Merge tag 'x86-mm-2021-04-29' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/tip/tip
[linux-2.6-microblaze.git] / fs / btrfs / compression.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 /*
3  * Copyright (C) 2008 Oracle.  All rights reserved.
4  */
5
6 #include <linux/kernel.h>
7 #include <linux/bio.h>
8 #include <linux/file.h>
9 #include <linux/fs.h>
10 #include <linux/pagemap.h>
11 #include <linux/highmem.h>
12 #include <linux/time.h>
13 #include <linux/init.h>
14 #include <linux/string.h>
15 #include <linux/backing-dev.h>
16 #include <linux/writeback.h>
17 #include <linux/slab.h>
18 #include <linux/sched/mm.h>
19 #include <linux/log2.h>
20 #include <crypto/hash.h>
21 #include "misc.h"
22 #include "ctree.h"
23 #include "disk-io.h"
24 #include "transaction.h"
25 #include "btrfs_inode.h"
26 #include "volumes.h"
27 #include "ordered-data.h"
28 #include "compression.h"
29 #include "extent_io.h"
30 #include "extent_map.h"
31
32 static const char* const btrfs_compress_types[] = { "", "zlib", "lzo", "zstd" };
33
34 const char* btrfs_compress_type2str(enum btrfs_compression_type type)
35 {
36         switch (type) {
37         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
38         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
39         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
40         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
41                 return btrfs_compress_types[type];
42         default:
43                 break;
44         }
45
46         return NULL;
47 }
48
49 bool btrfs_compress_is_valid_type(const char *str, size_t len)
50 {
51         int i;
52
53         for (i = 1; i < ARRAY_SIZE(btrfs_compress_types); i++) {
54                 size_t comp_len = strlen(btrfs_compress_types[i]);
55
56                 if (len < comp_len)
57                         continue;
58
59                 if (!strncmp(btrfs_compress_types[i], str, comp_len))
60                         return true;
61         }
62         return false;
63 }
64
65 static int compression_compress_pages(int type, struct list_head *ws,
66                struct address_space *mapping, u64 start, struct page **pages,
67                unsigned long *out_pages, unsigned long *total_in,
68                unsigned long *total_out)
69 {
70         switch (type) {
71         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
72                 return zlib_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
73                                 out_pages, total_in, total_out);
74         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
75                 return lzo_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
76                                 out_pages, total_in, total_out);
77         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
78                 return zstd_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
79                                 out_pages, total_in, total_out);
80         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
81         default:
82                 /*
83                  * This can happen when compression races with remount setting
84                  * it to 'no compress', while caller doesn't call
85                  * inode_need_compress() to check if we really need to
86                  * compress.
87                  *
88                  * Not a big deal, just need to inform caller that we
89                  * haven't allocated any pages yet.
90                  */
91                 *out_pages = 0;
92                 return -E2BIG;
93         }
94 }
95
96 static int compression_decompress_bio(int type, struct list_head *ws,
97                 struct compressed_bio *cb)
98 {
99         switch (type) {
100         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress_bio(ws, cb);
101         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress_bio(ws, cb);
102         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress_bio(ws, cb);
103         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
104         default:
105                 /*
106                  * This can't happen, the type is validated several times
107                  * before we get here.
108                  */
109                 BUG();
110         }
111 }
112
113 static int compression_decompress(int type, struct list_head *ws,
114                unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
115                unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
116 {
117         switch (type) {
118         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress(ws, data_in, dest_page,
119                                                 start_byte, srclen, destlen);
120         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress(ws, data_in, dest_page,
121                                                 start_byte, srclen, destlen);
122         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress(ws, data_in, dest_page,
123                                                 start_byte, srclen, destlen);
124         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
125         default:
126                 /*
127                  * This can't happen, the type is validated several times
128                  * before we get here.
129                  */
130                 BUG();
131         }
132 }
133
134 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb);
135
136 static inline int compressed_bio_size(struct btrfs_fs_info *fs_info,
137                                       unsigned long disk_size)
138 {
139         return sizeof(struct compressed_bio) +
140                 (DIV_ROUND_UP(disk_size, fs_info->sectorsize)) * fs_info->csum_size;
141 }
142
143 static int check_compressed_csum(struct btrfs_inode *inode, struct bio *bio,
144                                  u64 disk_start)
145 {
146         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
147         SHASH_DESC_ON_STACK(shash, fs_info->csum_shash);
148         const u32 csum_size = fs_info->csum_size;
149         const u32 sectorsize = fs_info->sectorsize;
150         struct page *page;
151         unsigned long i;
152         char *kaddr;
153         u8 csum[BTRFS_CSUM_SIZE];
154         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
155         u8 *cb_sum = cb->sums;
156
157         if (!fs_info->csum_root || (inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM))
158                 return 0;
159
160         shash->tfm = fs_info->csum_shash;
161
162         for (i = 0; i < cb->nr_pages; i++) {
163                 u32 pg_offset;
164                 u32 bytes_left = PAGE_SIZE;
165                 page = cb->compressed_pages[i];
166
167                 /* Determine the remaining bytes inside the page first */
168                 if (i == cb->nr_pages - 1)
169                         bytes_left = cb->compressed_len - i * PAGE_SIZE;
170
171                 /* Hash through the page sector by sector */
172                 for (pg_offset = 0; pg_offset < bytes_left;
173                      pg_offset += sectorsize) {
174                         kaddr = kmap_atomic(page);
175                         crypto_shash_digest(shash, kaddr + pg_offset,
176                                             sectorsize, csum);
177                         kunmap_atomic(kaddr);
178
179                         if (memcmp(&csum, cb_sum, csum_size) != 0) {
180                                 btrfs_print_data_csum_error(inode, disk_start,
181                                                 csum, cb_sum, cb->mirror_num);
182                                 if (btrfs_io_bio(bio)->device)
183                                         btrfs_dev_stat_inc_and_print(
184                                                 btrfs_io_bio(bio)->device,
185                                                 BTRFS_DEV_STAT_CORRUPTION_ERRS);
186                                 return -EIO;
187                         }
188                         cb_sum += csum_size;
189                         disk_start += sectorsize;
190                 }
191         }
192         return 0;
193 }
194
195 /* when we finish reading compressed pages from the disk, we
196  * decompress them and then run the bio end_io routines on the
197  * decompressed pages (in the inode address space).
198  *
199  * This allows the checksumming and other IO error handling routines
200  * to work normally
201  *
202  * The compressed pages are freed here, and it must be run
203  * in process context
204  */
205 static void end_compressed_bio_read(struct bio *bio)
206 {
207         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
208         struct inode *inode;
209         struct page *page;
210         unsigned long index;
211         unsigned int mirror = btrfs_io_bio(bio)->mirror_num;
212         int ret = 0;
213
214         if (bio->bi_status)
215                 cb->errors = 1;
216
217         /* if there are more bios still pending for this compressed
218          * extent, just exit
219          */
220         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
221                 goto out;
222
223         /*
224          * Record the correct mirror_num in cb->orig_bio so that
225          * read-repair can work properly.
226          */
227         btrfs_io_bio(cb->orig_bio)->mirror_num = mirror;
228         cb->mirror_num = mirror;
229
230         /*
231          * Some IO in this cb have failed, just skip checksum as there
232          * is no way it could be correct.
233          */
234         if (cb->errors == 1)
235                 goto csum_failed;
236
237         inode = cb->inode;
238         ret = check_compressed_csum(BTRFS_I(inode), bio,
239                                     bio->bi_iter.bi_sector << 9);
240         if (ret)
241                 goto csum_failed;
242
243         /* ok, we're the last bio for this extent, lets start
244          * the decompression.
245          */
246         ret = btrfs_decompress_bio(cb);
247
248 csum_failed:
249         if (ret)
250                 cb->errors = 1;
251
252         /* release the compressed pages */
253         index = 0;
254         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
255                 page = cb->compressed_pages[index];
256                 page->mapping = NULL;
257                 put_page(page);
258         }
259
260         /* do io completion on the original bio */
261         if (cb->errors) {
262                 bio_io_error(cb->orig_bio);
263         } else {
264                 struct bio_vec *bvec;
265                 struct bvec_iter_all iter_all;
266
267                 /*
268                  * we have verified the checksum already, set page
269                  * checked so the end_io handlers know about it
270                  */
271                 ASSERT(!bio_flagged(bio, BIO_CLONED));
272                 bio_for_each_segment_all(bvec, cb->orig_bio, iter_all)
273                         SetPageChecked(bvec->bv_page);
274
275                 bio_endio(cb->orig_bio);
276         }
277
278         /* finally free the cb struct */
279         kfree(cb->compressed_pages);
280         kfree(cb);
281 out:
282         bio_put(bio);
283 }
284
285 /*
286  * Clear the writeback bits on all of the file
287  * pages for a compressed write
288  */
289 static noinline void end_compressed_writeback(struct inode *inode,
290                                               const struct compressed_bio *cb)
291 {
292         unsigned long index = cb->start >> PAGE_SHIFT;
293         unsigned long end_index = (cb->start + cb->len - 1) >> PAGE_SHIFT;
294         struct page *pages[16];
295         unsigned long nr_pages = end_index - index + 1;
296         int i;
297         int ret;
298
299         if (cb->errors)
300                 mapping_set_error(inode->i_mapping, -EIO);
301
302         while (nr_pages > 0) {
303                 ret = find_get_pages_contig(inode->i_mapping, index,
304                                      min_t(unsigned long,
305                                      nr_pages, ARRAY_SIZE(pages)), pages);
306                 if (ret == 0) {
307                         nr_pages -= 1;
308                         index += 1;
309                         continue;
310                 }
311                 for (i = 0; i < ret; i++) {
312                         if (cb->errors)
313                                 SetPageError(pages[i]);
314                         end_page_writeback(pages[i]);
315                         put_page(pages[i]);
316                 }
317                 nr_pages -= ret;
318                 index += ret;
319         }
320         /* the inode may be gone now */
321 }
322
323 /*
324  * do the cleanup once all the compressed pages hit the disk.
325  * This will clear writeback on the file pages and free the compressed
326  * pages.
327  *
328  * This also calls the writeback end hooks for the file pages so that
329  * metadata and checksums can be updated in the file.
330  */
331 static void end_compressed_bio_write(struct bio *bio)
332 {
333         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
334         struct inode *inode;
335         struct page *page;
336         unsigned long index;
337
338         if (bio->bi_status)
339                 cb->errors = 1;
340
341         /* if there are more bios still pending for this compressed
342          * extent, just exit
343          */
344         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
345                 goto out;
346
347         /* ok, we're the last bio for this extent, step one is to
348          * call back into the FS and do all the end_io operations
349          */
350         inode = cb->inode;
351         cb->compressed_pages[0]->mapping = cb->inode->i_mapping;
352         btrfs_writepage_endio_finish_ordered(cb->compressed_pages[0],
353                         cb->start, cb->start + cb->len - 1,
354                         bio->bi_status == BLK_STS_OK);
355         cb->compressed_pages[0]->mapping = NULL;
356
357         end_compressed_writeback(inode, cb);
358         /* note, our inode could be gone now */
359
360         /*
361          * release the compressed pages, these came from alloc_page and
362          * are not attached to the inode at all
363          */
364         index = 0;
365         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
366                 page = cb->compressed_pages[index];
367                 page->mapping = NULL;
368                 put_page(page);
369         }
370
371         /* finally free the cb struct */
372         kfree(cb->compressed_pages);
373         kfree(cb);
374 out:
375         bio_put(bio);
376 }
377
378 /*
379  * worker function to build and submit bios for previously compressed pages.
380  * The corresponding pages in the inode should be marked for writeback
381  * and the compressed pages should have a reference on them for dropping
382  * when the IO is complete.
383  *
384  * This also checksums the file bytes and gets things ready for
385  * the end io hooks.
386  */
387 blk_status_t btrfs_submit_compressed_write(struct btrfs_inode *inode, u64 start,
388                                  unsigned long len, u64 disk_start,
389                                  unsigned long compressed_len,
390                                  struct page **compressed_pages,
391                                  unsigned long nr_pages,
392                                  unsigned int write_flags,
393                                  struct cgroup_subsys_state *blkcg_css)
394 {
395         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
396         struct bio *bio = NULL;
397         struct compressed_bio *cb;
398         unsigned long bytes_left;
399         int pg_index = 0;
400         struct page *page;
401         u64 first_byte = disk_start;
402         blk_status_t ret;
403         int skip_sum = inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM;
404
405         WARN_ON(!PAGE_ALIGNED(start));
406         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
407         if (!cb)
408                 return BLK_STS_RESOURCE;
409         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
410         cb->errors = 0;
411         cb->inode = &inode->vfs_inode;
412         cb->start = start;
413         cb->len = len;
414         cb->mirror_num = 0;
415         cb->compressed_pages = compressed_pages;
416         cb->compressed_len = compressed_len;
417         cb->orig_bio = NULL;
418         cb->nr_pages = nr_pages;
419
420         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
421         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
422         bio->bi_private = cb;
423         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
424
425         if (blkcg_css) {
426                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
427                 kthread_associate_blkcg(blkcg_css);
428         }
429         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
430
431         /* create and submit bios for the compressed pages */
432         bytes_left = compressed_len;
433         for (pg_index = 0; pg_index < cb->nr_pages; pg_index++) {
434                 int submit = 0;
435
436                 page = compressed_pages[pg_index];
437                 page->mapping = inode->vfs_inode.i_mapping;
438                 if (bio->bi_iter.bi_size)
439                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, PAGE_SIZE, bio,
440                                                           0);
441
442                 page->mapping = NULL;
443                 if (submit || bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0) <
444                     PAGE_SIZE) {
445                         /*
446                          * inc the count before we submit the bio so
447                          * we know the end IO handler won't happen before
448                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
449                          * freed before we're done setting it up
450                          */
451                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
452                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio,
453                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
454                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
455
456                         if (!skip_sum) {
457                                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
458                                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
459                         }
460
461                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
462                         if (ret) {
463                                 bio->bi_status = ret;
464                                 bio_endio(bio);
465                         }
466
467                         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
468                         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
469                         bio->bi_private = cb;
470                         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
471                         if (blkcg_css)
472                                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
473                         bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0);
474                 }
475                 if (bytes_left < PAGE_SIZE) {
476                         btrfs_info(fs_info,
477                                         "bytes left %lu compress len %lu nr %lu",
478                                bytes_left, cb->compressed_len, cb->nr_pages);
479                 }
480                 bytes_left -= PAGE_SIZE;
481                 first_byte += PAGE_SIZE;
482                 cond_resched();
483         }
484
485         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
486         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
487
488         if (!skip_sum) {
489                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
490                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
491         }
492
493         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
494         if (ret) {
495                 bio->bi_status = ret;
496                 bio_endio(bio);
497         }
498
499         if (blkcg_css)
500                 kthread_associate_blkcg(NULL);
501
502         return 0;
503 }
504
505 static u64 bio_end_offset(struct bio *bio)
506 {
507         struct bio_vec *last = bio_last_bvec_all(bio);
508
509         return page_offset(last->bv_page) + last->bv_len + last->bv_offset;
510 }
511
512 static noinline int add_ra_bio_pages(struct inode *inode,
513                                      u64 compressed_end,
514                                      struct compressed_bio *cb)
515 {
516         unsigned long end_index;
517         unsigned long pg_index;
518         u64 last_offset;
519         u64 isize = i_size_read(inode);
520         int ret;
521         struct page *page;
522         unsigned long nr_pages = 0;
523         struct extent_map *em;
524         struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
525         struct extent_map_tree *em_tree;
526         struct extent_io_tree *tree;
527         u64 end;
528         int misses = 0;
529
530         last_offset = bio_end_offset(cb->orig_bio);
531         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
532         tree = &BTRFS_I(inode)->io_tree;
533
534         if (isize == 0)
535                 return 0;
536
537         end_index = (i_size_read(inode) - 1) >> PAGE_SHIFT;
538
539         while (last_offset < compressed_end) {
540                 pg_index = last_offset >> PAGE_SHIFT;
541
542                 if (pg_index > end_index)
543                         break;
544
545                 page = xa_load(&mapping->i_pages, pg_index);
546                 if (page && !xa_is_value(page)) {
547                         misses++;
548                         if (misses > 4)
549                                 break;
550                         goto next;
551                 }
552
553                 page = __page_cache_alloc(mapping_gfp_constraint(mapping,
554                                                                  ~__GFP_FS));
555                 if (!page)
556                         break;
557
558                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, pg_index, GFP_NOFS)) {
559                         put_page(page);
560                         goto next;
561                 }
562
563                 /*
564                  * at this point, we have a locked page in the page cache
565                  * for these bytes in the file.  But, we have to make
566                  * sure they map to this compressed extent on disk.
567                  */
568                 ret = set_page_extent_mapped(page);
569                 if (ret < 0) {
570                         unlock_page(page);
571                         put_page(page);
572                         break;
573                 }
574
575                 end = last_offset + PAGE_SIZE - 1;
576                 lock_extent(tree, last_offset, end);
577                 read_lock(&em_tree->lock);
578                 em = lookup_extent_mapping(em_tree, last_offset,
579                                            PAGE_SIZE);
580                 read_unlock(&em_tree->lock);
581
582                 if (!em || last_offset < em->start ||
583                     (last_offset + PAGE_SIZE > extent_map_end(em)) ||
584                     (em->block_start >> 9) != cb->orig_bio->bi_iter.bi_sector) {
585                         free_extent_map(em);
586                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
587                         unlock_page(page);
588                         put_page(page);
589                         break;
590                 }
591                 free_extent_map(em);
592
593                 if (page->index == end_index) {
594                         char *userpage;
595                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
596
597                         if (zero_offset) {
598                                 int zeros;
599                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
600                                 userpage = kmap_atomic(page);
601                                 memset(userpage + zero_offset, 0, zeros);
602                                 flush_dcache_page(page);
603                                 kunmap_atomic(userpage);
604                         }
605                 }
606
607                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page,
608                                    PAGE_SIZE, 0);
609
610                 if (ret == PAGE_SIZE) {
611                         nr_pages++;
612                         put_page(page);
613                 } else {
614                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
615                         unlock_page(page);
616                         put_page(page);
617                         break;
618                 }
619 next:
620                 last_offset += PAGE_SIZE;
621         }
622         return 0;
623 }
624
625 /*
626  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
627  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
628  * to hold the compressed pages on disk.
629  *
630  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
631  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
632  *
633  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
634  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
635  */
636 blk_status_t btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
637                                  int mirror_num, unsigned long bio_flags)
638 {
639         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
640         struct extent_map_tree *em_tree;
641         struct compressed_bio *cb;
642         unsigned long compressed_len;
643         unsigned long nr_pages;
644         unsigned long pg_index;
645         struct page *page;
646         struct bio *comp_bio;
647         u64 cur_disk_byte = bio->bi_iter.bi_sector << 9;
648         u64 em_len;
649         u64 em_start;
650         struct extent_map *em;
651         blk_status_t ret = BLK_STS_RESOURCE;
652         int faili = 0;
653         u8 *sums;
654
655         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
656
657         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
658         read_lock(&em_tree->lock);
659         em = lookup_extent_mapping(em_tree,
660                                    page_offset(bio_first_page_all(bio)),
661                                    fs_info->sectorsize);
662         read_unlock(&em_tree->lock);
663         if (!em)
664                 return BLK_STS_IOERR;
665
666         compressed_len = em->block_len;
667         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
668         if (!cb)
669                 goto out;
670
671         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
672         cb->errors = 0;
673         cb->inode = inode;
674         cb->mirror_num = mirror_num;
675         sums = cb->sums;
676
677         cb->start = em->orig_start;
678         em_len = em->len;
679         em_start = em->start;
680
681         free_extent_map(em);
682         em = NULL;
683
684         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
685         cb->compressed_len = compressed_len;
686         cb->compress_type = extent_compress_type(bio_flags);
687         cb->orig_bio = bio;
688
689         nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
690         cb->compressed_pages = kcalloc(nr_pages, sizeof(struct page *),
691                                        GFP_NOFS);
692         if (!cb->compressed_pages)
693                 goto fail1;
694
695         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
696                 cb->compressed_pages[pg_index] = alloc_page(GFP_NOFS |
697                                                               __GFP_HIGHMEM);
698                 if (!cb->compressed_pages[pg_index]) {
699                         faili = pg_index - 1;
700                         ret = BLK_STS_RESOURCE;
701                         goto fail2;
702                 }
703         }
704         faili = nr_pages - 1;
705         cb->nr_pages = nr_pages;
706
707         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb);
708
709         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
710         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
711
712         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
713         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
714         comp_bio->bi_private = cb;
715         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
716         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
717
718         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
719                 u32 pg_len = PAGE_SIZE;
720                 int submit = 0;
721
722                 /*
723                  * To handle subpage case, we need to make sure the bio only
724                  * covers the range we need.
725                  *
726                  * If we're at the last page, truncate the length to only cover
727                  * the remaining part.
728                  */
729                 if (pg_index == nr_pages - 1)
730                         pg_len = min_t(u32, PAGE_SIZE,
731                                         compressed_len - pg_index * PAGE_SIZE);
732
733                 page = cb->compressed_pages[pg_index];
734                 page->mapping = inode->i_mapping;
735                 page->index = em_start >> PAGE_SHIFT;
736
737                 if (comp_bio->bi_iter.bi_size)
738                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, pg_len,
739                                                           comp_bio, 0);
740
741                 page->mapping = NULL;
742                 if (submit || bio_add_page(comp_bio, page, pg_len, 0) < pg_len) {
743                         unsigned int nr_sectors;
744
745                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio,
746                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
747                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
748
749                         /*
750                          * inc the count before we submit the bio so
751                          * we know the end IO handler won't happen before
752                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
753                          * freed before we're done setting it up
754                          */
755                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
756
757                         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
758                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
759
760                         nr_sectors = DIV_ROUND_UP(comp_bio->bi_iter.bi_size,
761                                                   fs_info->sectorsize);
762                         sums += fs_info->csum_size * nr_sectors;
763
764                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
765                         if (ret) {
766                                 comp_bio->bi_status = ret;
767                                 bio_endio(comp_bio);
768                         }
769
770                         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
771                         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
772                         comp_bio->bi_private = cb;
773                         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
774
775                         bio_add_page(comp_bio, page, pg_len, 0);
776                 }
777                 cur_disk_byte += pg_len;
778         }
779
780         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
781         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
782
783         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
784         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
785
786         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
787         if (ret) {
788                 comp_bio->bi_status = ret;
789                 bio_endio(comp_bio);
790         }
791
792         return 0;
793
794 fail2:
795         while (faili >= 0) {
796                 __free_page(cb->compressed_pages[faili]);
797                 faili--;
798         }
799
800         kfree(cb->compressed_pages);
801 fail1:
802         kfree(cb);
803 out:
804         free_extent_map(em);
805         return ret;
806 }
807
808 /*
809  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
810  * range, the logic can be tuned by the following constants:
811  *
812  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
813  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
814  */
815 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
816 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
817
818 /*
819  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
820  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
821  * many times the object appeared in the sample.
822  */
823 #define BUCKET_SIZE             (256)
824
825 /*
826  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
827  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
828  * elements in each cell is at least 5.
829  *
830  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
831  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
832  * sample size bound by 8192.
833  *
834  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
835  * from up to 512 locations.
836  */
837 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
838                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
839
840 struct bucket_item {
841         u32 count;
842 };
843
844 struct heuristic_ws {
845         /* Partial copy of input data */
846         u8 *sample;
847         u32 sample_size;
848         /* Buckets store counters for each byte value */
849         struct bucket_item *bucket;
850         /* Sorting buffer */
851         struct bucket_item *bucket_b;
852         struct list_head list;
853 };
854
855 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
856
857 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
858 {
859         struct heuristic_ws *workspace;
860
861         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
862
863         kvfree(workspace->sample);
864         kfree(workspace->bucket);
865         kfree(workspace->bucket_b);
866         kfree(workspace);
867 }
868
869 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
870 {
871         struct heuristic_ws *ws;
872
873         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
874         if (!ws)
875                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
876
877         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
878         if (!ws->sample)
879                 goto fail;
880
881         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
882         if (!ws->bucket)
883                 goto fail;
884
885         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
886         if (!ws->bucket_b)
887                 goto fail;
888
889         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
890         return &ws->list;
891 fail:
892         free_heuristic_ws(&ws->list);
893         return ERR_PTR(-ENOMEM);
894 }
895
896 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
897         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
898 };
899
900 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
901         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
902         &btrfs_heuristic_compress,
903         &btrfs_zlib_compress,
904         &btrfs_lzo_compress,
905         &btrfs_zstd_compress,
906 };
907
908 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
909 {
910         switch (type) {
911         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
912         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
913         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
914         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
915         default:
916                 /*
917                  * This can't happen, the type is validated several times
918                  * before we get here.
919                  */
920                 BUG();
921         }
922 }
923
924 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
925 {
926         switch (type) {
927         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
928         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
929         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
930         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
931         default:
932                 /*
933                  * This can't happen, the type is validated several times
934                  * before we get here.
935                  */
936                 BUG();
937         }
938 }
939
940 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
941 {
942         struct workspace_manager *wsm;
943         struct list_head *workspace;
944
945         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
946         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
947         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
948         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
949         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
950
951         /*
952          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
953          * guarantee forward progress in the worst case
954          */
955         workspace = alloc_workspace(type, 0);
956         if (IS_ERR(workspace)) {
957                 pr_warn(
958         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
959         } else {
960                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
961                 wsm->free_ws = 1;
962                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
963         }
964 }
965
966 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
967 {
968         struct workspace_manager *wsman;
969         struct list_head *ws;
970
971         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
972         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
973                 ws = wsman->idle_ws.next;
974                 list_del(ws);
975                 free_workspace(type, ws);
976                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
977         }
978 }
979
980 /*
981  * This finds an available workspace or allocates a new one.
982  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
983  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
984  * errors.
985  */
986 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
987 {
988         struct workspace_manager *wsm;
989         struct list_head *workspace;
990         int cpus = num_online_cpus();
991         unsigned nofs_flag;
992         struct list_head *idle_ws;
993         spinlock_t *ws_lock;
994         atomic_t *total_ws;
995         wait_queue_head_t *ws_wait;
996         int *free_ws;
997
998         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
999         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1000         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1001         total_ws = &wsm->total_ws;
1002         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1003         free_ws  = &wsm->free_ws;
1004
1005 again:
1006         spin_lock(ws_lock);
1007         if (!list_empty(idle_ws)) {
1008                 workspace = idle_ws->next;
1009                 list_del(workspace);
1010                 (*free_ws)--;
1011                 spin_unlock(ws_lock);
1012                 return workspace;
1013
1014         }
1015         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
1016                 DEFINE_WAIT(wait);
1017
1018                 spin_unlock(ws_lock);
1019                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1020                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
1021                         schedule();
1022                 finish_wait(ws_wait, &wait);
1023                 goto again;
1024         }
1025         atomic_inc(total_ws);
1026         spin_unlock(ws_lock);
1027
1028         /*
1029          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
1030          * to turn it off here because we might get called from the restricted
1031          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
1032          */
1033         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
1034         workspace = alloc_workspace(type, level);
1035         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
1036
1037         if (IS_ERR(workspace)) {
1038                 atomic_dec(total_ws);
1039                 wake_up(ws_wait);
1040
1041                 /*
1042                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
1043                  * workspace preallocated for each type and the compression
1044                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
1045                  * makes our caller's life easier.
1046                  *
1047                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
1048                  * initial preallocation fails), check if there are any
1049                  * workspaces at all.
1050                  */
1051                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
1052                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
1053                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
1054                                         /* no burst */ 1);
1055
1056                         if (__ratelimit(&_rs)) {
1057                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
1058                         }
1059                 }
1060                 goto again;
1061         }
1062         return workspace;
1063 }
1064
1065 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
1066 {
1067         switch (type) {
1068         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
1069         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
1070         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
1071         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
1072         default:
1073                 /*
1074                  * This can't happen, the type is validated several times
1075                  * before we get here.
1076                  */
1077                 BUG();
1078         }
1079 }
1080
1081 /*
1082  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
1083  * idle ones sitting around
1084  */
1085 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1086 {
1087         struct workspace_manager *wsm;
1088         struct list_head *idle_ws;
1089         spinlock_t *ws_lock;
1090         atomic_t *total_ws;
1091         wait_queue_head_t *ws_wait;
1092         int *free_ws;
1093
1094         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1095         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1096         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1097         total_ws = &wsm->total_ws;
1098         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1099         free_ws  = &wsm->free_ws;
1100
1101         spin_lock(ws_lock);
1102         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1103                 list_add(ws, idle_ws);
1104                 (*free_ws)++;
1105                 spin_unlock(ws_lock);
1106                 goto wake;
1107         }
1108         spin_unlock(ws_lock);
1109
1110         free_workspace(type, ws);
1111         atomic_dec(total_ws);
1112 wake:
1113         cond_wake_up(ws_wait);
1114 }
1115
1116 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1117 {
1118         switch (type) {
1119         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1120         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1121         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1122         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1123         default:
1124                 /*
1125                  * This can't happen, the type is validated several times
1126                  * before we get here.
1127                  */
1128                 BUG();
1129         }
1130 }
1131
1132 /*
1133  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1134  * fallback to default
1135  */
1136 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1137 {
1138         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1139
1140         if (level == 0)
1141                 level = ops->default_level;
1142         else
1143                 level = min(level, ops->max_level);
1144
1145         return level;
1146 }
1147
1148 /*
1149  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1150  * that are allocated on demand.
1151  *
1152  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1153  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1154  * - compression algo are 0-3
1155  * - the level are bits 4-7
1156  *
1157  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1158  * and returns number of actually allocated pages
1159  *
1160  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1161  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1162  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1163  * max_out threshold.
1164  *
1165  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1166  * be also used to return the total number of compressed bytes
1167  *
1168  * @max_out tells us the max number of bytes that we're allowed to
1169  * stuff into pages
1170  */
1171 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1172                          u64 start, struct page **pages,
1173                          unsigned long *out_pages,
1174                          unsigned long *total_in,
1175                          unsigned long *total_out)
1176 {
1177         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1178         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1179         struct list_head *workspace;
1180         int ret;
1181
1182         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1183         workspace = get_workspace(type, level);
1184         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1185                                          out_pages, total_in, total_out);
1186         put_workspace(type, workspace);
1187         return ret;
1188 }
1189
1190 /*
1191  * pages_in is an array of pages with compressed data.
1192  *
1193  * disk_start is the starting logical offset of this array in the file
1194  *
1195  * orig_bio contains the pages from the file that we want to decompress into
1196  *
1197  * srclen is the number of bytes in pages_in
1198  *
1199  * The basic idea is that we have a bio that was created by readpages.
1200  * The pages in the bio are for the uncompressed data, and they may not
1201  * be contiguous.  They all correspond to the range of bytes covered by
1202  * the compressed extent.
1203  */
1204 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1205 {
1206         struct list_head *workspace;
1207         int ret;
1208         int type = cb->compress_type;
1209
1210         workspace = get_workspace(type, 0);
1211         ret = compression_decompress_bio(type, workspace, cb);
1212         put_workspace(type, workspace);
1213
1214         return ret;
1215 }
1216
1217 /*
1218  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1219  * single page, and we want to read a single page out of it.
1220  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1221  */
1222 int btrfs_decompress(int type, unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
1223                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1224 {
1225         struct list_head *workspace;
1226         int ret;
1227
1228         workspace = get_workspace(type, 0);
1229         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1230                                      start_byte, srclen, destlen);
1231         put_workspace(type, workspace);
1232
1233         return ret;
1234 }
1235
1236 void __init btrfs_init_compress(void)
1237 {
1238         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1239         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1240         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1241         zstd_init_workspace_manager();
1242 }
1243
1244 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1245 {
1246         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1247         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1248         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1249         zstd_cleanup_workspace_manager();
1250 }
1251
1252 /*
1253  * Copy uncompressed data from working buffer to pages.
1254  *
1255  * buf_start is the byte offset we're of the start of our workspace buffer.
1256  *
1257  * total_out is the last byte of the buffer
1258  */
1259 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, unsigned long buf_start,
1260                               unsigned long total_out, u64 disk_start,
1261                               struct bio *bio)
1262 {
1263         unsigned long buf_offset;
1264         unsigned long current_buf_start;
1265         unsigned long start_byte;
1266         unsigned long prev_start_byte;
1267         unsigned long working_bytes = total_out - buf_start;
1268         unsigned long bytes;
1269         struct bio_vec bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1270
1271         /*
1272          * start byte is the first byte of the page we're currently
1273          * copying into relative to the start of the compressed data.
1274          */
1275         start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1276
1277         /* we haven't yet hit data corresponding to this page */
1278         if (total_out <= start_byte)
1279                 return 1;
1280
1281         /*
1282          * the start of the data we care about is offset into
1283          * the middle of our working buffer
1284          */
1285         if (total_out > start_byte && buf_start < start_byte) {
1286                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1287                 working_bytes -= buf_offset;
1288         } else {
1289                 buf_offset = 0;
1290         }
1291         current_buf_start = buf_start;
1292
1293         /* copy bytes from the working buffer into the pages */
1294         while (working_bytes > 0) {
1295                 bytes = min_t(unsigned long, bvec.bv_len,
1296                                 PAGE_SIZE - (buf_offset % PAGE_SIZE));
1297                 bytes = min(bytes, working_bytes);
1298
1299                 memcpy_to_page(bvec.bv_page, bvec.bv_offset, buf + buf_offset,
1300                                bytes);
1301                 flush_dcache_page(bvec.bv_page);
1302
1303                 buf_offset += bytes;
1304                 working_bytes -= bytes;
1305                 current_buf_start += bytes;
1306
1307                 /* check if we need to pick another page */
1308                 bio_advance(bio, bytes);
1309                 if (!bio->bi_iter.bi_size)
1310                         return 0;
1311                 bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1312                 prev_start_byte = start_byte;
1313                 start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1314
1315                 /*
1316                  * We need to make sure we're only adjusting
1317                  * our offset into compression working buffer when
1318                  * we're switching pages.  Otherwise we can incorrectly
1319                  * keep copying when we were actually done.
1320                  */
1321                 if (start_byte != prev_start_byte) {
1322                         /*
1323                          * make sure our new page is covered by this
1324                          * working buffer
1325                          */
1326                         if (total_out <= start_byte)
1327                                 return 1;
1328
1329                         /*
1330                          * the next page in the biovec might not be adjacent
1331                          * to the last page, but it might still be found
1332                          * inside this working buffer. bump our offset pointer
1333                          */
1334                         if (total_out > start_byte &&
1335                             current_buf_start < start_byte) {
1336                                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1337                                 working_bytes = total_out - start_byte;
1338                                 current_buf_start = buf_start + buf_offset;
1339                         }
1340                 }
1341         }
1342
1343         return 1;
1344 }
1345
1346 /*
1347  * Shannon Entropy calculation
1348  *
1349  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1350  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1351  * needed to encode the sampled data.
1352  *
1353  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1354  * bits directly.
1355  *
1356  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1357  *                          and can be compressible with high probability
1358  *
1359  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1360  *
1361  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1362  */
1363 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1364 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1365
1366 /*
1367  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1368  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1369  *
1370  * - maximum int bit length is 64
1371  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1372  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1373  *
1374  * So use pow(n, 4).
1375  */
1376 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1377 {
1378         return ilog2(n * n * n * n);
1379 }
1380
1381 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1382 {
1383         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1384         u32 entropy_sum = 0;
1385         u32 p, p_base, sz_base;
1386         u32 i;
1387
1388         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1389         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1390                 p = ws->bucket[i].count;
1391                 p_base = ilog2_w(p);
1392                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1393         }
1394
1395         entropy_sum /= ws->sample_size;
1396         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1397 }
1398
1399 #define RADIX_BASE              4U
1400 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1401
1402 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1403         u8 low4bits;
1404
1405         num >>= shift;
1406         /* Reverse order */
1407         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1408         return low4bits;
1409 }
1410
1411 /*
1412  * Use 4 bits as radix base
1413  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1414  *
1415  * @array     - array that will be sorted
1416  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1417  *              must be equal in size to @array
1418  * @num       - array size
1419  */
1420 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1421                        int num)
1422 {
1423         u64 max_num;
1424         u64 buf_num;
1425         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1426         u32 new_addr;
1427         u32 addr;
1428         int bitlen;
1429         int shift;
1430         int i;
1431
1432         /*
1433          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1434          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1435          */
1436         max_num = array[0].count;
1437         for (i = 1; i < num; i++) {
1438                 buf_num = array[i].count;
1439                 if (buf_num > max_num)
1440                         max_num = buf_num;
1441         }
1442
1443         buf_num = ilog2(max_num);
1444         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1445
1446         shift = 0;
1447         while (shift < bitlen) {
1448                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1449
1450                 for (i = 0; i < num; i++) {
1451                         buf_num = array[i].count;
1452                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1453                         counters[addr]++;
1454                 }
1455
1456                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1457                         counters[i] += counters[i - 1];
1458
1459                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1460                         buf_num = array[i].count;
1461                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1462                         counters[addr]--;
1463                         new_addr = counters[addr];
1464                         array_buf[new_addr] = array[i];
1465                 }
1466
1467                 shift += RADIX_BASE;
1468
1469                 /*
1470                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1471                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1472                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1473                  * memcpy()
1474                  */
1475                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1476
1477                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1478                         buf_num = array_buf[i].count;
1479                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1480                         counters[addr]++;
1481                 }
1482
1483                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1484                         counters[i] += counters[i - 1];
1485
1486                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1487                         buf_num = array_buf[i].count;
1488                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1489                         counters[addr]--;
1490                         new_addr = counters[addr];
1491                         array[new_addr] = array_buf[i];
1492                 }
1493
1494                 shift += RADIX_BASE;
1495         }
1496 }
1497
1498 /*
1499  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1500  *
1501  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1502  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1503  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1504  *
1505  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1506  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1507  * how much.
1508  *
1509  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1510  *                       compression algo can easy fix that
1511  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1512  *                       probability is not compressible
1513  */
1514 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1515 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1516
1517 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1518 {
1519         u32 i;
1520         u32 coreset_sum = 0;
1521         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1522         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1523
1524         /* Sort in reverse order */
1525         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1526
1527         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1528                 coreset_sum += bucket[i].count;
1529
1530         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1531                 return i;
1532
1533         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1534                 coreset_sum += bucket[i].count;
1535                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1536                         break;
1537         }
1538
1539         return i;
1540 }
1541
1542 /*
1543  * Count byte values in buckets.
1544  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1545  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1546  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1547  * compress.
1548  *
1549  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1550  *      less - compressible
1551  *      more - need additional analysis
1552  */
1553 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1554
1555 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1556 {
1557         u32 i;
1558         u32 byte_set_size = 0;
1559
1560         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1561                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1562                         byte_set_size++;
1563         }
1564
1565         /*
1566          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1567          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1568          * the detection technique would fail for this type of data.
1569          */
1570         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1571                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1572                         byte_set_size++;
1573                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1574                                 return byte_set_size;
1575                 }
1576         }
1577
1578         return byte_set_size;
1579 }
1580
1581 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1582 {
1583         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1584         const u8 *data = ws->sample;
1585
1586         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1587 }
1588
1589 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1590                                      struct heuristic_ws *ws)
1591 {
1592         struct page *page;
1593         u64 index, index_end;
1594         u32 i, curr_sample_pos;
1595         u8 *in_data;
1596
1597         /*
1598          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1599          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1600          *
1601          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1602          *
1603          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1604          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1605          */
1606         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1607                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1608
1609         index = start >> PAGE_SHIFT;
1610         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1611
1612         /* Don't miss unaligned end */
1613         if (!IS_ALIGNED(end, PAGE_SIZE))
1614                 index_end++;
1615
1616         curr_sample_pos = 0;
1617         while (index < index_end) {
1618                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1619                 in_data = kmap_local_page(page);
1620                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1621                 i = start % PAGE_SIZE;
1622                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1623                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1624                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1625                                 break;
1626                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1627                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1628                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1629                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1630                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1631                 }
1632                 kunmap_local(in_data);
1633                 put_page(page);
1634
1635                 index++;
1636         }
1637
1638         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1639 }
1640
1641 /*
1642  * Compression heuristic.
1643  *
1644  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1645  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1646  * (compressible/uncompressible) to avoid wasting CPU time on uncompressible
1647  * data.
1648  *
1649  * The following types of analysis can be performed:
1650  * - detect mostly zero data
1651  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1652  * - detect data with low/high "core byte" set
1653  *
1654  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1655  */
1656 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1657 {
1658         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1659         struct heuristic_ws *ws;
1660         u32 i;
1661         u8 byte;
1662         int ret = 0;
1663
1664         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1665
1666         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1667
1668         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1669                 ret = 1;
1670                 goto out;
1671         }
1672
1673         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1674
1675         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1676                 byte = ws->sample[i];
1677                 ws->bucket[byte].count++;
1678         }
1679
1680         i = byte_set_size(ws);
1681         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1682                 ret = 2;
1683                 goto out;
1684         }
1685
1686         i = byte_core_set_size(ws);
1687         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1688                 ret = 3;
1689                 goto out;
1690         }
1691
1692         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1693                 ret = 0;
1694                 goto out;
1695         }
1696
1697         i = shannon_entropy(ws);
1698         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1699                 ret = 4;
1700                 goto out;
1701         }
1702
1703         /*
1704          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1705          * needed to give green light to compression.
1706          *
1707          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1708          * resources because:
1709          *
1710          * 1. it is possible to defrag the data later
1711          *
1712          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1713          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1714          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1715          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1716          * pairs of bytes, which is too costly.
1717          */
1718         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1719                 ret = 5;
1720                 goto out;
1721         } else {
1722                 ret = 0;
1723                 goto out;
1724         }
1725
1726 out:
1727         put_workspace(0, ws_list);
1728         return ret;
1729 }
1730
1731 /*
1732  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1733  * level, unrecognized string will set the default level
1734  */
1735 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1736 {
1737         unsigned int level = 0;
1738         int ret;
1739
1740         if (!type)
1741                 return 0;
1742
1743         if (str[0] == ':') {
1744                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1745                 if (ret)
1746                         level = 0;
1747         }
1748
1749         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1750
1751         return level;
1752 }