struct block_device     *bdev;
302
303         struct cache_sb         sb;
304         struct cache_sb_disk    *sb_disk;
305         struct bio              sb_bio;
306         struct bio_vec          sb_bv[1];
307         struct closure          sb_write;
308         struct semaphore        sb_write_mutex;
309
310         /* Refcount on the cache set. Always nonzero when we're caching. */
311         refcount_t              count;
312         struct work_struct      detach;
313
314         /*
315          * Device might not be running if it's dirty and the cache set hasn't
316          * showed up yet.
317          */
318         atomic_t                running;
319
320         /*
321          * Writes take a shared lock from start to finish; scanning for dirty
322          * data to refill the rb tree requires an exclusive lock.
323          */
324         struct rw_semaphore     writeback_lock;
325
326         /*
327          * Nonzero, and writeback has a refcount (d->count), iff there is dirty
328          * data in the cache. Protected by writeback_lock; must have an
329          * shared lock to set and exclusive lock to clear.
330          */
331         atomic_t                has_dirty;
332
333 #define BCH_CACHE_READA_ALL             0
334 #define BCH_CACHE_READA_META_ONLY       1
335         unsigned int            cache_readahead_policy;
336         struct bch_ratelimit    writeback_rate;
337         struct delayed_work     writeback_rate_update;
338
339         /* Limit number of writeback bios in flight */
340         struct semaphore        in_flight;
341         struct task_struct      *writeback_thread;
342         struct workqueue_struct *writeback_write_wq;
343
344         struct keybuf           writeback_keys;
345
346         struct task_struct      *status_update_thread;
347         /*
348          * Order the write-half of writeback operations strongly in dispatch
349          * order.  (Maintain LBA order; don't allow reads completing out of
350          * order to re-order the writes...)
351          */
352         struct closure_waitlist writeback_ordering_wait;
353         atomic_t                writeback_sequence_next;
354
355         /* For tracking sequential IO */
356 #define RECENT_IO_BITS  7
357 #define RECENT_IO       (1 << RECENT_IO_BITS)
358         struct io               io[RECENT_IO];
359         struct hlist_head       io_hash[RECENT_IO + 1];
360         struct list_head        io_lru;
361         spinlock_t              io_lock;
362
363         struct cache_accounting accounting;
364
365         /* The rest of this all shows up in sysfs */
366         unsigned int            sequential_cutoff;
367         unsigned int            readahead;
368
369         unsigned int            io_disable:1;
370         unsigned int            verify:1;
371         unsigned int            bypass_torture_test:1;
372
373         unsigned int            partial_stripes_expensive:1;
374         unsigned int            writeback_metadata:1;
375         unsigned int            writeback_running:1;
376         unsigned int            writeback_consider_fragment:1;
377         unsigned char           writeback_percent;
378         unsigned int            writeback_delay;
379
380         uint64_t                writeback_rate_target;
381         int64_t                 writeback_rate_proportional;
382         int64_t                 writeback_rate_integral;
383         int64_t                 writeback_rate_integral_scaled;
384         int32_t                 writeback_rate_change;
385
386         unsigned int            writeback_rate_update_seconds;
387         unsigned int            writeback_rate_i_term_inverse;
388         unsigned int            writeback_rate_p_term_inverse;
389         unsigned int            writeback_rate_fp_term_low;
390         unsigned int            writeback_rate_fp_term_mid;
391         unsigned int            writeback_rate_fp_term_high;
392         unsigned int            writeback_rate_minimum;
393
394         enum stop_on_failure    stop_when_cache_set_failed;
395 #define DEFAULT_CACHED_DEV_ERROR_LIMIT  64
396         atomic_t                io_errors;
397         unsigned int            error_limit;
398         unsigned int            offline_seconds;
399
400         char                    backing_dev_name[BDEVNAME_SIZE];
401 };
402
403 enum alloc_reserve {
404         RESERVE_BTREE,
405         RESERVE_PRIO,
406         RESERVE_MOVINGGC,
407         RESERVE_NONE,
408         RESERVE_NR,
409 };
410
411 struct cache {
412         struct cache_set        *set;
413         struct cache_sb         sb;
414         struct cache_sb_disk    *sb_disk;
415         struct bio              sb_bio;
416         struct bio_vec          sb_bv[1];
417
418         struct kobject          kobj;
419         struct block_device     *bdev;
420
421         struct task_struct      *alloc_thread;
422
423         struct closure          prio;
424         struct prio_set         *disk_buckets;
425
426         /*
427          * When allocating new buckets, prio_write() gets first dibs - since we
428          * may not be allocate at all without writing priorities and gens.
429          * prio_last_buckets[] contains the last buckets we wrote priorities to
430          * (so gc can mark them as metadata), prio_buckets[] contains the
431          * buckets allocated for the next prio write.
432          */
433         uint64_t                *prio_buckets;
434         uint64_t                *prio_last_buckets;
435
436         /*
437          * free: Buckets that are ready to be used
438          *
439          * free_inc: Incoming buckets - these are buckets that currently have
440          * cached data in them, and we can't reuse them until after we write
441          * their new gen to disk. After prio_write() finishes writing the new
442          * gens/prios, they'll be moved to the free list (and possibly discarded
443          * in the process)
444          */
445         DECLARE_FIFO(long, free)[RESERVE_NR];
446         DECLARE_FIFO(long, free_inc);
447
448         size_t                  fifo_last_bucket;
449
450         /* Allocation stuff: */
451         struct bucket           *buckets;
452
453         DECLARE_HEAP(struct bucket *, heap);
454
455         /*
456          * If nonzero, we know we aren't going to find any buckets to invalidate
457          * until a gc finishes - otherwise we could pointlessly burn a ton of
458          * cpu
459          */
460         unsigned int            invalidate_needs_gc;
461
462         bool                    discard; /* Get rid of? */
463
464         struct journal_device   journal;
465
466         /* The rest of this all shows up in sysfs */
467 #define IO_ERROR_SHIFT          20
468         atomic_t                io_errors;
469         atomic_t                io_count;
470
471         atomic_long_t           meta_sectors_written;
472         atomic_long_t           btree_sectors_written;
473         atomic_long_t           sectors_written;
474
475         char                    cache_dev_name[BDEVNAME_SIZE];
476 };
477
478 struct gc_stat {
479         size_t                  nodes;
480         size_t                  nodes_pre;
481         size_t                  key_bytes;
482
483         size_t                  nkeys;
484         uint64_t                data;   /* sectors */
485         unsigned int            in_use; /* percent */
486 };
487
488 /*
489  * Flag bits, for how the cache set is shutting down, and what phase it's at:
490  *
491  * CACHE_SET_UNREGISTERING means we're not just shutting down, we're detaching
492  * all the backing devices first (their cached data gets invalidated, and they
493  * won't automatically reattach).
494  *
495  * CACHE_SET_STOPPING always gets set first when we're closing down a cache set;
496  * we'll continue to run normally for awhile with CACHE_SET_STOPPING set (i.e.
497  * flushing dirty data).
498  *
499  * CACHE_SET_RUNNING means all cache devices have been registered and journal
500  * replay is complete.
501  *
502  * CACHE_SET_IO_DISABLE is set when bcache is stopping the whold cache set, all
503  * external and internal I/O should be denied when this flag is set.
504  *
505  */
506 #define CACHE_SET_UNREGISTERING         0
507 #define CACHE_SET_STOPPING              1
508 #define CACHE_SET_RUNNING               2
509 #define CACHE_SET_IO_DISABLE            3
510
511 struct cache_set {
512         struct closure          cl;
513
514         struct list_head        list;
515         struct kobject          kobj;
516         struct kobject          internal;
517         struct dentry           *debug;
518         struct cache_accounting accounting;
519
520         unsigned long           flags;
521         atomic_t                idle_counter;
522         atomic_t                at_max_writeback_rate;
523
524         struct cache            *cache;
525
526         struct bcache_device    **devices;
527         unsigned int            devices_max_used;
528         atomic_t                attached_dev_nr;
529         struct list_head        cached_devs;
530         uint64_t                cached_dev_sectors;
531         atomic_long_t           flash_dev_dirty_sectors;
532         struct closure          caching;
533
534         struct closure          sb_write;
535         struct semaphore        sb_write_mutex;
536
537         mempool_t               search;
538         mempool_t               bio_meta;
539         struct bio_set          bio_split;
540
541         /* For the btree cache */
542         struct shrinker         shrink;
543
544         /* For the btree cache and anything allocation related */
545         struct mutex            bucket_lock;
546
547         /* log2(bucket_size), in sectors */
548         unsigned short          bucket_bits;
549
550         /* log2(block_size), in sectors */
551         unsigned short          block_bits;
552
553         /*
554          * Default number of pages for a new btree node - may be less than a
555          * full bucket
556          */
557         unsigned int            btree_pages;
558
559         /*
560          * Lists of struct btrees; lru is the list for structs that have memory
561          * allocated for actual btree node, freed is for structs that do not.
562          *
563          * We never free a struct btree, except on shutdown - we just put it on
564          * the btree_cache_freed list and reuse it later. This simplifies the
565          * code, and it doesn't cost us much memory as the memory usage is
566          * dominated by buffers that hold the actual btree node data and those
567          * can be freed - and the number of struct btrees allocated is
568          * effectively bounded.
569          *
570          * btree_cache_freeable effectively is a small cache - we use it because
571          * high order page allocations can be rather expensive, and it's quite
572          * common to delete and allocate btree nodes in quick succession. It
573          * should never grow past ~2-3 nodes in practice.
574          */
575         struct list_head        btree_cache;
576         struct list_head        btree_cache_freeable;
577         struct list_head        btree_cache_freed;
578
579         /* Number of elements in btree_cache + btree_cache_freeable lists */
580         unsigned int            btree_cache_used;
581
582         /*
583          * If we need to allocate memory for a new btree node and that
584          * allocation fails, we can cannibalize another node in the btree cache
585          * to satisfy the allocation - lock to guarantee only one thread does
586          * this at a time:
587          */
588         wait_queue_head_t       btree_cache_wait;
589         struct task_struct      *btree_cache_alloc_lock;
590         spinlock_t              btree_cannibalize_lock;
591
592         /*
593          * When we free a btree node, we increment the gen of the bucket the
594          * node is in - but we can't rewrite the prios and gens until we
595          * finished whatever it is we were doing, otherwise after a crash the
596          * btree node would be freed but for say a split, we might not have the
597          * pointers to the new nodes inserted into the btree yet.
598          *
599          * This is a refcount that blocks prio_write() until the new keys are
600          * written.
601          */
602         atomic_t                prio_blocked;
603         wait_queue_head_t       bucket_wait;
604
605         /*
606          * For any bio we don't skip we subtract the number of sectors from
607          * rescale; when it hits 0 we rescale all the bucket priorities.
608          */
609         atomic_t                rescale;
610         /*
611          * used for GC, identify if any front side I/Os is inflight
612          */
613         atomic_t                search_inflight;
614         /*
615          * When we invalidate buckets, we use both the priority and the amount
616          * of good data to determine which buckets to reuse first - to weight
617          * those together consistently we keep track of the smallest nonzero
618          * priority of any bucket.
619          */
620         uint16_t                min_prio;
621
622         /*
623          * max(gen - last_gc) for all buckets. When it gets too big we have to
624          * gc to keep gens from wrapping around.
625          */
626         uint8_t                 need_gc;
627         struct gc_stat          gc_stats;
628         size_t                  nbuckets;
629         size_t                  avail_nbuckets;
630
631         struct task_struct      *gc_thread;
632         /* Where in the btree gc currently is */
633         struct bkey             gc_done;
634
635         /*
636          * For automatical garbage collection after writeback completed, this
637          * varialbe is used as bit fields,
638          * - 0000 0001b (BCH_ENABLE_AUTO_GC): enable gc after writeback
639          * - 0000 0010b (BCH_DO_AUTO_GC):     do gc after writeback
640          * This is an optimization for following write request after writeback
641          * finished, but read hit rate dropped due to clean data on cache is
642          * discarded. Unless user explicitly sets it via sysfs, it won't be
643          * enabled.
644          */
645 #define BCH_ENABLE_AUTO_GC      1
646 #define BCH_DO_AUTO_GC          2
647         uint8_t                 gc_after_writeback;
648
649         /*
650          * The allocation code needs gc_mark in struct bucket to be correct, but
651          * it's not while a gc is in progress. Protected by bucket_lock.
652          */
653         int                     gc_mark_valid;
654
655         /* Counts how many sectors bio_insert has added to the cache */
656         atomic_t                sectors_to_gc;
657         wait_queue_head_t       gc_wait;
658
659         struct keybuf           moving_gc_keys;
660         /* Number of moving GC bios in flight */
661         struct semaphore        moving_in_flight;
662
663         struct workqueue_struct *moving_gc_wq;
664
665         struct btree            *root;
666
667 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
668         struct btree            *verify_data;
669         struct bset             *verify_ondisk;
670         struct mutex            verify_lock;
671 #endif
672
673         uint8_t                 set_uuid[16];
674         unsigned int            nr_uuids;
675         struct uuid_entry       *uuids;
676         BKEY_PADDED(uuid_bucket);
677         struct closure          uuid_write;
678         struct semaphore        uuid_write_mutex;
679
680         /*
681          * A btree node on disk could have too many bsets for an iterator to fit
682          * on the stack - have to dynamically allocate them.
683          * bch_cache_set_alloc() will make sure the pool can allocate iterators
684          * equipped with enough room that can host
685          *     (sb.bucket_size / sb.block_size)
686          * btree_iter_sets, which is more than static MAX_BSETS.
687          */
688         mempool_t               fill_iter;
689
690         struct bset_sort_state  sort;
691
692         /* List of buckets we're currently writing data to */
693         struct list_head        data_buckets;
694         spinlock_t              data_bucket_lock;
695
696         struct journal          journal;
697
698 #define CONGESTED_MAX           1024
699         unsigned int            congested_last_us;
700         atomic_t                congested;
701
702         /* The rest of this all shows up in sysfs */
703         unsigned int            congested_read_threshold_us;
704         unsigned int            congested_write_threshold_us;
705
706         struct time_stats       btree_gc_time;
707         struct time_stats       btree_split_time;
708         struct time_stats       btree_read_time;
709
710         atomic_long_t           cache_read_races;
711         atomic_long_t           writeback_keys_done;
712         atomic_long_t           writeback_keys_failed;
713
714         atomic_long_t           reclaim;
715         atomic_long_t           reclaimed_journal_buckets;
716         atomic_long_t           flush_write;
717
718         enum                    {
719                 ON_ERROR_UNREGISTER,
720                 ON_ERROR_PANIC,
721         }                       on_error;
722 #define DEFAULT_IO_ERROR_LIMIT 8
723         unsigned int            error_limit;
724         unsigned int            error_decay;
725
726         unsigned short          journal_delay_ms;
727         bool                    expensive_debug_checks;
728         unsigned int            verify:1;
729         unsigned int            key_merging_disabled:1;
730         unsigned int            gc_always_rewrite:1;
731         unsigned int            shrinker_disabled:1;
732         unsigned int            copy_gc_enabled:1;
733         unsigned int            idle_max_writeback_rate_enabled:1;
734
735 #define BUCKET_HASH_BITS        12
736         struct hlist_head       bucket_hash[1 << BUCKET_HASH_BITS];
737 };
738
739 struct bbio {
740         unsigned int            submit_time_us;
741         union {
742                 struct bkey     key;
743                 uint64_t        _pad[3];
744                 /*
745                  * We only need pad = 3 here because we only ever carry around a
746                  * single pointer - i.e. the pointer we're doing io to/from.
747                  */
748         };
749         struct bio              bio;
750 };
751
752 #define BTREE_PRIO              USHRT_MAX
753 #define INITIAL_PRIO            32768U
754
755 #define btree_bytes(c)          ((c)->btree_pages * PAGE_SIZE)
756 #define btree_blocks(b)                                                 \
757         ((unsigned int) (KEY_SIZE(&b->key) >> (b)->c->block_bits))
758
759 #define btree_default_blocks(c)                                         \
760         ((unsigned int) ((PAGE_SECTORS * (c)->btree_pages) >> (c)->block_bits))
761
762 #define bucket_bytes(ca)        ((ca)->sb.bucket_size << 9)
763 #define block_bytes(ca)         ((ca)->sb.block_size << 9)
764
765 static inline unsigned int meta_bucket_pages(struct cache_sb *sb)
766 {
767         unsigned int n, max_pages;
768
769         max_pages = min_t(unsigned int,
770                           __rounddown_pow_of_two(USHRT_MAX) / PAGE_SECTORS,
771                           MAX_ORDER_NR_PAGES);
772
773         n = sb->bucket_size / PAGE_SECTORS;
774         if (n > max_pages)
775                 n = max_pages;
776
777         return n;
778 }
779
780 static inline unsigned int meta_bucket_bytes(struct cache_sb *sb)
781 {
782         return meta_bucket_pages(sb) << PAGE_SHIFT;
783 }
784
785 #define prios_per_bucket(ca)                                            \
786         ((meta_bucket_bytes(&(ca)->sb) - sizeof(struct prio_set)) /     \
787          sizeof(struct bucket_disk))
788
789 #define prio_buckets(ca)                                                \
790         DIV_ROUND_UP((size_t) (ca)->sb.nbuckets, prios_per_bucket(ca))
791
792 static inline size_t sector_to_bucket(struct cache_set *c, sector_t s)
793 {
794         return s >> c->bucket_bits;
795 }
796
797 static inline sector_t bucket_to_sector(struct cache_set *c, size_t b)
798 {
799         return ((sector_t) b) << c->bucket_bits;
800 }
801
802 static inline sector_t bucket_remainder(struct cache_set *c, sector_t s)
803 {
804         return s & (c->cache->sb.bucket_size - 1);
805 }
806
807 static inline size_t PTR_BUCKET_NR(struct cache_set *c,
808                                    const struct bkey *k,
809                                    unsigned int ptr)
810 {
811         return sector_to_bucket(c, PTR_OFFSET(k, ptr));
812 }
813
814 static inline struct bucket *PTR_BUCKET(struct cache_set *c,
815                                         const struct bkey *k,
816                                         unsigned int ptr)
817 {
818         return c->cache->buckets + PTR_BUCKET_NR(c, k, ptr);
819 }
820
821 static inline uint8_t gen_after(uint8_t a, uint8_t b)
822 {
823         uint8_t r = a - b;
824
825         return r > 128U ? 0 : r;
826 }
827
828 static inline uint8_t ptr_stale(struct cache_set *c, const struct bkey *k,
829                                 unsigned int i)
830 {
831         return gen_after(PTR_BUCKET(c, k, i)->gen, PTR_GEN(k, i));
832 }
833
834 static inline bool ptr_available(struct cache_set *c, const struct bkey *k,
835                                  unsigned int i)
836 {
837         return (PTR_DEV(k, i) < MAX_CACHES_PER_SET) && c->cache;
838 }
839
840 /* Btree key macros */
841
842 /*
843  * This is used for various on disk data structures - cache_sb, prio_set, bset,
844  * jset: The checksum is _always_ the first 8 bytes of these structs
845  */
846 #define csum_set(i)                                                     \
847         bch_crc64(((void *) (i)) + sizeof(uint64_t),                    \
848                   ((void *) bset_bkey_last(i)) -                        \
849                   (((void *) (i)) + sizeof(uint64_t)))
850
851 /* Error handling macros */
852
853 #define btree_bug(b, ...)                                               \
854 do {                                                                    \
855         if (bch_cache_set_error((b)->c, __VA_ARGS__))                   \
856                 dump_stack();                                           \
857 } while (0)
858
859 #define cache_bug(c, ...)                                               \
860 do {                                                                    \
861         if (bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__))                        \
862                 dump_stack();                                           \
863 } while (0)
864
865 #define btree_bug_on(cond, b, ...)                                      \
866 do {                                                                    \
867         if (cond)                                                       \
868                 btree_bug(b, __VA_ARGS__);                              \
869 } while (0)
870
871 #define cache_bug_on(cond, c, ...)                                      \
872 do {                                                                    \
873         if (cond)                                                       \
874                 cache_bug(c, __VA_ARGS__);                              \
875 } while (0)
876
877 #define cache_set_err_on(cond, c, ...)                                  \
878 do {                                                                    \
879         if (cond)                                                       \
880                 bch_cache_set_error(c, __VA_ARGS__);                    \
881 } while (0)
882
883 /* Looping macros */
884
885 #define for_each_bucket(b, ca)                                          \
886         for (b = (ca)->buckets + (ca)->sb.first_bucket;                 \
887              b < (ca)->buckets + (ca)->sb.nbuckets; b++)
888
889 static inline void cached_dev_put(struct cached_dev *dc)
890 {
891         if (refcount_dec_and_test(&dc->count))
892                 schedule_work(&dc->detach);
893 }
894
895 static inline bool cached_dev_get(struct cached_dev *dc)
896 {
897         if (!refcount_inc_not_zero(&dc->count))
898                 return false;
899
900         /* Paired with the mb in cached_dev_attach */
901         smp_mb__after_atomic();
902         return true;
903 }
904
905 /*
906  * bucket_gc_gen() returns the difference between the bucket's current gen and
907  * the oldest gen of any pointer into that bucket in the btree (last_gc).
908  */
909
910 static inline uint8_t bucket_gc_gen(struct bucket *b)
911 {
912         return b->gen - b->last_gc;
913 }
914
915 #define BUCKET_GC_GEN_MAX       96U
916
917 #define kobj_attribute_write(n, fn)                                     \
918         static struct kobj_attribute ksysfs_##n = __ATTR(n, 0200, NULL, fn)
919
920 #define kobj_attribute_rw(n, show, store)                               \
921         static struct kobj_attribute ksysfs_##n =                       \
922                 __ATTR(n, 0600, show, store)
923
924 static inline void wake_up_allocators(struct cache_set *c)
925 {
926         struct cache *ca = c->cache;
927
928         wake_up_process(ca->alloc_thread);
929 }
930
931 static inline void closure_bio_submit(struct cache_set *c,
932                                       struct bio *bio,
933                                       struct closure *cl)
934 {
935         closure_get(cl);
936         if (unlikely(test_bit(CACHE_SET_IO_DISABLE, &c->flags))) {
937                 bio->bi_status = BLK_STS_IOERR;
938                 bio_endio(bio);
939                 return;
940         }
941         submit_bio_noacct(bio);
942 }
943
944 /*
945  * Prevent the kthread exits directly, and make sure when kthread_stop()
946  * is called to stop a kthread, it is still alive. If a kthread might be
947  * stopped by CACHE_SET_IO_DISABLE bit set, wait_for_kthread_stop() is
948  * necessary before the kthread returns.
949  */
950 static inline void wait_for_kthread_stop(void)
951 {
952         while (!kthread_should_stop()) {
953                 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
954                 schedule();
955         }
956 }
957
958 /* Forward declarations */
959
960 void bch_count_backing_io_errors(struct cached_dev *dc, struct bio *bio);
961 void bch_count_io_errors(struct cache *ca, blk_status_t error,
962                          int is_read, const char *m);
963 void bch_bbio_count_io_errors(struct cache_set *c, struct bio *bio,
964                               blk_status_t error, const char *m);
965 void bch_bbio_endio(struct cache_set *c, struct bio *bio,
966                     blk_status_t error, const char *m);
967 void bch_bbio_free(struct bio *bio, struct cache_set *c);
968 struct bio *bch_bbio_alloc(struct cache_set *c);
969
970 void __bch_submit_bbio(struct bio *bio, struct cache_set *c);
971 void bch_submit_bbio(struct bio *bio, struct cache_set *c,
972                      struct bkey *k, unsigned int ptr);
973
974 uint8_t bch_inc_gen(struct cache *ca, struct bucket *b);
975 void bch_rescale_priorities(struct cache_set *c, int sectors);
976
977 bool bch_can_invalidate_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b);
978 void __bch_invalidate_one_bucket(struct cache *ca, struct bucket *b);
979
980 void __bch_bucket_free(struct cache *ca, struct bucket *b);
981 void bch_bucket_free(struct cache_set *c, struct bkey *k);
982
983 long bch_bucket_alloc(struct cache *ca, unsigned int reserve, bool wait);
984 int __bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned int reserve,
985                            struct bkey *k, bool wait);
986 int bch_bucket_alloc_set(struct cache_set *c, unsigned int reserve,
987                          struct bkey *k, bool wait);
988 bool bch_alloc_sectors(struct cache_set *c, struct bkey *k,
989                        unsigned int sectors, unsigned int write_point,
990                        unsigned int write_prio, bool wait);
991 bool bch_cached_dev_error(struct cached_dev *dc);
992
993 __printf(2, 3)
994 bool bch_cache_set_error(struct cache_set *c, const char *fmt, ...);
995
996 int bch_prio_write(struct cache *ca, bool wait);
997 void bch_write_bdev_super(struct cached_dev *dc, struct closure *parent);
998
999 extern struct workqueue_struct *bcache_wq;
1000 extern struct workqueue_struct *bch_journal_wq;
1001 extern struct workqueue_struct *bch_flush_wq;
1002 extern struct mutex bch_register_lock;
1003 extern struct list_head bch_cache_sets;
1004
1005 extern struct kobj_type bch_cached_dev_ktype;
1006 extern struct kobj_type bch_flash_dev_ktype;
1007 extern struct kobj_type bch_cache_set_ktype;
1008 extern struct kobj_type bch_cache_set_internal_ktype;
1009 extern struct kobj_type bch_cache_ktype;
1010
1011 void bch_cached_dev_release(struct kobject *kobj);
1012 void bch_flash_dev_release(struct kobject *kobj);
1013 void bch_cache_set_release(struct kobject *kobj);
1014 void bch_cache_release(struct kobject *kobj);
1015
1016 int bch_uuid_write(struct cache_set *c);
1017 void bcache_write_super(struct cache_set *c);
1018
1019 int bch_flash_dev_create(struct cache_set *c, uint64_t size);
1020
1021 int bch_cached_dev_attach(struct cached_dev *dc, struct cache_set *c,
1022                           uint8_t *set_uuid);
1023 void bch_cached_dev_detach(struct cached_dev *dc);
1024 int bch_cached_dev_run(struct cached_dev *dc);
1025 void bcache_device_stop(struct bcache_device *d);
1026
1027 void bch_cache_set_unregister(struct cache_set *c);
1028 void bch_cache_set_stop(struct cache_set *c);
1029
1030 struct cache_set *bch_cache_set_alloc(struct cache_sb *sb);
1031 void bch_btree_cache_free(struct cache_set *c);
1032 int bch_btree_cache_alloc(struct cache_set *c);
1033 void bch_moving_init_cache_set(struct cache_set *c);
1034 int bch_open_buckets_alloc(struct cache_set *c);
1035 void bch_open_buckets_free(struct cache_set *c);
1036
1037 int bch_cache_allocator_start(struct cache *ca);
1038
1039 void bch_debug_exit(void);
1040 void bch_debug_init(void);
1041 void bch_request_exit(void);
1042 int bch_request_init(void);
1043 void bch_btree_exit(void);
1044 int bch_btree_init(void);
1045
1046 #endif /* _BCACHE_H */