arm64: dts: freescale: sl28: var4: fix RGMII clock and voltage
[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                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
595
596                         if (zero_offset) {
597                                 int zeros;
598                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
599                                 memzero_page(page, zero_offset, zeros);
600                                 flush_dcache_page(page);
601                         }
602                 }
603
604                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page,
605                                    PAGE_SIZE, 0);
606
607                 if (ret == PAGE_SIZE) {
608                         nr_pages++;
609                         put_page(page);
610                 } else {
611                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
612                         unlock_page(page);
613                         put_page(page);
614                         break;
615                 }
616 next:
617                 last_offset += PAGE_SIZE;
618         }
619         return 0;
620 }
621
622 /*
623  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
624  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
625  * to hold the compressed pages on disk.
626  *
627  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
628  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
629  *
630  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
631  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
632  */
633 blk_status_t btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
634                                  int mirror_num, unsigned long bio_flags)
635 {
636         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
637         struct extent_map_tree *em_tree;
638         struct compressed_bio *cb;
639         unsigned long compressed_len;
640         unsigned long nr_pages;
641         unsigned long pg_index;
642         struct page *page;
643         struct bio *comp_bio;
644         u64 cur_disk_byte = bio->bi_iter.bi_sector << 9;
645         u64 em_len;
646         u64 em_start;
647         struct extent_map *em;
648         blk_status_t ret = BLK_STS_RESOURCE;
649         int faili = 0;
650         u8 *sums;
651
652         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
653
654         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
655         read_lock(&em_tree->lock);
656         em = lookup_extent_mapping(em_tree,
657                                    page_offset(bio_first_page_all(bio)),
658                                    fs_info->sectorsize);
659         read_unlock(&em_tree->lock);
660         if (!em)
661                 return BLK_STS_IOERR;
662
663         compressed_len = em->block_len;
664         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
665         if (!cb)
666                 goto out;
667
668         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
669         cb->errors = 0;
670         cb->inode = inode;
671         cb->mirror_num = mirror_num;
672         sums = cb->sums;
673
674         cb->start = em->orig_start;
675         em_len = em->len;
676         em_start = em->start;
677
678         free_extent_map(em);
679         em = NULL;
680
681         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
682         cb->compressed_len = compressed_len;
683         cb->compress_type = extent_compress_type(bio_flags);
684         cb->orig_bio = bio;
685
686         nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
687         cb->compressed_pages = kcalloc(nr_pages, sizeof(struct page *),
688                                        GFP_NOFS);
689         if (!cb->compressed_pages)
690                 goto fail1;
691
692         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
693                 cb->compressed_pages[pg_index] = alloc_page(GFP_NOFS |
694                                                               __GFP_HIGHMEM);
695                 if (!cb->compressed_pages[pg_index]) {
696                         faili = pg_index - 1;
697                         ret = BLK_STS_RESOURCE;
698                         goto fail2;
699                 }
700         }
701         faili = nr_pages - 1;
702         cb->nr_pages = nr_pages;
703
704         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb);
705
706         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
707         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
708
709         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
710         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
711         comp_bio->bi_private = cb;
712         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
713         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
714
715         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
716                 u32 pg_len = PAGE_SIZE;
717                 int submit = 0;
718
719                 /*
720                  * To handle subpage case, we need to make sure the bio only
721                  * covers the range we need.
722                  *
723                  * If we're at the last page, truncate the length to only cover
724                  * the remaining part.
725                  */
726                 if (pg_index == nr_pages - 1)
727                         pg_len = min_t(u32, PAGE_SIZE,
728                                         compressed_len - pg_index * PAGE_SIZE);
729
730                 page = cb->compressed_pages[pg_index];
731                 page->mapping = inode->i_mapping;
732                 page->index = em_start >> PAGE_SHIFT;
733
734                 if (comp_bio->bi_iter.bi_size)
735                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, pg_len,
736                                                           comp_bio, 0);
737
738                 page->mapping = NULL;
739                 if (submit || bio_add_page(comp_bio, page, pg_len, 0) < pg_len) {
740                         unsigned int nr_sectors;
741
742                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio,
743                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
744                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
745
746                         /*
747                          * inc the count before we submit the bio so
748                          * we know the end IO handler won't happen before
749                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
750                          * freed before we're done setting it up
751                          */
752                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
753
754                         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
755                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
756
757                         nr_sectors = DIV_ROUND_UP(comp_bio->bi_iter.bi_size,
758                                                   fs_info->sectorsize);
759                         sums += fs_info->csum_size * nr_sectors;
760
761                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
762                         if (ret) {
763                                 comp_bio->bi_status = ret;
764                                 bio_endio(comp_bio);
765                         }
766
767                         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
768                         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
769                         comp_bio->bi_private = cb;
770                         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
771
772                         bio_add_page(comp_bio, page, pg_len, 0);
773                 }
774                 cur_disk_byte += pg_len;
775         }
776
777         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
778         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
779
780         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
781         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
782
783         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
784         if (ret) {
785                 comp_bio->bi_status = ret;
786                 bio_endio(comp_bio);
787         }
788
789         return 0;
790
791 fail2:
792         while (faili >= 0) {
793                 __free_page(cb->compressed_pages[faili]);
794                 faili--;
795         }
796
797         kfree(cb->compressed_pages);
798 fail1:
799         kfree(cb);
800 out:
801         free_extent_map(em);
802         return ret;
803 }
804
805 /*
806  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
807  * range, the logic can be tuned by the following constants:
808  *
809  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
810  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
811  */
812 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
813 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
814
815 /*
816  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
817  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
818  * many times the object appeared in the sample.
819  */
820 #define BUCKET_SIZE             (256)
821
822 /*
823  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
824  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
825  * elements in each cell is at least 5.
826  *
827  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
828  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
829  * sample size bound by 8192.
830  *
831  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
832  * from up to 512 locations.
833  */
834 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
835                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
836
837 struct bucket_item {
838         u32 count;
839 };
840
841 struct heuristic_ws {
842         /* Partial copy of input data */
843         u8 *sample;
844         u32 sample_size;
845         /* Buckets store counters for each byte value */
846         struct bucket_item *bucket;
847         /* Sorting buffer */
848         struct bucket_item *bucket_b;
849         struct list_head list;
850 };
851
852 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
853
854 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
855 {
856         struct heuristic_ws *workspace;
857
858         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
859
860         kvfree(workspace->sample);
861         kfree(workspace->bucket);
862         kfree(workspace->bucket_b);
863         kfree(workspace);
864 }
865
866 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
867 {
868         struct heuristic_ws *ws;
869
870         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
871         if (!ws)
872                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
873
874         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
875         if (!ws->sample)
876                 goto fail;
877
878         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
879         if (!ws->bucket)
880                 goto fail;
881
882         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
883         if (!ws->bucket_b)
884                 goto fail;
885
886         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
887         return &ws->list;
888 fail:
889         free_heuristic_ws(&ws->list);
890         return ERR_PTR(-ENOMEM);
891 }
892
893 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
894         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
895 };
896
897 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
898         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
899         &btrfs_heuristic_compress,
900         &btrfs_zlib_compress,
901         &btrfs_lzo_compress,
902         &btrfs_zstd_compress,
903 };
904
905 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
906 {
907         switch (type) {
908         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
909         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
910         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
911         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
912         default:
913                 /*
914                  * This can't happen, the type is validated several times
915                  * before we get here.
916                  */
917                 BUG();
918         }
919 }
920
921 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
922 {
923         switch (type) {
924         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
925         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
926         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
927         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
928         default:
929                 /*
930                  * This can't happen, the type is validated several times
931                  * before we get here.
932                  */
933                 BUG();
934         }
935 }
936
937 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
938 {
939         struct workspace_manager *wsm;
940         struct list_head *workspace;
941
942         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
943         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
944         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
945         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
946         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
947
948         /*
949          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
950          * guarantee forward progress in the worst case
951          */
952         workspace = alloc_workspace(type, 0);
953         if (IS_ERR(workspace)) {
954                 pr_warn(
955         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
956         } else {
957                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
958                 wsm->free_ws = 1;
959                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
960         }
961 }
962
963 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
964 {
965         struct workspace_manager *wsman;
966         struct list_head *ws;
967
968         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
969         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
970                 ws = wsman->idle_ws.next;
971                 list_del(ws);
972                 free_workspace(type, ws);
973                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
974         }
975 }
976
977 /*
978  * This finds an available workspace or allocates a new one.
979  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
980  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
981  * errors.
982  */
983 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
984 {
985         struct workspace_manager *wsm;
986         struct list_head *workspace;
987         int cpus = num_online_cpus();
988         unsigned nofs_flag;
989         struct list_head *idle_ws;
990         spinlock_t *ws_lock;
991         atomic_t *total_ws;
992         wait_queue_head_t *ws_wait;
993         int *free_ws;
994
995         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
996         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
997         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
998         total_ws = &wsm->total_ws;
999         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1000         free_ws  = &wsm->free_ws;
1001
1002 again:
1003         spin_lock(ws_lock);
1004         if (!list_empty(idle_ws)) {
1005                 workspace = idle_ws->next;
1006                 list_del(workspace);
1007                 (*free_ws)--;
1008                 spin_unlock(ws_lock);
1009                 return workspace;
1010
1011         }
1012         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
1013                 DEFINE_WAIT(wait);
1014
1015                 spin_unlock(ws_lock);
1016                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1017                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
1018                         schedule();
1019                 finish_wait(ws_wait, &wait);
1020                 goto again;
1021         }
1022         atomic_inc(total_ws);
1023         spin_unlock(ws_lock);
1024
1025         /*
1026          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
1027          * to turn it off here because we might get called from the restricted
1028          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
1029          */
1030         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
1031         workspace = alloc_workspace(type, level);
1032         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
1033
1034         if (IS_ERR(workspace)) {
1035                 atomic_dec(total_ws);
1036                 wake_up(ws_wait);
1037
1038                 /*
1039                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
1040                  * workspace preallocated for each type and the compression
1041                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
1042                  * makes our caller's life easier.
1043                  *
1044                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
1045                  * initial preallocation fails), check if there are any
1046                  * workspaces at all.
1047                  */
1048                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
1049                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
1050                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
1051                                         /* no burst */ 1);
1052
1053                         if (__ratelimit(&_rs)) {
1054                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
1055                         }
1056                 }
1057                 goto again;
1058         }
1059         return workspace;
1060 }
1061
1062 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
1063 {
1064         switch (type) {
1065         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
1066         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
1067         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
1068         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
1069         default:
1070                 /*
1071                  * This can't happen, the type is validated several times
1072                  * before we get here.
1073                  */
1074                 BUG();
1075         }
1076 }
1077
1078 /*
1079  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
1080  * idle ones sitting around
1081  */
1082 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1083 {
1084         struct workspace_manager *wsm;
1085         struct list_head *idle_ws;
1086         spinlock_t *ws_lock;
1087         atomic_t *total_ws;
1088         wait_queue_head_t *ws_wait;
1089         int *free_ws;
1090
1091         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1092         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1093         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1094         total_ws = &wsm->total_ws;
1095         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1096         free_ws  = &wsm->free_ws;
1097
1098         spin_lock(ws_lock);
1099         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1100                 list_add(ws, idle_ws);
1101                 (*free_ws)++;
1102                 spin_unlock(ws_lock);
1103                 goto wake;
1104         }
1105         spin_unlock(ws_lock);
1106
1107         free_workspace(type, ws);
1108         atomic_dec(total_ws);
1109 wake:
1110         cond_wake_up(ws_wait);
1111 }
1112
1113 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1114 {
1115         switch (type) {
1116         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1117         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1118         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1119         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1120         default:
1121                 /*
1122                  * This can't happen, the type is validated several times
1123                  * before we get here.
1124                  */
1125                 BUG();
1126         }
1127 }
1128
1129 /*
1130  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1131  * fallback to default
1132  */
1133 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1134 {
1135         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1136
1137         if (level == 0)
1138                 level = ops->default_level;
1139         else
1140                 level = min(level, ops->max_level);
1141
1142         return level;
1143 }
1144
1145 /*
1146  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1147  * that are allocated on demand.
1148  *
1149  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1150  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1151  * - compression algo are 0-3
1152  * - the level are bits 4-7
1153  *
1154  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1155  * and returns number of actually allocated pages
1156  *
1157  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1158  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1159  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1160  * max_out threshold.
1161  *
1162  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1163  * be also used to return the total number of compressed bytes
1164  *
1165  * @max_out tells us the max number of bytes that we're allowed to
1166  * stuff into pages
1167  */
1168 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1169                          u64 start, struct page **pages,
1170                          unsigned long *out_pages,
1171                          unsigned long *total_in,
1172                          unsigned long *total_out)
1173 {
1174         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1175         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1176         struct list_head *workspace;
1177         int ret;
1178
1179         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1180         workspace = get_workspace(type, level);
1181         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1182                                          out_pages, total_in, total_out);
1183         put_workspace(type, workspace);
1184         return ret;
1185 }
1186
1187 /*
1188  * pages_in is an array of pages with compressed data.
1189  *
1190  * disk_start is the starting logical offset of this array in the file
1191  *
1192  * orig_bio contains the pages from the file that we want to decompress into
1193  *
1194  * srclen is the number of bytes in pages_in
1195  *
1196  * The basic idea is that we have a bio that was created by readpages.
1197  * The pages in the bio are for the uncompressed data, and they may not
1198  * be contiguous.  They all correspond to the range of bytes covered by
1199  * the compressed extent.
1200  */
1201 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1202 {
1203         struct list_head *workspace;
1204         int ret;
1205         int type = cb->compress_type;
1206
1207         workspace = get_workspace(type, 0);
1208         ret = compression_decompress_bio(type, workspace, cb);
1209         put_workspace(type, workspace);
1210
1211         return ret;
1212 }
1213
1214 /*
1215  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1216  * single page, and we want to read a single page out of it.
1217  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1218  */
1219 int btrfs_decompress(int type, unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
1220                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1221 {
1222         struct list_head *workspace;
1223         int ret;
1224
1225         workspace = get_workspace(type, 0);
1226         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1227                                      start_byte, srclen, destlen);
1228         put_workspace(type, workspace);
1229
1230         return ret;
1231 }
1232
1233 void __init btrfs_init_compress(void)
1234 {
1235         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1236         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1237         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1238         zstd_init_workspace_manager();
1239 }
1240
1241 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1242 {
1243         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1244         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1245         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1246         zstd_cleanup_workspace_manager();
1247 }
1248
1249 /*
1250  * Copy uncompressed data from working buffer to pages.
1251  *
1252  * buf_start is the byte offset we're of the start of our workspace buffer.
1253  *
1254  * total_out is the last byte of the buffer
1255  */
1256 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, unsigned long buf_start,
1257                               unsigned long total_out, u64 disk_start,
1258                               struct bio *bio)
1259 {
1260         unsigned long buf_offset;
1261         unsigned long current_buf_start;
1262         unsigned long start_byte;
1263         unsigned long prev_start_byte;
1264         unsigned long working_bytes = total_out - buf_start;
1265         unsigned long bytes;
1266         struct bio_vec bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1267
1268         /*
1269          * start byte is the first byte of the page we're currently
1270          * copying into relative to the start of the compressed data.
1271          */
1272         start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1273
1274         /* we haven't yet hit data corresponding to this page */
1275         if (total_out <= start_byte)
1276                 return 1;
1277
1278         /*
1279          * the start of the data we care about is offset into
1280          * the middle of our working buffer
1281          */
1282         if (total_out > start_byte && buf_start < start_byte) {
1283                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1284                 working_bytes -= buf_offset;
1285         } else {
1286                 buf_offset = 0;
1287         }
1288         current_buf_start = buf_start;
1289
1290         /* copy bytes from the working buffer into the pages */
1291         while (working_bytes > 0) {
1292                 bytes = min_t(unsigned long, bvec.bv_len,
1293                                 PAGE_SIZE - (buf_offset % PAGE_SIZE));
1294                 bytes = min(bytes, working_bytes);
1295
1296                 memcpy_to_page(bvec.bv_page, bvec.bv_offset, buf + buf_offset,
1297                                bytes);
1298                 flush_dcache_page(bvec.bv_page);
1299
1300                 buf_offset += bytes;
1301                 working_bytes -= bytes;
1302                 current_buf_start += bytes;
1303
1304                 /* check if we need to pick another page */
1305                 bio_advance(bio, bytes);
1306                 if (!bio->bi_iter.bi_size)
1307                         return 0;
1308                 bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1309                 prev_start_byte = start_byte;
1310                 start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1311
1312                 /*
1313                  * We need to make sure we're only adjusting
1314                  * our offset into compression working buffer when
1315                  * we're switching pages.  Otherwise we can incorrectly
1316                  * keep copying when we were actually done.
1317                  */
1318                 if (start_byte != prev_start_byte) {
1319                         /*
1320                          * make sure our new page is covered by this
1321                          * working buffer
1322                          */
1323                         if (total_out <= start_byte)
1324                                 return 1;
1325
1326                         /*
1327                          * the next page in the biovec might not be adjacent
1328                          * to the last page, but it might still be found
1329                          * inside this working buffer. bump our offset pointer
1330                          */
1331                         if (total_out > start_byte &&
1332                             current_buf_start < start_byte) {
1333                                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1334                                 working_bytes = total_out - start_byte;
1335                                 current_buf_start = buf_start + buf_offset;
1336                         }
1337                 }
1338         }
1339
1340         return 1;
1341 }
1342
1343 /*
1344  * Shannon Entropy calculation
1345  *
1346  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1347  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1348  * needed to encode the sampled data.
1349  *
1350  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1351  * bits directly.
1352  *
1353  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1354  *                          and can be compressible with high probability
1355  *
1356  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1357  *
1358  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1359  */
1360 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1361 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1362
1363 /*
1364  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1365  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1366  *
1367  * - maximum int bit length is 64
1368  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1369  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1370  *
1371  * So use pow(n, 4).
1372  */
1373 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1374 {
1375         return ilog2(n * n * n * n);
1376 }
1377
1378 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1379 {
1380         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1381         u32 entropy_sum = 0;
1382         u32 p, p_base, sz_base;
1383         u32 i;
1384
1385         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1386         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1387                 p = ws->bucket[i].count;
1388                 p_base = ilog2_w(p);
1389                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1390         }
1391
1392         entropy_sum /= ws->sample_size;
1393         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1394 }
1395
1396 #define RADIX_BASE              4U
1397 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1398
1399 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1400         u8 low4bits;
1401
1402         num >>= shift;
1403         /* Reverse order */
1404         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1405         return low4bits;
1406 }
1407
1408 /*
1409  * Use 4 bits as radix base
1410  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1411  *
1412  * @array     - array that will be sorted
1413  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1414  *              must be equal in size to @array
1415  * @num       - array size
1416  */
1417 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1418                        int num)
1419 {
1420         u64 max_num;
1421         u64 buf_num;
1422         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1423         u32 new_addr;
1424         u32 addr;
1425         int bitlen;
1426         int shift;
1427         int i;
1428
1429         /*
1430          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1431          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1432          */
1433         max_num = array[0].count;
1434         for (i = 1; i < num; i++) {
1435                 buf_num = array[i].count;
1436                 if (buf_num > max_num)
1437                         max_num = buf_num;
1438         }
1439
1440         buf_num = ilog2(max_num);
1441         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1442
1443         shift = 0;
1444         while (shift < bitlen) {
1445                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1446
1447                 for (i = 0; i < num; i++) {
1448                         buf_num = array[i].count;
1449                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1450                         counters[addr]++;
1451                 }
1452
1453                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1454                         counters[i] += counters[i - 1];
1455
1456                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1457                         buf_num = array[i].count;
1458                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1459                         counters[addr]--;
1460                         new_addr = counters[addr];
1461                         array_buf[new_addr] = array[i];
1462                 }
1463
1464                 shift += RADIX_BASE;
1465
1466                 /*
1467                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1468                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1469                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1470                  * memcpy()
1471                  */
1472                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1473
1474                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1475                         buf_num = array_buf[i].count;
1476                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1477                         counters[addr]++;
1478                 }
1479
1480                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1481                         counters[i] += counters[i - 1];
1482
1483                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1484                         buf_num = array_buf[i].count;
1485                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1486                         counters[addr]--;
1487                         new_addr = counters[addr];
1488                         array[new_addr] = array_buf[i];
1489                 }
1490
1491                 shift += RADIX_BASE;
1492         }
1493 }
1494
1495 /*
1496  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1497  *
1498  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1499  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1500  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1501  *
1502  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1503  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1504  * how much.
1505  *
1506  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1507  *                       compression algo can easy fix that
1508  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1509  *                       probability is not compressible
1510  */
1511 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1512 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1513
1514 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1515 {
1516         u32 i;
1517         u32 coreset_sum = 0;
1518         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1519         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1520
1521         /* Sort in reverse order */
1522         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1523
1524         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1525                 coreset_sum += bucket[i].count;
1526
1527         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1528                 return i;
1529
1530         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1531                 coreset_sum += bucket[i].count;
1532                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1533                         break;
1534         }
1535
1536         return i;
1537 }
1538
1539 /*
1540  * Count byte values in buckets.
1541  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1542  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1543  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1544  * compress.
1545  *
1546  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1547  *      less - compressible
1548  *      more - need additional analysis
1549  */
1550 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1551
1552 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1553 {
1554         u32 i;
1555         u32 byte_set_size = 0;
1556
1557         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1558                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1559                         byte_set_size++;
1560         }
1561
1562         /*
1563          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1564          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1565          * the detection technique would fail for this type of data.
1566          */
1567         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1568                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1569                         byte_set_size++;
1570                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1571                                 return byte_set_size;
1572                 }
1573         }
1574
1575         return byte_set_size;
1576 }
1577
1578 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1579 {
1580         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1581         const u8 *data = ws->sample;
1582
1583         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1584 }
1585
1586 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1587                                      struct heuristic_ws *ws)
1588 {
1589         struct page *page;
1590         u64 index, index_end;
1591         u32 i, curr_sample_pos;
1592         u8 *in_data;
1593
1594         /*
1595          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1596          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1597          *
1598          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1599          *
1600          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1601          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1602          */
1603         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1604                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1605
1606         index = start >> PAGE_SHIFT;
1607         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1608
1609         /* Don't miss unaligned end */
1610         if (!IS_ALIGNED(end, PAGE_SIZE))
1611                 index_end++;
1612
1613         curr_sample_pos = 0;
1614         while (index < index_end) {
1615                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1616                 in_data = kmap_local_page(page);
1617                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1618                 i = start % PAGE_SIZE;
1619                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1620                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1621                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1622                                 break;
1623                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1624                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1625                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1626                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1627                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1628                 }
1629                 kunmap_local(in_data);
1630                 put_page(page);
1631
1632                 index++;
1633         }
1634
1635         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1636 }
1637
1638 /*
1639  * Compression heuristic.
1640  *
1641  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1642  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1643  * (compressible/uncompressible) to avoid wasting CPU time on uncompressible
1644  * data.
1645  *
1646  * The following types of analysis can be performed:
1647  * - detect mostly zero data
1648  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1649  * - detect data with low/high "core byte" set
1650  *
1651  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1652  */
1653 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1654 {
1655         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1656         struct heuristic_ws *ws;
1657         u32 i;
1658         u8 byte;
1659         int ret = 0;
1660
1661         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1662
1663         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1664
1665         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1666                 ret = 1;
1667                 goto out;
1668         }
1669
1670         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1671
1672         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1673                 byte = ws->sample[i];
1674                 ws->bucket[byte].count++;
1675         }
1676
1677         i = byte_set_size(ws);
1678         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1679                 ret = 2;
1680                 goto out;
1681         }
1682
1683         i = byte_core_set_size(ws);
1684         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1685                 ret = 3;
1686                 goto out;
1687         }
1688
1689         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1690                 ret = 0;
1691                 goto out;
1692         }
1693
1694         i = shannon_entropy(ws);
1695         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1696                 ret = 4;
1697                 goto out;
1698         }
1699
1700         /*
1701          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1702          * needed to give green light to compression.
1703          *
1704          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1705          * resources because:
1706          *
1707          * 1. it is possible to defrag the data later
1708          *
1709          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1710          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1711          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1712          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1713          * pairs of bytes, which is too costly.
1714          */
1715         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1716                 ret = 5;
1717                 goto out;
1718         } else {
1719                 ret = 0;
1720                 goto out;
1721         }
1722
1723 out:
1724         put_workspace(0, ws_list);
1725         return ret;
1726 }
1727
1728 /*
1729  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1730  * level, unrecognized string will set the default level
1731  */
1732 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1733 {
1734         unsigned int level = 0;
1735         int ret;
1736
1737         if (!type)
1738                 return 0;
1739
1740         if (str[0] == ':') {
1741                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1742                 if (ret)
1743                         level = 0;
1744         }
1745
1746         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1747
1748         return level;
1749 }