btrfs: pre-load data checksum for reads in btrfs_submit_bio
[linux-2.6-microblaze.git] / fs / btrfs / compression.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 /*
3  * Copyright (C) 2008 Oracle.  All rights reserved.
4  */
5
6 #include <linux/kernel.h>
7 #include <linux/bio.h>
8 #include <linux/file.h>
9 #include <linux/fs.h>
10 #include <linux/pagemap.h>
11 #include <linux/pagevec.h>
12 #include <linux/highmem.h>
13 #include <linux/kthread.h>
14 #include <linux/time.h>
15 #include <linux/init.h>
16 #include <linux/string.h>
17 #include <linux/backing-dev.h>
18 #include <linux/writeback.h>
19 #include <linux/psi.h>
20 #include <linux/slab.h>
21 #include <linux/sched/mm.h>
22 #include <linux/log2.h>
23 #include <crypto/hash.h>
24 #include "misc.h"
25 #include "ctree.h"
26 #include "fs.h"
27 #include "disk-io.h"
28 #include "transaction.h"
29 #include "btrfs_inode.h"
30 #include "bio.h"
31 #include "ordered-data.h"
32 #include "compression.h"
33 #include "extent_io.h"
34 #include "extent_map.h"
35 #include "subpage.h"
36 #include "zoned.h"
37 #include "file-item.h"
38 #include "super.h"
39
40 static const char* const btrfs_compress_types[] = { "", "zlib", "lzo", "zstd" };
41
42 const char* btrfs_compress_type2str(enum btrfs_compression_type type)
43 {
44         switch (type) {
45         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
46         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
47         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
48         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
49                 return btrfs_compress_types[type];
50         default:
51                 break;
52         }
53
54         return NULL;
55 }
56
57 bool btrfs_compress_is_valid_type(const char *str, size_t len)
58 {
59         int i;
60
61         for (i = 1; i < ARRAY_SIZE(btrfs_compress_types); i++) {
62                 size_t comp_len = strlen(btrfs_compress_types[i]);
63
64                 if (len < comp_len)
65                         continue;
66
67                 if (!strncmp(btrfs_compress_types[i], str, comp_len))
68                         return true;
69         }
70         return false;
71 }
72
73 static int compression_compress_pages(int type, struct list_head *ws,
74                struct address_space *mapping, u64 start, struct page **pages,
75                unsigned long *out_pages, unsigned long *total_in,
76                unsigned long *total_out)
77 {
78         switch (type) {
79         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
80                 return zlib_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
81                                 out_pages, total_in, total_out);
82         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
83                 return lzo_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
84                                 out_pages, total_in, total_out);
85         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
86                 return zstd_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
87                                 out_pages, total_in, total_out);
88         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
89         default:
90                 /*
91                  * This can happen when compression races with remount setting
92                  * it to 'no compress', while caller doesn't call
93                  * inode_need_compress() to check if we really need to
94                  * compress.
95                  *
96                  * Not a big deal, just need to inform caller that we
97                  * haven't allocated any pages yet.
98                  */
99                 *out_pages = 0;
100                 return -E2BIG;
101         }
102 }
103
104 static int compression_decompress_bio(struct list_head *ws,
105                                       struct compressed_bio *cb)
106 {
107         switch (cb->compress_type) {
108         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress_bio(ws, cb);
109         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress_bio(ws, cb);
110         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress_bio(ws, cb);
111         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
112         default:
113                 /*
114                  * This can't happen, the type is validated several times
115                  * before we get here.
116                  */
117                 BUG();
118         }
119 }
120
121 static int compression_decompress(int type, struct list_head *ws,
122                const u8 *data_in, struct page *dest_page,
123                unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
124 {
125         switch (type) {
126         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress(ws, data_in, dest_page,
127                                                 start_byte, srclen, destlen);
128         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress(ws, data_in, dest_page,
129                                                 start_byte, srclen, destlen);
130         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress(ws, data_in, dest_page,
131                                                 start_byte, srclen, destlen);
132         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
133         default:
134                 /*
135                  * This can't happen, the type is validated several times
136                  * before we get here.
137                  */
138                 BUG();
139         }
140 }
141
142 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb);
143
144 static void finish_compressed_bio_read(struct compressed_bio *cb)
145 {
146         unsigned int index;
147         struct page *page;
148
149         if (cb->status == BLK_STS_OK)
150                 cb->status = errno_to_blk_status(btrfs_decompress_bio(cb));
151
152         /* Release the compressed pages */
153         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
154                 page = cb->compressed_pages[index];
155                 page->mapping = NULL;
156                 put_page(page);
157         }
158
159         /* Do io completion on the original bio */
160         btrfs_bio_end_io(btrfs_bio(cb->orig_bio), cb->status);
161
162         /* Finally free the cb struct */
163         kfree(cb->compressed_pages);
164         kfree(cb);
165 }
166
167 /*
168  * Verify the checksums and kick off repair if needed on the uncompressed data
169  * before decompressing it into the original bio and freeing the uncompressed
170  * pages.
171  */
172 static void end_compressed_bio_read(struct btrfs_bio *bbio)
173 {
174         struct compressed_bio *cb = bbio->private;
175         struct inode *inode = cb->inode;
176         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
177         struct btrfs_inode *bi = BTRFS_I(inode);
178         bool csum = !(bi->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM) &&
179                     !test_bit(BTRFS_FS_STATE_NO_CSUMS, &fs_info->fs_state);
180         blk_status_t status = bbio->bio.bi_status;
181         struct bvec_iter iter;
182         struct bio_vec bv;
183         u32 offset;
184
185         btrfs_bio_for_each_sector(fs_info, bv, bbio, iter, offset) {
186                 u64 start = bbio->file_offset + offset;
187
188                 if (!status &&
189                     (!csum || !btrfs_check_data_csum(bi, bbio, offset,
190                                                      bv.bv_page, bv.bv_offset))) {
191                         btrfs_clean_io_failure(bi, start, bv.bv_page,
192                                                bv.bv_offset);
193                 } else {
194                         int ret;
195
196                         refcount_inc(&cb->pending_ios);
197                         ret = btrfs_repair_one_sector(BTRFS_I(inode), bbio, offset,
198                                                       bv.bv_page, bv.bv_offset,
199                                                       true);
200                         if (ret) {
201                                 refcount_dec(&cb->pending_ios);
202                                 status = errno_to_blk_status(ret);
203                         }
204                 }
205         }
206
207         if (status)
208                 cb->status = status;
209
210         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios))
211                 finish_compressed_bio_read(cb);
212         btrfs_bio_free_csum(bbio);
213         bio_put(&bbio->bio);
214 }
215
216 /*
217  * Clear the writeback bits on all of the file
218  * pages for a compressed write
219  */
220 static noinline void end_compressed_writeback(struct inode *inode,
221                                               const struct compressed_bio *cb)
222 {
223         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
224         unsigned long index = cb->start >> PAGE_SHIFT;
225         unsigned long end_index = (cb->start + cb->len - 1) >> PAGE_SHIFT;
226         struct folio_batch fbatch;
227         const int errno = blk_status_to_errno(cb->status);
228         int i;
229         int ret;
230
231         if (errno)
232                 mapping_set_error(inode->i_mapping, errno);
233
234         folio_batch_init(&fbatch);
235         while (index <= end_index) {
236                 ret = filemap_get_folios(inode->i_mapping, &index, end_index,
237                                 &fbatch);
238
239                 if (ret == 0)
240                         return;
241
242                 for (i = 0; i < ret; i++) {
243                         struct folio *folio = fbatch.folios[i];
244
245                         if (errno)
246                                 folio_set_error(folio);
247                         btrfs_page_clamp_clear_writeback(fs_info, &folio->page,
248                                                          cb->start, cb->len);
249                 }
250                 folio_batch_release(&fbatch);
251         }
252         /* the inode may be gone now */
253 }
254
255 static void finish_compressed_bio_write(struct compressed_bio *cb)
256 {
257         struct inode *inode = cb->inode;
258         unsigned int index;
259
260         /*
261          * Ok, we're the last bio for this extent, step one is to call back
262          * into the FS and do all the end_io operations.
263          */
264         btrfs_writepage_endio_finish_ordered(BTRFS_I(inode), NULL,
265                         cb->start, cb->start + cb->len - 1,
266                         cb->status == BLK_STS_OK);
267
268         if (cb->writeback)
269                 end_compressed_writeback(inode, cb);
270         /* Note, our inode could be gone now */
271
272         /*
273          * Release the compressed pages, these came from alloc_page and
274          * are not attached to the inode at all
275          */
276         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
277                 struct page *page = cb->compressed_pages[index];
278
279                 page->mapping = NULL;
280                 put_page(page);
281         }
282
283         /* Finally free the cb struct */
284         kfree(cb->compressed_pages);
285         kfree(cb);
286 }
287
288 static void btrfs_finish_compressed_write_work(struct work_struct *work)
289 {
290         struct compressed_bio *cb =
291                 container_of(work, struct compressed_bio, write_end_work);
292
293         finish_compressed_bio_write(cb);
294 }
295
296 /*
297  * Do the cleanup once all the compressed pages hit the disk.  This will clear
298  * writeback on the file pages and free the compressed pages.
299  *
300  * This also calls the writeback end hooks for the file pages so that metadata
301  * and checksums can be updated in the file.
302  */
303 static void end_compressed_bio_write(struct btrfs_bio *bbio)
304 {
305         struct compressed_bio *cb = bbio->private;
306
307         if (bbio->bio.bi_status)
308                 cb->status = bbio->bio.bi_status;
309
310         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios)) {
311                 struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(cb->inode->i_sb);
312
313                 btrfs_record_physical_zoned(cb->inode, cb->start, &bbio->bio);
314                 queue_work(fs_info->compressed_write_workers, &cb->write_end_work);
315         }
316         bio_put(&bbio->bio);
317 }
318
319 /*
320  * Allocate a compressed_bio, which will be used to read/write on-disk
321  * (aka, compressed) * data.
322  *
323  * @cb:                 The compressed_bio structure, which records all the needed
324  *                      information to bind the compressed data to the uncompressed
325  *                      page cache.
326  * @disk_byten:         The logical bytenr where the compressed data will be read
327  *                      from or written to.
328  * @endio_func:         The endio function to call after the IO for compressed data
329  *                      is finished.
330  * @next_stripe_start:  Return value of logical bytenr of where next stripe starts.
331  *                      Let the caller know to only fill the bio up to the stripe
332  *                      boundary.
333  */
334
335
336 static struct bio *alloc_compressed_bio(struct compressed_bio *cb, u64 disk_bytenr,
337                                         blk_opf_t opf,
338                                         btrfs_bio_end_io_t endio_func,
339                                         u64 *next_stripe_start)
340 {
341         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(cb->inode->i_sb);
342         struct btrfs_io_geometry geom;
343         struct extent_map *em;
344         struct bio *bio;
345         int ret;
346
347         bio = btrfs_bio_alloc(BIO_MAX_VECS, opf, BTRFS_I(cb->inode), endio_func,
348                               cb);
349         bio->bi_iter.bi_sector = disk_bytenr >> SECTOR_SHIFT;
350
351         em = btrfs_get_chunk_map(fs_info, disk_bytenr, fs_info->sectorsize);
352         if (IS_ERR(em)) {
353                 bio_put(bio);
354                 return ERR_CAST(em);
355         }
356
357         if (bio_op(bio) == REQ_OP_ZONE_APPEND)
358                 bio_set_dev(bio, em->map_lookup->stripes[0].dev->bdev);
359
360         ret = btrfs_get_io_geometry(fs_info, em, btrfs_op(bio), disk_bytenr, &geom);
361         free_extent_map(em);
362         if (ret < 0) {
363                 bio_put(bio);
364                 return ERR_PTR(ret);
365         }
366         *next_stripe_start = disk_bytenr + geom.len;
367         refcount_inc(&cb->pending_ios);
368         return bio;
369 }
370
371 /*
372  * worker function to build and submit bios for previously compressed pages.
373  * The corresponding pages in the inode should be marked for writeback
374  * and the compressed pages should have a reference on them for dropping
375  * when the IO is complete.
376  *
377  * This also checksums the file bytes and gets things ready for
378  * the end io hooks.
379  */
380 blk_status_t btrfs_submit_compressed_write(struct btrfs_inode *inode, u64 start,
381                                  unsigned int len, u64 disk_start,
382                                  unsigned int compressed_len,
383                                  struct page **compressed_pages,
384                                  unsigned int nr_pages,
385                                  blk_opf_t write_flags,
386                                  struct cgroup_subsys_state *blkcg_css,
387                                  bool writeback)
388 {
389         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
390         struct bio *bio = NULL;
391         struct compressed_bio *cb;
392         u64 cur_disk_bytenr = disk_start;
393         u64 next_stripe_start;
394         blk_status_t ret = BLK_STS_OK;
395         int skip_sum = inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM;
396         const bool use_append = btrfs_use_zone_append(inode, disk_start);
397         const enum req_op bio_op = use_append ? REQ_OP_ZONE_APPEND : REQ_OP_WRITE;
398
399         ASSERT(IS_ALIGNED(start, fs_info->sectorsize) &&
400                IS_ALIGNED(len, fs_info->sectorsize));
401         cb = kmalloc(sizeof(struct compressed_bio), GFP_NOFS);
402         if (!cb)
403                 return BLK_STS_RESOURCE;
404         refcount_set(&cb->pending_ios, 1);
405         cb->status = BLK_STS_OK;
406         cb->inode = &inode->vfs_inode;
407         cb->start = start;
408         cb->len = len;
409         cb->compressed_pages = compressed_pages;
410         cb->compressed_len = compressed_len;
411         cb->writeback = writeback;
412         INIT_WORK(&cb->write_end_work, btrfs_finish_compressed_write_work);
413         cb->nr_pages = nr_pages;
414
415         if (blkcg_css)
416                 kthread_associate_blkcg(blkcg_css);
417
418         while (cur_disk_bytenr < disk_start + compressed_len) {
419                 u64 offset = cur_disk_bytenr - disk_start;
420                 unsigned int index = offset >> PAGE_SHIFT;
421                 unsigned int real_size;
422                 unsigned int added;
423                 struct page *page = compressed_pages[index];
424                 bool submit = false;
425
426                 /* Allocate new bio if submitted or not yet allocated */
427                 if (!bio) {
428                         bio = alloc_compressed_bio(cb, cur_disk_bytenr,
429                                 bio_op | write_flags, end_compressed_bio_write,
430                                 &next_stripe_start);
431                         if (IS_ERR(bio)) {
432                                 ret = errno_to_blk_status(PTR_ERR(bio));
433                                 break;
434                         }
435                         if (blkcg_css)
436                                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
437                 }
438                 /*
439                  * We should never reach next_stripe_start start as we will
440                  * submit comp_bio when reach the boundary immediately.
441                  */
442                 ASSERT(cur_disk_bytenr != next_stripe_start);
443
444                 /*
445                  * We have various limits on the real read size:
446                  * - stripe boundary
447                  * - page boundary
448                  * - compressed length boundary
449                  */
450                 real_size = min_t(u64, U32_MAX, next_stripe_start - cur_disk_bytenr);
451                 real_size = min_t(u64, real_size, PAGE_SIZE - offset_in_page(offset));
452                 real_size = min_t(u64, real_size, compressed_len - offset);
453                 ASSERT(IS_ALIGNED(real_size, fs_info->sectorsize));
454
455                 if (use_append)
456                         added = bio_add_zone_append_page(bio, page, real_size,
457                                         offset_in_page(offset));
458                 else
459                         added = bio_add_page(bio, page, real_size,
460                                         offset_in_page(offset));
461                 /* Reached zoned boundary */
462                 if (added == 0)
463                         submit = true;
464
465                 cur_disk_bytenr += added;
466                 /* Reached stripe boundary */
467                 if (cur_disk_bytenr == next_stripe_start)
468                         submit = true;
469
470                 /* Finished the range */
471                 if (cur_disk_bytenr == disk_start + compressed_len)
472                         submit = true;
473
474                 if (submit) {
475                         if (!skip_sum) {
476                                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, true);
477                                 if (ret) {
478                                         btrfs_bio_end_io(btrfs_bio(bio), ret);
479                                         break;
480                                 }
481                         }
482
483                         ASSERT(bio->bi_iter.bi_size);
484                         btrfs_submit_bio(fs_info, bio, 0);
485                         bio = NULL;
486                 }
487                 cond_resched();
488         }
489
490         if (blkcg_css)
491                 kthread_associate_blkcg(NULL);
492
493         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios))
494                 finish_compressed_bio_write(cb);
495         return ret;
496 }
497
498 static u64 bio_end_offset(struct bio *bio)
499 {
500         struct bio_vec *last = bio_last_bvec_all(bio);
501
502         return page_offset(last->bv_page) + last->bv_len + last->bv_offset;
503 }
504
505 /*
506  * Add extra pages in the same compressed file extent so that we don't need to
507  * re-read the same extent again and again.
508  *
509  * NOTE: this won't work well for subpage, as for subpage read, we lock the
510  * full page then submit bio for each compressed/regular extents.
511  *
512  * This means, if we have several sectors in the same page points to the same
513  * on-disk compressed data, we will re-read the same extent many times and
514  * this function can only help for the next page.
515  */
516 static noinline int add_ra_bio_pages(struct inode *inode,
517                                      u64 compressed_end,
518                                      struct compressed_bio *cb,
519                                      int *memstall, unsigned long *pflags)
520 {
521         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
522         unsigned long end_index;
523         u64 cur = bio_end_offset(cb->orig_bio);
524         u64 isize = i_size_read(inode);
525         int ret;
526         struct page *page;
527         struct extent_map *em;
528         struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
529         struct extent_map_tree *em_tree;
530         struct extent_io_tree *tree;
531         int sectors_missed = 0;
532
533         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
534         tree = &BTRFS_I(inode)->io_tree;
535
536         if (isize == 0)
537                 return 0;
538
539         /*
540          * For current subpage support, we only support 64K page size,
541          * which means maximum compressed extent size (128K) is just 2x page
542          * size.
543          * This makes readahead less effective, so here disable readahead for
544          * subpage for now, until full compressed write is supported.
545          */
546         if (btrfs_sb(inode->i_sb)->sectorsize < PAGE_SIZE)
547                 return 0;
548
549         end_index = (i_size_read(inode) - 1) >> PAGE_SHIFT;
550
551         while (cur < compressed_end) {
552                 u64 page_end;
553                 u64 pg_index = cur >> PAGE_SHIFT;
554                 u32 add_size;
555
556                 if (pg_index > end_index)
557                         break;
558
559                 page = xa_load(&mapping->i_pages, pg_index);
560                 if (page && !xa_is_value(page)) {
561                         sectors_missed += (PAGE_SIZE - offset_in_page(cur)) >>
562                                           fs_info->sectorsize_bits;
563
564                         /* Beyond threshold, no need to continue */
565                         if (sectors_missed > 4)
566                                 break;
567
568                         /*
569                          * Jump to next page start as we already have page for
570                          * current offset.
571                          */
572                         cur = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE;
573                         continue;
574                 }
575
576                 page = __page_cache_alloc(mapping_gfp_constraint(mapping,
577                                                                  ~__GFP_FS));
578                 if (!page)
579                         break;
580
581                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, pg_index, GFP_NOFS)) {
582                         put_page(page);
583                         /* There is already a page, skip to page end */
584                         cur = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE;
585                         continue;
586                 }
587
588                 if (!*memstall && PageWorkingset(page)) {
589                         psi_memstall_enter(pflags);
590                         *memstall = 1;
591                 }
592
593                 ret = set_page_extent_mapped(page);
594                 if (ret < 0) {
595                         unlock_page(page);
596                         put_page(page);
597                         break;
598                 }
599
600                 page_end = (pg_index << PAGE_SHIFT) + PAGE_SIZE - 1;
601                 lock_extent(tree, cur, page_end, NULL);
602                 read_lock(&em_tree->lock);
603                 em = lookup_extent_mapping(em_tree, cur, page_end + 1 - cur);
604                 read_unlock(&em_tree->lock);
605
606                 /*
607                  * At this point, we have a locked page in the page cache for
608                  * these bytes in the file.  But, we have to make sure they map
609                  * to this compressed extent on disk.
610                  */
611                 if (!em || cur < em->start ||
612                     (cur + fs_info->sectorsize > extent_map_end(em)) ||
613                     (em->block_start >> 9) != cb->orig_bio->bi_iter.bi_sector) {
614                         free_extent_map(em);
615                         unlock_extent(tree, cur, page_end, NULL);
616                         unlock_page(page);
617                         put_page(page);
618                         break;
619                 }
620                 free_extent_map(em);
621
622                 if (page->index == end_index) {
623                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
624
625                         if (zero_offset) {
626                                 int zeros;
627                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
628                                 memzero_page(page, zero_offset, zeros);
629                         }
630                 }
631
632                 add_size = min(em->start + em->len, page_end + 1) - cur;
633                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page, add_size, offset_in_page(cur));
634                 if (ret != add_size) {
635                         unlock_extent(tree, cur, page_end, NULL);
636                         unlock_page(page);
637                         put_page(page);
638                         break;
639                 }
640                 /*
641                  * If it's subpage, we also need to increase its
642                  * subpage::readers number, as at endio we will decrease
643                  * subpage::readers and to unlock the page.
644                  */
645                 if (fs_info->sectorsize < PAGE_SIZE)
646                         btrfs_subpage_start_reader(fs_info, page, cur, add_size);
647                 put_page(page);
648                 cur += add_size;
649         }
650         return 0;
651 }
652
653 /*
654  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
655  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
656  * to hold the compressed pages on disk.
657  *
658  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
659  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
660  *
661  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
662  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
663  */
664 void btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
665                                   int mirror_num)
666 {
667         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
668         struct extent_map_tree *em_tree;
669         struct compressed_bio *cb;
670         unsigned int compressed_len;
671         struct bio *comp_bio = NULL;
672         const u64 disk_bytenr = bio->bi_iter.bi_sector << SECTOR_SHIFT;
673         u64 cur_disk_byte = disk_bytenr;
674         u64 next_stripe_start;
675         u64 file_offset;
676         u64 em_len;
677         u64 em_start;
678         struct extent_map *em;
679         unsigned long pflags;
680         int memstall = 0;
681         blk_status_t ret;
682         int ret2;
683         int i;
684
685         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
686
687         file_offset = bio_first_bvec_all(bio)->bv_offset +
688                       page_offset(bio_first_page_all(bio));
689
690         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
691         read_lock(&em_tree->lock);
692         em = lookup_extent_mapping(em_tree, file_offset, fs_info->sectorsize);
693         read_unlock(&em_tree->lock);
694         if (!em) {
695                 ret = BLK_STS_IOERR;
696                 goto out;
697         }
698
699         ASSERT(em->compress_type != BTRFS_COMPRESS_NONE);
700         compressed_len = em->block_len;
701         cb = kmalloc(sizeof(struct compressed_bio), GFP_NOFS);
702         if (!cb) {
703                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
704                 goto out;
705         }
706
707         refcount_set(&cb->pending_ios, 1);
708         cb->status = BLK_STS_OK;
709         cb->inode = inode;
710
711         cb->start = em->orig_start;
712         em_len = em->len;
713         em_start = em->start;
714
715         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
716         cb->compressed_len = compressed_len;
717         cb->compress_type = em->compress_type;
718         cb->orig_bio = bio;
719
720         free_extent_map(em);
721         em = NULL;
722
723         cb->nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
724         cb->compressed_pages = kcalloc(cb->nr_pages, sizeof(struct page *), GFP_NOFS);
725         if (!cb->compressed_pages) {
726                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
727                 goto fail;
728         }
729
730         ret2 = btrfs_alloc_page_array(cb->nr_pages, cb->compressed_pages);
731         if (ret2) {
732                 ret = BLK_STS_RESOURCE;
733                 goto fail;
734         }
735
736         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb, &memstall, &pflags);
737
738         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
739         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
740
741         while (cur_disk_byte < disk_bytenr + compressed_len) {
742                 u64 offset = cur_disk_byte - disk_bytenr;
743                 unsigned int index = offset >> PAGE_SHIFT;
744                 unsigned int real_size;
745                 unsigned int added;
746                 struct page *page = cb->compressed_pages[index];
747                 bool submit = false;
748
749                 /* Allocate new bio if submitted or not yet allocated */
750                 if (!comp_bio) {
751                         comp_bio = alloc_compressed_bio(cb, cur_disk_byte,
752                                         REQ_OP_READ, end_compressed_bio_read,
753                                         &next_stripe_start);
754                         if (IS_ERR(comp_bio)) {
755                                 cb->status = errno_to_blk_status(PTR_ERR(comp_bio));
756                                 break;
757                         }
758                 }
759                 /*
760                  * We should never reach next_stripe_start start as we will
761                  * submit comp_bio when reach the boundary immediately.
762                  */
763                 ASSERT(cur_disk_byte != next_stripe_start);
764                 /*
765                  * We have various limit on the real read size:
766                  * - stripe boundary
767                  * - page boundary
768                  * - compressed length boundary
769                  */
770                 real_size = min_t(u64, U32_MAX, next_stripe_start - cur_disk_byte);
771                 real_size = min_t(u64, real_size, PAGE_SIZE - offset_in_page(offset));
772                 real_size = min_t(u64, real_size, compressed_len - offset);
773                 ASSERT(IS_ALIGNED(real_size, fs_info->sectorsize));
774
775                 added = bio_add_page(comp_bio, page, real_size, offset_in_page(offset));
776                 /*
777                  * Maximum compressed extent is smaller than bio size limit,
778                  * thus bio_add_page() should always success.
779                  */
780                 ASSERT(added == real_size);
781                 cur_disk_byte += added;
782
783                 /* Reached stripe boundary, need to submit */
784                 if (cur_disk_byte == next_stripe_start)
785                         submit = true;
786
787                 /* Has finished the range, need to submit */
788                 if (cur_disk_byte == disk_bytenr + compressed_len)
789                         submit = true;
790
791                 if (submit) {
792                         /*
793                          * Save the initial offset of this chunk, as there
794                          * is no direct correlation between compressed pages and
795                          * the original file offset.  The field is only used for
796                          * printing error messages.
797                          */
798                         btrfs_bio(comp_bio)->file_offset = file_offset;
799
800                         ASSERT(comp_bio->bi_iter.bi_size);
801                         btrfs_submit_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
802                         comp_bio = NULL;
803                 }
804         }
805
806         if (memstall)
807                 psi_memstall_leave(&pflags);
808
809         if (refcount_dec_and_test(&cb->pending_ios))
810                 finish_compressed_bio_read(cb);
811         return;
812
813 fail:
814         if (cb->compressed_pages) {
815                 for (i = 0; i < cb->nr_pages; i++) {
816                         if (cb->compressed_pages[i])
817                                 __free_page(cb->compressed_pages[i]);
818                 }
819         }
820
821         kfree(cb->compressed_pages);
822         kfree(cb);
823 out:
824         free_extent_map(em);
825         btrfs_bio_end_io(btrfs_bio(bio), ret);
826         return;
827 }
828
829 /*
830  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
831  * range, the logic can be tuned by the following constants:
832  *
833  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
834  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
835  */
836 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
837 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
838
839 /*
840  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
841  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
842  * many times the object appeared in the sample.
843  */
844 #define BUCKET_SIZE             (256)
845
846 /*
847  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
848  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
849  * elements in each cell is at least 5.
850  *
851  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
852  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
853  * sample size bound by 8192.
854  *
855  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
856  * from up to 512 locations.
857  */
858 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
859                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
860
861 struct bucket_item {
862         u32 count;
863 };
864
865 struct heuristic_ws {
866         /* Partial copy of input data */
867         u8 *sample;
868         u32 sample_size;
869         /* Buckets store counters for each byte value */
870         struct bucket_item *bucket;
871         /* Sorting buffer */
872         struct bucket_item *bucket_b;
873         struct list_head list;
874 };
875
876 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
877
878 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
879 {
880         struct heuristic_ws *workspace;
881
882         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
883
884         kvfree(workspace->sample);
885         kfree(workspace->bucket);
886         kfree(workspace->bucket_b);
887         kfree(workspace);
888 }
889
890 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
891 {
892         struct heuristic_ws *ws;
893
894         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
895         if (!ws)
896                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
897
898         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
899         if (!ws->sample)
900                 goto fail;
901
902         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
903         if (!ws->bucket)
904                 goto fail;
905
906         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
907         if (!ws->bucket_b)
908                 goto fail;
909
910         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
911         return &ws->list;
912 fail:
913         free_heuristic_ws(&ws->list);
914         return ERR_PTR(-ENOMEM);
915 }
916
917 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
918         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
919 };
920
921 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
922         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
923         &btrfs_heuristic_compress,
924         &btrfs_zlib_compress,
925         &btrfs_lzo_compress,
926         &btrfs_zstd_compress,
927 };
928
929 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
930 {
931         switch (type) {
932         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
933         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
934         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
935         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
936         default:
937                 /*
938                  * This can't happen, the type is validated several times
939                  * before we get here.
940                  */
941                 BUG();
942         }
943 }
944
945 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
946 {
947         switch (type) {
948         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
949         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
950         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
951         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
952         default:
953                 /*
954                  * This can't happen, the type is validated several times
955                  * before we get here.
956                  */
957                 BUG();
958         }
959 }
960
961 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
962 {
963         struct workspace_manager *wsm;
964         struct list_head *workspace;
965
966         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
967         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
968         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
969         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
970         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
971
972         /*
973          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
974          * guarantee forward progress in the worst case
975          */
976         workspace = alloc_workspace(type, 0);
977         if (IS_ERR(workspace)) {
978                 pr_warn(
979         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
980         } else {
981                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
982                 wsm->free_ws = 1;
983                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
984         }
985 }
986
987 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
988 {
989         struct workspace_manager *wsman;
990         struct list_head *ws;
991
992         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
993         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
994                 ws = wsman->idle_ws.next;
995                 list_del(ws);
996                 free_workspace(type, ws);
997                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
998         }
999 }
1000
1001 /*
1002  * This finds an available workspace or allocates a new one.
1003  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
1004  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
1005  * errors.
1006  */
1007 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
1008 {
1009         struct workspace_manager *wsm;
1010         struct list_head *workspace;
1011         int cpus = num_online_cpus();
1012         unsigned nofs_flag;
1013         struct list_head *idle_ws;
1014         spinlock_t *ws_lock;
1015         atomic_t *total_ws;
1016         wait_queue_head_t *ws_wait;
1017         int *free_ws;
1018
1019         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1020         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1021         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1022         total_ws = &wsm->total_ws;
1023         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1024         free_ws  = &wsm->free_ws;
1025
1026 again:
1027         spin_lock(ws_lock);
1028         if (!list_empty(idle_ws)) {
1029                 workspace = idle_ws->next;
1030                 list_del(workspace);
1031                 (*free_ws)--;
1032                 spin_unlock(ws_lock);
1033                 return workspace;
1034
1035         }
1036         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
1037                 DEFINE_WAIT(wait);
1038
1039                 spin_unlock(ws_lock);
1040                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
1041                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
1042                         schedule();
1043                 finish_wait(ws_wait, &wait);
1044                 goto again;
1045         }
1046         atomic_inc(total_ws);
1047         spin_unlock(ws_lock);
1048
1049         /*
1050          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
1051          * to turn it off here because we might get called from the restricted
1052          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
1053          */
1054         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
1055         workspace = alloc_workspace(type, level);
1056         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
1057
1058         if (IS_ERR(workspace)) {
1059                 atomic_dec(total_ws);
1060                 wake_up(ws_wait);
1061
1062                 /*
1063                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
1064                  * workspace preallocated for each type and the compression
1065                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
1066                  * makes our caller's life easier.
1067                  *
1068                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
1069                  * initial preallocation fails), check if there are any
1070                  * workspaces at all.
1071                  */
1072                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
1073                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
1074                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
1075                                         /* no burst */ 1);
1076
1077                         if (__ratelimit(&_rs)) {
1078                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
1079                         }
1080                 }
1081                 goto again;
1082         }
1083         return workspace;
1084 }
1085
1086 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
1087 {
1088         switch (type) {
1089         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
1090         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
1091         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
1092         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
1093         default:
1094                 /*
1095                  * This can't happen, the type is validated several times
1096                  * before we get here.
1097                  */
1098                 BUG();
1099         }
1100 }
1101
1102 /*
1103  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
1104  * idle ones sitting around
1105  */
1106 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1107 {
1108         struct workspace_manager *wsm;
1109         struct list_head *idle_ws;
1110         spinlock_t *ws_lock;
1111         atomic_t *total_ws;
1112         wait_queue_head_t *ws_wait;
1113         int *free_ws;
1114
1115         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1116         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1117         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1118         total_ws = &wsm->total_ws;
1119         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1120         free_ws  = &wsm->free_ws;
1121
1122         spin_lock(ws_lock);
1123         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1124                 list_add(ws, idle_ws);
1125                 (*free_ws)++;
1126                 spin_unlock(ws_lock);
1127                 goto wake;
1128         }
1129         spin_unlock(ws_lock);
1130
1131         free_workspace(type, ws);
1132         atomic_dec(total_ws);
1133 wake:
1134         cond_wake_up(ws_wait);
1135 }
1136
1137 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1138 {
1139         switch (type) {
1140         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1141         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1142         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1143         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1144         default:
1145                 /*
1146                  * This can't happen, the type is validated several times
1147                  * before we get here.
1148                  */
1149                 BUG();
1150         }
1151 }
1152
1153 /*
1154  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1155  * fallback to default
1156  */
1157 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1158 {
1159         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1160
1161         if (level == 0)
1162                 level = ops->default_level;
1163         else
1164                 level = min(level, ops->max_level);
1165
1166         return level;
1167 }
1168
1169 /*
1170  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1171  * that are allocated on demand.
1172  *
1173  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1174  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1175  * - compression algo are 0-3
1176  * - the level are bits 4-7
1177  *
1178  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1179  * and returns number of actually allocated pages
1180  *
1181  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1182  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1183  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1184  * max_out threshold.
1185  *
1186  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1187  * be also used to return the total number of compressed bytes
1188  */
1189 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1190                          u64 start, struct page **pages,
1191                          unsigned long *out_pages,
1192                          unsigned long *total_in,
1193                          unsigned long *total_out)
1194 {
1195         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1196         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1197         struct list_head *workspace;
1198         int ret;
1199
1200         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1201         workspace = get_workspace(type, level);
1202         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1203                                          out_pages, total_in, total_out);
1204         put_workspace(type, workspace);
1205         return ret;
1206 }
1207
1208 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1209 {
1210         struct list_head *workspace;
1211         int ret;
1212         int type = cb->compress_type;
1213
1214         workspace = get_workspace(type, 0);
1215         ret = compression_decompress_bio(workspace, cb);
1216         put_workspace(type, workspace);
1217
1218         return ret;
1219 }
1220
1221 /*
1222  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1223  * single page, and we want to read a single page out of it.
1224  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1225  */
1226 int btrfs_decompress(int type, const u8 *data_in, struct page *dest_page,
1227                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1228 {
1229         struct list_head *workspace;
1230         int ret;
1231
1232         workspace = get_workspace(type, 0);
1233         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1234                                      start_byte, srclen, destlen);
1235         put_workspace(type, workspace);
1236
1237         return ret;
1238 }
1239
1240 int __init btrfs_init_compress(void)
1241 {
1242         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1243         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1244         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1245         zstd_init_workspace_manager();
1246         return 0;
1247 }
1248
1249 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1250 {
1251         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1252         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1253         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1254         zstd_cleanup_workspace_manager();
1255 }
1256
1257 /*
1258  * Copy decompressed data from working buffer to pages.
1259  *
1260  * @buf:                The decompressed data buffer
1261  * @buf_len:            The decompressed data length
1262  * @decompressed:       Number of bytes that are already decompressed inside the
1263  *                      compressed extent
1264  * @cb:                 The compressed extent descriptor
1265  * @orig_bio:           The original bio that the caller wants to read for
1266  *
1267  * An easier to understand graph is like below:
1268  *
1269  *              |<- orig_bio ->|     |<- orig_bio->|
1270  *      |<-------      full decompressed extent      ----->|
1271  *      |<-----------    @cb range   ---->|
1272  *      |                       |<-- @buf_len -->|
1273  *      |<--- @decompressed --->|
1274  *
1275  * Note that, @cb can be a subpage of the full decompressed extent, but
1276  * @cb->start always has the same as the orig_file_offset value of the full
1277  * decompressed extent.
1278  *
1279  * When reading compressed extent, we have to read the full compressed extent,
1280  * while @orig_bio may only want part of the range.
1281  * Thus this function will ensure only data covered by @orig_bio will be copied
1282  * to.
1283  *
1284  * Return 0 if we have copied all needed contents for @orig_bio.
1285  * Return >0 if we need continue decompress.
1286  */
1287 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, u32 buf_len,
1288                               struct compressed_bio *cb, u32 decompressed)
1289 {
1290         struct bio *orig_bio = cb->orig_bio;
1291         /* Offset inside the full decompressed extent */
1292         u32 cur_offset;
1293
1294         cur_offset = decompressed;
1295         /* The main loop to do the copy */
1296         while (cur_offset < decompressed + buf_len) {
1297                 struct bio_vec bvec;
1298                 size_t copy_len;
1299                 u32 copy_start;
1300                 /* Offset inside the full decompressed extent */
1301                 u32 bvec_offset;
1302
1303                 bvec = bio_iter_iovec(orig_bio, orig_bio->bi_iter);
1304                 /*
1305                  * cb->start may underflow, but subtracting that value can still
1306                  * give us correct offset inside the full decompressed extent.
1307                  */
1308                 bvec_offset = page_offset(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset - cb->start;
1309
1310                 /* Haven't reached the bvec range, exit */
1311                 if (decompressed + buf_len <= bvec_offset)
1312                         return 1;
1313
1314                 copy_start = max(cur_offset, bvec_offset);
1315                 copy_len = min(bvec_offset + bvec.bv_len,
1316                                decompressed + buf_len) - copy_start;
1317                 ASSERT(copy_len);
1318
1319                 /*
1320                  * Extra range check to ensure we didn't go beyond
1321                  * @buf + @buf_len.
1322                  */
1323                 ASSERT(copy_start - decompressed < buf_len);
1324                 memcpy_to_page(bvec.bv_page, bvec.bv_offset,
1325                                buf + copy_start - decompressed, copy_len);
1326                 cur_offset += copy_len;
1327
1328                 bio_advance(orig_bio, copy_len);
1329                 /* Finished the bio */
1330                 if (!orig_bio->bi_iter.bi_size)
1331                         return 0;
1332         }
1333         return 1;
1334 }
1335
1336 /*
1337  * Shannon Entropy calculation
1338  *
1339  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1340  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1341  * needed to encode the sampled data.
1342  *
1343  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1344  * bits directly.
1345  *
1346  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1347  *                          and can be compressible with high probability
1348  *
1349  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1350  *
1351  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1352  */
1353 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1354 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1355
1356 /*
1357  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1358  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1359  *
1360  * - maximum int bit length is 64
1361  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1362  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1363  *
1364  * So use pow(n, 4).
1365  */
1366 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1367 {
1368         return ilog2(n * n * n * n);
1369 }
1370
1371 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1372 {
1373         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1374         u32 entropy_sum = 0;
1375         u32 p, p_base, sz_base;
1376         u32 i;
1377
1378         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1379         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1380                 p = ws->bucket[i].count;
1381                 p_base = ilog2_w(p);
1382                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1383         }
1384
1385         entropy_sum /= ws->sample_size;
1386         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1387 }
1388
1389 #define RADIX_BASE              4U
1390 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1391
1392 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1393         u8 low4bits;
1394
1395         num >>= shift;
1396         /* Reverse order */
1397         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1398         return low4bits;
1399 }
1400
1401 /*
1402  * Use 4 bits as radix base
1403  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1404  *
1405  * @array     - array that will be sorted
1406  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1407  *              must be equal in size to @array
1408  * @num       - array size
1409  */
1410 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1411                        int num)
1412 {
1413         u64 max_num;
1414         u64 buf_num;
1415         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1416         u32 new_addr;
1417         u32 addr;
1418         int bitlen;
1419         int shift;
1420         int i;
1421
1422         /*
1423          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1424          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1425          */
1426         max_num = array[0].count;
1427         for (i = 1; i < num; i++) {
1428                 buf_num = array[i].count;
1429                 if (buf_num > max_num)
1430                         max_num = buf_num;
1431         }
1432
1433         buf_num = ilog2(max_num);
1434         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1435
1436         shift = 0;
1437         while (shift < bitlen) {
1438                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1439
1440                 for (i = 0; i < num; i++) {
1441                         buf_num = array[i].count;
1442                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1443                         counters[addr]++;
1444                 }
1445
1446                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1447                         counters[i] += counters[i - 1];
1448
1449                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1450                         buf_num = array[i].count;
1451                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1452                         counters[addr]--;
1453                         new_addr = counters[addr];
1454                         array_buf[new_addr] = array[i];
1455                 }
1456
1457                 shift += RADIX_BASE;
1458
1459                 /*
1460                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1461                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1462                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1463                  * memcpy()
1464                  */
1465                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1466
1467                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1468                         buf_num = array_buf[i].count;
1469                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1470                         counters[addr]++;
1471                 }
1472
1473                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1474                         counters[i] += counters[i - 1];
1475
1476                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1477                         buf_num = array_buf[i].count;
1478                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1479                         counters[addr]--;
1480                         new_addr = counters[addr];
1481                         array[new_addr] = array_buf[i];
1482                 }
1483
1484                 shift += RADIX_BASE;
1485         }
1486 }
1487
1488 /*
1489  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1490  *
1491  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1492  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1493  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1494  *
1495  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1496  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1497  * how much.
1498  *
1499  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1500  *                       compression algo can easy fix that
1501  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1502  *                       probability is not compressible
1503  */
1504 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1505 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1506
1507 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1508 {
1509         u32 i;
1510         u32 coreset_sum = 0;
1511         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1512         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1513
1514         /* Sort in reverse order */
1515         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1516
1517         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1518                 coreset_sum += bucket[i].count;
1519
1520         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1521                 return i;
1522
1523         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1524                 coreset_sum += bucket[i].count;
1525                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1526                         break;
1527         }
1528
1529         return i;
1530 }
1531
1532 /*
1533  * Count byte values in buckets.
1534  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1535  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1536  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1537  * compress.
1538  *
1539  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1540  *      less - compressible
1541  *      more - need additional analysis
1542  */
1543 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1544
1545 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1546 {
1547         u32 i;
1548         u32 byte_set_size = 0;
1549
1550         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1551                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1552                         byte_set_size++;
1553         }
1554
1555         /*
1556          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1557          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1558          * the detection technique would fail for this type of data.
1559          */
1560         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1561                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1562                         byte_set_size++;
1563                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1564                                 return byte_set_size;
1565                 }
1566         }
1567
1568         return byte_set_size;
1569 }
1570
1571 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1572 {
1573         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1574         const u8 *data = ws->sample;
1575
1576         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1577 }
1578
1579 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1580                                      struct heuristic_ws *ws)
1581 {
1582         struct page *page;
1583         u64 index, index_end;
1584         u32 i, curr_sample_pos;
1585         u8 *in_data;
1586
1587         /*
1588          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1589          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1590          *
1591          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1592          *
1593          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1594          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1595          */
1596         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1597                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1598
1599         index = start >> PAGE_SHIFT;
1600         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1601
1602         /* Don't miss unaligned end */
1603         if (!PAGE_ALIGNED(end))
1604                 index_end++;
1605
1606         curr_sample_pos = 0;
1607         while (index < index_end) {
1608                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1609                 in_data = kmap_local_page(page);
1610                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1611                 i = start % PAGE_SIZE;
1612                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1613                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1614                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1615                                 break;
1616                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1617                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1618                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1619                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1620                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1621                 }
1622                 kunmap_local(in_data);
1623                 put_page(page);
1624
1625                 index++;
1626         }
1627
1628         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1629 }
1630
1631 /*
1632  * Compression heuristic.
1633  *
1634  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1635  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1636  * (compressible/incompressible) to avoid wasting CPU time on incompressible
1637  * data.
1638  *
1639  * The following types of analysis can be performed:
1640  * - detect mostly zero data
1641  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1642  * - detect data with low/high "core byte" set
1643  *
1644  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1645  */
1646 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1647 {
1648         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1649         struct heuristic_ws *ws;
1650         u32 i;
1651         u8 byte;
1652         int ret = 0;
1653
1654         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1655
1656         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1657
1658         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1659                 ret = 1;
1660                 goto out;
1661         }
1662
1663         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1664
1665         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1666                 byte = ws->sample[i];
1667                 ws->bucket[byte].count++;
1668         }
1669
1670         i = byte_set_size(ws);
1671         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1672                 ret = 2;
1673                 goto out;
1674         }
1675
1676         i = byte_core_set_size(ws);
1677         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1678                 ret = 3;
1679                 goto out;
1680         }
1681
1682         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1683                 ret = 0;
1684                 goto out;
1685         }
1686
1687         i = shannon_entropy(ws);
1688         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1689                 ret = 4;
1690                 goto out;
1691         }
1692
1693         /*
1694          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1695          * needed to give green light to compression.
1696          *
1697          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1698          * resources because:
1699          *
1700          * 1. it is possible to defrag the data later
1701          *
1702          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1703          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1704          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1705          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1706          * pairs of bytes, which is too costly.
1707          */
1708         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1709                 ret = 5;
1710                 goto out;
1711         } else {
1712                 ret = 0;
1713                 goto out;
1714         }
1715
1716 out:
1717         put_workspace(0, ws_list);
1718         return ret;
1719 }
1720
1721 /*
1722  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1723  * level, unrecognized string will set the default level
1724  */
1725 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1726 {
1727         unsigned int level = 0;
1728         int ret;
1729
1730         if (!type)
1731                 return 0;
1732
1733         if (str[0] == ':') {
1734                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1735                 if (ret)
1736                         level = 0;
1737         }
1738
1739         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1740
1741         return level;
1742 }