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