5bad3a0b8a8815a5a56854bfd483c88b194e583b
[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't happen, the type is validated several times
84                  * before we get here. As a sane fallback, return what the
85                  * callers will understand as 'no compression happened'.
86                  */
87                 return -E2BIG;
88         }
89 }
90
91 static int compression_decompress_bio(int type, struct list_head *ws,
92                 struct compressed_bio *cb)
93 {
94         switch (type) {
95         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress_bio(ws, cb);
96         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress_bio(ws, cb);
97         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress_bio(ws, cb);
98         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
99         default:
100                 /*
101                  * This can't happen, the type is validated several times
102                  * before we get here.
103                  */
104                 BUG();
105         }
106 }
107
108 static int compression_decompress(int type, struct list_head *ws,
109                unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
110                unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
111 {
112         switch (type) {
113         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress(ws, data_in, dest_page,
114                                                 start_byte, srclen, destlen);
115         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress(ws, data_in, dest_page,
116                                                 start_byte, srclen, destlen);
117         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress(ws, data_in, dest_page,
118                                                 start_byte, srclen, destlen);
119         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
120         default:
121                 /*
122                  * This can't happen, the type is validated several times
123                  * before we get here.
124                  */
125                 BUG();
126         }
127 }
128
129 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb);
130
131 static inline int compressed_bio_size(struct btrfs_fs_info *fs_info,
132                                       unsigned long disk_size)
133 {
134         return sizeof(struct compressed_bio) +
135                 (DIV_ROUND_UP(disk_size, fs_info->sectorsize)) * fs_info->csum_size;
136 }
137
138 static int check_compressed_csum(struct btrfs_inode *inode, struct bio *bio,
139                                  u64 disk_start)
140 {
141         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
142         SHASH_DESC_ON_STACK(shash, fs_info->csum_shash);
143         const u32 csum_size = fs_info->csum_size;
144         struct page *page;
145         unsigned long i;
146         char *kaddr;
147         u8 csum[BTRFS_CSUM_SIZE];
148         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
149         u8 *cb_sum = cb->sums;
150
151         if (!fs_info->csum_root || (inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM))
152                 return 0;
153
154         shash->tfm = fs_info->csum_shash;
155
156         for (i = 0; i < cb->nr_pages; i++) {
157                 page = cb->compressed_pages[i];
158
159                 kaddr = kmap_atomic(page);
160                 crypto_shash_digest(shash, kaddr, PAGE_SIZE, csum);
161                 kunmap_atomic(kaddr);
162
163                 if (memcmp(&csum, cb_sum, csum_size)) {
164                         btrfs_print_data_csum_error(inode, disk_start,
165                                         csum, cb_sum, cb->mirror_num);
166                         if (btrfs_io_bio(bio)->device)
167                                 btrfs_dev_stat_inc_and_print(
168                                         btrfs_io_bio(bio)->device,
169                                         BTRFS_DEV_STAT_CORRUPTION_ERRS);
170                         return -EIO;
171                 }
172                 cb_sum += csum_size;
173         }
174         return 0;
175 }
176
177 /* when we finish reading compressed pages from the disk, we
178  * decompress them and then run the bio end_io routines on the
179  * decompressed pages (in the inode address space).
180  *
181  * This allows the checksumming and other IO error handling routines
182  * to work normally
183  *
184  * The compressed pages are freed here, and it must be run
185  * in process context
186  */
187 static void end_compressed_bio_read(struct bio *bio)
188 {
189         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
190         struct inode *inode;
191         struct page *page;
192         unsigned long index;
193         unsigned int mirror = btrfs_io_bio(bio)->mirror_num;
194         int ret = 0;
195
196         if (bio->bi_status)
197                 cb->errors = 1;
198
199         /* if there are more bios still pending for this compressed
200          * extent, just exit
201          */
202         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
203                 goto out;
204
205         /*
206          * Record the correct mirror_num in cb->orig_bio so that
207          * read-repair can work properly.
208          */
209         btrfs_io_bio(cb->orig_bio)->mirror_num = mirror;
210         cb->mirror_num = mirror;
211
212         /*
213          * Some IO in this cb have failed, just skip checksum as there
214          * is no way it could be correct.
215          */
216         if (cb->errors == 1)
217                 goto csum_failed;
218
219         inode = cb->inode;
220         ret = check_compressed_csum(BTRFS_I(inode), bio,
221                                     bio->bi_iter.bi_sector << 9);
222         if (ret)
223                 goto csum_failed;
224
225         /* ok, we're the last bio for this extent, lets start
226          * the decompression.
227          */
228         ret = btrfs_decompress_bio(cb);
229
230 csum_failed:
231         if (ret)
232                 cb->errors = 1;
233
234         /* release the compressed pages */
235         index = 0;
236         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
237                 page = cb->compressed_pages[index];
238                 page->mapping = NULL;
239                 put_page(page);
240         }
241
242         /* do io completion on the original bio */
243         if (cb->errors) {
244                 bio_io_error(cb->orig_bio);
245         } else {
246                 struct bio_vec *bvec;
247                 struct bvec_iter_all iter_all;
248
249                 /*
250                  * we have verified the checksum already, set page
251                  * checked so the end_io handlers know about it
252                  */
253                 ASSERT(!bio_flagged(bio, BIO_CLONED));
254                 bio_for_each_segment_all(bvec, cb->orig_bio, iter_all)
255                         SetPageChecked(bvec->bv_page);
256
257                 bio_endio(cb->orig_bio);
258         }
259
260         /* finally free the cb struct */
261         kfree(cb->compressed_pages);
262         kfree(cb);
263 out:
264         bio_put(bio);
265 }
266
267 /*
268  * Clear the writeback bits on all of the file
269  * pages for a compressed write
270  */
271 static noinline void end_compressed_writeback(struct inode *inode,
272                                               const struct compressed_bio *cb)
273 {
274         unsigned long index = cb->start >> PAGE_SHIFT;
275         unsigned long end_index = (cb->start + cb->len - 1) >> PAGE_SHIFT;
276         struct page *pages[16];
277         unsigned long nr_pages = end_index - index + 1;
278         int i;
279         int ret;
280
281         if (cb->errors)
282                 mapping_set_error(inode->i_mapping, -EIO);
283
284         while (nr_pages > 0) {
285                 ret = find_get_pages_contig(inode->i_mapping, index,
286                                      min_t(unsigned long,
287                                      nr_pages, ARRAY_SIZE(pages)), pages);
288                 if (ret == 0) {
289                         nr_pages -= 1;
290                         index += 1;
291                         continue;
292                 }
293                 for (i = 0; i < ret; i++) {
294                         if (cb->errors)
295                                 SetPageError(pages[i]);
296                         end_page_writeback(pages[i]);
297                         put_page(pages[i]);
298                 }
299                 nr_pages -= ret;
300                 index += ret;
301         }
302         /* the inode may be gone now */
303 }
304
305 /*
306  * do the cleanup once all the compressed pages hit the disk.
307  * This will clear writeback on the file pages and free the compressed
308  * pages.
309  *
310  * This also calls the writeback end hooks for the file pages so that
311  * metadata and checksums can be updated in the file.
312  */
313 static void end_compressed_bio_write(struct bio *bio)
314 {
315         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
316         struct inode *inode;
317         struct page *page;
318         unsigned long index;
319
320         if (bio->bi_status)
321                 cb->errors = 1;
322
323         /* if there are more bios still pending for this compressed
324          * extent, just exit
325          */
326         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
327                 goto out;
328
329         /* ok, we're the last bio for this extent, step one is to
330          * call back into the FS and do all the end_io operations
331          */
332         inode = cb->inode;
333         cb->compressed_pages[0]->mapping = cb->inode->i_mapping;
334         btrfs_writepage_endio_finish_ordered(cb->compressed_pages[0],
335                         cb->start, cb->start + cb->len - 1,
336                         bio->bi_status == BLK_STS_OK);
337         cb->compressed_pages[0]->mapping = NULL;
338
339         end_compressed_writeback(inode, cb);
340         /* note, our inode could be gone now */
341
342         /*
343          * release the compressed pages, these came from alloc_page and
344          * are not attached to the inode at all
345          */
346         index = 0;
347         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
348                 page = cb->compressed_pages[index];
349                 page->mapping = NULL;
350                 put_page(page);
351         }
352
353         /* finally free the cb struct */
354         kfree(cb->compressed_pages);
355         kfree(cb);
356 out:
357         bio_put(bio);
358 }
359
360 /*
361  * worker function to build and submit bios for previously compressed pages.
362  * The corresponding pages in the inode should be marked for writeback
363  * and the compressed pages should have a reference on them for dropping
364  * when the IO is complete.
365  *
366  * This also checksums the file bytes and gets things ready for
367  * the end io hooks.
368  */
369 blk_status_t btrfs_submit_compressed_write(struct btrfs_inode *inode, u64 start,
370                                  unsigned long len, u64 disk_start,
371                                  unsigned long compressed_len,
372                                  struct page **compressed_pages,
373                                  unsigned long nr_pages,
374                                  unsigned int write_flags,
375                                  struct cgroup_subsys_state *blkcg_css)
376 {
377         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
378         struct bio *bio = NULL;
379         struct compressed_bio *cb;
380         unsigned long bytes_left;
381         int pg_index = 0;
382         struct page *page;
383         u64 first_byte = disk_start;
384         blk_status_t ret;
385         int skip_sum = inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM;
386
387         WARN_ON(!PAGE_ALIGNED(start));
388         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
389         if (!cb)
390                 return BLK_STS_RESOURCE;
391         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
392         cb->errors = 0;
393         cb->inode = &inode->vfs_inode;
394         cb->start = start;
395         cb->len = len;
396         cb->mirror_num = 0;
397         cb->compressed_pages = compressed_pages;
398         cb->compressed_len = compressed_len;
399         cb->orig_bio = NULL;
400         cb->nr_pages = nr_pages;
401
402         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
403         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
404         bio->bi_private = cb;
405         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
406
407         if (blkcg_css) {
408                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
409                 kthread_associate_blkcg(blkcg_css);
410         }
411         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
412
413         /* create and submit bios for the compressed pages */
414         bytes_left = compressed_len;
415         for (pg_index = 0; pg_index < cb->nr_pages; pg_index++) {
416                 int submit = 0;
417
418                 page = compressed_pages[pg_index];
419                 page->mapping = inode->vfs_inode.i_mapping;
420                 if (bio->bi_iter.bi_size)
421                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, PAGE_SIZE, bio,
422                                                           0);
423
424                 page->mapping = NULL;
425                 if (submit || bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0) <
426                     PAGE_SIZE) {
427                         /*
428                          * inc the count before we submit the bio so
429                          * we know the end IO handler won't happen before
430                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
431                          * freed before we're done setting it up
432                          */
433                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
434                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio,
435                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
436                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
437
438                         if (!skip_sum) {
439                                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
440                                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
441                         }
442
443                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
444                         if (ret) {
445                                 bio->bi_status = ret;
446                                 bio_endio(bio);
447                         }
448
449                         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
450                         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
451                         bio->bi_private = cb;
452                         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
453                         if (blkcg_css)
454                                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
455                         bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0);
456                 }
457                 if (bytes_left < PAGE_SIZE) {
458                         btrfs_info(fs_info,
459                                         "bytes left %lu compress len %lu nr %lu",
460                                bytes_left, cb->compressed_len, cb->nr_pages);
461                 }
462                 bytes_left -= PAGE_SIZE;
463                 first_byte += PAGE_SIZE;
464                 cond_resched();
465         }
466
467         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
468         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
469
470         if (!skip_sum) {
471                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
472                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
473         }
474
475         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
476         if (ret) {
477                 bio->bi_status = ret;
478                 bio_endio(bio);
479         }
480
481         if (blkcg_css)
482                 kthread_associate_blkcg(NULL);
483
484         return 0;
485 }
486
487 static u64 bio_end_offset(struct bio *bio)
488 {
489         struct bio_vec *last = bio_last_bvec_all(bio);
490
491         return page_offset(last->bv_page) + last->bv_len + last->bv_offset;
492 }
493
494 static noinline int add_ra_bio_pages(struct inode *inode,
495                                      u64 compressed_end,
496                                      struct compressed_bio *cb)
497 {
498         unsigned long end_index;
499         unsigned long pg_index;
500         u64 last_offset;
501         u64 isize = i_size_read(inode);
502         int ret;
503         struct page *page;
504         unsigned long nr_pages = 0;
505         struct extent_map *em;
506         struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
507         struct extent_map_tree *em_tree;
508         struct extent_io_tree *tree;
509         u64 end;
510         int misses = 0;
511
512         last_offset = bio_end_offset(cb->orig_bio);
513         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
514         tree = &BTRFS_I(inode)->io_tree;
515
516         if (isize == 0)
517                 return 0;
518
519         end_index = (i_size_read(inode) - 1) >> PAGE_SHIFT;
520
521         while (last_offset < compressed_end) {
522                 pg_index = last_offset >> PAGE_SHIFT;
523
524                 if (pg_index > end_index)
525                         break;
526
527                 page = xa_load(&mapping->i_pages, pg_index);
528                 if (page && !xa_is_value(page)) {
529                         misses++;
530                         if (misses > 4)
531                                 break;
532                         goto next;
533                 }
534
535                 page = __page_cache_alloc(mapping_gfp_constraint(mapping,
536                                                                  ~__GFP_FS));
537                 if (!page)
538                         break;
539
540                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, pg_index, GFP_NOFS)) {
541                         put_page(page);
542                         goto next;
543                 }
544
545                 /*
546                  * at this point, we have a locked page in the page cache
547                  * for these bytes in the file.  But, we have to make
548                  * sure they map to this compressed extent on disk.
549                  */
550                 ret = set_page_extent_mapped(page);
551                 if (ret < 0) {
552                         unlock_page(page);
553                         put_page(page);
554                         break;
555                 }
556
557                 end = last_offset + PAGE_SIZE - 1;
558                 lock_extent(tree, last_offset, end);
559                 read_lock(&em_tree->lock);
560                 em = lookup_extent_mapping(em_tree, last_offset,
561                                            PAGE_SIZE);
562                 read_unlock(&em_tree->lock);
563
564                 if (!em || last_offset < em->start ||
565                     (last_offset + PAGE_SIZE > extent_map_end(em)) ||
566                     (em->block_start >> 9) != cb->orig_bio->bi_iter.bi_sector) {
567                         free_extent_map(em);
568                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
569                         unlock_page(page);
570                         put_page(page);
571                         break;
572                 }
573                 free_extent_map(em);
574
575                 if (page->index == end_index) {
576                         char *userpage;
577                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
578
579                         if (zero_offset) {
580                                 int zeros;
581                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
582                                 userpage = kmap_atomic(page);
583                                 memset(userpage + zero_offset, 0, zeros);
584                                 flush_dcache_page(page);
585                                 kunmap_atomic(userpage);
586                         }
587                 }
588
589                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page,
590                                    PAGE_SIZE, 0);
591
592                 if (ret == PAGE_SIZE) {
593                         nr_pages++;
594                         put_page(page);
595                 } else {
596                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
597                         unlock_page(page);
598                         put_page(page);
599                         break;
600                 }
601 next:
602                 last_offset += PAGE_SIZE;
603         }
604         return 0;
605 }
606
607 /*
608  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
609  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
610  * to hold the compressed pages on disk.
611  *
612  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
613  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
614  *
615  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
616  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
617  */
618 blk_status_t btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
619                                  int mirror_num, unsigned long bio_flags)
620 {
621         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
622         struct extent_map_tree *em_tree;
623         struct compressed_bio *cb;
624         unsigned long compressed_len;
625         unsigned long nr_pages;
626         unsigned long pg_index;
627         struct page *page;
628         struct bio *comp_bio;
629         u64 cur_disk_byte = bio->bi_iter.bi_sector << 9;
630         u64 em_len;
631         u64 em_start;
632         struct extent_map *em;
633         blk_status_t ret = BLK_STS_RESOURCE;
634         int faili = 0;
635         u8 *sums;
636
637         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
638
639         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
640         read_lock(&em_tree->lock);
641         em = lookup_extent_mapping(em_tree,
642                                    page_offset(bio_first_page_all(bio)),
643                                    fs_info->sectorsize);
644         read_unlock(&em_tree->lock);
645         if (!em)
646                 return BLK_STS_IOERR;
647
648         compressed_len = em->block_len;
649         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
650         if (!cb)
651                 goto out;
652
653         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
654         cb->errors = 0;
655         cb->inode = inode;
656         cb->mirror_num = mirror_num;
657         sums = cb->sums;
658
659         cb->start = em->orig_start;
660         em_len = em->len;
661         em_start = em->start;
662
663         free_extent_map(em);
664         em = NULL;
665
666         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
667         cb->compressed_len = compressed_len;
668         cb->compress_type = extent_compress_type(bio_flags);
669         cb->orig_bio = bio;
670
671         nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
672         cb->compressed_pages = kcalloc(nr_pages, sizeof(struct page *),
673                                        GFP_NOFS);
674         if (!cb->compressed_pages)
675                 goto fail1;
676
677         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
678                 cb->compressed_pages[pg_index] = alloc_page(GFP_NOFS |
679                                                               __GFP_HIGHMEM);
680                 if (!cb->compressed_pages[pg_index]) {
681                         faili = pg_index - 1;
682                         ret = BLK_STS_RESOURCE;
683                         goto fail2;
684                 }
685         }
686         faili = nr_pages - 1;
687         cb->nr_pages = nr_pages;
688
689         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb);
690
691         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
692         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
693
694         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
695         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
696         comp_bio->bi_private = cb;
697         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
698         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
699
700         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
701                 u32 pg_len = PAGE_SIZE;
702                 int submit = 0;
703
704                 /*
705                  * To handle subpage case, we need to make sure the bio only
706                  * covers the range we need.
707                  *
708                  * If we're at the last page, truncate the length to only cover
709                  * the remaining part.
710                  */
711                 if (pg_index == nr_pages - 1)
712                         pg_len = min_t(u32, PAGE_SIZE,
713                                         compressed_len - pg_index * PAGE_SIZE);
714
715                 page = cb->compressed_pages[pg_index];
716                 page->mapping = inode->i_mapping;
717                 page->index = em_start >> PAGE_SHIFT;
718
719                 if (comp_bio->bi_iter.bi_size)
720                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, pg_len,
721                                                           comp_bio, 0);
722
723                 page->mapping = NULL;
724                 if (submit || bio_add_page(comp_bio, page, pg_len, 0) < pg_len) {
725                         unsigned int nr_sectors;
726
727                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio,
728                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
729                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
730
731                         /*
732                          * inc the count before we submit the bio so
733                          * we know the end IO handler won't happen before
734                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
735                          * freed before we're done setting it up
736                          */
737                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
738
739                         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
740                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
741
742                         nr_sectors = DIV_ROUND_UP(comp_bio->bi_iter.bi_size,
743                                                   fs_info->sectorsize);
744                         sums += fs_info->csum_size * nr_sectors;
745
746                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
747                         if (ret) {
748                                 comp_bio->bi_status = ret;
749                                 bio_endio(comp_bio);
750                         }
751
752                         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
753                         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
754                         comp_bio->bi_private = cb;
755                         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
756
757                         bio_add_page(comp_bio, page, pg_len, 0);
758                 }
759                 cur_disk_byte += pg_len;
760         }
761
762         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
763         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
764
765         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
766         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
767
768         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
769         if (ret) {
770                 comp_bio->bi_status = ret;
771                 bio_endio(comp_bio);
772         }
773
774         return 0;
775
776 fail2:
777         while (faili >= 0) {
778                 __free_page(cb->compressed_pages[faili]);
779                 faili--;
780         }
781
782         kfree(cb->compressed_pages);
783 fail1:
784         kfree(cb);
785 out:
786         free_extent_map(em);
787         return ret;
788 }
789
790 /*
791  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
792  * range, the logic can be tuned by the following constants:
793  *
794  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
795  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
796  */
797 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
798 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
799
800 /*
801  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
802  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
803  * many times the object appeared in the sample.
804  */
805 #define BUCKET_SIZE             (256)
806
807 /*
808  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
809  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
810  * elements in each cell is at least 5.
811  *
812  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
813  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
814  * sample size bound by 8192.
815  *
816  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
817  * from up to 512 locations.
818  */
819 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
820                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
821
822 struct bucket_item {
823         u32 count;
824 };
825
826 struct heuristic_ws {
827         /* Partial copy of input data */
828         u8 *sample;
829         u32 sample_size;
830         /* Buckets store counters for each byte value */
831         struct bucket_item *bucket;
832         /* Sorting buffer */
833         struct bucket_item *bucket_b;
834         struct list_head list;
835 };
836
837 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
838
839 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
840 {
841         struct heuristic_ws *workspace;
842
843         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
844
845         kvfree(workspace->sample);
846         kfree(workspace->bucket);
847         kfree(workspace->bucket_b);
848         kfree(workspace);
849 }
850
851 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
852 {
853         struct heuristic_ws *ws;
854
855         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
856         if (!ws)
857                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
858
859         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
860         if (!ws->sample)
861                 goto fail;
862
863         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
864         if (!ws->bucket)
865                 goto fail;
866
867         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
868         if (!ws->bucket_b)
869                 goto fail;
870
871         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
872         return &ws->list;
873 fail:
874         free_heuristic_ws(&ws->list);
875         return ERR_PTR(-ENOMEM);
876 }
877
878 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
879         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
880 };
881
882 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
883         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
884         &btrfs_heuristic_compress,
885         &btrfs_zlib_compress,
886         &btrfs_lzo_compress,
887         &btrfs_zstd_compress,
888 };
889
890 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
891 {
892         switch (type) {
893         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
894         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
895         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
896         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
897         default:
898                 /*
899                  * This can't happen, the type is validated several times
900                  * before we get here.
901                  */
902                 BUG();
903         }
904 }
905
906 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
907 {
908         switch (type) {
909         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
910         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
911         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
912         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
913         default:
914                 /*
915                  * This can't happen, the type is validated several times
916                  * before we get here.
917                  */
918                 BUG();
919         }
920 }
921
922 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
923 {
924         struct workspace_manager *wsm;
925         struct list_head *workspace;
926
927         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
928         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
929         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
930         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
931         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
932
933         /*
934          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
935          * guarantee forward progress in the worst case
936          */
937         workspace = alloc_workspace(type, 0);
938         if (IS_ERR(workspace)) {
939                 pr_warn(
940         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
941         } else {
942                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
943                 wsm->free_ws = 1;
944                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
945         }
946 }
947
948 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
949 {
950         struct workspace_manager *wsman;
951         struct list_head *ws;
952
953         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
954         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
955                 ws = wsman->idle_ws.next;
956                 list_del(ws);
957                 free_workspace(type, ws);
958                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
959         }
960 }
961
962 /*
963  * This finds an available workspace or allocates a new one.
964  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
965  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
966  * errors.
967  */
968 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
969 {
970         struct workspace_manager *wsm;
971         struct list_head *workspace;
972         int cpus = num_online_cpus();
973         unsigned nofs_flag;
974         struct list_head *idle_ws;
975         spinlock_t *ws_lock;
976         atomic_t *total_ws;
977         wait_queue_head_t *ws_wait;
978         int *free_ws;
979
980         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
981         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
982         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
983         total_ws = &wsm->total_ws;
984         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
985         free_ws  = &wsm->free_ws;
986
987 again:
988         spin_lock(ws_lock);
989         if (!list_empty(idle_ws)) {
990                 workspace = idle_ws->next;
991                 list_del(workspace);
992                 (*free_ws)--;
993                 spin_unlock(ws_lock);
994                 return workspace;
995
996         }
997         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
998                 DEFINE_WAIT(wait);
999
1000                 spin_unlock(ws_lock);
1001                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1002                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
1003                         schedule();
1004                 finish_wait(ws_wait, &wait);
1005                 goto again;
1006         }
1007         atomic_inc(total_ws);
1008         spin_unlock(ws_lock);
1009
1010         /*
1011          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
1012          * to turn it off here because we might get called from the restricted
1013          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
1014          */
1015         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
1016         workspace = alloc_workspace(type, level);
1017         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
1018
1019         if (IS_ERR(workspace)) {
1020                 atomic_dec(total_ws);
1021                 wake_up(ws_wait);
1022
1023                 /*
1024                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
1025                  * workspace preallocated for each type and the compression
1026                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
1027                  * makes our caller's life easier.
1028                  *
1029                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
1030                  * initial preallocation fails), check if there are any
1031                  * workspaces at all.
1032                  */
1033                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
1034                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
1035                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
1036                                         /* no burst */ 1);
1037
1038                         if (__ratelimit(&_rs)) {
1039                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
1040                         }
1041                 }
1042                 goto again;
1043         }
1044         return workspace;
1045 }
1046
1047 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
1048 {
1049         switch (type) {
1050         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
1051         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
1052         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
1053         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
1054         default:
1055                 /*
1056                  * This can't happen, the type is validated several times
1057                  * before we get here.
1058                  */
1059                 BUG();
1060         }
1061 }
1062
1063 /*
1064  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
1065  * idle ones sitting around
1066  */
1067 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1068 {
1069         struct workspace_manager *wsm;
1070         struct list_head *idle_ws;
1071         spinlock_t *ws_lock;
1072         atomic_t *total_ws;
1073         wait_queue_head_t *ws_wait;
1074         int *free_ws;
1075
1076         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1077         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1078         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1079         total_ws = &wsm->total_ws;
1080         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1081         free_ws  = &wsm->free_ws;
1082
1083         spin_lock(ws_lock);
1084         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1085                 list_add(ws, idle_ws);
1086                 (*free_ws)++;
1087                 spin_unlock(ws_lock);
1088                 goto wake;
1089         }
1090         spin_unlock(ws_lock);
1091
1092         free_workspace(type, ws);
1093         atomic_dec(total_ws);
1094 wake:
1095         cond_wake_up(ws_wait);
1096 }
1097
1098 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1099 {
1100         switch (type) {
1101         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1102         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1103         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1104         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1105         default:
1106                 /*
1107                  * This can't happen, the type is validated several times
1108                  * before we get here.
1109                  */
1110                 BUG();
1111         }
1112 }
1113
1114 /*
1115  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1116  * fallback to default
1117  */
1118 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1119 {
1120         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1121
1122         if (level == 0)
1123                 level = ops->default_level;
1124         else
1125                 level = min(level, ops->max_level);
1126
1127         return level;
1128 }
1129
1130 /*
1131  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1132  * that are allocated on demand.
1133  *
1134  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1135  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1136  * - compression algo are 0-3
1137  * - the level are bits 4-7
1138  *
1139  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1140  * and returns number of actually allocated pages
1141  *
1142  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1143  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1144  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1145  * max_out threshold.
1146  *
1147  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1148  * be also used to return the total number of compressed bytes
1149  *
1150  * @max_out tells us the max number of bytes that we're allowed to
1151  * stuff into pages
1152  */
1153 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1154                          u64 start, struct page **pages,
1155                          unsigned long *out_pages,
1156                          unsigned long *total_in,
1157                          unsigned long *total_out)
1158 {
1159         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1160         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1161         struct list_head *workspace;
1162         int ret;
1163
1164         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1165         workspace = get_workspace(type, level);
1166         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1167                                          out_pages, total_in, total_out);
1168         put_workspace(type, workspace);
1169         return ret;
1170 }
1171
1172 /*
1173  * pages_in is an array of pages with compressed data.
1174  *
1175  * disk_start is the starting logical offset of this array in the file
1176  *
1177  * orig_bio contains the pages from the file that we want to decompress into
1178  *
1179  * srclen is the number of bytes in pages_in
1180  *
1181  * The basic idea is that we have a bio that was created by readpages.
1182  * The pages in the bio are for the uncompressed data, and they may not
1183  * be contiguous.  They all correspond to the range of bytes covered by
1184  * the compressed extent.
1185  */
1186 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1187 {
1188         struct list_head *workspace;
1189         int ret;
1190         int type = cb->compress_type;
1191
1192         workspace = get_workspace(type, 0);
1193         ret = compression_decompress_bio(type, workspace, cb);
1194         put_workspace(type, workspace);
1195
1196         return ret;
1197 }
1198
1199 /*
1200  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1201  * single page, and we want to read a single page out of it.
1202  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1203  */
1204 int btrfs_decompress(int type, unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
1205                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1206 {
1207         struct list_head *workspace;
1208         int ret;
1209
1210         workspace = get_workspace(type, 0);
1211         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1212                                      start_byte, srclen, destlen);
1213         put_workspace(type, workspace);
1214
1215         return ret;
1216 }
1217
1218 void __init btrfs_init_compress(void)
1219 {
1220         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1221         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1222         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1223         zstd_init_workspace_manager();
1224 }
1225
1226 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1227 {
1228         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1229         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1230         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1231         zstd_cleanup_workspace_manager();
1232 }
1233
1234 /*
1235  * Copy uncompressed data from working buffer to pages.
1236  *
1237  * buf_start is the byte offset we're of the start of our workspace buffer.
1238  *
1239  * total_out is the last byte of the buffer
1240  */
1241 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, unsigned long buf_start,
1242                               unsigned long total_out, u64 disk_start,
1243                               struct bio *bio)
1244 {
1245         unsigned long buf_offset;
1246         unsigned long current_buf_start;
1247         unsigned long start_byte;
1248         unsigned long prev_start_byte;
1249         unsigned long working_bytes = total_out - buf_start;
1250         unsigned long bytes;
1251         char *kaddr;
1252         struct bio_vec bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1253
1254         /*
1255          * start byte is the first byte of the page we're currently
1256          * copying into relative to the start of the compressed data.
1257          */
1258         start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1259
1260         /* we haven't yet hit data corresponding to this page */
1261         if (total_out <= start_byte)
1262                 return 1;
1263
1264         /*
1265          * the start of the data we care about is offset into
1266          * the middle of our working buffer
1267          */
1268         if (total_out > start_byte && buf_start < start_byte) {
1269                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1270                 working_bytes -= buf_offset;
1271         } else {
1272                 buf_offset = 0;
1273         }
1274         current_buf_start = buf_start;
1275
1276         /* copy bytes from the working buffer into the pages */
1277         while (working_bytes > 0) {
1278                 bytes = min_t(unsigned long, bvec.bv_len,
1279                                 PAGE_SIZE - (buf_offset % PAGE_SIZE));
1280                 bytes = min(bytes, working_bytes);
1281
1282                 kaddr = kmap_atomic(bvec.bv_page);
1283                 memcpy(kaddr + bvec.bv_offset, buf + buf_offset, bytes);
1284                 kunmap_atomic(kaddr);
1285                 flush_dcache_page(bvec.bv_page);
1286
1287                 buf_offset += bytes;
1288                 working_bytes -= bytes;
1289                 current_buf_start += bytes;
1290
1291                 /* check if we need to pick another page */
1292                 bio_advance(bio, bytes);
1293                 if (!bio->bi_iter.bi_size)
1294                         return 0;
1295                 bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1296                 prev_start_byte = start_byte;
1297                 start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1298
1299                 /*
1300                  * We need to make sure we're only adjusting
1301                  * our offset into compression working buffer when
1302                  * we're switching pages.  Otherwise we can incorrectly
1303                  * keep copying when we were actually done.
1304                  */
1305                 if (start_byte != prev_start_byte) {
1306                         /*
1307                          * make sure our new page is covered by this
1308                          * working buffer
1309                          */
1310                         if (total_out <= start_byte)
1311                                 return 1;
1312
1313                         /*
1314                          * the next page in the biovec might not be adjacent
1315                          * to the last page, but it might still be found
1316                          * inside this working buffer. bump our offset pointer
1317                          */
1318                         if (total_out > start_byte &&
1319                             current_buf_start < start_byte) {
1320                                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1321                                 working_bytes = total_out - start_byte;
1322                                 current_buf_start = buf_start + buf_offset;
1323                         }
1324                 }
1325         }
1326
1327         return 1;
1328 }
1329
1330 /*
1331  * Shannon Entropy calculation
1332  *
1333  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1334  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1335  * needed to encode the sampled data.
1336  *
1337  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1338  * bits directly.
1339  *
1340  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1341  *                          and can be compressible with high probability
1342  *
1343  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1344  *
1345  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1346  */
1347 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1348 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1349
1350 /*
1351  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1352  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1353  *
1354  * - maximum int bit length is 64
1355  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1356  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1357  *
1358  * So use pow(n, 4).
1359  */
1360 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1361 {
1362         return ilog2(n * n * n * n);
1363 }
1364
1365 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1366 {
1367         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1368         u32 entropy_sum = 0;
1369         u32 p, p_base, sz_base;
1370         u32 i;
1371
1372         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1373         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1374                 p = ws->bucket[i].count;
1375                 p_base = ilog2_w(p);
1376                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1377         }
1378
1379         entropy_sum /= ws->sample_size;
1380         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1381 }
1382
1383 #define RADIX_BASE              4U
1384 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1385
1386 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1387         u8 low4bits;
1388
1389         num >>= shift;
1390         /* Reverse order */
1391         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1392         return low4bits;
1393 }
1394
1395 /*
1396  * Use 4 bits as radix base
1397  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1398  *
1399  * @array     - array that will be sorted
1400  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1401  *              must be equal in size to @array
1402  * @num       - array size
1403  */
1404 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1405                        int num)
1406 {
1407         u64 max_num;
1408         u64 buf_num;
1409         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1410         u32 new_addr;
1411         u32 addr;
1412         int bitlen;
1413         int shift;
1414         int i;
1415
1416         /*
1417          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1418          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1419          */
1420         max_num = array[0].count;
1421         for (i = 1; i < num; i++) {
1422                 buf_num = array[i].count;
1423                 if (buf_num > max_num)
1424                         max_num = buf_num;
1425         }
1426
1427         buf_num = ilog2(max_num);
1428         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1429
1430         shift = 0;
1431         while (shift < bitlen) {
1432                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1433
1434                 for (i = 0; i < num; i++) {
1435                         buf_num = array[i].count;
1436                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1437                         counters[addr]++;
1438                 }
1439
1440                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1441                         counters[i] += counters[i - 1];
1442
1443                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1444                         buf_num = array[i].count;
1445                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1446                         counters[addr]--;
1447                         new_addr = counters[addr];
1448                         array_buf[new_addr] = array[i];
1449                 }
1450
1451                 shift += RADIX_BASE;
1452
1453                 /*
1454                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1455                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1456                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1457                  * memcpy()
1458                  */
1459                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1460
1461                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1462                         buf_num = array_buf[i].count;
1463                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1464                         counters[addr]++;
1465                 }
1466
1467                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1468                         counters[i] += counters[i - 1];
1469
1470                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1471                         buf_num = array_buf[i].count;
1472                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1473                         counters[addr]--;
1474                         new_addr = counters[addr];
1475                         array[new_addr] = array_buf[i];
1476                 }
1477
1478                 shift += RADIX_BASE;
1479         }
1480 }
1481
1482 /*
1483  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1484  *
1485  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1486  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1487  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1488  *
1489  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1490  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1491  * how much.
1492  *
1493  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1494  *                       compression algo can easy fix that
1495  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1496  *                       probability is not compressible
1497  */
1498 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1499 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1500
1501 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1502 {
1503         u32 i;
1504         u32 coreset_sum = 0;
1505         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1506         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1507
1508         /* Sort in reverse order */
1509         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1510
1511         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1512                 coreset_sum += bucket[i].count;
1513
1514         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1515                 return i;
1516
1517         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1518                 coreset_sum += bucket[i].count;
1519                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1520                         break;
1521         }
1522
1523         return i;
1524 }
1525
1526 /*
1527  * Count byte values in buckets.
1528  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1529  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1530  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1531  * compress.
1532  *
1533  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1534  *      less - compressible
1535  *      more - need additional analysis
1536  */
1537 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1538
1539 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1540 {
1541         u32 i;
1542         u32 byte_set_size = 0;
1543
1544         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1545                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1546                         byte_set_size++;
1547         }
1548
1549         /*
1550          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1551          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1552          * the detection technique would fail for this type of data.
1553          */
1554         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1555                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1556                         byte_set_size++;
1557                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1558                                 return byte_set_size;
1559                 }
1560         }
1561
1562         return byte_set_size;
1563 }
1564
1565 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1566 {
1567         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1568         const u8 *data = ws->sample;
1569
1570         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1571 }
1572
1573 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1574                                      struct heuristic_ws *ws)
1575 {
1576         struct page *page;
1577         u64 index, index_end;
1578         u32 i, curr_sample_pos;
1579         u8 *in_data;
1580
1581         /*
1582          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1583          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1584          *
1585          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1586          *
1587          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1588          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1589          */
1590         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1591                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1592
1593         index = start >> PAGE_SHIFT;
1594         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1595
1596         /* Don't miss unaligned end */
1597         if (!IS_ALIGNED(end, PAGE_SIZE))
1598                 index_end++;
1599
1600         curr_sample_pos = 0;
1601         while (index < index_end) {
1602                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1603                 in_data = kmap(page);
1604                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1605                 i = start % PAGE_SIZE;
1606                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1607                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1608                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1609                                 break;
1610                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1611                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1612                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1613                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1614                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1615                 }
1616                 kunmap(page);
1617                 put_page(page);
1618
1619                 index++;
1620         }
1621
1622         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1623 }
1624
1625 /*
1626  * Compression heuristic.
1627  *
1628  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1629  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1630  * (compressible/uncompressible) to avoid wasting CPU time on uncompressible
1631  * data.
1632  *
1633  * The following types of analysis can be performed:
1634  * - detect mostly zero data
1635  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1636  * - detect data with low/high "core byte" set
1637  *
1638  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1639  */
1640 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1641 {
1642         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1643         struct heuristic_ws *ws;
1644         u32 i;
1645         u8 byte;
1646         int ret = 0;
1647
1648         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1649
1650         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1651
1652         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1653                 ret = 1;
1654                 goto out;
1655         }
1656
1657         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1658
1659         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1660                 byte = ws->sample[i];
1661                 ws->bucket[byte].count++;
1662         }
1663
1664         i = byte_set_size(ws);
1665         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1666                 ret = 2;
1667                 goto out;
1668         }
1669
1670         i = byte_core_set_size(ws);
1671         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1672                 ret = 3;
1673                 goto out;
1674         }
1675
1676         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1677                 ret = 0;
1678                 goto out;
1679         }
1680
1681         i = shannon_entropy(ws);
1682         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1683                 ret = 4;
1684                 goto out;
1685         }
1686
1687         /*
1688          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1689          * needed to give green light to compression.
1690          *
1691          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1692          * resources because:
1693          *
1694          * 1. it is possible to defrag the data later
1695          *
1696          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1697          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1698          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1699          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1700          * pairs of bytes, which is too costly.
1701          */
1702         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1703                 ret = 5;
1704                 goto out;
1705         } else {
1706                 ret = 0;
1707                 goto out;
1708         }
1709
1710 out:
1711         put_workspace(0, ws_list);
1712         return ret;
1713 }
1714
1715 /*
1716  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1717  * level, unrecognized string will set the default level
1718  */
1719 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1720 {
1721         unsigned int level = 0;
1722         int ret;
1723
1724         if (!type)
1725                 return 0;
1726
1727         if (str[0] == ':') {
1728                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1729                 if (ret)
1730                         level = 0;
1731         }
1732
1733         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1734
1735         return level;
1736 }