btrfs: fix memory leaks after failure to lookup checksums during inode logging
[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 int zlib_compress_pages(struct list_head *ws, struct address_space *mapping,
33                 u64 start, struct page **pages, unsigned long *out_pages,
34                 unsigned long *total_in, unsigned long *total_out);
35 int zlib_decompress_bio(struct list_head *ws, struct compressed_bio *cb);
36 int zlib_decompress(struct list_head *ws, unsigned char *data_in,
37                 struct page *dest_page, unsigned long start_byte, size_t srclen,
38                 size_t destlen);
39 struct list_head *zlib_alloc_workspace(unsigned int level);
40 void zlib_free_workspace(struct list_head *ws);
41 struct list_head *zlib_get_workspace(unsigned int level);
42
43 int lzo_compress_pages(struct list_head *ws, struct address_space *mapping,
44                 u64 start, struct page **pages, unsigned long *out_pages,
45                 unsigned long *total_in, unsigned long *total_out);
46 int lzo_decompress_bio(struct list_head *ws, struct compressed_bio *cb);
47 int lzo_decompress(struct list_head *ws, unsigned char *data_in,
48                 struct page *dest_page, unsigned long start_byte, size_t srclen,
49                 size_t destlen);
50 struct list_head *lzo_alloc_workspace(unsigned int level);
51 void lzo_free_workspace(struct list_head *ws);
52
53 int zstd_compress_pages(struct list_head *ws, struct address_space *mapping,
54                 u64 start, struct page **pages, unsigned long *out_pages,
55                 unsigned long *total_in, unsigned long *total_out);
56 int zstd_decompress_bio(struct list_head *ws, struct compressed_bio *cb);
57 int zstd_decompress(struct list_head *ws, unsigned char *data_in,
58                 struct page *dest_page, unsigned long start_byte, size_t srclen,
59                 size_t destlen);
60 void zstd_init_workspace_manager(void);
61 void zstd_cleanup_workspace_manager(void);
62 struct list_head *zstd_alloc_workspace(unsigned int level);
63 void zstd_free_workspace(struct list_head *ws);
64 struct list_head *zstd_get_workspace(unsigned int level);
65 void zstd_put_workspace(struct list_head *ws);
66
67 static const char* const btrfs_compress_types[] = { "", "zlib", "lzo", "zstd" };
68
69 const char* btrfs_compress_type2str(enum btrfs_compression_type type)
70 {
71         switch (type) {
72         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
73         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
74         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
75         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
76                 return btrfs_compress_types[type];
77         default:
78                 break;
79         }
80
81         return NULL;
82 }
83
84 bool btrfs_compress_is_valid_type(const char *str, size_t len)
85 {
86         int i;
87
88         for (i = 1; i < ARRAY_SIZE(btrfs_compress_types); i++) {
89                 size_t comp_len = strlen(btrfs_compress_types[i]);
90
91                 if (len < comp_len)
92                         continue;
93
94                 if (!strncmp(btrfs_compress_types[i], str, comp_len))
95                         return true;
96         }
97         return false;
98 }
99
100 static int compression_compress_pages(int type, struct list_head *ws,
101                struct address_space *mapping, u64 start, struct page **pages,
102                unsigned long *out_pages, unsigned long *total_in,
103                unsigned long *total_out)
104 {
105         switch (type) {
106         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
107                 return zlib_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
108                                 out_pages, total_in, total_out);
109         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
110                 return lzo_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
111                                 out_pages, total_in, total_out);
112         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
113                 return zstd_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
114                                 out_pages, total_in, total_out);
115         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
116         default:
117                 /*
118                  * This can't happen, the type is validated several times
119                  * before we get here. As a sane fallback, return what the
120                  * callers will understand as 'no compression happened'.
121                  */
122                 return -E2BIG;
123         }
124 }
125
126 static int compression_decompress_bio(int type, struct list_head *ws,
127                 struct compressed_bio *cb)
128 {
129         switch (type) {
130         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress_bio(ws, cb);
131         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress_bio(ws, cb);
132         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress_bio(ws, cb);
133         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
134         default:
135                 /*
136                  * This can't happen, the type is validated several times
137                  * before we get here.
138                  */
139                 BUG();
140         }
141 }
142
143 static int compression_decompress(int type, struct list_head *ws,
144                unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
145                unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
146 {
147         switch (type) {
148         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress(ws, data_in, dest_page,
149                                                 start_byte, srclen, destlen);
150         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress(ws, data_in, dest_page,
151                                                 start_byte, srclen, destlen);
152         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress(ws, data_in, dest_page,
153                                                 start_byte, srclen, destlen);
154         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
155         default:
156                 /*
157                  * This can't happen, the type is validated several times
158                  * before we get here.
159                  */
160                 BUG();
161         }
162 }
163
164 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb);
165
166 static inline int compressed_bio_size(struct btrfs_fs_info *fs_info,
167                                       unsigned long disk_size)
168 {
169         u16 csum_size = btrfs_super_csum_size(fs_info->super_copy);
170
171         return sizeof(struct compressed_bio) +
172                 (DIV_ROUND_UP(disk_size, fs_info->sectorsize)) * csum_size;
173 }
174
175 static int check_compressed_csum(struct btrfs_inode *inode, struct bio *bio,
176                                  u64 disk_start)
177 {
178         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
179         SHASH_DESC_ON_STACK(shash, fs_info->csum_shash);
180         const u16 csum_size = btrfs_super_csum_size(fs_info->super_copy);
181         struct page *page;
182         unsigned long i;
183         char *kaddr;
184         u8 csum[BTRFS_CSUM_SIZE];
185         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
186         u8 *cb_sum = cb->sums;
187
188         if (inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM)
189                 return 0;
190
191         shash->tfm = fs_info->csum_shash;
192
193         for (i = 0; i < cb->nr_pages; i++) {
194                 page = cb->compressed_pages[i];
195
196                 kaddr = kmap_atomic(page);
197                 crypto_shash_digest(shash, kaddr, PAGE_SIZE, csum);
198                 kunmap_atomic(kaddr);
199
200                 if (memcmp(&csum, cb_sum, csum_size)) {
201                         btrfs_print_data_csum_error(inode, disk_start,
202                                         csum, cb_sum, cb->mirror_num);
203                         if (btrfs_io_bio(bio)->device)
204                                 btrfs_dev_stat_inc_and_print(
205                                         btrfs_io_bio(bio)->device,
206                                         BTRFS_DEV_STAT_CORRUPTION_ERRS);
207                         return -EIO;
208                 }
209                 cb_sum += csum_size;
210         }
211         return 0;
212 }
213
214 /* when we finish reading compressed pages from the disk, we
215  * decompress them and then run the bio end_io routines on the
216  * decompressed pages (in the inode address space).
217  *
218  * This allows the checksumming and other IO error handling routines
219  * to work normally
220  *
221  * The compressed pages are freed here, and it must be run
222  * in process context
223  */
224 static void end_compressed_bio_read(struct bio *bio)
225 {
226         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
227         struct inode *inode;
228         struct page *page;
229         unsigned long index;
230         unsigned int mirror = btrfs_io_bio(bio)->mirror_num;
231         int ret = 0;
232
233         if (bio->bi_status)
234                 cb->errors = 1;
235
236         /* if there are more bios still pending for this compressed
237          * extent, just exit
238          */
239         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
240                 goto out;
241
242         /*
243          * Record the correct mirror_num in cb->orig_bio so that
244          * read-repair can work properly.
245          */
246         btrfs_io_bio(cb->orig_bio)->mirror_num = mirror;
247         cb->mirror_num = mirror;
248
249         /*
250          * Some IO in this cb have failed, just skip checksum as there
251          * is no way it could be correct.
252          */
253         if (cb->errors == 1)
254                 goto csum_failed;
255
256         inode = cb->inode;
257         ret = check_compressed_csum(BTRFS_I(inode), bio,
258                                     (u64)bio->bi_iter.bi_sector << 9);
259         if (ret)
260                 goto csum_failed;
261
262         /* ok, we're the last bio for this extent, lets start
263          * the decompression.
264          */
265         ret = btrfs_decompress_bio(cb);
266
267 csum_failed:
268         if (ret)
269                 cb->errors = 1;
270
271         /* release the compressed pages */
272         index = 0;
273         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
274                 page = cb->compressed_pages[index];
275                 page->mapping = NULL;
276                 put_page(page);
277         }
278
279         /* do io completion on the original bio */
280         if (cb->errors) {
281                 bio_io_error(cb->orig_bio);
282         } else {
283                 struct bio_vec *bvec;
284                 struct bvec_iter_all iter_all;
285
286                 /*
287                  * we have verified the checksum already, set page
288                  * checked so the end_io handlers know about it
289                  */
290                 ASSERT(!bio_flagged(bio, BIO_CLONED));
291                 bio_for_each_segment_all(bvec, cb->orig_bio, iter_all)
292                         SetPageChecked(bvec->bv_page);
293
294                 bio_endio(cb->orig_bio);
295         }
296
297         /* finally free the cb struct */
298         kfree(cb->compressed_pages);
299         kfree(cb);
300 out:
301         bio_put(bio);
302 }
303
304 /*
305  * Clear the writeback bits on all of the file
306  * pages for a compressed write
307  */
308 static noinline void end_compressed_writeback(struct inode *inode,
309                                               const struct compressed_bio *cb)
310 {
311         unsigned long index = cb->start >> PAGE_SHIFT;
312         unsigned long end_index = (cb->start + cb->len - 1) >> PAGE_SHIFT;
313         struct page *pages[16];
314         unsigned long nr_pages = end_index - index + 1;
315         int i;
316         int ret;
317
318         if (cb->errors)
319                 mapping_set_error(inode->i_mapping, -EIO);
320
321         while (nr_pages > 0) {
322                 ret = find_get_pages_contig(inode->i_mapping, index,
323                                      min_t(unsigned long,
324                                      nr_pages, ARRAY_SIZE(pages)), pages);
325                 if (ret == 0) {
326                         nr_pages -= 1;
327                         index += 1;
328                         continue;
329                 }
330                 for (i = 0; i < ret; i++) {
331                         if (cb->errors)
332                                 SetPageError(pages[i]);
333                         end_page_writeback(pages[i]);
334                         put_page(pages[i]);
335                 }
336                 nr_pages -= ret;
337                 index += ret;
338         }
339         /* the inode may be gone now */
340 }
341
342 /*
343  * do the cleanup once all the compressed pages hit the disk.
344  * This will clear writeback on the file pages and free the compressed
345  * pages.
346  *
347  * This also calls the writeback end hooks for the file pages so that
348  * metadata and checksums can be updated in the file.
349  */
350 static void end_compressed_bio_write(struct bio *bio)
351 {
352         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
353         struct inode *inode;
354         struct page *page;
355         unsigned long index;
356
357         if (bio->bi_status)
358                 cb->errors = 1;
359
360         /* if there are more bios still pending for this compressed
361          * extent, just exit
362          */
363         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
364                 goto out;
365
366         /* ok, we're the last bio for this extent, step one is to
367          * call back into the FS and do all the end_io operations
368          */
369         inode = cb->inode;
370         cb->compressed_pages[0]->mapping = cb->inode->i_mapping;
371         btrfs_writepage_endio_finish_ordered(cb->compressed_pages[0],
372                         cb->start, cb->start + cb->len - 1,
373                         bio->bi_status == BLK_STS_OK);
374         cb->compressed_pages[0]->mapping = NULL;
375
376         end_compressed_writeback(inode, cb);
377         /* note, our inode could be gone now */
378
379         /*
380          * release the compressed pages, these came from alloc_page and
381          * are not attached to the inode at all
382          */
383         index = 0;
384         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
385                 page = cb->compressed_pages[index];
386                 page->mapping = NULL;
387                 put_page(page);
388         }
389
390         /* finally free the cb struct */
391         kfree(cb->compressed_pages);
392         kfree(cb);
393 out:
394         bio_put(bio);
395 }
396
397 /*
398  * worker function to build and submit bios for previously compressed pages.
399  * The corresponding pages in the inode should be marked for writeback
400  * and the compressed pages should have a reference on them for dropping
401  * when the IO is complete.
402  *
403  * This also checksums the file bytes and gets things ready for
404  * the end io hooks.
405  */
406 blk_status_t btrfs_submit_compressed_write(struct btrfs_inode *inode, u64 start,
407                                  unsigned long len, u64 disk_start,
408                                  unsigned long compressed_len,
409                                  struct page **compressed_pages,
410                                  unsigned long nr_pages,
411                                  unsigned int write_flags,
412                                  struct cgroup_subsys_state *blkcg_css)
413 {
414         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
415         struct bio *bio = NULL;
416         struct compressed_bio *cb;
417         unsigned long bytes_left;
418         int pg_index = 0;
419         struct page *page;
420         u64 first_byte = disk_start;
421         blk_status_t ret;
422         int skip_sum = inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM;
423
424         WARN_ON(!PAGE_ALIGNED(start));
425         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
426         if (!cb)
427                 return BLK_STS_RESOURCE;
428         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
429         cb->errors = 0;
430         cb->inode = &inode->vfs_inode;
431         cb->start = start;
432         cb->len = len;
433         cb->mirror_num = 0;
434         cb->compressed_pages = compressed_pages;
435         cb->compressed_len = compressed_len;
436         cb->orig_bio = NULL;
437         cb->nr_pages = nr_pages;
438
439         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
440         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
441         bio->bi_private = cb;
442         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
443
444         if (blkcg_css) {
445                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
446                 kthread_associate_blkcg(blkcg_css);
447         }
448         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
449
450         /* create and submit bios for the compressed pages */
451         bytes_left = compressed_len;
452         for (pg_index = 0; pg_index < cb->nr_pages; pg_index++) {
453                 int submit = 0;
454
455                 page = compressed_pages[pg_index];
456                 page->mapping = inode->vfs_inode.i_mapping;
457                 if (bio->bi_iter.bi_size)
458                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, PAGE_SIZE, bio,
459                                                           0);
460
461                 page->mapping = NULL;
462                 if (submit || bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0) <
463                     PAGE_SIZE) {
464                         /*
465                          * inc the count before we submit the bio so
466                          * we know the end IO handler won't happen before
467                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
468                          * freed before we're done setting it up
469                          */
470                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
471                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio,
472                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
473                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
474
475                         if (!skip_sum) {
476                                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
477                                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
478                         }
479
480                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
481                         if (ret) {
482                                 bio->bi_status = ret;
483                                 bio_endio(bio);
484                         }
485
486                         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
487                         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
488                         bio->bi_private = cb;
489                         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
490                         if (blkcg_css)
491                                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
492                         bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0);
493                 }
494                 if (bytes_left < PAGE_SIZE) {
495                         btrfs_info(fs_info,
496                                         "bytes left %lu compress len %lu nr %lu",
497                                bytes_left, cb->compressed_len, cb->nr_pages);
498                 }
499                 bytes_left -= PAGE_SIZE;
500                 first_byte += PAGE_SIZE;
501                 cond_resched();
502         }
503
504         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
505         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
506
507         if (!skip_sum) {
508                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
509                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
510         }
511
512         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
513         if (ret) {
514                 bio->bi_status = ret;
515                 bio_endio(bio);
516         }
517
518         if (blkcg_css)
519                 kthread_associate_blkcg(NULL);
520
521         return 0;
522 }
523
524 static u64 bio_end_offset(struct bio *bio)
525 {
526         struct bio_vec *last = bio_last_bvec_all(bio);
527
528         return page_offset(last->bv_page) + last->bv_len + last->bv_offset;
529 }
530
531 static noinline int add_ra_bio_pages(struct inode *inode,
532                                      u64 compressed_end,
533                                      struct compressed_bio *cb)
534 {
535         unsigned long end_index;
536         unsigned long pg_index;
537         u64 last_offset;
538         u64 isize = i_size_read(inode);
539         int ret;
540         struct page *page;
541         unsigned long nr_pages = 0;
542         struct extent_map *em;
543         struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
544         struct extent_map_tree *em_tree;
545         struct extent_io_tree *tree;
546         u64 end;
547         int misses = 0;
548
549         last_offset = bio_end_offset(cb->orig_bio);
550         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
551         tree = &BTRFS_I(inode)->io_tree;
552
553         if (isize == 0)
554                 return 0;
555
556         end_index = (i_size_read(inode) - 1) >> PAGE_SHIFT;
557
558         while (last_offset < compressed_end) {
559                 pg_index = last_offset >> PAGE_SHIFT;
560
561                 if (pg_index > end_index)
562                         break;
563
564                 page = xa_load(&mapping->i_pages, pg_index);
565                 if (page && !xa_is_value(page)) {
566                         misses++;
567                         if (misses > 4)
568                                 break;
569                         goto next;
570                 }
571
572                 page = __page_cache_alloc(mapping_gfp_constraint(mapping,
573                                                                  ~__GFP_FS));
574                 if (!page)
575                         break;
576
577                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, pg_index, GFP_NOFS)) {
578                         put_page(page);
579                         goto next;
580                 }
581
582                 end = last_offset + PAGE_SIZE - 1;
583                 /*
584                  * at this point, we have a locked page in the page cache
585                  * for these bytes in the file.  But, we have to make
586                  * sure they map to this compressed extent on disk.
587                  */
588                 set_page_extent_mapped(page);
589                 lock_extent(tree, last_offset, end);
590                 read_lock(&em_tree->lock);
591                 em = lookup_extent_mapping(em_tree, last_offset,
592                                            PAGE_SIZE);
593                 read_unlock(&em_tree->lock);
594
595                 if (!em || last_offset < em->start ||
596                     (last_offset + PAGE_SIZE > extent_map_end(em)) ||
597                     (em->block_start >> 9) != cb->orig_bio->bi_iter.bi_sector) {
598                         free_extent_map(em);
599                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
600                         unlock_page(page);
601                         put_page(page);
602                         break;
603                 }
604                 free_extent_map(em);
605
606                 if (page->index == end_index) {
607                         char *userpage;
608                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
609
610                         if (zero_offset) {
611                                 int zeros;
612                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
613                                 userpage = kmap_atomic(page);
614                                 memset(userpage + zero_offset, 0, zeros);
615                                 flush_dcache_page(page);
616                                 kunmap_atomic(userpage);
617                         }
618                 }
619
620                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page,
621                                    PAGE_SIZE, 0);
622
623                 if (ret == PAGE_SIZE) {
624                         nr_pages++;
625                         put_page(page);
626                 } else {
627                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
628                         unlock_page(page);
629                         put_page(page);
630                         break;
631                 }
632 next:
633                 last_offset += PAGE_SIZE;
634         }
635         return 0;
636 }
637
638 /*
639  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
640  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
641  * to hold the compressed pages on disk.
642  *
643  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
644  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
645  *
646  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
647  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
648  */
649 blk_status_t btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
650                                  int mirror_num, unsigned long bio_flags)
651 {
652         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
653         struct extent_map_tree *em_tree;
654         struct compressed_bio *cb;
655         unsigned long compressed_len;
656         unsigned long nr_pages;
657         unsigned long pg_index;
658         struct page *page;
659         struct bio *comp_bio;
660         u64 cur_disk_byte = (u64)bio->bi_iter.bi_sector << 9;
661         u64 em_len;
662         u64 em_start;
663         struct extent_map *em;
664         blk_status_t ret = BLK_STS_RESOURCE;
665         int faili = 0;
666         const u16 csum_size = btrfs_super_csum_size(fs_info->super_copy);
667         u8 *sums;
668
669         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
670
671         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
672         read_lock(&em_tree->lock);
673         em = lookup_extent_mapping(em_tree,
674                                    page_offset(bio_first_page_all(bio)),
675                                    PAGE_SIZE);
676         read_unlock(&em_tree->lock);
677         if (!em)
678                 return BLK_STS_IOERR;
679
680         compressed_len = em->block_len;
681         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
682         if (!cb)
683                 goto out;
684
685         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
686         cb->errors = 0;
687         cb->inode = inode;
688         cb->mirror_num = mirror_num;
689         sums = cb->sums;
690
691         cb->start = em->orig_start;
692         em_len = em->len;
693         em_start = em->start;
694
695         free_extent_map(em);
696         em = NULL;
697
698         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
699         cb->compressed_len = compressed_len;
700         cb->compress_type = extent_compress_type(bio_flags);
701         cb->orig_bio = bio;
702
703         nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
704         cb->compressed_pages = kcalloc(nr_pages, sizeof(struct page *),
705                                        GFP_NOFS);
706         if (!cb->compressed_pages)
707                 goto fail1;
708
709         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
710                 cb->compressed_pages[pg_index] = alloc_page(GFP_NOFS |
711                                                               __GFP_HIGHMEM);
712                 if (!cb->compressed_pages[pg_index]) {
713                         faili = pg_index - 1;
714                         ret = BLK_STS_RESOURCE;
715                         goto fail2;
716                 }
717         }
718         faili = nr_pages - 1;
719         cb->nr_pages = nr_pages;
720
721         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb);
722
723         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
724         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
725
726         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
727         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
728         comp_bio->bi_private = cb;
729         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
730         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
731
732         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
733                 int submit = 0;
734
735                 page = cb->compressed_pages[pg_index];
736                 page->mapping = inode->i_mapping;
737                 page->index = em_start >> PAGE_SHIFT;
738
739                 if (comp_bio->bi_iter.bi_size)
740                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, PAGE_SIZE,
741                                                           comp_bio, 0);
742
743                 page->mapping = NULL;
744                 if (submit || bio_add_page(comp_bio, page, PAGE_SIZE, 0) <
745                     PAGE_SIZE) {
746                         unsigned int nr_sectors;
747
748                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio,
749                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
750                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
751
752                         /*
753                          * inc the count before we submit the bio so
754                          * we know the end IO handler won't happen before
755                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
756                          * freed before we're done setting it up
757                          */
758                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
759
760                         if (!(BTRFS_I(inode)->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM)) {
761                                 ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio,
762                                                             (u64)-1, sums);
763                                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
764                         }
765
766                         nr_sectors = DIV_ROUND_UP(comp_bio->bi_iter.bi_size,
767                                                   fs_info->sectorsize);
768                         sums += csum_size * nr_sectors;
769
770                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
771                         if (ret) {
772                                 comp_bio->bi_status = ret;
773                                 bio_endio(comp_bio);
774                         }
775
776                         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
777                         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
778                         comp_bio->bi_private = cb;
779                         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
780
781                         bio_add_page(comp_bio, page, PAGE_SIZE, 0);
782                 }
783                 cur_disk_byte += PAGE_SIZE;
784         }
785
786         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
787         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
788
789         if (!(BTRFS_I(inode)->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM)) {
790                 ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, (u64)-1, sums);
791                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
792         }
793
794         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
795         if (ret) {
796                 comp_bio->bi_status = ret;
797                 bio_endio(comp_bio);
798         }
799
800         return 0;
801
802 fail2:
803         while (faili >= 0) {
804                 __free_page(cb->compressed_pages[faili]);
805                 faili--;
806         }
807
808         kfree(cb->compressed_pages);
809 fail1:
810         kfree(cb);
811 out:
812         free_extent_map(em);
813         return ret;
814 }
815
816 /*
817  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
818  * range, the logic can be tuned by the following constants:
819  *
820  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
821  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
822  */
823 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
824 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
825
826 /*
827  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
828  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
829  * many times the object appeared in the sample.
830  */
831 #define BUCKET_SIZE             (256)
832
833 /*
834  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
835  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
836  * elements in each cell is at least 5.
837  *
838  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
839  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
840  * sample size bound by 8192.
841  *
842  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
843  * from up to 512 locations.
844  */
845 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
846                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
847
848 struct bucket_item {
849         u32 count;
850 };
851
852 struct heuristic_ws {
853         /* Partial copy of input data */
854         u8 *sample;
855         u32 sample_size;
856         /* Buckets store counters for each byte value */
857         struct bucket_item *bucket;
858         /* Sorting buffer */
859         struct bucket_item *bucket_b;
860         struct list_head list;
861 };
862
863 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
864
865 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
866 {
867         struct heuristic_ws *workspace;
868
869         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
870
871         kvfree(workspace->sample);
872         kfree(workspace->bucket);
873         kfree(workspace->bucket_b);
874         kfree(workspace);
875 }
876
877 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
878 {
879         struct heuristic_ws *ws;
880
881         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
882         if (!ws)
883                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
884
885         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
886         if (!ws->sample)
887                 goto fail;
888
889         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
890         if (!ws->bucket)
891                 goto fail;
892
893         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
894         if (!ws->bucket_b)
895                 goto fail;
896
897         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
898         return &ws->list;
899 fail:
900         free_heuristic_ws(&ws->list);
901         return ERR_PTR(-ENOMEM);
902 }
903
904 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
905         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
906 };
907
908 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
909         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
910         &btrfs_heuristic_compress,
911         &btrfs_zlib_compress,
912         &btrfs_lzo_compress,
913         &btrfs_zstd_compress,
914 };
915
916 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
917 {
918         switch (type) {
919         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
920         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
921         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
922         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
923         default:
924                 /*
925                  * This can't happen, the type is validated several times
926                  * before we get here.
927                  */
928                 BUG();
929         }
930 }
931
932 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
933 {
934         switch (type) {
935         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
936         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
937         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
938         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
939         default:
940                 /*
941                  * This can't happen, the type is validated several times
942                  * before we get here.
943                  */
944                 BUG();
945         }
946 }
947
948 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
949 {
950         struct workspace_manager *wsm;
951         struct list_head *workspace;
952
953         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
954         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
955         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
956         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
957         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
958
959         /*
960          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
961          * guarantee forward progress in the worst case
962          */
963         workspace = alloc_workspace(type, 0);
964         if (IS_ERR(workspace)) {
965                 pr_warn(
966         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
967         } else {
968                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
969                 wsm->free_ws = 1;
970                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
971         }
972 }
973
974 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
975 {
976         struct workspace_manager *wsman;
977         struct list_head *ws;
978
979         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
980         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
981                 ws = wsman->idle_ws.next;
982                 list_del(ws);
983                 free_workspace(type, ws);
984                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
985         }
986 }
987
988 /*
989  * This finds an available workspace or allocates a new one.
990  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
991  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
992  * errors.
993  */
994 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
995 {
996         struct workspace_manager *wsm;
997         struct list_head *workspace;
998         int cpus = num_online_cpus();
999         unsigned nofs_flag;
1000         struct list_head *idle_ws;
1001         spinlock_t *ws_lock;
1002         atomic_t *total_ws;
1003         wait_queue_head_t *ws_wait;
1004         int *free_ws;
1005
1006         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1007         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1008         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1009         total_ws = &wsm->total_ws;
1010         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1011         free_ws  = &wsm->free_ws;
1012
1013 again:
1014         spin_lock(ws_lock);
1015         if (!list_empty(idle_ws)) {
1016                 workspace = idle_ws->next;
1017                 list_del(workspace);
1018                 (*free_ws)--;
1019                 spin_unlock(ws_lock);
1020                 return workspace;
1021
1022         }
1023         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
1024                 DEFINE_WAIT(wait);
1025
1026                 spin_unlock(ws_lock);
1027                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1028                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
1029                         schedule();
1030                 finish_wait(ws_wait, &wait);
1031                 goto again;
1032         }
1033         atomic_inc(total_ws);
1034         spin_unlock(ws_lock);
1035
1036         /*
1037          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
1038          * to turn it off here because we might get called from the restricted
1039          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
1040          */
1041         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
1042         workspace = alloc_workspace(type, level);
1043         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
1044
1045         if (IS_ERR(workspace)) {
1046                 atomic_dec(total_ws);
1047                 wake_up(ws_wait);
1048
1049                 /*
1050                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
1051                  * workspace preallocated for each type and the compression
1052                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
1053                  * makes our caller's life easier.
1054                  *
1055                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
1056                  * initial preallocation fails), check if there are any
1057                  * workspaces at all.
1058                  */
1059                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
1060                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
1061                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
1062                                         /* no burst */ 1);
1063
1064                         if (__ratelimit(&_rs)) {
1065                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
1066                         }
1067                 }
1068                 goto again;
1069         }
1070         return workspace;
1071 }
1072
1073 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
1074 {
1075         switch (type) {
1076         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
1077         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
1078         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
1079         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
1080         default:
1081                 /*
1082                  * This can't happen, the type is validated several times
1083                  * before we get here.
1084                  */
1085                 BUG();
1086         }
1087 }
1088
1089 /*
1090  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
1091  * idle ones sitting around
1092  */
1093 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1094 {
1095         struct workspace_manager *wsm;
1096         struct list_head *idle_ws;
1097         spinlock_t *ws_lock;
1098         atomic_t *total_ws;
1099         wait_queue_head_t *ws_wait;
1100         int *free_ws;
1101
1102         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1103         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1104         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1105         total_ws = &wsm->total_ws;
1106         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1107         free_ws  = &wsm->free_ws;
1108
1109         spin_lock(ws_lock);
1110         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1111                 list_add(ws, idle_ws);
1112                 (*free_ws)++;
1113                 spin_unlock(ws_lock);
1114                 goto wake;
1115         }
1116         spin_unlock(ws_lock);
1117
1118         free_workspace(type, ws);
1119         atomic_dec(total_ws);
1120 wake:
1121         cond_wake_up(ws_wait);
1122 }
1123
1124 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1125 {
1126         switch (type) {
1127         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1128         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1129         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1130         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1131         default:
1132                 /*
1133                  * This can't happen, the type is validated several times
1134                  * before we get here.
1135                  */
1136                 BUG();
1137         }
1138 }
1139
1140 /*
1141  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1142  * fallback to default
1143  */
1144 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1145 {
1146         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1147
1148         if (level == 0)
1149                 level = ops->default_level;
1150         else
1151                 level = min(level, ops->max_level);
1152
1153         return level;
1154 }
1155
1156 /*
1157  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1158  * that are allocated on demand.
1159  *
1160  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1161  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1162  * - compression algo are 0-3
1163  * - the level are bits 4-7
1164  *
1165  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1166  * and returns number of actually allocated pages
1167  *
1168  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1169  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1170  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1171  * max_out threshold.
1172  *
1173  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1174  * be also used to return the total number of compressed bytes
1175  *
1176  * @max_out tells us the max number of bytes that we're allowed to
1177  * stuff into pages
1178  */
1179 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1180                          u64 start, struct page **pages,
1181                          unsigned long *out_pages,
1182                          unsigned long *total_in,
1183                          unsigned long *total_out)
1184 {
1185         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1186         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1187         struct list_head *workspace;
1188         int ret;
1189
1190         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1191         workspace = get_workspace(type, level);
1192         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1193                                          out_pages, total_in, total_out);
1194         put_workspace(type, workspace);
1195         return ret;
1196 }
1197
1198 /*
1199  * pages_in is an array of pages with compressed data.
1200  *
1201  * disk_start is the starting logical offset of this array in the file
1202  *
1203  * orig_bio contains the pages from the file that we want to decompress into
1204  *
1205  * srclen is the number of bytes in pages_in
1206  *
1207  * The basic idea is that we have a bio that was created by readpages.
1208  * The pages in the bio are for the uncompressed data, and they may not
1209  * be contiguous.  They all correspond to the range of bytes covered by
1210  * the compressed extent.
1211  */
1212 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1213 {
1214         struct list_head *workspace;
1215         int ret;
1216         int type = cb->compress_type;
1217
1218         workspace = get_workspace(type, 0);
1219         ret = compression_decompress_bio(type, workspace, cb);
1220         put_workspace(type, workspace);
1221
1222         return ret;
1223 }
1224
1225 /*
1226  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1227  * single page, and we want to read a single page out of it.
1228  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1229  */
1230 int btrfs_decompress(int type, unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
1231                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1232 {
1233         struct list_head *workspace;
1234         int ret;
1235
1236         workspace = get_workspace(type, 0);
1237         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1238                                      start_byte, srclen, destlen);
1239         put_workspace(type, workspace);
1240
1241         return ret;
1242 }
1243
1244 void __init btrfs_init_compress(void)
1245 {
1246         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1247         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1248         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1249         zstd_init_workspace_manager();
1250 }
1251
1252 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1253 {
1254         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1255         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1256         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1257         zstd_cleanup_workspace_manager();
1258 }
1259
1260 /*
1261  * Copy uncompressed data from working buffer to pages.
1262  *
1263  * buf_start is the byte offset we're of the start of our workspace buffer.
1264  *
1265  * total_out is the last byte of the buffer
1266  */
1267 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, unsigned long buf_start,
1268                               unsigned long total_out, u64 disk_start,
1269                               struct bio *bio)
1270 {
1271         unsigned long buf_offset;
1272         unsigned long current_buf_start;
1273         unsigned long start_byte;
1274         unsigned long prev_start_byte;
1275         unsigned long working_bytes = total_out - buf_start;
1276         unsigned long bytes;
1277         char *kaddr;
1278         struct bio_vec bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1279
1280         /*
1281          * start byte is the first byte of the page we're currently
1282          * copying into relative to the start of the compressed data.
1283          */
1284         start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1285
1286         /* we haven't yet hit data corresponding to this page */
1287         if (total_out <= start_byte)
1288                 return 1;
1289
1290         /*
1291          * the start of the data we care about is offset into
1292          * the middle of our working buffer
1293          */
1294         if (total_out > start_byte && buf_start < start_byte) {
1295                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1296                 working_bytes -= buf_offset;
1297         } else {
1298                 buf_offset = 0;
1299         }
1300         current_buf_start = buf_start;
1301
1302         /* copy bytes from the working buffer into the pages */
1303         while (working_bytes > 0) {
1304                 bytes = min_t(unsigned long, bvec.bv_len,
1305                                 PAGE_SIZE - (buf_offset % PAGE_SIZE));
1306                 bytes = min(bytes, working_bytes);
1307
1308                 kaddr = kmap_atomic(bvec.bv_page);
1309                 memcpy(kaddr + bvec.bv_offset, buf + buf_offset, bytes);
1310                 kunmap_atomic(kaddr);
1311                 flush_dcache_page(bvec.bv_page);
1312
1313                 buf_offset += bytes;
1314                 working_bytes -= bytes;
1315                 current_buf_start += bytes;
1316
1317                 /* check if we need to pick another page */
1318                 bio_advance(bio, bytes);
1319                 if (!bio->bi_iter.bi_size)
1320                         return 0;
1321                 bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1322                 prev_start_byte = start_byte;
1323                 start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1324
1325                 /*
1326                  * We need to make sure we're only adjusting
1327                  * our offset into compression working buffer when
1328                  * we're switching pages.  Otherwise we can incorrectly
1329                  * keep copying when we were actually done.
1330                  */
1331                 if (start_byte != prev_start_byte) {
1332                         /*
1333                          * make sure our new page is covered by this
1334                          * working buffer
1335                          */
1336                         if (total_out <= start_byte)
1337                                 return 1;
1338
1339                         /*
1340                          * the next page in the biovec might not be adjacent
1341                          * to the last page, but it might still be found
1342                          * inside this working buffer. bump our offset pointer
1343                          */
1344                         if (total_out > start_byte &&
1345                             current_buf_start < start_byte) {
1346                                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1347                                 working_bytes = total_out - start_byte;
1348                                 current_buf_start = buf_start + buf_offset;
1349                         }
1350                 }
1351         }
1352
1353         return 1;
1354 }
1355
1356 /*
1357  * Shannon Entropy calculation
1358  *
1359  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1360  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1361  * needed to encode the sampled data.
1362  *
1363  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1364  * bits directly.
1365  *
1366  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1367  *                          and can be compressible with high probability
1368  *
1369  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1370  *
1371  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1372  */
1373 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1374 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1375
1376 /*
1377  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1378  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1379  *
1380  * - maximum int bit length is 64
1381  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1382  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1383  *
1384  * So use pow(n, 4).
1385  */
1386 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1387 {
1388         return ilog2(n * n * n * n);
1389 }
1390
1391 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1392 {
1393         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1394         u32 entropy_sum = 0;
1395         u32 p, p_base, sz_base;
1396         u32 i;
1397
1398         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1399         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1400                 p = ws->bucket[i].count;
1401                 p_base = ilog2_w(p);
1402                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1403         }
1404
1405         entropy_sum /= ws->sample_size;
1406         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1407 }
1408
1409 #define RADIX_BASE              4U
1410 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1411
1412 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1413         u8 low4bits;
1414
1415         num >>= shift;
1416         /* Reverse order */
1417         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1418         return low4bits;
1419 }
1420
1421 /*
1422  * Use 4 bits as radix base
1423  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1424  *
1425  * @array     - array that will be sorted
1426  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1427  *              must be equal in size to @array
1428  * @num       - array size
1429  */
1430 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1431                        int num)
1432 {
1433         u64 max_num;
1434         u64 buf_num;
1435         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1436         u32 new_addr;
1437         u32 addr;
1438         int bitlen;
1439         int shift;
1440         int i;
1441
1442         /*
1443          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1444          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1445          */
1446         max_num = array[0].count;
1447         for (i = 1; i < num; i++) {
1448                 buf_num = array[i].count;
1449                 if (buf_num > max_num)
1450                         max_num = buf_num;
1451         }
1452
1453         buf_num = ilog2(max_num);
1454         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1455
1456         shift = 0;
1457         while (shift < bitlen) {
1458                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1459
1460                 for (i = 0; i < num; i++) {
1461                         buf_num = array[i].count;
1462                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1463                         counters[addr]++;
1464                 }
1465
1466                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1467                         counters[i] += counters[i - 1];
1468
1469                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1470                         buf_num = array[i].count;
1471                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1472                         counters[addr]--;
1473                         new_addr = counters[addr];
1474                         array_buf[new_addr] = array[i];
1475                 }
1476
1477                 shift += RADIX_BASE;
1478
1479                 /*
1480                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1481                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1482                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1483                  * memcpy()
1484                  */
1485                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1486
1487                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1488                         buf_num = array_buf[i].count;
1489                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1490                         counters[addr]++;
1491                 }
1492
1493                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1494                         counters[i] += counters[i - 1];
1495
1496                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1497                         buf_num = array_buf[i].count;
1498                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1499                         counters[addr]--;
1500                         new_addr = counters[addr];
1501                         array[new_addr] = array_buf[i];
1502                 }
1503
1504                 shift += RADIX_BASE;
1505         }
1506 }
1507
1508 /*
1509  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1510  *
1511  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1512  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1513  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1514  *
1515  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1516  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1517  * how much.
1518  *
1519  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1520  *                       compression algo can easy fix that
1521  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1522  *                       probability is not compressible
1523  */
1524 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1525 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1526
1527 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1528 {
1529         u32 i;
1530         u32 coreset_sum = 0;
1531         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1532         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1533
1534         /* Sort in reverse order */
1535         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1536
1537         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1538                 coreset_sum += bucket[i].count;
1539
1540         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1541                 return i;
1542
1543         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1544                 coreset_sum += bucket[i].count;
1545                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1546                         break;
1547         }
1548
1549         return i;
1550 }
1551
1552 /*
1553  * Count byte values in buckets.
1554  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1555  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1556  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1557  * compress.
1558  *
1559  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1560  *      less - compressible
1561  *      more - need additional analysis
1562  */
1563 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1564
1565 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1566 {
1567         u32 i;
1568         u32 byte_set_size = 0;
1569
1570         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1571                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1572                         byte_set_size++;
1573         }
1574
1575         /*
1576          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1577          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1578          * the detection technique would fail for this type of data.
1579          */
1580         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1581                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1582                         byte_set_size++;
1583                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1584                                 return byte_set_size;
1585                 }
1586         }
1587
1588         return byte_set_size;
1589 }
1590
1591 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1592 {
1593         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1594         const u8 *data = ws->sample;
1595
1596         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1597 }
1598
1599 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1600                                      struct heuristic_ws *ws)
1601 {
1602         struct page *page;
1603         u64 index, index_end;
1604         u32 i, curr_sample_pos;
1605         u8 *in_data;
1606
1607         /*
1608          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1609          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1610          *
1611          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1612          *
1613          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1614          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1615          */
1616         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1617                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1618
1619         index = start >> PAGE_SHIFT;
1620         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1621
1622         /* Don't miss unaligned end */
1623         if (!IS_ALIGNED(end, PAGE_SIZE))
1624                 index_end++;
1625
1626         curr_sample_pos = 0;
1627         while (index < index_end) {
1628                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1629                 in_data = kmap(page);
1630                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1631                 i = start % PAGE_SIZE;
1632                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1633                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1634                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1635                                 break;
1636                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1637                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1638                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1639                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1640                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1641                 }
1642                 kunmap(page);
1643                 put_page(page);
1644
1645                 index++;
1646         }
1647
1648         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1649 }
1650
1651 /*
1652  * Compression heuristic.
1653  *
1654  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1655  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1656  * (compressible/uncompressible) to avoid wasting CPU time on uncompressible
1657  * data.
1658  *
1659  * The following types of analysis can be performed:
1660  * - detect mostly zero data
1661  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1662  * - detect data with low/high "core byte" set
1663  *
1664  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1665  */
1666 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1667 {
1668         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1669         struct heuristic_ws *ws;
1670         u32 i;
1671         u8 byte;
1672         int ret = 0;
1673
1674         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1675
1676         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1677
1678         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1679                 ret = 1;
1680                 goto out;
1681         }
1682
1683         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1684
1685         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1686                 byte = ws->sample[i];
1687                 ws->bucket[byte].count++;
1688         }
1689
1690         i = byte_set_size(ws);
1691         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1692                 ret = 2;
1693                 goto out;
1694         }
1695
1696         i = byte_core_set_size(ws);
1697         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1698                 ret = 3;
1699                 goto out;
1700         }
1701
1702         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1703                 ret = 0;
1704                 goto out;
1705         }
1706
1707         i = shannon_entropy(ws);
1708         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1709                 ret = 4;
1710                 goto out;
1711         }
1712
1713         /*
1714          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1715          * needed to give green light to compression.
1716          *
1717          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1718          * resources because:
1719          *
1720          * 1. it is possible to defrag the data later
1721          *
1722          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1723          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1724          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1725          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1726          * pairs of bytes, which is too costly.
1727          */
1728         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1729                 ret = 5;
1730                 goto out;
1731         } else {
1732                 ret = 0;
1733                 goto out;
1734         }
1735
1736 out:
1737         put_workspace(0, ws_list);
1738         return ret;
1739 }
1740
1741 /*
1742  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1743  * level, unrecognized string will set the default level
1744  */
1745 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1746 {
1747         unsigned int level = 0;
1748         int ret;
1749
1750         if (!type)
1751                 return 0;
1752
1753         if (str[0] == ':') {
1754                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1755                 if (ret)
1756                         level = 0;
1757         }
1758
1759         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1760
1761         return level;
1762 }