btrfs: remove the fs_info argument to btrfs_submit_bio
[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/pagevec.h>
12 #include <linux/highmem.h>
13 #include <linux/kthread.h>
14 #include <linux/time.h>
15 #include <linux/init.h>
16 #include <linux/string.h>
17 #include <linux/backing-dev.h>
18 #include <linux/writeback.h>
19 #include <linux/psi.h>
20 #include <linux/slab.h>
21 #include <linux/sched/mm.h>
22 #include <linux/log2.h>
23 #include <crypto/hash.h>
24 #include "misc.h"
25 #include "ctree.h"
26 #include "fs.h"
27 #include "disk-io.h"
28 #include "transaction.h"
29 #include "btrfs_inode.h"
30 #include "bio.h"
31 #include "ordered-data.h"
32 #include "compression.h"
33 #include "extent_io.h"
34 #include "extent_map.h"
35 #include "subpage.h"
36 #include "zoned.h"
37 #include "file-item.h"
38 #include "super.h"
39
40 static const char* const btrfs_compress_types[] = { "", "zlib", "lzo", "zstd" };
41
42 const char* btrfs_compress_type2str(enum btrfs_compression_type type)
43 {
44         switch (type) {
45         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
46         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
47         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
48         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
49                 return btrfs_compress_types[type];
50         default:
51                 break;
52         }
53
54         return NULL;
55 }
56
57 bool btrfs_compress_is_valid_type(const char *str, size_t len)
58 {
59         int i;
60
61         for (i = 1; i < ARRAY_SIZE(btrfs_compress_types); i++) {
62                 size_t comp_len = strlen(btrfs_compress_types[i]);
63
64                 if (len < comp_len)
65                         continue;
66
67                 if (!strncmp(btrfs_compress_types[i], str, comp_len))
68                         return true;
69         }
70         return false;
71 }
72
73 static int compression_compress_pages(int type, struct list_head *ws,
74                struct address_space *mapping, u64 start, struct page **pages,
75                unsigned long *out_pages, unsigned long *total_in,
76                unsigned long *total_out)
77 {
78         switch (type) {
79         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
80                 return zlib_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
81                                 out_pages, total_in, total_out);
82         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
83                 return lzo_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
84                                 out_pages, total_in, total_out);
85         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
86                 return zstd_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
87                                 out_pages, total_in, total_out);
88         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
89         default:
90                 /*
91                  * This can happen when compression races with remount setting
92                  * it to 'no compress', while caller doesn't call
93                  * inode_need_compress() to check if we really need to
94                  * compress.
95                  *
96                  * Not a big deal, just need to inform caller that we
97                  * haven't allocated any pages yet.
98                  */
99                 *out_pages = 0;
100                 return -E2BIG;
101         }
102 }
103
104 static int compression_decompress_bio(struct list_head *ws,
105                                       struct compressed_bio *cb)
106 {
107         switch (cb->compress_type) {
108         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress_bio(ws, cb);
109         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress_bio(ws, cb);
110         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress_bio(ws, cb);
111         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
112         default:
113                 /*
114                  * This can't happen, the type is validated several times
115                  * before we get here.
116                  */
117                 BUG();
118         }
119 }
120
121 static int compression_decompress(int type, struct list_head *ws,
122                const u8 *data_in, struct page *dest_page,
123                unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
124 {
125         switch (type) {
126         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress(ws, data_in, dest_page,
127                                                 start_byte, srclen, destlen);
128         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress(ws, data_in, dest_page,
129                                                 start_byte, srclen, destlen);
130         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress(ws, data_in, dest_page,
131                                                 start_byte, srclen, destlen);
132         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
133         default:
134                 /*
135                  * This can't happen, the type is validated several times
136                  * before we get here.
137                  */
138                 BUG();
139         }
140 }
141
142 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb);
143
144 static void end_compressed_bio_read(struct btrfs_bio *bbio)
145 {
146         struct compressed_bio *cb = bbio->private;
147         unsigned int index;
148         struct page *page;
149
150         if (bbio->bio.bi_status)
151                 cb->status = bbio->bio.bi_status;
152         else
153                 cb->status = errno_to_blk_status(btrfs_decompress_bio(cb));
154
155         /* Release the compressed pages */
156         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
157                 page = cb->compressed_pages[index];
158                 page->mapping = NULL;
159                 put_page(page);
160         }
161
162         /* Do io completion on the original bio */
163         btrfs_bio_end_io(btrfs_bio(cb->orig_bio), cb->status);
164
165         /* Finally free the cb struct */
166         kfree(cb->compressed_pages);
167         kfree(cb);
168         bio_put(&bbio->bio);
169 }
170
171 /*
172  * Clear the writeback bits on all of the file
173  * pages for a compressed write
174  */
175 static noinline void end_compressed_writeback(struct inode *inode,
176                                               const struct compressed_bio *cb)
177 {
178         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
179         unsigned long index = cb->start >> PAGE_SHIFT;
180         unsigned long end_index = (cb->start + cb->len - 1) >> PAGE_SHIFT;
181         struct folio_batch fbatch;
182         const int errno = blk_status_to_errno(cb->status);
183         int i;
184         int ret;
185
186         if (errno)
187                 mapping_set_error(inode->i_mapping, errno);
188
189         folio_batch_init(&fbatch);
190         while (index <= end_index) {
191                 ret = filemap_get_folios(inode->i_mapping, &index, end_index,
192                                 &fbatch);
193
194                 if (ret == 0)
195                         return;
196
197                 for (i = 0; i < ret; i++) {
198                         struct folio *folio = fbatch.folios[i];
199
200                         if (errno)
201                                 folio_set_error(folio);
202                         btrfs_page_clamp_clear_writeback(fs_info, &folio->page,
203                                                          cb->start, cb->len);
204                 }
205                 folio_batch_release(&fbatch);
206         }
207         /* the inode may be gone now */
208 }
209
210 static void finish_compressed_bio_write(struct compressed_bio *cb)
211 {
212         struct inode *inode = cb->inode;
213         unsigned int index;
214
215         /*
216          * Ok, we're the last bio for this extent, step one is to call back
217          * into the FS and do all the end_io operations.
218          */
219         btrfs_writepage_endio_finish_ordered(BTRFS_I(inode), NULL,
220                         cb->start, cb->start + cb->len - 1,
221                         cb->status == BLK_STS_OK);
222
223         if (cb->writeback)
224                 end_compressed_writeback(inode, cb);
225         /* Note, our inode could be gone now */
226
227         /*
228          * Release the compressed pages, these came from alloc_page and
229          * are not attached to the inode at all
230          */
231         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
232                 struct page *page = cb->compressed_pages[index];
233
234                 page->mapping = NULL;
235                 put_page(page);
236         }
237
238         /* Finally free the cb struct */
239         kfree(cb->compressed_pages);
240         kfree(cb);
241 }
242
243 static void btrfs_finish_compressed_write_work(struct work_struct *work)
244 {
245         struct compressed_bio *cb =
246                 container_of(work, struct compressed_bio, write_end_work);
247
248         finish_compressed_bio_write(cb);
249 }
250
251 /*
252  * Do the cleanup once all the compressed pages hit the disk.  This will clear
253  * writeback on the file pages and free the compressed pages.
254  *
255  * This also calls the writeback end hooks for the file pages so that metadata
256  * and checksums can be updated in the file.
257  */
258 static void end_compressed_bio_write(struct btrfs_bio *bbio)
259 {
260         struct compressed_bio *cb = bbio->private;
261
262         if (bbio->bio.bi_status)
263                 cb->status = bbio->bio.bi_status;
264
265         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios)) {
266                 struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(cb->inode->i_sb);
267
268                 queue_work(fs_info->compressed_write_workers, &cb->write_end_work);
269         }
270         bio_put(&bbio->bio);
271 }
272
273 /*
274  * Allocate a compressed_bio, which will be used to read/write on-disk
275  * (aka, compressed) * data.
276  *
277  * @cb:                 The compressed_bio structure, which records all the needed
278  *                      information to bind the compressed data to the uncompressed
279  *                      page cache.
280  * @disk_byten:         The logical bytenr where the compressed data will be read
281  *                      from or written to.
282  * @endio_func:         The endio function to call after the IO for compressed data
283  *                      is finished.
284  */
285 static struct bio *alloc_compressed_bio(struct compressed_bio *cb, u64 disk_bytenr,
286                                         blk_opf_t opf,
287                                         btrfs_bio_end_io_t endio_func)
288 {
289         struct bio *bio;
290
291         bio = btrfs_bio_alloc(BIO_MAX_VECS, opf, BTRFS_I(cb->inode), endio_func,
292                               cb);
293         bio->bi_iter.bi_sector = disk_bytenr >> SECTOR_SHIFT;
294
295         if (bio_op(bio) == REQ_OP_ZONE_APPEND) {
296                 struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(cb->inode->i_sb);
297                 struct btrfs_device *device;
298
299                 device = btrfs_zoned_get_device(fs_info, disk_bytenr,
300                                                 fs_info->sectorsize);
301                 if (IS_ERR(device)) {
302                         bio_put(bio);
303                         return ERR_CAST(device);
304                 }
305
306                 bio_set_dev(bio, device->bdev);
307         }
308         refcount_inc(&cb->pending_ios);
309         return bio;
310 }
311
312 /*
313  * worker function to build and submit bios for previously compressed pages.
314  * The corresponding pages in the inode should be marked for writeback
315  * and the compressed pages should have a reference on them for dropping
316  * when the IO is complete.
317  *
318  * This also checksums the file bytes and gets things ready for
319  * the end io hooks.
320  */
321 blk_status_t btrfs_submit_compressed_write(struct btrfs_inode *inode, u64 start,
322                                  unsigned int len, u64 disk_start,
323                                  unsigned int compressed_len,
324                                  struct page **compressed_pages,
325                                  unsigned int nr_pages,
326                                  blk_opf_t write_flags,
327                                  struct cgroup_subsys_state *blkcg_css,
328                                  bool writeback)
329 {
330         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
331         struct bio *bio = NULL;
332         struct compressed_bio *cb;
333         u64 cur_disk_bytenr = disk_start;
334         blk_status_t ret = BLK_STS_OK;
335         const bool use_append = btrfs_use_zone_append(inode, disk_start);
336         const enum req_op bio_op = REQ_BTRFS_ONE_ORDERED |
337                                    (use_append ? REQ_OP_ZONE_APPEND : REQ_OP_WRITE);
338
339         ASSERT(IS_ALIGNED(start, fs_info->sectorsize) &&
340                IS_ALIGNED(len, fs_info->sectorsize));
341         cb = kmalloc(sizeof(struct compressed_bio), GFP_NOFS);
342         if (!cb)
343                 return BLK_STS_RESOURCE;
344         refcount_set(&cb->pending_ios, 1);
345         cb->status = BLK_STS_OK;
346         cb->inode = &inode->vfs_inode;
347         cb->start = start;
348         cb->len = len;
349         cb->compressed_pages = compressed_pages;
350         cb->compressed_len = compressed_len;
351         cb->writeback = writeback;
352         INIT_WORK(&cb->write_end_work, btrfs_finish_compressed_write_work);
353         cb->nr_pages = nr_pages;
354
355         if (blkcg_css)
356                 kthread_associate_blkcg(blkcg_css);
357
358         while (cur_disk_bytenr < disk_start + compressed_len) {
359                 u64 offset = cur_disk_bytenr - disk_start;
360                 unsigned int index = offset >> PAGE_SHIFT;
361                 unsigned int real_size;
362                 unsigned int added;
363                 struct page *page = compressed_pages[index];
364                 bool submit = false;
365
366                 /* Allocate new bio if submitted or not yet allocated */
367                 if (!bio) {
368                         bio = alloc_compressed_bio(cb, cur_disk_bytenr,
369                                 bio_op | write_flags, end_compressed_bio_write);
370                         if (IS_ERR(bio)) {
371                                 ret = errno_to_blk_status(PTR_ERR(bio));
372                                 break;
373                         }
374                         btrfs_bio(bio)->file_offset = start;
375                         if (blkcg_css)
376                                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
377                 }
378                 /*
379                  * We have various limits on the real read size:
380                  * - page boundary
381                  * - compressed length boundary
382                  */
383                 real_size = min_t(u64, U32_MAX, PAGE_SIZE - offset_in_page(offset));
384                 real_size = min_t(u64, real_size, compressed_len - offset);
385                 ASSERT(IS_ALIGNED(real_size, fs_info->sectorsize));
386
387                 if (use_append)
388                         added = bio_add_zone_append_page(bio, page, real_size,
389                                         offset_in_page(offset));
390                 else
391                         added = bio_add_page(bio, page, real_size,
392                                         offset_in_page(offset));
393                 /* Reached zoned boundary */
394                 if (added == 0)
395                         submit = true;
396
397                 cur_disk_bytenr += added;
398
399                 /* Finished the range */
400                 if (cur_disk_bytenr == disk_start + compressed_len)
401                         submit = true;
402
403                 if (submit) {
404                         ASSERT(bio->bi_iter.bi_size);
405                         btrfs_submit_bio(bio, 0);
406                         bio = NULL;
407                 }
408                 cond_resched();
409         }
410
411         if (blkcg_css)
412                 kthread_associate_blkcg(NULL);
413
414         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios))
415                 finish_compressed_bio_write(cb);
416         return ret;
417 }
418
419 static u64 bio_end_offset(struct bio *bio)
420 {
421         struct bio_vec *last = bio_last_bvec_all(bio);
422
423         return page_offset(last->bv_page) + last->bv_len + last->bv_offset;
424 }
425
426 /*
427  * Add extra pages in the same compressed file extent so that we don't need to
428  * re-read the same extent again and again.
429  *
430  * NOTE: this won't work well for subpage, as for subpage read, we lock the
431  * full page then submit bio for each compressed/regular extents.
432  *
433  * This means, if we have several sectors in the same page points to the same
434  * on-disk compressed data, we will re-read the same extent many times and
435  * this function can only help for the next page.
436  */
437 static noinline int add_ra_bio_pages(struct inode *inode,
438                                      u64 compressed_end,
439                                      struct compressed_bio *cb,
440                                      int *memstall, unsigned long *pflags)
441 {
442         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
443         unsigned long end_index;
444         u64 cur = bio_end_offset(cb->orig_bio);
445         u64 isize = i_size_read(inode);
446         int ret;
447         struct page *page;
448         struct extent_map *em;
449         struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
450         struct extent_map_tree *em_tree;
451         struct extent_io_tree *tree;
452         int sectors_missed = 0;
453
454         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
455         tree = &BTRFS_I(inode)->io_tree;
456
457         if (isize == 0)
458                 return 0;
459
460         /*
461          * For current subpage support, we only support 64K page size,
462          * which means maximum compressed extent size (128K) is just 2x page
463          * size.
464          * This makes readahead less effective, so here disable readahead for
465          * subpage for now, until full compressed write is supported.
466          */
467         if (btrfs_sb(inode->i_sb)->sectorsize < PAGE_SIZE)
468                 return 0;
469
470         end_index = (i_size_read(inode) - 1) >> PAGE_SHIFT;
471
472         while (cur < compressed_end) {
473                 u64 page_end;
474                 u64 pg_index = cur >> PAGE_SHIFT;
475                 u32 add_size;
476
477                 if (pg_index > end_index)
478                         break;
479
480                 page = xa_load(&mapping->i_pages, pg_index);
481                 if (page && !xa_is_value(page)) {
482                         sectors_missed += (PAGE_SIZE - offset_in_page(cur)) >>
483                                           fs_info->sectorsize_bits;
484
485                         /* Beyond threshold, no need to continue */
486                         if (sectors_missed > 4)
487                                 break;
488
489                         /*
490                          * Jump to next page start as we already have page for
491                          * current offset.
492                          */
493                         cur = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE;
494                         continue;
495                 }
496
497                 page = __page_cache_alloc(mapping_gfp_constraint(mapping,
498                                                                  ~__GFP_FS));
499                 if (!page)
500                         break;
501
502                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, pg_index, GFP_NOFS)) {
503                         put_page(page);
504                         /* There is already a page, skip to page end */
505                         cur = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE;
506                         continue;
507                 }
508
509                 if (!*memstall && PageWorkingset(page)) {
510                         psi_memstall_enter(pflags);
511                         *memstall = 1;
512                 }
513
514                 ret = set_page_extent_mapped(page);
515                 if (ret < 0) {
516                         unlock_page(page);
517                         put_page(page);
518                         break;
519                 }
520
521                 page_end = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE - 1;
522                 lock_extent(tree, cur, page_end, NULL);
523                 read_lock(&em_tree->lock);
524                 em = lookup_extent_mapping(em_tree, cur, page_end + 1 - cur);
525                 read_unlock(&em_tree->lock);
526
527                 /*
528                  * At this point, we have a locked page in the page cache for
529                  * these bytes in the file.  But, we have to make sure they map
530                  * to this compressed extent on disk.
531                  */
532                 if (!em || cur < em->start ||
533                     (cur + fs_info->sectorsize > extent_map_end(em)) ||
534                     (em->block_start >> 9) != cb->orig_bio->bi_iter.bi_sector) {
535                         free_extent_map(em);
536                         unlock_extent(tree, cur, page_end, NULL);
537                         unlock_page(page);
538                         put_page(page);
539                         break;
540                 }
541                 free_extent_map(em);
542
543                 if (page->index == end_index) {
544                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
545
546                         if (zero_offset) {
547                                 int zeros;
548                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
549                                 memzero_page(page, zero_offset, zeros);
550                         }
551                 }
552
553                 add_size = min(em->start + em->len, page_end + 1) - cur;
554                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page, add_size, offset_in_page(cur));
555                 if (ret != add_size) {
556                         unlock_extent(tree, cur, page_end, NULL);
557                         unlock_page(page);
558                         put_page(page);
559                         break;
560                 }
561                 /*
562                  * If it's subpage, we also need to increase its
563                  * subpage::readers number, as at endio we will decrease
564                  * subpage::readers and to unlock the page.
565                  */
566                 if (fs_info->sectorsize < PAGE_SIZE)
567                         btrfs_subpage_start_reader(fs_info, page, cur, add_size);
568                 put_page(page);
569                 cur += add_size;
570         }
571         return 0;
572 }
573
574 /*
575  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
576  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
577  * to hold the compressed pages on disk.
578  *
579  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
580  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
581  *
582  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
583  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
584  */
585 void btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
586                                   int mirror_num)
587 {
588         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
589         struct extent_map_tree *em_tree;
590         struct compressed_bio *cb;
591         unsigned int compressed_len;
592         struct bio *comp_bio;
593         const u64 disk_bytenr = bio->bi_iter.bi_sector << SECTOR_SHIFT;
594         u64 cur_disk_byte = disk_bytenr;
595         u64 file_offset;
596         u64 em_len;
597         u64 em_start;
598         struct extent_map *em;
599         unsigned long pflags;
600         int memstall = 0;
601         blk_status_t ret;
602         int ret2;
603         int i;
604
605         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
606
607         file_offset = bio_first_bvec_all(bio)->bv_offset +
608                       page_offset(bio_first_page_all(bio));
609
610         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
611         read_lock(&em_tree->lock);
612         em = lookup_extent_mapping(em_tree, file_offset, fs_info->sectorsize);
613         read_unlock(&em_tree->lock);
614         if (!em) {
615                 ret = BLK_STS_IOERR;
616                 goto out;
617         }
618
619         ASSERT(em->compress_type != BTRFS_COMPRESS_NONE);
620         compressed_len = em->block_len;
621         cb = kmalloc(sizeof(struct compressed_bio), GFP_NOFS);
622         if (!cb) {
623                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
624                 goto out;
625         }
626
627         refcount_set(&cb->pending_ios, 1);
628         cb->status = BLK_STS_OK;
629         cb->inode = inode;
630
631         cb->start = em->orig_start;
632         em_len = em->len;
633         em_start = em->start;
634
635         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
636         cb->compressed_len = compressed_len;
637         cb->compress_type = em->compress_type;
638         cb->orig_bio = bio;
639
640         free_extent_map(em);
641         em = NULL;
642
643         cb->nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
644         cb->compressed_pages = kcalloc(cb->nr_pages, sizeof(struct page *), GFP_NOFS);
645         if (!cb->compressed_pages) {
646                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
647                 goto fail;
648         }
649
650         ret2 = btrfs_alloc_page_array(cb->nr_pages, cb->compressed_pages);
651         if (ret2) {
652                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
653                 goto fail;
654         }
655
656         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb, &memstall, &pflags);
657
658         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
659         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
660
661         comp_bio = btrfs_bio_alloc(BIO_MAX_VECS, REQ_OP_READ, BTRFS_I(cb->inode),
662                                    end_compressed_bio_read, cb);
663         comp_bio->bi_iter.bi_sector = (cur_disk_byte >> SECTOR_SHIFT);
664
665         while (cur_disk_byte < disk_bytenr + compressed_len) {
666                 u64 offset = cur_disk_byte - disk_bytenr;
667                 unsigned int index = offset >> PAGE_SHIFT;
668                 unsigned int real_size;
669                 unsigned int added;
670                 struct page *page = cb->compressed_pages[index];
671
672                 /*
673                  * We have various limit on the real read size:
674                  * - page boundary
675                  * - compressed length boundary
676                  */
677                 real_size = min_t(u64, U32_MAX, PAGE_SIZE - offset_in_page(offset));
678                 real_size = min_t(u64, real_size, compressed_len - offset);
679                 ASSERT(IS_ALIGNED(real_size, fs_info->sectorsize));
680
681                 added = bio_add_page(comp_bio, page, real_size, offset_in_page(offset));
682                 /*
683                  * Maximum compressed extent is smaller than bio size limit,
684                  * thus bio_add_page() should always success.
685                  */
686                 ASSERT(added == real_size);
687                 cur_disk_byte += added;
688         }
689
690         if (memstall)
691                 psi_memstall_leave(&pflags);
692
693         /*
694          * Stash the initial offset of this chunk, as there is no direct
695          * correlation between compressed pages and the original file offset.
696          * The field is only used for printing error messages anyway.
697          */
698         btrfs_bio(comp_bio)->file_offset = file_offset;
699
700         ASSERT(comp_bio->bi_iter.bi_size);
701         btrfs_submit_bio(comp_bio, mirror_num);
702         return;
703
704 fail:
705         if (cb->compressed_pages) {
706                 for (i = 0; i < cb->nr_pages; i++) {
707                         if (cb->compressed_pages[i])
708                                 __free_page(cb->compressed_pages[i]);
709                 }
710         }
711
712         kfree(cb->compressed_pages);
713         kfree(cb);
714 out:
715         free_extent_map(em);
716         btrfs_bio_end_io(btrfs_bio(bio), ret);
717         return;
718 }
719
720 /*
721  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
722  * range, the logic can be tuned by the following constants:
723  *
724  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
725  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
726  */
727 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
728 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
729
730 /*
731  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
732  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
733  * many times the object appeared in the sample.
734  */
735 #define BUCKET_SIZE             (256)
736
737 /*
738  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
739  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
740  * elements in each cell is at least 5.
741  *
742  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
743  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
744  * sample size bound by 8192.
745  *
746  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
747  * from up to 512 locations.
748  */
749 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
750                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
751
752 struct bucket_item {
753         u32 count;
754 };
755
756 struct heuristic_ws {
757         /* Partial copy of input data */
758         u8 *sample;
759         u32 sample_size;
760         /* Buckets store counters for each byte value */
761         struct bucket_item *bucket;
762         /* Sorting buffer */
763         struct bucket_item *bucket_b;
764         struct list_head list;
765 };
766
767 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
768
769 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
770 {
771         struct heuristic_ws *workspace;
772
773         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
774
775         kvfree(workspace->sample);
776         kfree(workspace->bucket);
777         kfree(workspace->bucket_b);
778         kfree(workspace);
779 }
780
781 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
782 {
783         struct heuristic_ws *ws;
784
785         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
786         if (!ws)
787                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
788
789         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
790         if (!ws->sample)
791                 goto fail;
792
793         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
794         if (!ws->bucket)
795                 goto fail;
796
797         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
798         if (!ws->bucket_b)
799                 goto fail;
800
801         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
802         return &ws->list;
803 fail:
804         free_heuristic_ws(&ws->list);
805         return ERR_PTR(-ENOMEM);
806 }
807
808 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
809         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
810 };
811
812 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
813         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
814         &btrfs_heuristic_compress,
815         &btrfs_zlib_compress,
816         &btrfs_lzo_compress,
817         &btrfs_zstd_compress,
818 };
819
820 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
821 {
822         switch (type) {
823         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
824         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
825         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
826         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
827         default:
828                 /*
829                  * This can't happen, the type is validated several times
830                  * before we get here.
831                  */
832                 BUG();
833         }
834 }
835
836 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
837 {
838         switch (type) {
839         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
840         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
841         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
842         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
843         default:
844                 /*
845                  * This can't happen, the type is validated several times
846                  * before we get here.
847                  */
848                 BUG();
849         }
850 }
851
852 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
853 {
854         struct workspace_manager *wsm;
855         struct list_head *workspace;
856
857         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
858         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
859         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
860         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
861         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
862
863         /*
864          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
865          * guarantee forward progress in the worst case
866          */
867         workspace = alloc_workspace(type, 0);
868         if (IS_ERR(workspace)) {
869                 pr_warn(
870         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
871         } else {
872                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
873                 wsm->free_ws = 1;
874                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
875         }
876 }
877
878 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
879 {
880         struct workspace_manager *wsman;
881         struct list_head *ws;
882
883         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
884         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
885                 ws = wsman->idle_ws.next;
886                 list_del(ws);
887                 free_workspace(type, ws);
888                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
889         }
890 }
891
892 /*
893  * This finds an available workspace or allocates a new one.
894  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
895  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
896  * errors.
897  */
898 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
899 {
900         struct workspace_manager *wsm;
901         struct list_head *workspace;
902         int cpus = num_online_cpus();
903         unsigned nofs_flag;
904         struct list_head *idle_ws;
905         spinlock_t *ws_lock;
906         atomic_t *total_ws;
907         wait_queue_head_t *ws_wait;
908         int *free_ws;
909
910         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
911         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
912         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
913         total_ws = &wsm->total_ws;
914         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
915         free_ws  = &wsm->free_ws;
916
917 again:
918         spin_lock(ws_lock);
919         if (!list_empty(idle_ws)) {
920                 workspace = idle_ws->next;
921                 list_del(workspace);
922                 (*free_ws)--;
923                 spin_unlock(ws_lock);
924                 return workspace;
925
926         }
927         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
928                 DEFINE_WAIT(wait);
929
930                 spin_unlock(ws_lock);
931                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
932                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
933                         schedule();
934                 finish_wait(ws_wait, &wait);
935                 goto again;
936         }
937         atomic_inc(total_ws);
938         spin_unlock(ws_lock);
939
940         /*
941          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
942          * to turn it off here because we might get called from the restricted
943          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
944          */
945         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
946         workspace = alloc_workspace(type, level);
947         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
948
949         if (IS_ERR(workspace)) {
950                 atomic_dec(total_ws);
951                 wake_up(ws_wait);
952
953                 /*
954                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
955                  * workspace preallocated for each type and the compression
956                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
957                  * makes our caller's life easier.
958                  *
959                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
960                  * initial preallocation fails), check if there are any
961                  * workspaces at all.
962                  */
963                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
964                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
965                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
966                                         /* no burst */ 1);
967
968                         if (__ratelimit(&_rs)) {
969                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
970                         }
971                 }
972                 goto again;
973         }
974         return workspace;
975 }
976
977 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
978 {
979         switch (type) {
980         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
981         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
982         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
983         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
984         default:
985                 /*
986                  * This can't happen, the type is validated several times
987                  * before we get here.
988                  */
989                 BUG();
990         }
991 }
992
993 /*
994  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
995  * idle ones sitting around
996  */
997 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
998 {
999         struct workspace_manager *wsm;
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         spin_lock(ws_lock);
1014         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1015                 list_add(ws, idle_ws);
1016                 (*free_ws)++;
1017                 spin_unlock(ws_lock);
1018                 goto wake;
1019         }
1020         spin_unlock(ws_lock);
1021
1022         free_workspace(type, ws);
1023         atomic_dec(total_ws);
1024 wake:
1025         cond_wake_up(ws_wait);
1026 }
1027
1028 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1029 {
1030         switch (type) {
1031         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1032         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1033         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1034         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1035         default:
1036                 /*
1037                  * This can't happen, the type is validated several times
1038                  * before we get here.
1039                  */
1040                 BUG();
1041         }
1042 }
1043
1044 /*
1045  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1046  * fallback to default
1047  */
1048 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1049 {
1050         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1051
1052         if (level == 0)
1053                 level = ops->default_level;
1054         else
1055                 level = min(level, ops->max_level);
1056
1057         return level;
1058 }
1059
1060 /*
1061  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1062  * that are allocated on demand.
1063  *
1064  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1065  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1066  * - compression algo are 0-3
1067  * - the level are bits 4-7
1068  *
1069  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1070  * and returns number of actually allocated pages
1071  *
1072  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1073  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1074  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1075  * max_out threshold.
1076  *
1077  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1078  * be also used to return the total number of compressed bytes
1079  */
1080 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1081                          u64 start, struct page **pages,
1082                          unsigned long *out_pages,
1083                          unsigned long *total_in,
1084                          unsigned long *total_out)
1085 {
1086         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1087         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1088         struct list_head *workspace;
1089         int ret;
1090
1091         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1092         workspace = get_workspace(type, level);
1093         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1094                                          out_pages, total_in, total_out);
1095         put_workspace(type, workspace);
1096         return ret;
1097 }
1098
1099 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1100 {
1101         struct list_head *workspace;
1102         int ret;
1103         int type = cb->compress_type;
1104
1105         workspace = get_workspace(type, 0);
1106         ret = compression_decompress_bio(workspace, cb);
1107         put_workspace(type, workspace);
1108
1109         return ret;
1110 }
1111
1112 /*
1113  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1114  * single page, and we want to read a single page out of it.
1115  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1116  */
1117 int btrfs_decompress(int type, const u8 *data_in, struct page *dest_page,
1118                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1119 {
1120         struct list_head *workspace;
1121         int ret;
1122
1123         workspace = get_workspace(type, 0);
1124         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1125                                      start_byte, srclen, destlen);
1126         put_workspace(type, workspace);
1127
1128         return ret;
1129 }
1130
1131 int __init btrfs_init_compress(void)
1132 {
1133         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1134         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1135         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1136         zstd_init_workspace_manager();
1137         return 0;
1138 }
1139
1140 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1141 {
1142         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1143         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1144         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1145         zstd_cleanup_workspace_manager();
1146 }
1147
1148 /*
1149  * Copy decompressed data from working buffer to pages.
1150  *
1151  * @buf:                The decompressed data buffer
1152  * @buf_len:            The decompressed data length
1153  * @decompressed:       Number of bytes that are already decompressed inside the
1154  *                      compressed extent
1155  * @cb:                 The compressed extent descriptor
1156  * @orig_bio:           The original bio that the caller wants to read for
1157  *
1158  * An easier to understand graph is like below:
1159  *
1160  *              |<- orig_bio ->|     |<- orig_bio->|
1161  *      |<-------      full decompressed extent      ----->|
1162  *      |<-----------    @cb range   ---->|
1163  *      |                       |<-- @buf_len -->|
1164  *      |<--- @decompressed --->|
1165  *
1166  * Note that, @cb can be a subpage of the full decompressed extent, but
1167  * @cb->start always has the same as the orig_file_offset value of the full
1168  * decompressed extent.
1169  *
1170  * When reading compressed extent, we have to read the full compressed extent,
1171  * while @orig_bio may only want part of the range.
1172  * Thus this function will ensure only data covered by @orig_bio will be copied
1173  * to.
1174  *
1175  * Return 0 if we have copied all needed contents for @orig_bio.
1176  * Return >0 if we need continue decompress.
1177  */
1178 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, u32 buf_len,
1179                               struct compressed_bio *cb, u32 decompressed)
1180 {
1181         struct bio *orig_bio = cb->orig_bio;
1182         /* Offset inside the full decompressed extent */
1183         u32 cur_offset;
1184
1185         cur_offset = decompressed;
1186         /* The main loop to do the copy */
1187         while (cur_offset < decompressed + buf_len) {
1188                 struct bio_vec bvec;
1189                 size_t copy_len;
1190                 u32 copy_start;
1191                 /* Offset inside the full decompressed extent */
1192                 u32 bvec_offset;
1193
1194                 bvec = bio_iter_iovec(orig_bio, orig_bio->bi_iter);
1195                 /*
1196                  * cb->start may underflow, but subtracting that value can still
1197                  * give us correct offset inside the full decompressed extent.
1198                  */
1199                 bvec_offset = page_offset(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset - cb->start;
1200
1201                 /* Haven't reached the bvec range, exit */
1202                 if (decompressed + buf_len <= bvec_offset)
1203                         return 1;
1204
1205                 copy_start = max(cur_offset, bvec_offset);
1206                 copy_len = min(bvec_offset + bvec.bv_len,
1207                                decompressed + buf_len) - copy_start;
1208                 ASSERT(copy_len);
1209
1210                 /*
1211                  * Extra range check to ensure we didn't go beyond
1212                  * @buf + @buf_len.
1213                  */
1214                 ASSERT(copy_start - decompressed < buf_len);
1215                 memcpy_to_page(bvec.bv_page, bvec.bv_offset,
1216                                buf + copy_start - decompressed, copy_len);
1217                 cur_offset += copy_len;
1218
1219                 bio_advance(orig_bio, copy_len);
1220                 /* Finished the bio */
1221                 if (!orig_bio->bi_iter.bi_size)
1222                         return 0;
1223         }
1224         return 1;
1225 }
1226
1227 /*
1228  * Shannon Entropy calculation
1229  *
1230  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1231  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1232  * needed to encode the sampled data.
1233  *
1234  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1235  * bits directly.
1236  *
1237  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1238  *                          and can be compressible with high probability
1239  *
1240  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1241  *
1242  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1243  */
1244 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1245 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1246
1247 /*
1248  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1249  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1250  *
1251  * - maximum int bit length is 64
1252  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1253  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1254  *
1255  * So use pow(n, 4).
1256  */
1257 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1258 {
1259         return ilog2(n * n * n * n);
1260 }
1261
1262 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1263 {
1264         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1265         u32 entropy_sum = 0;
1266         u32 p, p_base, sz_base;
1267         u32 i;
1268
1269         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1270         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1271                 p = ws->bucket[i].count;
1272                 p_base = ilog2_w(p);
1273                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1274         }
1275
1276         entropy_sum /= ws->sample_size;
1277         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1278 }
1279
1280 #define RADIX_BASE              4U
1281 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1282
1283 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1284         u8 low4bits;
1285
1286         num >>= shift;
1287         /* Reverse order */
1288         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1289         return low4bits;
1290 }
1291
1292 /*
1293  * Use 4 bits as radix base
1294  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1295  *
1296  * @array     - array that will be sorted
1297  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1298  *              must be equal in size to @array
1299  * @num       - array size
1300  */
1301 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1302                        int num)
1303 {
1304         u64 max_num;
1305         u64 buf_num;
1306         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1307         u32 new_addr;
1308         u32 addr;
1309         int bitlen;
1310         int shift;
1311         int i;
1312
1313         /*
1314          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1315          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1316          */
1317         max_num = array[0].count;
1318         for (i = 1; i < num; i++) {
1319                 buf_num = array[i].count;
1320                 if (buf_num > max_num)
1321                         max_num = buf_num;
1322         }
1323
1324         buf_num = ilog2(max_num);
1325         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1326
1327         shift = 0;
1328         while (shift < bitlen) {
1329                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1330
1331                 for (i = 0; i < num; i++) {
1332                         buf_num = array[i].count;
1333                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1334                         counters[addr]++;
1335                 }
1336
1337                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1338                         counters[i] += counters[i - 1];
1339
1340                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1341                         buf_num = array[i].count;
1342                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1343                         counters[addr]--;
1344                         new_addr = counters[addr];
1345                         array_buf[new_addr] = array[i];
1346                 }
1347
1348                 shift += RADIX_BASE;
1349
1350                 /*
1351                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1352                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1353                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1354                  * memcpy()
1355                  */
1356                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1357
1358                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1359                         buf_num = array_buf[i].count;
1360                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1361                         counters[addr]++;
1362                 }
1363
1364                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1365                         counters[i] += counters[i - 1];
1366
1367                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1368                         buf_num = array_buf[i].count;
1369                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1370                         counters[addr]--;
1371                         new_addr = counters[addr];
1372                         array[new_addr] = array_buf[i];
1373                 }
1374
1375                 shift += RADIX_BASE;
1376         }
1377 }
1378
1379 /*
1380  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1381  *
1382  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1383  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1384  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1385  *
1386  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1387  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1388  * how much.
1389  *
1390  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1391  *                       compression algo can easy fix that
1392  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1393  *                       probability is not compressible
1394  */
1395 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1396 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1397
1398 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1399 {
1400         u32 i;
1401         u32 coreset_sum = 0;
1402         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1403         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1404
1405         /* Sort in reverse order */
1406         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1407
1408         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1409                 coreset_sum += bucket[i].count;
1410
1411         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1412                 return i;
1413
1414         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1415                 coreset_sum += bucket[i].count;
1416                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1417                         break;
1418         }
1419
1420         return i;
1421 }
1422
1423 /*
1424  * Count byte values in buckets.
1425  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1426  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1427  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1428  * compress.
1429  *
1430  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1431  *      less - compressible
1432  *      more - need additional analysis
1433  */
1434 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1435
1436 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1437 {
1438         u32 i;
1439         u32 byte_set_size = 0;
1440
1441         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1442                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1443                         byte_set_size++;
1444         }
1445
1446         /*
1447          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1448          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1449          * the detection technique would fail for this type of data.
1450          */
1451         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1452                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1453                         byte_set_size++;
1454                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1455                                 return byte_set_size;
1456                 }
1457         }
1458
1459         return byte_set_size;
1460 }
1461
1462 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1463 {
1464         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1465         const u8 *data = ws->sample;
1466
1467         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1468 }
1469
1470 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1471                                      struct heuristic_ws *ws)
1472 {
1473         struct page *page;
1474         u64 index, index_end;
1475         u32 i, curr_sample_pos;
1476         u8 *in_data;
1477
1478         /*
1479          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1480          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1481          *
1482          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1483          *
1484          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1485          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1486          */
1487         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1488                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1489
1490         index = start >> PAGE_SHIFT;
1491         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1492
1493         /* Don't miss unaligned end */
1494         if (!PAGE_ALIGNED(end))
1495                 index_end++;
1496
1497         curr_sample_pos = 0;
1498         while (index < index_end) {
1499                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1500                 in_data = kmap_local_page(page);
1501                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1502                 i = start % PAGE_SIZE;
1503                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1504                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1505                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1506                                 break;
1507                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1508                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1509                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1510                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1511                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1512                 }
1513                 kunmap_local(in_data);
1514                 put_page(page);
1515
1516                 index++;
1517         }
1518
1519         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1520 }
1521
1522 /*
1523  * Compression heuristic.
1524  *
1525  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1526  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1527  * (compressible/incompressible) to avoid wasting CPU time on incompressible
1528  * data.
1529  *
1530  * The following types of analysis can be performed:
1531  * - detect mostly zero data
1532  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1533  * - detect data with low/high "core byte" set
1534  *
1535  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1536  */
1537 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1538 {
1539         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1540         struct heuristic_ws *ws;
1541         u32 i;
1542         u8 byte;
1543         int ret = 0;
1544
1545         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1546
1547         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1548
1549         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1550                 ret = 1;
1551                 goto out;
1552         }
1553
1554         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1555
1556         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1557                 byte = ws->sample[i];
1558                 ws->bucket[byte].count++;
1559         }
1560
1561         i = byte_set_size(ws);
1562         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1563                 ret = 2;
1564                 goto out;
1565         }
1566
1567         i = byte_core_set_size(ws);
1568         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1569                 ret = 3;
1570                 goto out;
1571         }
1572
1573         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1574                 ret = 0;
1575                 goto out;
1576         }
1577
1578         i = shannon_entropy(ws);
1579         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1580                 ret = 4;
1581                 goto out;
1582         }
1583
1584         /*
1585          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1586          * needed to give green light to compression.
1587          *
1588          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1589          * resources because:
1590          *
1591          * 1. it is possible to defrag the data later
1592          *
1593          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1594          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1595          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1596          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1597          * pairs of bytes, which is too costly.
1598          */
1599         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1600                 ret = 5;
1601                 goto out;
1602         } else {
1603                 ret = 0;
1604                 goto out;
1605         }
1606
1607 out:
1608         put_workspace(0, ws_list);
1609         return ret;
1610 }
1611
1612 /*
1613  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1614  * level, unrecognized string will set the default level
1615  */
1616 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1617 {
1618         unsigned int level = 0;
1619         int ret;
1620
1621         if (!type)
1622                 return 0;
1623
1624         if (str[0] == ':') {
1625                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1626                 if (ret)
1627                         level = 0;
1628         }
1629
1630         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1631
1632         return level;
1633 }