Merge tag 'safesetid-5.13' of git://github.com/micah-morton/linux
[linux-2.6-microblaze.git] / block / bfq-iosched.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
2 /*
3  * Budget Fair Queueing (BFQ) I/O scheduler.
4  *
5  * Based on ideas and code from CFQ:
6  * Copyright (C) 2003 Jens Axboe <axboe@kernel.dk>
7  *
8  * Copyright (C) 2008 Fabio Checconi <fabio@gandalf.sssup.it>
9  *                    Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
10  *
11  * Copyright (C) 2010 Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
12  *                    Arianna Avanzini <avanzini@google.com>
13  *
14  * Copyright (C) 2017 Paolo Valente <paolo.valente@linaro.org>
15  *
16  * BFQ is a proportional-share I/O scheduler, with some extra
17  * low-latency capabilities. BFQ also supports full hierarchical
18  * scheduling through cgroups. Next paragraphs provide an introduction
19  * on BFQ inner workings. Details on BFQ benefits, usage and
20  * limitations can be found in Documentation/block/bfq-iosched.rst.
21  *
22  * BFQ is a proportional-share storage-I/O scheduling algorithm based
23  * on the slice-by-slice service scheme of CFQ. But BFQ assigns
24  * budgets, measured in number of sectors, to processes instead of
25  * time slices. The device is not granted to the in-service process
26  * for a given time slice, but until it has exhausted its assigned
27  * budget. This change from the time to the service domain enables BFQ
28  * to distribute the device throughput among processes as desired,
29  * without any distortion due to throughput fluctuations, or to device
30  * internal queueing. BFQ uses an ad hoc internal scheduler, called
31  * B-WF2Q+, to schedule processes according to their budgets. More
32  * precisely, BFQ schedules queues associated with processes. Each
33  * process/queue is assigned a user-configurable weight, and B-WF2Q+
34  * guarantees that each queue receives a fraction of the throughput
35  * proportional to its weight. Thanks to the accurate policy of
36  * B-WF2Q+, BFQ can afford to assign high budgets to I/O-bound
37  * processes issuing sequential requests (to boost the throughput),
38  * and yet guarantee a low latency to interactive and soft real-time
39  * applications.
40  *
41  * In particular, to provide these low-latency guarantees, BFQ
42  * explicitly privileges the I/O of two classes of time-sensitive
43  * applications: interactive and soft real-time. In more detail, BFQ
44  * behaves this way if the low_latency parameter is set (default
45  * configuration). This feature enables BFQ to provide applications in
46  * these classes with a very low latency.
47  *
48  * To implement this feature, BFQ constantly tries to detect whether
49  * the I/O requests in a bfq_queue come from an interactive or a soft
50  * real-time application. For brevity, in these cases, the queue is
51  * said to be interactive or soft real-time. In both cases, BFQ
52  * privileges the service of the queue, over that of non-interactive
53  * and non-soft-real-time queues. This privileging is performed,
54  * mainly, by raising the weight of the queue. So, for brevity, we
55  * call just weight-raising periods the time periods during which a
56  * queue is privileged, because deemed interactive or soft real-time.
57  *
58  * The detection of soft real-time queues/applications is described in
59  * detail in the comments on the function
60  * bfq_bfqq_softrt_next_start. On the other hand, the detection of an
61  * interactive queue works as follows: a queue is deemed interactive
62  * if it is constantly non empty only for a limited time interval,
63  * after which it does become empty. The queue may be deemed
64  * interactive again (for a limited time), if it restarts being
65  * constantly non empty, provided that this happens only after the
66  * queue has remained empty for a given minimum idle time.
67  *
68  * By default, BFQ computes automatically the above maximum time
69  * interval, i.e., the time interval after which a constantly
70  * non-empty queue stops being deemed interactive. Since a queue is
71  * weight-raised while it is deemed interactive, this maximum time
72  * interval happens to coincide with the (maximum) duration of the
73  * weight-raising for interactive queues.
74  *
75  * Finally, BFQ also features additional heuristics for
76  * preserving both a low latency and a high throughput on NCQ-capable,
77  * rotational or flash-based devices, and to get the job done quickly
78  * for applications consisting in many I/O-bound processes.
79  *
80  * NOTE: if the main or only goal, with a given device, is to achieve
81  * the maximum-possible throughput at all times, then do switch off
82  * all low-latency heuristics for that device, by setting low_latency
83  * to 0.
84  *
85  * BFQ is described in [1], where also a reference to the initial,
86  * more theoretical paper on BFQ can be found. The interested reader
87  * can find in the latter paper full details on the main algorithm, as
88  * well as formulas of the guarantees and formal proofs of all the
89  * properties.  With respect to the version of BFQ presented in these
90  * papers, this implementation adds a few more heuristics, such as the
91  * ones that guarantee a low latency to interactive and soft real-time
92  * applications, and a hierarchical extension based on H-WF2Q+.
93  *
94  * B-WF2Q+ is based on WF2Q+, which is described in [2], together with
95  * H-WF2Q+, while the augmented tree used here to implement B-WF2Q+
96  * with O(log N) complexity derives from the one introduced with EEVDF
97  * in [3].
98  *
99  * [1] P. Valente, A. Avanzini, "Evolution of the BFQ Storage I/O
100  *     Scheduler", Proceedings of the First Workshop on Mobile System
101  *     Technologies (MST-2015), May 2015.
102  *     http://algogroup.unimore.it/people/paolo/disk_sched/mst-2015.pdf
103  *
104  * [2] Jon C.R. Bennett and H. Zhang, "Hierarchical Packet Fair Queueing
105  *     Algorithms", IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(5):675-689,
106  *     Oct 1997.
107  *
108  * http://www.cs.cmu.edu/~hzhang/papers/TON-97-Oct.ps.gz
109  *
110  * [3] I. Stoica and H. Abdel-Wahab, "Earliest Eligible Virtual Deadline
111  *     First: A Flexible and Accurate Mechanism for Proportional Share
112  *     Resource Allocation", technical report.
113  *
114  * http://www.cs.berkeley.edu/~istoica/papers/eevdf-tr-95.pdf
115  */
116 #include <linux/module.h>
117 #include <linux/slab.h>
118 #include <linux/blkdev.h>
119 #include <linux/cgroup.h>
120 #include <linux/elevator.h>
121 #include <linux/ktime.h>
122 #include <linux/rbtree.h>
123 #include <linux/ioprio.h>
124 #include <linux/sbitmap.h>
125 #include <linux/delay.h>
126 #include <linux/backing-dev.h>
127
128 #include <trace/events/block.h>
129
130 #include "blk.h"
131 #include "blk-mq.h"
132 #include "blk-mq-tag.h"
133 #include "blk-mq-sched.h"
134 #include "bfq-iosched.h"
135 #include "blk-wbt.h"
136
137 #define BFQ_BFQQ_FNS(name)                                              \
138 void bfq_mark_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                       \
139 {                                                                       \
140         __set_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);                        \
141 }                                                                       \
142 void bfq_clear_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                      \
143 {                                                                       \
144         __clear_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);              \
145 }                                                                       \
146 int bfq_bfqq_##name(const struct bfq_queue *bfqq)                       \
147 {                                                                       \
148         return test_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);          \
149 }
150
151 BFQ_BFQQ_FNS(just_created);
152 BFQ_BFQQ_FNS(busy);
153 BFQ_BFQQ_FNS(wait_request);
154 BFQ_BFQQ_FNS(non_blocking_wait_rq);
155 BFQ_BFQQ_FNS(fifo_expire);
156 BFQ_BFQQ_FNS(has_short_ttime);
157 BFQ_BFQQ_FNS(sync);
158 BFQ_BFQQ_FNS(IO_bound);
159 BFQ_BFQQ_FNS(in_large_burst);
160 BFQ_BFQQ_FNS(coop);
161 BFQ_BFQQ_FNS(split_coop);
162 BFQ_BFQQ_FNS(softrt_update);
163 #undef BFQ_BFQQ_FNS                                             \
164
165 /* Expiration time of async (0) and sync (1) requests, in ns. */
166 static const u64 bfq_fifo_expire[2] = { NSEC_PER_SEC / 4, NSEC_PER_SEC / 8 };
167
168 /* Maximum backwards seek (magic number lifted from CFQ), in KiB. */
169 static const int bfq_back_max = 16 * 1024;
170
171 /* Penalty of a backwards seek, in number of sectors. */
172 static const int bfq_back_penalty = 2;
173
174 /* Idling period duration, in ns. */
175 static u64 bfq_slice_idle = NSEC_PER_SEC / 125;
176
177 /* Minimum number of assigned budgets for which stats are safe to compute. */
178 static const int bfq_stats_min_budgets = 194;
179
180 /* Default maximum budget values, in sectors and number of requests. */
181 static const int bfq_default_max_budget = 16 * 1024;
182
183 /*
184  * When a sync request is dispatched, the queue that contains that
185  * request, and all the ancestor entities of that queue, are charged
186  * with the number of sectors of the request. In contrast, if the
187  * request is async, then the queue and its ancestor entities are
188  * charged with the number of sectors of the request, multiplied by
189  * the factor below. This throttles the bandwidth for async I/O,
190  * w.r.t. to sync I/O, and it is done to counter the tendency of async
191  * writes to steal I/O throughput to reads.
192  *
193  * The current value of this parameter is the result of a tuning with
194  * several hardware and software configurations. We tried to find the
195  * lowest value for which writes do not cause noticeable problems to
196  * reads. In fact, the lower this parameter, the stabler I/O control,
197  * in the following respect.  The lower this parameter is, the less
198  * the bandwidth enjoyed by a group decreases
199  * - when the group does writes, w.r.t. to when it does reads;
200  * - when other groups do reads, w.r.t. to when they do writes.
201  */
202 static const int bfq_async_charge_factor = 3;
203
204 /* Default timeout values, in jiffies, approximating CFQ defaults. */
205 const int bfq_timeout = HZ / 8;
206
207 /*
208  * Time limit for merging (see comments in bfq_setup_cooperator). Set
209  * to the slowest value that, in our tests, proved to be effective in
210  * removing false positives, while not causing true positives to miss
211  * queue merging.
212  *
213  * As can be deduced from the low time limit below, queue merging, if
214  * successful, happens at the very beginning of the I/O of the involved
215  * cooperating processes, as a consequence of the arrival of the very
216  * first requests from each cooperator.  After that, there is very
217  * little chance to find cooperators.
218  */
219 static const unsigned long bfq_merge_time_limit = HZ/10;
220
221 static struct kmem_cache *bfq_pool;
222
223 /* Below this threshold (in ns), we consider thinktime immediate. */
224 #define BFQ_MIN_TT              (2 * NSEC_PER_MSEC)
225
226 /* hw_tag detection: parallel requests threshold and min samples needed. */
227 #define BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD  3
228 #define BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES    32
229
230 #define BFQQ_SEEK_THR           (sector_t)(8 * 100)
231 #define BFQQ_SECT_THR_NONROT    (sector_t)(2 * 32)
232 #define BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, last_pos, rq) \
233         (get_sdist(last_pos, rq) >                      \
234          BFQQ_SEEK_THR &&                               \
235          (!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) ||             \
236           blk_rq_sectors(rq) < BFQQ_SECT_THR_NONROT))
237 #define BFQQ_CLOSE_THR          (sector_t)(8 * 1024)
238 #define BFQQ_SEEKY(bfqq)        (hweight32(bfqq->seek_history) > 19)
239 /*
240  * Sync random I/O is likely to be confused with soft real-time I/O,
241  * because it is characterized by limited throughput and apparently
242  * isochronous arrival pattern. To avoid false positives, queues
243  * containing only random (seeky) I/O are prevented from being tagged
244  * as soft real-time.
245  */
246 #define BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)        (bfqq->seek_history == -1)
247
248 /* Min number of samples required to perform peak-rate update */
249 #define BFQ_RATE_MIN_SAMPLES    32
250 /* Min observation time interval required to perform a peak-rate update (ns) */
251 #define BFQ_RATE_MIN_INTERVAL   (300*NSEC_PER_MSEC)
252 /* Target observation time interval for a peak-rate update (ns) */
253 #define BFQ_RATE_REF_INTERVAL   NSEC_PER_SEC
254
255 /*
256  * Shift used for peak-rate fixed precision calculations.
257  * With
258  * - the current shift: 16 positions
259  * - the current type used to store rate: u32
260  * - the current unit of measure for rate: [sectors/usec], or, more precisely,
261  *   [(sectors/usec) / 2^BFQ_RATE_SHIFT] to take into account the shift,
262  * the range of rates that can be stored is
263  * [1 / 2^BFQ_RATE_SHIFT, 2^(32 - BFQ_RATE_SHIFT)] sectors/usec =
264  * [1 / 2^16, 2^16] sectors/usec = [15e-6, 65536] sectors/usec =
265  * [15, 65G] sectors/sec
266  * Which, assuming a sector size of 512B, corresponds to a range of
267  * [7.5K, 33T] B/sec
268  */
269 #define BFQ_RATE_SHIFT          16
270
271 /*
272  * When configured for computing the duration of the weight-raising
273  * for interactive queues automatically (see the comments at the
274  * beginning of this file), BFQ does it using the following formula:
275  * duration = (ref_rate / r) * ref_wr_duration,
276  * where r is the peak rate of the device, and ref_rate and
277  * ref_wr_duration are two reference parameters.  In particular,
278  * ref_rate is the peak rate of the reference storage device (see
279  * below), and ref_wr_duration is about the maximum time needed, with
280  * BFQ and while reading two files in parallel, to load typical large
281  * applications on the reference device (see the comments on
282  * max_service_from_wr below, for more details on how ref_wr_duration
283  * is obtained).  In practice, the slower/faster the device at hand
284  * is, the more/less it takes to load applications with respect to the
285  * reference device.  Accordingly, the longer/shorter BFQ grants
286  * weight raising to interactive applications.
287  *
288  * BFQ uses two different reference pairs (ref_rate, ref_wr_duration),
289  * depending on whether the device is rotational or non-rotational.
290  *
291  * In the following definitions, ref_rate[0] and ref_wr_duration[0]
292  * are the reference values for a rotational device, whereas
293  * ref_rate[1] and ref_wr_duration[1] are the reference values for a
294  * non-rotational device. The reference rates are not the actual peak
295  * rates of the devices used as a reference, but slightly lower
296  * values. The reason for using slightly lower values is that the
297  * peak-rate estimator tends to yield slightly lower values than the
298  * actual peak rate (it can yield the actual peak rate only if there
299  * is only one process doing I/O, and the process does sequential
300  * I/O).
301  *
302  * The reference peak rates are measured in sectors/usec, left-shifted
303  * by BFQ_RATE_SHIFT.
304  */
305 static int ref_rate[2] = {14000, 33000};
306 /*
307  * To improve readability, a conversion function is used to initialize
308  * the following array, which entails that the array can be
309  * initialized only in a function.
310  */
311 static int ref_wr_duration[2];
312
313 /*
314  * BFQ uses the above-detailed, time-based weight-raising mechanism to
315  * privilege interactive tasks. This mechanism is vulnerable to the
316  * following false positives: I/O-bound applications that will go on
317  * doing I/O for much longer than the duration of weight
318  * raising. These applications have basically no benefit from being
319  * weight-raised at the beginning of their I/O. On the opposite end,
320  * while being weight-raised, these applications
321  * a) unjustly steal throughput to applications that may actually need
322  * low latency;
323  * b) make BFQ uselessly perform device idling; device idling results
324  * in loss of device throughput with most flash-based storage, and may
325  * increase latencies when used purposelessly.
326  *
327  * BFQ tries to reduce these problems, by adopting the following
328  * countermeasure. To introduce this countermeasure, we need first to
329  * finish explaining how the duration of weight-raising for
330  * interactive tasks is computed.
331  *
332  * For a bfq_queue deemed as interactive, the duration of weight
333  * raising is dynamically adjusted, as a function of the estimated
334  * peak rate of the device, so as to be equal to the time needed to
335  * execute the 'largest' interactive task we benchmarked so far. By
336  * largest task, we mean the task for which each involved process has
337  * to do more I/O than for any of the other tasks we benchmarked. This
338  * reference interactive task is the start-up of LibreOffice Writer,
339  * and in this task each process/bfq_queue needs to have at most ~110K
340  * sectors transferred.
341  *
342  * This last piece of information enables BFQ to reduce the actual
343  * duration of weight-raising for at least one class of I/O-bound
344  * applications: those doing sequential or quasi-sequential I/O. An
345  * example is file copy. In fact, once started, the main I/O-bound
346  * processes of these applications usually consume the above 110K
347  * sectors in much less time than the processes of an application that
348  * is starting, because these I/O-bound processes will greedily devote
349  * almost all their CPU cycles only to their target,
350  * throughput-friendly I/O operations. This is even more true if BFQ
351  * happens to be underestimating the device peak rate, and thus
352  * overestimating the duration of weight raising. But, according to
353  * our measurements, once transferred 110K sectors, these processes
354  * have no right to be weight-raised any longer.
355  *
356  * Basing on the last consideration, BFQ ends weight-raising for a
357  * bfq_queue if the latter happens to have received an amount of
358  * service at least equal to the following constant. The constant is
359  * set to slightly more than 110K, to have a minimum safety margin.
360  *
361  * This early ending of weight-raising reduces the amount of time
362  * during which interactive false positives cause the two problems
363  * described at the beginning of these comments.
364  */
365 static const unsigned long max_service_from_wr = 120000;
366
367 #define RQ_BIC(rq)              icq_to_bic((rq)->elv.priv[0])
368 #define RQ_BFQQ(rq)             ((rq)->elv.priv[1])
369
370 struct bfq_queue *bic_to_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
371 {
372         return bic->bfqq[is_sync];
373 }
374
375 void bic_set_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq, bool is_sync)
376 {
377         bic->bfqq[is_sync] = bfqq;
378 }
379
380 struct bfq_data *bic_to_bfqd(struct bfq_io_cq *bic)
381 {
382         return bic->icq.q->elevator->elevator_data;
383 }
384
385 /**
386  * icq_to_bic - convert iocontext queue structure to bfq_io_cq.
387  * @icq: the iocontext queue.
388  */
389 static struct bfq_io_cq *icq_to_bic(struct io_cq *icq)
390 {
391         /* bic->icq is the first member, %NULL will convert to %NULL */
392         return container_of(icq, struct bfq_io_cq, icq);
393 }
394
395 /**
396  * bfq_bic_lookup - search into @ioc a bic associated to @bfqd.
397  * @bfqd: the lookup key.
398  * @ioc: the io_context of the process doing I/O.
399  * @q: the request queue.
400  */
401 static struct bfq_io_cq *bfq_bic_lookup(struct bfq_data *bfqd,
402                                         struct io_context *ioc,
403                                         struct request_queue *q)
404 {
405         if (ioc) {
406                 unsigned long flags;
407                 struct bfq_io_cq *icq;
408
409                 spin_lock_irqsave(&q->queue_lock, flags);
410                 icq = icq_to_bic(ioc_lookup_icq(ioc, q));
411                 spin_unlock_irqrestore(&q->queue_lock, flags);
412
413                 return icq;
414         }
415
416         return NULL;
417 }
418
419 /*
420  * Scheduler run of queue, if there are requests pending and no one in the
421  * driver that will restart queueing.
422  */
423 void bfq_schedule_dispatch(struct bfq_data *bfqd)
424 {
425         if (bfqd->queued != 0) {
426                 bfq_log(bfqd, "schedule dispatch");
427                 blk_mq_run_hw_queues(bfqd->queue, true);
428         }
429 }
430
431 #define bfq_class_idle(bfqq)    ((bfqq)->ioprio_class == IOPRIO_CLASS_IDLE)
432
433 #define bfq_sample_valid(samples)       ((samples) > 80)
434
435 /*
436  * Lifted from AS - choose which of rq1 and rq2 that is best served now.
437  * We choose the request that is closer to the head right now.  Distance
438  * behind the head is penalized and only allowed to a certain extent.
439  */
440 static struct request *bfq_choose_req(struct bfq_data *bfqd,
441                                       struct request *rq1,
442                                       struct request *rq2,
443                                       sector_t last)
444 {
445         sector_t s1, s2, d1 = 0, d2 = 0;
446         unsigned long back_max;
447 #define BFQ_RQ1_WRAP    0x01 /* request 1 wraps */
448 #define BFQ_RQ2_WRAP    0x02 /* request 2 wraps */
449         unsigned int wrap = 0; /* bit mask: requests behind the disk head? */
450
451         if (!rq1 || rq1 == rq2)
452                 return rq2;
453         if (!rq2)
454                 return rq1;
455
456         if (rq_is_sync(rq1) && !rq_is_sync(rq2))
457                 return rq1;
458         else if (rq_is_sync(rq2) && !rq_is_sync(rq1))
459                 return rq2;
460         if ((rq1->cmd_flags & REQ_META) && !(rq2->cmd_flags & REQ_META))
461                 return rq1;
462         else if ((rq2->cmd_flags & REQ_META) && !(rq1->cmd_flags & REQ_META))
463                 return rq2;
464
465         s1 = blk_rq_pos(rq1);
466         s2 = blk_rq_pos(rq2);
467
468         /*
469          * By definition, 1KiB is 2 sectors.
470          */
471         back_max = bfqd->bfq_back_max * 2;
472
473         /*
474          * Strict one way elevator _except_ in the case where we allow
475          * short backward seeks which are biased as twice the cost of a
476          * similar forward seek.
477          */
478         if (s1 >= last)
479                 d1 = s1 - last;
480         else if (s1 + back_max >= last)
481                 d1 = (last - s1) * bfqd->bfq_back_penalty;
482         else
483                 wrap |= BFQ_RQ1_WRAP;
484
485         if (s2 >= last)
486                 d2 = s2 - last;
487         else if (s2 + back_max >= last)
488                 d2 = (last - s2) * bfqd->bfq_back_penalty;
489         else
490                 wrap |= BFQ_RQ2_WRAP;
491
492         /* Found required data */
493
494         /*
495          * By doing switch() on the bit mask "wrap" we avoid having to
496          * check two variables for all permutations: --> faster!
497          */
498         switch (wrap) {
499         case 0: /* common case for CFQ: rq1 and rq2 not wrapped */
500                 if (d1 < d2)
501                         return rq1;
502                 else if (d2 < d1)
503                         return rq2;
504
505                 if (s1 >= s2)
506                         return rq1;
507                 else
508                         return rq2;
509
510         case BFQ_RQ2_WRAP:
511                 return rq1;
512         case BFQ_RQ1_WRAP:
513                 return rq2;
514         case BFQ_RQ1_WRAP|BFQ_RQ2_WRAP: /* both rqs wrapped */
515         default:
516                 /*
517                  * Since both rqs are wrapped,
518                  * start with the one that's further behind head
519                  * (--> only *one* back seek required),
520                  * since back seek takes more time than forward.
521                  */
522                 if (s1 <= s2)
523                         return rq1;
524                 else
525                         return rq2;
526         }
527 }
528
529 /*
530  * Async I/O can easily starve sync I/O (both sync reads and sync
531  * writes), by consuming all tags. Similarly, storms of sync writes,
532  * such as those that sync(2) may trigger, can starve sync reads.
533  * Limit depths of async I/O and sync writes so as to counter both
534  * problems.
535  */
536 static void bfq_limit_depth(unsigned int op, struct blk_mq_alloc_data *data)
537 {
538         struct bfq_data *bfqd = data->q->elevator->elevator_data;
539
540         if (op_is_sync(op) && !op_is_write(op))
541                 return;
542
543         data->shallow_depth =
544                 bfqd->word_depths[!!bfqd->wr_busy_queues][op_is_sync(op)];
545
546         bfq_log(bfqd, "[%s] wr_busy %d sync %d depth %u",
547                         __func__, bfqd->wr_busy_queues, op_is_sync(op),
548                         data->shallow_depth);
549 }
550
551 static struct bfq_queue *
552 bfq_rq_pos_tree_lookup(struct bfq_data *bfqd, struct rb_root *root,
553                      sector_t sector, struct rb_node **ret_parent,
554                      struct rb_node ***rb_link)
555 {
556         struct rb_node **p, *parent;
557         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
558
559         parent = NULL;
560         p = &root->rb_node;
561         while (*p) {
562                 struct rb_node **n;
563
564                 parent = *p;
565                 bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
566
567                 /*
568                  * Sort strictly based on sector. Smallest to the left,
569                  * largest to the right.
570                  */
571                 if (sector > blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
572                         n = &(*p)->rb_right;
573                 else if (sector < blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
574                         n = &(*p)->rb_left;
575                 else
576                         break;
577                 p = n;
578                 bfqq = NULL;
579         }
580
581         *ret_parent = parent;
582         if (rb_link)
583                 *rb_link = p;
584
585         bfq_log(bfqd, "rq_pos_tree_lookup %llu: returning %d",
586                 (unsigned long long)sector,
587                 bfqq ? bfqq->pid : 0);
588
589         return bfqq;
590 }
591
592 static bool bfq_too_late_for_merging(struct bfq_queue *bfqq)
593 {
594         return bfqq->service_from_backlogged > 0 &&
595                 time_is_before_jiffies(bfqq->first_IO_time +
596                                        bfq_merge_time_limit);
597 }
598
599 /*
600  * The following function is not marked as __cold because it is
601  * actually cold, but for the same performance goal described in the
602  * comments on the likely() at the beginning of
603  * bfq_setup_cooperator(). Unexpectedly, to reach an even lower
604  * execution time for the case where this function is not invoked, we
605  * had to add an unlikely() in each involved if().
606  */
607 void __cold
608 bfq_pos_tree_add_move(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
609 {
610         struct rb_node **p, *parent;
611         struct bfq_queue *__bfqq;
612
613         if (bfqq->pos_root) {
614                 rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
615                 bfqq->pos_root = NULL;
616         }
617
618         /* oom_bfqq does not participate in queue merging */
619         if (bfqq == &bfqd->oom_bfqq)
620                 return;
621
622         /*
623          * bfqq cannot be merged any longer (see comments in
624          * bfq_setup_cooperator): no point in adding bfqq into the
625          * position tree.
626          */
627         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
628                 return;
629
630         if (bfq_class_idle(bfqq))
631                 return;
632         if (!bfqq->next_rq)
633                 return;
634
635         bfqq->pos_root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
636         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, bfqq->pos_root,
637                         blk_rq_pos(bfqq->next_rq), &parent, &p);
638         if (!__bfqq) {
639                 rb_link_node(&bfqq->pos_node, parent, p);
640                 rb_insert_color(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
641         } else
642                 bfqq->pos_root = NULL;
643 }
644
645 /*
646  * The following function returns false either if every active queue
647  * must receive the same share of the throughput (symmetric scenario),
648  * or, as a special case, if bfqq must receive a share of the
649  * throughput lower than or equal to the share that every other active
650  * queue must receive.  If bfqq does sync I/O, then these are the only
651  * two cases where bfqq happens to be guaranteed its share of the
652  * throughput even if I/O dispatching is not plugged when bfqq remains
653  * temporarily empty (for more details, see the comments in the
654  * function bfq_better_to_idle()). For this reason, the return value
655  * of this function is used to check whether I/O-dispatch plugging can
656  * be avoided.
657  *
658  * The above first case (symmetric scenario) occurs when:
659  * 1) all active queues have the same weight,
660  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
661  * 3) all active groups at the same level in the groups tree have the same
662  *    weight,
663  * 4) all active groups at the same level in the groups tree have the same
664  *    number of children.
665  *
666  * Unfortunately, keeping the necessary state for evaluating exactly
667  * the last two symmetry sub-conditions above would be quite complex
668  * and time consuming. Therefore this function evaluates, instead,
669  * only the following stronger three sub-conditions, for which it is
670  * much easier to maintain the needed state:
671  * 1) all active queues have the same weight,
672  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
673  * 3) there are no active groups.
674  * In particular, the last condition is always true if hierarchical
675  * support or the cgroups interface are not enabled, thus no state
676  * needs to be maintained in this case.
677  */
678 static bool bfq_asymmetric_scenario(struct bfq_data *bfqd,
679                                    struct bfq_queue *bfqq)
680 {
681         bool smallest_weight = bfqq &&
682                 bfqq->weight_counter &&
683                 bfqq->weight_counter ==
684                 container_of(
685                         rb_first_cached(&bfqd->queue_weights_tree),
686                         struct bfq_weight_counter,
687                         weights_node);
688
689         /*
690          * For queue weights to differ, queue_weights_tree must contain
691          * at least two nodes.
692          */
693         bool varied_queue_weights = !smallest_weight &&
694                 !RB_EMPTY_ROOT(&bfqd->queue_weights_tree.rb_root) &&
695                 (bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_left ||
696                  bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_right);
697
698         bool multiple_classes_busy =
699                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[1]) ||
700                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[2]) ||
701                 (bfqd->busy_queues[1] && bfqd->busy_queues[2]);
702
703         return varied_queue_weights || multiple_classes_busy
704 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
705                || bfqd->num_groups_with_pending_reqs > 0
706 #endif
707                 ;
708 }
709
710 /*
711  * If the weight-counter tree passed as input contains no counter for
712  * the weight of the input queue, then add that counter; otherwise just
713  * increment the existing counter.
714  *
715  * Note that weight-counter trees contain few nodes in mostly symmetric
716  * scenarios. For example, if all queues have the same weight, then the
717  * weight-counter tree for the queues may contain at most one node.
718  * This holds even if low_latency is on, because weight-raised queues
719  * are not inserted in the tree.
720  * In most scenarios, the rate at which nodes are created/destroyed
721  * should be low too.
722  */
723 void bfq_weights_tree_add(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
724                           struct rb_root_cached *root)
725 {
726         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
727         struct rb_node **new = &(root->rb_root.rb_node), *parent = NULL;
728         bool leftmost = true;
729
730         /*
731          * Do not insert if the queue is already associated with a
732          * counter, which happens if:
733          *   1) a request arrival has caused the queue to become both
734          *      non-weight-raised, and hence change its weight, and
735          *      backlogged; in this respect, each of the two events
736          *      causes an invocation of this function,
737          *   2) this is the invocation of this function caused by the
738          *      second event. This second invocation is actually useless,
739          *      and we handle this fact by exiting immediately. More
740          *      efficient or clearer solutions might possibly be adopted.
741          */
742         if (bfqq->weight_counter)
743                 return;
744
745         while (*new) {
746                 struct bfq_weight_counter *__counter = container_of(*new,
747                                                 struct bfq_weight_counter,
748                                                 weights_node);
749                 parent = *new;
750
751                 if (entity->weight == __counter->weight) {
752                         bfqq->weight_counter = __counter;
753                         goto inc_counter;
754                 }
755                 if (entity->weight < __counter->weight)
756                         new = &((*new)->rb_left);
757                 else {
758                         new = &((*new)->rb_right);
759                         leftmost = false;
760                 }
761         }
762
763         bfqq->weight_counter = kzalloc(sizeof(struct bfq_weight_counter),
764                                        GFP_ATOMIC);
765
766         /*
767          * In the unlucky event of an allocation failure, we just
768          * exit. This will cause the weight of queue to not be
769          * considered in bfq_asymmetric_scenario, which, in its turn,
770          * causes the scenario to be deemed wrongly symmetric in case
771          * bfqq's weight would have been the only weight making the
772          * scenario asymmetric.  On the bright side, no unbalance will
773          * however occur when bfqq becomes inactive again (the
774          * invocation of this function is triggered by an activation
775          * of queue).  In fact, bfq_weights_tree_remove does nothing
776          * if !bfqq->weight_counter.
777          */
778         if (unlikely(!bfqq->weight_counter))
779                 return;
780
781         bfqq->weight_counter->weight = entity->weight;
782         rb_link_node(&bfqq->weight_counter->weights_node, parent, new);
783         rb_insert_color_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root,
784                                 leftmost);
785
786 inc_counter:
787         bfqq->weight_counter->num_active++;
788         bfqq->ref++;
789 }
790
791 /*
792  * Decrement the weight counter associated with the queue, and, if the
793  * counter reaches 0, remove the counter from the tree.
794  * See the comments to the function bfq_weights_tree_add() for considerations
795  * about overhead.
796  */
797 void __bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
798                                struct bfq_queue *bfqq,
799                                struct rb_root_cached *root)
800 {
801         if (!bfqq->weight_counter)
802                 return;
803
804         bfqq->weight_counter->num_active--;
805         if (bfqq->weight_counter->num_active > 0)
806                 goto reset_entity_pointer;
807
808         rb_erase_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root);
809         kfree(bfqq->weight_counter);
810
811 reset_entity_pointer:
812         bfqq->weight_counter = NULL;
813         bfq_put_queue(bfqq);
814 }
815
816 /*
817  * Invoke __bfq_weights_tree_remove on bfqq and decrement the number
818  * of active groups for each queue's inactive parent entity.
819  */
820 void bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
821                              struct bfq_queue *bfqq)
822 {
823         struct bfq_entity *entity = bfqq->entity.parent;
824
825         for_each_entity(entity) {
826                 struct bfq_sched_data *sd = entity->my_sched_data;
827
828                 if (sd->next_in_service || sd->in_service_entity) {
829                         /*
830                          * entity is still active, because either
831                          * next_in_service or in_service_entity is not
832                          * NULL (see the comments on the definition of
833                          * next_in_service for details on why
834                          * in_service_entity must be checked too).
835                          *
836                          * As a consequence, its parent entities are
837                          * active as well, and thus this loop must
838                          * stop here.
839                          */
840                         break;
841                 }
842
843                 /*
844                  * The decrement of num_groups_with_pending_reqs is
845                  * not performed immediately upon the deactivation of
846                  * entity, but it is delayed to when it also happens
847                  * that the first leaf descendant bfqq of entity gets
848                  * all its pending requests completed. The following
849                  * instructions perform this delayed decrement, if
850                  * needed. See the comments on
851                  * num_groups_with_pending_reqs for details.
852                  */
853                 if (entity->in_groups_with_pending_reqs) {
854                         entity->in_groups_with_pending_reqs = false;
855                         bfqd->num_groups_with_pending_reqs--;
856                 }
857         }
858
859         /*
860          * Next function is invoked last, because it causes bfqq to be
861          * freed if the following holds: bfqq is not in service and
862          * has no dispatched request. DO NOT use bfqq after the next
863          * function invocation.
864          */
865         __bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq,
866                                   &bfqd->queue_weights_tree);
867 }
868
869 /*
870  * Return expired entry, or NULL to just start from scratch in rbtree.
871  */
872 static struct request *bfq_check_fifo(struct bfq_queue *bfqq,
873                                       struct request *last)
874 {
875         struct request *rq;
876
877         if (bfq_bfqq_fifo_expire(bfqq))
878                 return NULL;
879
880         bfq_mark_bfqq_fifo_expire(bfqq);
881
882         rq = rq_entry_fifo(bfqq->fifo.next);
883
884         if (rq == last || ktime_get_ns() < rq->fifo_time)
885                 return NULL;
886
887         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "check_fifo: returned %p", rq);
888         return rq;
889 }
890
891 static struct request *bfq_find_next_rq(struct bfq_data *bfqd,
892                                         struct bfq_queue *bfqq,
893                                         struct request *last)
894 {
895         struct rb_node *rbnext = rb_next(&last->rb_node);
896         struct rb_node *rbprev = rb_prev(&last->rb_node);
897         struct request *next, *prev = NULL;
898
899         /* Follow expired path, else get first next available. */
900         next = bfq_check_fifo(bfqq, last);
901         if (next)
902                 return next;
903
904         if (rbprev)
905                 prev = rb_entry_rq(rbprev);
906
907         if (rbnext)
908                 next = rb_entry_rq(rbnext);
909         else {
910                 rbnext = rb_first(&bfqq->sort_list);
911                 if (rbnext && rbnext != &last->rb_node)
912                         next = rb_entry_rq(rbnext);
913         }
914
915         return bfq_choose_req(bfqd, next, prev, blk_rq_pos(last));
916 }
917
918 /* see the definition of bfq_async_charge_factor for details */
919 static unsigned long bfq_serv_to_charge(struct request *rq,
920                                         struct bfq_queue *bfqq)
921 {
922         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfqq->wr_coeff > 1 ||
923             bfq_asymmetric_scenario(bfqq->bfqd, bfqq))
924                 return blk_rq_sectors(rq);
925
926         return blk_rq_sectors(rq) * bfq_async_charge_factor;
927 }
928
929 /**
930  * bfq_updated_next_req - update the queue after a new next_rq selection.
931  * @bfqd: the device data the queue belongs to.
932  * @bfqq: the queue to update.
933  *
934  * If the first request of a queue changes we make sure that the queue
935  * has enough budget to serve at least its first request (if the
936  * request has grown).  We do this because if the queue has not enough
937  * budget for its first request, it has to go through two dispatch
938  * rounds to actually get it dispatched.
939  */
940 static void bfq_updated_next_req(struct bfq_data *bfqd,
941                                  struct bfq_queue *bfqq)
942 {
943         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
944         struct request *next_rq = bfqq->next_rq;
945         unsigned long new_budget;
946
947         if (!next_rq)
948                 return;
949
950         if (bfqq == bfqd->in_service_queue)
951                 /*
952                  * In order not to break guarantees, budgets cannot be
953                  * changed after an entity has been selected.
954                  */
955                 return;
956
957         new_budget = max_t(unsigned long,
958                            max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
959                                  bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq)),
960                            entity->service);
961         if (entity->budget != new_budget) {
962                 entity->budget = new_budget;
963                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "updated next rq: new budget %lu",
964                                          new_budget);
965                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, false);
966         }
967 }
968
969 static unsigned int bfq_wr_duration(struct bfq_data *bfqd)
970 {
971         u64 dur;
972
973         if (bfqd->bfq_wr_max_time > 0)
974                 return bfqd->bfq_wr_max_time;
975
976         dur = bfqd->rate_dur_prod;
977         do_div(dur, bfqd->peak_rate);
978
979         /*
980          * Limit duration between 3 and 25 seconds. The upper limit
981          * has been conservatively set after the following worst case:
982          * on a QEMU/KVM virtual machine
983          * - running in a slow PC
984          * - with a virtual disk stacked on a slow low-end 5400rpm HDD
985          * - serving a heavy I/O workload, such as the sequential reading
986          *   of several files
987          * mplayer took 23 seconds to start, if constantly weight-raised.
988          *
989          * As for higher values than that accommodating the above bad
990          * scenario, tests show that higher values would often yield
991          * the opposite of the desired result, i.e., would worsen
992          * responsiveness by allowing non-interactive applications to
993          * preserve weight raising for too long.
994          *
995          * On the other end, lower values than 3 seconds make it
996          * difficult for most interactive tasks to complete their jobs
997          * before weight-raising finishes.
998          */
999         return clamp_val(dur, msecs_to_jiffies(3000), msecs_to_jiffies(25000));
1000 }
1001
1002 /* switch back from soft real-time to interactive weight raising */
1003 static void switch_back_to_interactive_wr(struct bfq_queue *bfqq,
1004                                           struct bfq_data *bfqd)
1005 {
1006         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1007         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1008         bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
1009 }
1010
1011 static void
1012 bfq_bfqq_resume_state(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd,
1013                       struct bfq_io_cq *bic, bool bfq_already_existing)
1014 {
1015         unsigned int old_wr_coeff = 1;
1016         bool busy = bfq_already_existing && bfq_bfqq_busy(bfqq);
1017
1018         if (bic->saved_has_short_ttime)
1019                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1020         else
1021                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1022
1023         if (bic->saved_IO_bound)
1024                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1025         else
1026                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1027
1028         bfqq->last_serv_time_ns = bic->saved_last_serv_time_ns;
1029         bfqq->inject_limit = bic->saved_inject_limit;
1030         bfqq->decrease_time_jif = bic->saved_decrease_time_jif;
1031
1032         bfqq->entity.new_weight = bic->saved_weight;
1033         bfqq->ttime = bic->saved_ttime;
1034         bfqq->io_start_time = bic->saved_io_start_time;
1035         bfqq->tot_idle_time = bic->saved_tot_idle_time;
1036         /*
1037          * Restore weight coefficient only if low_latency is on
1038          */
1039         if (bfqd->low_latency) {
1040                 old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
1041                 bfqq->wr_coeff = bic->saved_wr_coeff;
1042         }
1043         bfqq->service_from_wr = bic->saved_service_from_wr;
1044         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt;
1045         bfqq->last_wr_start_finish = bic->saved_last_wr_start_finish;
1046         bfqq->wr_cur_max_time = bic->saved_wr_cur_max_time;
1047
1048         if (bfqq->wr_coeff > 1 && (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1049             time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
1050                                    bfqq->wr_cur_max_time))) {
1051                 if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
1052                     !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
1053                     time_is_after_eq_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
1054                                              bfq_wr_duration(bfqd))) {
1055                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
1056                 } else {
1057                         bfqq->wr_coeff = 1;
1058                         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
1059                                      "resume state: switching off wr");
1060                 }
1061         }
1062
1063         /* make sure weight will be updated, however we got here */
1064         bfqq->entity.prio_changed = 1;
1065
1066         if (likely(!busy))
1067                 return;
1068
1069         if (old_wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1)
1070                 bfqd->wr_busy_queues++;
1071         else if (old_wr_coeff > 1 && bfqq->wr_coeff == 1)
1072                 bfqd->wr_busy_queues--;
1073 }
1074
1075 static int bfqq_process_refs(struct bfq_queue *bfqq)
1076 {
1077         return bfqq->ref - bfqq->allocated - bfqq->entity.on_st_or_in_serv -
1078                 (bfqq->weight_counter != NULL) - bfqq->stable_ref;
1079 }
1080
1081 /* Empty burst list and add just bfqq (see comments on bfq_handle_burst) */
1082 static void bfq_reset_burst_list(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1083 {
1084         struct bfq_queue *item;
1085         struct hlist_node *n;
1086
1087         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqd->burst_list, burst_list_node)
1088                 hlist_del_init(&item->burst_list_node);
1089
1090         /*
1091          * Start the creation of a new burst list only if there is no
1092          * active queue. See comments on the conditional invocation of
1093          * bfq_handle_burst().
1094          */
1095         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0) {
1096                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1097                 bfqd->burst_size = 1;
1098         } else
1099                 bfqd->burst_size = 0;
1100
1101         bfqd->burst_parent_entity = bfqq->entity.parent;
1102 }
1103
1104 /* Add bfqq to the list of queues in current burst (see bfq_handle_burst) */
1105 static void bfq_add_to_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1106 {
1107         /* Increment burst size to take into account also bfqq */
1108         bfqd->burst_size++;
1109
1110         if (bfqd->burst_size == bfqd->bfq_large_burst_thresh) {
1111                 struct bfq_queue *pos, *bfqq_item;
1112                 struct hlist_node *n;
1113
1114                 /*
1115                  * Enough queues have been activated shortly after each
1116                  * other to consider this burst as large.
1117                  */
1118                 bfqd->large_burst = true;
1119
1120                 /*
1121                  * We can now mark all queues in the burst list as
1122                  * belonging to a large burst.
1123                  */
1124                 hlist_for_each_entry(bfqq_item, &bfqd->burst_list,
1125                                      burst_list_node)
1126                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq_item);
1127                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1128
1129                 /*
1130                  * From now on, and until the current burst finishes, any
1131                  * new queue being activated shortly after the last queue
1132                  * was inserted in the burst can be immediately marked as
1133                  * belonging to a large burst. So the burst list is not
1134                  * needed any more. Remove it.
1135                  */
1136                 hlist_for_each_entry_safe(pos, n, &bfqd->burst_list,
1137                                           burst_list_node)
1138                         hlist_del_init(&pos->burst_list_node);
1139         } else /*
1140                 * Burst not yet large: add bfqq to the burst list. Do
1141                 * not increment the ref counter for bfqq, because bfqq
1142                 * is removed from the burst list before freeing bfqq
1143                 * in put_queue.
1144                 */
1145                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1146 }
1147
1148 /*
1149  * If many queues belonging to the same group happen to be created
1150  * shortly after each other, then the processes associated with these
1151  * queues have typically a common goal. In particular, bursts of queue
1152  * creations are usually caused by services or applications that spawn
1153  * many parallel threads/processes. Examples are systemd during boot,
1154  * or git grep. To help these processes get their job done as soon as
1155  * possible, it is usually better to not grant either weight-raising
1156  * or device idling to their queues, unless these queues must be
1157  * protected from the I/O flowing through other active queues.
1158  *
1159  * In this comment we describe, firstly, the reasons why this fact
1160  * holds, and, secondly, the next function, which implements the main
1161  * steps needed to properly mark these queues so that they can then be
1162  * treated in a different way.
1163  *
1164  * The above services or applications benefit mostly from a high
1165  * throughput: the quicker the requests of the activated queues are
1166  * cumulatively served, the sooner the target job of these queues gets
1167  * completed. As a consequence, weight-raising any of these queues,
1168  * which also implies idling the device for it, is almost always
1169  * counterproductive, unless there are other active queues to isolate
1170  * these new queues from. If there no other active queues, then
1171  * weight-raising these new queues just lowers throughput in most
1172  * cases.
1173  *
1174  * On the other hand, a burst of queue creations may be caused also by
1175  * the start of an application that does not consist of a lot of
1176  * parallel I/O-bound threads. In fact, with a complex application,
1177  * several short processes may need to be executed to start-up the
1178  * application. In this respect, to start an application as quickly as
1179  * possible, the best thing to do is in any case to privilege the I/O
1180  * related to the application with respect to all other
1181  * I/O. Therefore, the best strategy to start as quickly as possible
1182  * an application that causes a burst of queue creations is to
1183  * weight-raise all the queues created during the burst. This is the
1184  * exact opposite of the best strategy for the other type of bursts.
1185  *
1186  * In the end, to take the best action for each of the two cases, the
1187  * two types of bursts need to be distinguished. Fortunately, this
1188  * seems relatively easy, by looking at the sizes of the bursts. In
1189  * particular, we found a threshold such that only bursts with a
1190  * larger size than that threshold are apparently caused by
1191  * services or commands such as systemd or git grep. For brevity,
1192  * hereafter we call just 'large' these bursts. BFQ *does not*
1193  * weight-raise queues whose creation occurs in a large burst. In
1194  * addition, for each of these queues BFQ performs or does not perform
1195  * idling depending on which choice boosts the throughput more. The
1196  * exact choice depends on the device and request pattern at
1197  * hand.
1198  *
1199  * Unfortunately, false positives may occur while an interactive task
1200  * is starting (e.g., an application is being started). The
1201  * consequence is that the queues associated with the task do not
1202  * enjoy weight raising as expected. Fortunately these false positives
1203  * are very rare. They typically occur if some service happens to
1204  * start doing I/O exactly when the interactive task starts.
1205  *
1206  * Turning back to the next function, it is invoked only if there are
1207  * no active queues (apart from active queues that would belong to the
1208  * same, possible burst bfqq would belong to), and it implements all
1209  * the steps needed to detect the occurrence of a large burst and to
1210  * properly mark all the queues belonging to it (so that they can then
1211  * be treated in a different way). This goal is achieved by
1212  * maintaining a "burst list" that holds, temporarily, the queues that
1213  * belong to the burst in progress. The list is then used to mark
1214  * these queues as belonging to a large burst if the burst does become
1215  * large. The main steps are the following.
1216  *
1217  * . when the very first queue is created, the queue is inserted into the
1218  *   list (as it could be the first queue in a possible burst)
1219  *
1220  * . if the current burst has not yet become large, and a queue Q that does
1221  *   not yet belong to the burst is activated shortly after the last time
1222  *   at which a new queue entered the burst list, then the function appends
1223  *   Q to the burst list
1224  *
1225  * . if, as a consequence of the previous step, the burst size reaches
1226  *   the large-burst threshold, then
1227  *
1228  *     . all the queues in the burst list are marked as belonging to a
1229  *       large burst
1230  *
1231  *     . the burst list is deleted; in fact, the burst list already served
1232  *       its purpose (keeping temporarily track of the queues in a burst,
1233  *       so as to be able to mark them as belonging to a large burst in the
1234  *       previous sub-step), and now is not needed any more
1235  *
1236  *     . the device enters a large-burst mode
1237  *
1238  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created while
1239  *   the device is in large-burst mode and shortly after the last time
1240  *   at which a queue either entered the burst list or was marked as
1241  *   belonging to the current large burst, then Q is immediately marked
1242  *   as belonging to a large burst.
1243  *
1244  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created a while
1245  *   later, i.e., not shortly after, than the last time at which a queue
1246  *   either entered the burst list or was marked as belonging to the
1247  *   current large burst, then the current burst is deemed as finished and:
1248  *
1249  *        . the large-burst mode is reset if set
1250  *
1251  *        . the burst list is emptied
1252  *
1253  *        . Q is inserted in the burst list, as Q may be the first queue
1254  *          in a possible new burst (then the burst list contains just Q
1255  *          after this step).
1256  */
1257 static void bfq_handle_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1258 {
1259         /*
1260          * If bfqq is already in the burst list or is part of a large
1261          * burst, or finally has just been split, then there is
1262          * nothing else to do.
1263          */
1264         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node) ||
1265             bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1266             time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
1267                                      msecs_to_jiffies(10)))
1268                 return;
1269
1270         /*
1271          * If bfqq's creation happens late enough, or bfqq belongs to
1272          * a different group than the burst group, then the current
1273          * burst is finished, and related data structures must be
1274          * reset.
1275          *
1276          * In this respect, consider the special case where bfqq is
1277          * the very first queue created after BFQ is selected for this
1278          * device. In this case, last_ins_in_burst and
1279          * burst_parent_entity are not yet significant when we get
1280          * here. But it is easy to verify that, whether or not the
1281          * following condition is true, bfqq will end up being
1282          * inserted into the burst list. In particular the list will
1283          * happen to contain only bfqq. And this is exactly what has
1284          * to happen, as bfqq may be the first queue of the first
1285          * burst.
1286          */
1287         if (time_is_before_jiffies(bfqd->last_ins_in_burst +
1288             bfqd->bfq_burst_interval) ||
1289             bfqq->entity.parent != bfqd->burst_parent_entity) {
1290                 bfqd->large_burst = false;
1291                 bfq_reset_burst_list(bfqd, bfqq);
1292                 goto end;
1293         }
1294
1295         /*
1296          * If we get here, then bfqq is being activated shortly after the
1297          * last queue. So, if the current burst is also large, we can mark
1298          * bfqq as belonging to this large burst immediately.
1299          */
1300         if (bfqd->large_burst) {
1301                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1302                 goto end;
1303         }
1304
1305         /*
1306          * If we get here, then a large-burst state has not yet been
1307          * reached, but bfqq is being activated shortly after the last
1308          * queue. Then we add bfqq to the burst.
1309          */
1310         bfq_add_to_burst(bfqd, bfqq);
1311 end:
1312         /*
1313          * At this point, bfqq either has been added to the current
1314          * burst or has caused the current burst to terminate and a
1315          * possible new burst to start. In particular, in the second
1316          * case, bfqq has become the first queue in the possible new
1317          * burst.  In both cases last_ins_in_burst needs to be moved
1318          * forward.
1319          */
1320         bfqd->last_ins_in_burst = jiffies;
1321 }
1322
1323 static int bfq_bfqq_budget_left(struct bfq_queue *bfqq)
1324 {
1325         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1326
1327         return entity->budget - entity->service;
1328 }
1329
1330 /*
1331  * If enough samples have been computed, return the current max budget
1332  * stored in bfqd, which is dynamically updated according to the
1333  * estimated disk peak rate; otherwise return the default max budget
1334  */
1335 static int bfq_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
1336 {
1337         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1338                 return bfq_default_max_budget;
1339         else
1340                 return bfqd->bfq_max_budget;
1341 }
1342
1343 /*
1344  * Return min budget, which is a fraction of the current or default
1345  * max budget (trying with 1/32)
1346  */
1347 static int bfq_min_budget(struct bfq_data *bfqd)
1348 {
1349         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1350                 return bfq_default_max_budget / 32;
1351         else
1352                 return bfqd->bfq_max_budget / 32;
1353 }
1354
1355 /*
1356  * The next function, invoked after the input queue bfqq switches from
1357  * idle to busy, updates the budget of bfqq. The function also tells
1358  * whether the in-service queue should be expired, by returning
1359  * true. The purpose of expiring the in-service queue is to give bfqq
1360  * the chance to possibly preempt the in-service queue, and the reason
1361  * for preempting the in-service queue is to achieve one of the two
1362  * goals below.
1363  *
1364  * 1. Guarantee to bfqq its reserved bandwidth even if bfqq has
1365  * expired because it has remained idle. In particular, bfqq may have
1366  * expired for one of the following two reasons:
1367  *
1368  * - BFQQE_NO_MORE_REQUESTS bfqq did not enjoy any device idling
1369  *   and did not make it to issue a new request before its last
1370  *   request was served;
1371  *
1372  * - BFQQE_TOO_IDLE bfqq did enjoy device idling, but did not issue
1373  *   a new request before the expiration of the idling-time.
1374  *
1375  * Even if bfqq has expired for one of the above reasons, the process
1376  * associated with the queue may be however issuing requests greedily,
1377  * and thus be sensitive to the bandwidth it receives (bfqq may have
1378  * remained idle for other reasons: CPU high load, bfqq not enjoying
1379  * idling, I/O throttling somewhere in the path from the process to
1380  * the I/O scheduler, ...). But if, after every expiration for one of
1381  * the above two reasons, bfqq has to wait for the service of at least
1382  * one full budget of another queue before being served again, then
1383  * bfqq is likely to get a much lower bandwidth or resource time than
1384  * its reserved ones. To address this issue, two countermeasures need
1385  * to be taken.
1386  *
1387  * First, the budget and the timestamps of bfqq need to be updated in
1388  * a special way on bfqq reactivation: they need to be updated as if
1389  * bfqq did not remain idle and did not expire. In fact, if they are
1390  * computed as if bfqq expired and remained idle until reactivation,
1391  * then the process associated with bfqq is treated as if, instead of
1392  * being greedy, it stopped issuing requests when bfqq remained idle,
1393  * and restarts issuing requests only on this reactivation. In other
1394  * words, the scheduler does not help the process recover the "service
1395  * hole" between bfqq expiration and reactivation. As a consequence,
1396  * the process receives a lower bandwidth than its reserved one. In
1397  * contrast, to recover this hole, the budget must be updated as if
1398  * bfqq was not expired at all before this reactivation, i.e., it must
1399  * be set to the value of the remaining budget when bfqq was
1400  * expired. Along the same line, timestamps need to be assigned the
1401  * value they had the last time bfqq was selected for service, i.e.,
1402  * before last expiration. Thus timestamps need to be back-shifted
1403  * with respect to their normal computation (see [1] for more details
1404  * on this tricky aspect).
1405  *
1406  * Secondly, to allow the process to recover the hole, the in-service
1407  * queue must be expired too, to give bfqq the chance to preempt it
1408  * immediately. In fact, if bfqq has to wait for a full budget of the
1409  * in-service queue to be completed, then it may become impossible to
1410  * let the process recover the hole, even if the back-shifted
1411  * timestamps of bfqq are lower than those of the in-service queue. If
1412  * this happens for most or all of the holes, then the process may not
1413  * receive its reserved bandwidth. In this respect, it is worth noting
1414  * that, being the service of outstanding requests unpreemptible, a
1415  * little fraction of the holes may however be unrecoverable, thereby
1416  * causing a little loss of bandwidth.
1417  *
1418  * The last important point is detecting whether bfqq does need this
1419  * bandwidth recovery. In this respect, the next function deems the
1420  * process associated with bfqq greedy, and thus allows it to recover
1421  * the hole, if: 1) the process is waiting for the arrival of a new
1422  * request (which implies that bfqq expired for one of the above two
1423  * reasons), and 2) such a request has arrived soon. The first
1424  * condition is controlled through the flag non_blocking_wait_rq,
1425  * while the second through the flag arrived_in_time. If both
1426  * conditions hold, then the function computes the budget in the
1427  * above-described special way, and signals that the in-service queue
1428  * should be expired. Timestamp back-shifting is done later in
1429  * __bfq_activate_entity.
1430  *
1431  * 2. Reduce latency. Even if timestamps are not backshifted to let
1432  * the process associated with bfqq recover a service hole, bfqq may
1433  * however happen to have, after being (re)activated, a lower finish
1434  * timestamp than the in-service queue.  That is, the next budget of
1435  * bfqq may have to be completed before the one of the in-service
1436  * queue. If this is the case, then preempting the in-service queue
1437  * allows this goal to be achieved, apart from the unpreemptible,
1438  * outstanding requests mentioned above.
1439  *
1440  * Unfortunately, regardless of which of the above two goals one wants
1441  * to achieve, service trees need first to be updated to know whether
1442  * the in-service queue must be preempted. To have service trees
1443  * correctly updated, the in-service queue must be expired and
1444  * rescheduled, and bfqq must be scheduled too. This is one of the
1445  * most costly operations (in future versions, the scheduling
1446  * mechanism may be re-designed in such a way to make it possible to
1447  * know whether preemption is needed without needing to update service
1448  * trees). In addition, queue preemptions almost always cause random
1449  * I/O, which may in turn cause loss of throughput. Finally, there may
1450  * even be no in-service queue when the next function is invoked (so,
1451  * no queue to compare timestamps with). Because of these facts, the
1452  * next function adopts the following simple scheme to avoid costly
1453  * operations, too frequent preemptions and too many dependencies on
1454  * the state of the scheduler: it requests the expiration of the
1455  * in-service queue (unconditionally) only for queues that need to
1456  * recover a hole. Then it delegates to other parts of the code the
1457  * responsibility of handling the above case 2.
1458  */
1459 static bool bfq_bfqq_update_budg_for_activation(struct bfq_data *bfqd,
1460                                                 struct bfq_queue *bfqq,
1461                                                 bool arrived_in_time)
1462 {
1463         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1464
1465         /*
1466          * In the next compound condition, we check also whether there
1467          * is some budget left, because otherwise there is no point in
1468          * trying to go on serving bfqq with this same budget: bfqq
1469          * would be expired immediately after being selected for
1470          * service. This would only cause useless overhead.
1471          */
1472         if (bfq_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq) && arrived_in_time &&
1473             bfq_bfqq_budget_left(bfqq) > 0) {
1474                 /*
1475                  * We do not clear the flag non_blocking_wait_rq here, as
1476                  * the latter is used in bfq_activate_bfqq to signal
1477                  * that timestamps need to be back-shifted (and is
1478                  * cleared right after).
1479                  */
1480
1481                 /*
1482                  * In next assignment we rely on that either
1483                  * entity->service or entity->budget are not updated
1484                  * on expiration if bfqq is empty (see
1485                  * __bfq_bfqq_recalc_budget). Thus both quantities
1486                  * remain unchanged after such an expiration, and the
1487                  * following statement therefore assigns to
1488                  * entity->budget the remaining budget on such an
1489                  * expiration.
1490                  */
1491                 entity->budget = min_t(unsigned long,
1492                                        bfq_bfqq_budget_left(bfqq),
1493                                        bfqq->max_budget);
1494
1495                 /*
1496                  * At this point, we have used entity->service to get
1497                  * the budget left (needed for updating
1498                  * entity->budget). Thus we finally can, and have to,
1499                  * reset entity->service. The latter must be reset
1500                  * because bfqq would otherwise be charged again for
1501                  * the service it has received during its previous
1502                  * service slot(s).
1503                  */
1504                 entity->service = 0;
1505
1506                 return true;
1507         }
1508
1509         /*
1510          * We can finally complete expiration, by setting service to 0.
1511          */
1512         entity->service = 0;
1513         entity->budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
1514                                bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq));
1515         bfq_clear_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
1516         return false;
1517 }
1518
1519 /*
1520  * Return the farthest past time instant according to jiffies
1521  * macros.
1522  */
1523 static unsigned long bfq_smallest_from_now(void)
1524 {
1525         return jiffies - MAX_JIFFY_OFFSET;
1526 }
1527
1528 static void bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(struct bfq_data *bfqd,
1529                                              struct bfq_queue *bfqq,
1530                                              unsigned int old_wr_coeff,
1531                                              bool wr_or_deserves_wr,
1532                                              bool interactive,
1533                                              bool in_burst,
1534                                              bool soft_rt)
1535 {
1536         if (old_wr_coeff == 1 && wr_or_deserves_wr) {
1537                 /* start a weight-raising period */
1538                 if (interactive) {
1539                         bfqq->service_from_wr = 0;
1540                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1541                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1542                 } else {
1543                         /*
1544                          * No interactive weight raising in progress
1545                          * here: assign minus infinity to
1546                          * wr_start_at_switch_to_srt, to make sure
1547                          * that, at the end of the soft-real-time
1548                          * weight raising periods that is starting
1549                          * now, no interactive weight-raising period
1550                          * may be wrongly considered as still in
1551                          * progress (and thus actually started by
1552                          * mistake).
1553                          */
1554                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1555                                 bfq_smallest_from_now();
1556                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1557                                 BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1558                         bfqq->wr_cur_max_time =
1559                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1560                 }
1561
1562                 /*
1563                  * If needed, further reduce budget to make sure it is
1564                  * close to bfqq's backlog, so as to reduce the
1565                  * scheduling-error component due to a too large
1566                  * budget. Do not care about throughput consequences,
1567                  * but only about latency. Finally, do not assign a
1568                  * too small budget either, to avoid increasing
1569                  * latency by causing too frequent expirations.
1570                  */
1571                 bfqq->entity.budget = min_t(unsigned long,
1572                                             bfqq->entity.budget,
1573                                             2 * bfq_min_budget(bfqd));
1574         } else if (old_wr_coeff > 1) {
1575                 if (interactive) { /* update wr coeff and duration */
1576                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1577                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1578                 } else if (in_burst)
1579                         bfqq->wr_coeff = 1;
1580                 else if (soft_rt) {
1581                         /*
1582                          * The application is now or still meeting the
1583                          * requirements for being deemed soft rt.  We
1584                          * can then correctly and safely (re)charge
1585                          * the weight-raising duration for the
1586                          * application with the weight-raising
1587                          * duration for soft rt applications.
1588                          *
1589                          * In particular, doing this recharge now, i.e.,
1590                          * before the weight-raising period for the
1591                          * application finishes, reduces the probability
1592                          * of the following negative scenario:
1593                          * 1) the weight of a soft rt application is
1594                          *    raised at startup (as for any newly
1595                          *    created application),
1596                          * 2) since the application is not interactive,
1597                          *    at a certain time weight-raising is
1598                          *    stopped for the application,
1599                          * 3) at that time the application happens to
1600                          *    still have pending requests, and hence
1601                          *    is destined to not have a chance to be
1602                          *    deemed soft rt before these requests are
1603                          *    completed (see the comments to the
1604                          *    function bfq_bfqq_softrt_next_start()
1605                          *    for details on soft rt detection),
1606                          * 4) these pending requests experience a high
1607                          *    latency because the application is not
1608                          *    weight-raised while they are pending.
1609                          */
1610                         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
1611                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time) {
1612                                 bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1613                                         bfqq->last_wr_start_finish;
1614
1615                                 bfqq->wr_cur_max_time =
1616                                         bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1617                                 bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1618                                         BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1619                         }
1620                         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1621                 }
1622         }
1623 }
1624
1625 static bool bfq_bfqq_idle_for_long_time(struct bfq_data *bfqd,
1626                                         struct bfq_queue *bfqq)
1627 {
1628         return bfqq->dispatched == 0 &&
1629                 time_is_before_jiffies(
1630                         bfqq->budget_timeout +
1631                         bfqd->bfq_wr_min_idle_time);
1632 }
1633
1634
1635 /*
1636  * Return true if bfqq is in a higher priority class, or has a higher
1637  * weight than the in-service queue.
1638  */
1639 static bool bfq_bfqq_higher_class_or_weight(struct bfq_queue *bfqq,
1640                                             struct bfq_queue *in_serv_bfqq)
1641 {
1642         int bfqq_weight, in_serv_weight;
1643
1644         if (bfqq->ioprio_class < in_serv_bfqq->ioprio_class)
1645                 return true;
1646
1647         if (in_serv_bfqq->entity.parent == bfqq->entity.parent) {
1648                 bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1649                 in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1650         } else {
1651                 if (bfqq->entity.parent)
1652                         bfqq_weight = bfqq->entity.parent->weight;
1653                 else
1654                         bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1655                 if (in_serv_bfqq->entity.parent)
1656                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.parent->weight;
1657                 else
1658                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1659         }
1660
1661         return bfqq_weight > in_serv_weight;
1662 }
1663
1664 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq);
1665
1666 static void bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(struct bfq_data *bfqd,
1667                                              struct bfq_queue *bfqq,
1668                                              int old_wr_coeff,
1669                                              struct request *rq,
1670                                              bool *interactive)
1671 {
1672         bool soft_rt, in_burst, wr_or_deserves_wr,
1673                 bfqq_wants_to_preempt,
1674                 idle_for_long_time = bfq_bfqq_idle_for_long_time(bfqd, bfqq),
1675                 /*
1676                  * See the comments on
1677                  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation for
1678                  * details on the usage of the next variable.
1679                  */
1680                 arrived_in_time =  ktime_get_ns() <=
1681                         bfqq->ttime.last_end_request +
1682                         bfqd->bfq_slice_idle * 3;
1683
1684
1685         /*
1686          * bfqq deserves to be weight-raised if:
1687          * - it is sync,
1688          * - it does not belong to a large burst,
1689          * - it has been idle for enough time or is soft real-time,
1690          * - is linked to a bfq_io_cq (it is not shared in any sense),
1691          * - has a default weight (otherwise we assume the user wanted
1692          *   to control its weight explicitly)
1693          */
1694         in_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1695         soft_rt = bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
1696                 !BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq) &&
1697                 !in_burst &&
1698                 time_is_before_jiffies(bfqq->soft_rt_next_start) &&
1699                 bfqq->dispatched == 0 &&
1700                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1701         *interactive = !in_burst && idle_for_long_time &&
1702                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1703         wr_or_deserves_wr = bfqd->low_latency &&
1704                 (bfqq->wr_coeff > 1 ||
1705                  (bfq_bfqq_sync(bfqq) &&
1706                   bfqq->bic && (*interactive || soft_rt)));
1707
1708         /*
1709          * Using the last flag, update budget and check whether bfqq
1710          * may want to preempt the in-service queue.
1711          */
1712         bfqq_wants_to_preempt =
1713                 bfq_bfqq_update_budg_for_activation(bfqd, bfqq,
1714                                                     arrived_in_time);
1715
1716         /*
1717          * If bfqq happened to be activated in a burst, but has been
1718          * idle for much more than an interactive queue, then we
1719          * assume that, in the overall I/O initiated in the burst, the
1720          * I/O associated with bfqq is finished. So bfqq does not need
1721          * to be treated as a queue belonging to a burst
1722          * anymore. Accordingly, we reset bfqq's in_large_burst flag
1723          * if set, and remove bfqq from the burst list if it's
1724          * there. We do not decrement burst_size, because the fact
1725          * that bfqq does not need to belong to the burst list any
1726          * more does not invalidate the fact that bfqq was created in
1727          * a burst.
1728          */
1729         if (likely(!bfq_bfqq_just_created(bfqq)) &&
1730             idle_for_long_time &&
1731             time_is_before_jiffies(
1732                     bfqq->budget_timeout +
1733                     msecs_to_jiffies(10000))) {
1734                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
1735                 bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1736         }
1737
1738         bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
1739
1740         if (bfqd->low_latency) {
1741                 if (unlikely(time_is_after_jiffies(bfqq->split_time)))
1742                         /* wraparound */
1743                         bfqq->split_time =
1744                                 jiffies - bfqd->bfq_wr_min_idle_time - 1;
1745
1746                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
1747                                            bfqd->bfq_wr_min_idle_time)) {
1748                         bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(bfqd, bfqq,
1749                                                          old_wr_coeff,
1750                                                          wr_or_deserves_wr,
1751                                                          *interactive,
1752                                                          in_burst,
1753                                                          soft_rt);
1754
1755                         if (old_wr_coeff != bfqq->wr_coeff)
1756                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
1757                 }
1758         }
1759
1760         bfqq->last_idle_bklogged = jiffies;
1761         bfqq->service_from_backlogged = 0;
1762         bfq_clear_bfqq_softrt_update(bfqq);
1763
1764         bfq_add_bfqq_busy(bfqd, bfqq);
1765
1766         /*
1767          * Expire in-service queue if preemption may be needed for
1768          * guarantees or throughput. As for guarantees, we care
1769          * explicitly about two cases. The first is that bfqq has to
1770          * recover a service hole, as explained in the comments on
1771          * bfq_bfqq_update_budg_for_activation(), i.e., that
1772          * bfqq_wants_to_preempt is true. However, if bfqq does not
1773          * carry time-critical I/O, then bfqq's bandwidth is less
1774          * important than that of queues that carry time-critical I/O.
1775          * So, as a further constraint, we consider this case only if
1776          * bfqq is at least as weight-raised, i.e., at least as time
1777          * critical, as the in-service queue.
1778          *
1779          * The second case is that bfqq is in a higher priority class,
1780          * or has a higher weight than the in-service queue. If this
1781          * condition does not hold, we don't care because, even if
1782          * bfqq does not start to be served immediately, the resulting
1783          * delay for bfqq's I/O is however lower or much lower than
1784          * the ideal completion time to be guaranteed to bfqq's I/O.
1785          *
1786          * In both cases, preemption is needed only if, according to
1787          * the timestamps of both bfqq and of the in-service queue,
1788          * bfqq actually is the next queue to serve. So, to reduce
1789          * useless preemptions, the return value of
1790          * next_queue_may_preempt() is considered in the next compound
1791          * condition too. Yet next_queue_may_preempt() just checks a
1792          * simple, necessary condition for bfqq to be the next queue
1793          * to serve. In fact, to evaluate a sufficient condition, the
1794          * timestamps of the in-service queue would need to be
1795          * updated, and this operation is quite costly (see the
1796          * comments on bfq_bfqq_update_budg_for_activation()).
1797          *
1798          * As for throughput, we ask bfq_better_to_idle() whether we
1799          * still need to plug I/O dispatching. If bfq_better_to_idle()
1800          * says no, then plugging is not needed any longer, either to
1801          * boost throughput or to perserve service guarantees. Then
1802          * the best option is to stop plugging I/O, as not doing so
1803          * would certainly lower throughput. We may end up in this
1804          * case if: (1) upon a dispatch attempt, we detected that it
1805          * was better to plug I/O dispatch, and to wait for a new
1806          * request to arrive for the currently in-service queue, but
1807          * (2) this switch of bfqq to busy changes the scenario.
1808          */
1809         if (bfqd->in_service_queue &&
1810             ((bfqq_wants_to_preempt &&
1811               bfqq->wr_coeff >= bfqd->in_service_queue->wr_coeff) ||
1812              bfq_bfqq_higher_class_or_weight(bfqq, bfqd->in_service_queue) ||
1813              !bfq_better_to_idle(bfqd->in_service_queue)) &&
1814             next_queue_may_preempt(bfqd))
1815                 bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqd->in_service_queue,
1816                                 false, BFQQE_PREEMPTED);
1817 }
1818
1819 static void bfq_reset_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
1820                                    struct bfq_queue *bfqq)
1821 {
1822         /* invalidate baseline total service time */
1823         bfqq->last_serv_time_ns = 0;
1824
1825         /*
1826          * Reset pointer in case we are waiting for
1827          * some request completion.
1828          */
1829         bfqd->waited_rq = NULL;
1830
1831         /*
1832          * If bfqq has a short think time, then start by setting the
1833          * inject limit to 0 prudentially, because the service time of
1834          * an injected I/O request may be higher than the think time
1835          * of bfqq, and therefore, if one request was injected when
1836          * bfqq remains empty, this injected request might delay the
1837          * service of the next I/O request for bfqq significantly. In
1838          * case bfqq can actually tolerate some injection, then the
1839          * adaptive update will however raise the limit soon. This
1840          * lucky circumstance holds exactly because bfqq has a short
1841          * think time, and thus, after remaining empty, is likely to
1842          * get new I/O enqueued---and then completed---before being
1843          * expired. This is the very pattern that gives the
1844          * limit-update algorithm the chance to measure the effect of
1845          * injection on request service times, and then to update the
1846          * limit accordingly.
1847          *
1848          * However, in the following special case, the inject limit is
1849          * left to 1 even if the think time is short: bfqq's I/O is
1850          * synchronized with that of some other queue, i.e., bfqq may
1851          * receive new I/O only after the I/O of the other queue is
1852          * completed. Keeping the inject limit to 1 allows the
1853          * blocking I/O to be served while bfqq is in service. And
1854          * this is very convenient both for bfqq and for overall
1855          * throughput, as explained in detail in the comments in
1856          * bfq_update_has_short_ttime().
1857          *
1858          * On the opposite end, if bfqq has a long think time, then
1859          * start directly by 1, because:
1860          * a) on the bright side, keeping at most one request in
1861          * service in the drive is unlikely to cause any harm to the
1862          * latency of bfqq's requests, as the service time of a single
1863          * request is likely to be lower than the think time of bfqq;
1864          * b) on the downside, after becoming empty, bfqq is likely to
1865          * expire before getting its next request. With this request
1866          * arrival pattern, it is very hard to sample total service
1867          * times and update the inject limit accordingly (see comments
1868          * on bfq_update_inject_limit()). So the limit is likely to be
1869          * never, or at least seldom, updated.  As a consequence, by
1870          * setting the limit to 1, we avoid that no injection ever
1871          * occurs with bfqq. On the downside, this proactive step
1872          * further reduces chances to actually compute the baseline
1873          * total service time. Thus it reduces chances to execute the
1874          * limit-update algorithm and possibly raise the limit to more
1875          * than 1.
1876          */
1877         if (bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq))
1878                 bfqq->inject_limit = 0;
1879         else
1880                 bfqq->inject_limit = 1;
1881
1882         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
1883 }
1884
1885 static void bfq_update_io_intensity(struct bfq_queue *bfqq, u64 now_ns)
1886 {
1887         u64 tot_io_time = now_ns - bfqq->io_start_time;
1888
1889         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfqq->dispatched == 0)
1890                 bfqq->tot_idle_time +=
1891                         now_ns - bfqq->ttime.last_end_request;
1892
1893         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq)))
1894                 return;
1895
1896         /*
1897          * Must be busy for at least about 80% of the time to be
1898          * considered I/O bound.
1899          */
1900         if (bfqq->tot_idle_time * 5 > tot_io_time)
1901                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1902         else
1903                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1904
1905         /*
1906          * Keep an observation window of at most 200 ms in the past
1907          * from now.
1908          */
1909         if (tot_io_time > 200 * NSEC_PER_MSEC) {
1910                 bfqq->io_start_time = now_ns - (tot_io_time>>1);
1911                 bfqq->tot_idle_time >>= 1;
1912         }
1913 }
1914
1915 /*
1916  * Detect whether bfqq's I/O seems synchronized with that of some
1917  * other queue, i.e., whether bfqq, after remaining empty, happens to
1918  * receive new I/O only right after some I/O request of the other
1919  * queue has been completed. We call waker queue the other queue, and
1920  * we assume, for simplicity, that bfqq may have at most one waker
1921  * queue.
1922  *
1923  * A remarkable throughput boost can be reached by unconditionally
1924  * injecting the I/O of the waker queue, every time a new
1925  * bfq_dispatch_request happens to be invoked while I/O is being
1926  * plugged for bfqq.  In addition to boosting throughput, this
1927  * unblocks bfqq's I/O, thereby improving bandwidth and latency for
1928  * bfqq. Note that these same results may be achieved with the general
1929  * injection mechanism, but less effectively. For details on this
1930  * aspect, see the comments on the choice of the queue for injection
1931  * in bfq_select_queue().
1932  *
1933  * Turning back to the detection of a waker queue, a queue Q is deemed
1934  * as a waker queue for bfqq if, for three consecutive times, bfqq
1935  * happens to become non empty right after a request of Q has been
1936  * completed. In particular, on the first time, Q is tentatively set
1937  * as a candidate waker queue, while on the third consecutive time
1938  * that Q is detected, the field waker_bfqq is set to Q, to confirm
1939  * that Q is a waker queue for bfqq. These detection steps are
1940  * performed only if bfqq has a long think time, so as to make it more
1941  * likely that bfqq's I/O is actually being blocked by a
1942  * synchronization. This last filter, plus the above three-times
1943  * requirement, make false positives less likely.
1944  *
1945  * NOTE
1946  *
1947  * The sooner a waker queue is detected, the sooner throughput can be
1948  * boosted by injecting I/O from the waker queue. Fortunately,
1949  * detection is likely to be actually fast, for the following
1950  * reasons. While blocked by synchronization, bfqq has a long think
1951  * time. This implies that bfqq's inject limit is at least equal to 1
1952  * (see the comments in bfq_update_inject_limit()). So, thanks to
1953  * injection, the waker queue is likely to be served during the very
1954  * first I/O-plugging time interval for bfqq. This triggers the first
1955  * step of the detection mechanism. Thanks again to injection, the
1956  * candidate waker queue is then likely to be confirmed no later than
1957  * during the next I/O-plugging interval for bfqq.
1958  *
1959  * ISSUE
1960  *
1961  * On queue merging all waker information is lost.
1962  */
1963 static void bfq_check_waker(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
1964                             u64 now_ns)
1965 {
1966         if (!bfqd->last_completed_rq_bfqq ||
1967             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq ||
1968             bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) ||
1969             now_ns - bfqd->last_completion >= 4 * NSEC_PER_MSEC ||
1970             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq->waker_bfqq)
1971                 return;
1972
1973         if (bfqd->last_completed_rq_bfqq !=
1974             bfqq->tentative_waker_bfqq) {
1975                 /*
1976                  * First synchronization detected with a
1977                  * candidate waker queue, or with a different
1978                  * candidate waker queue from the current one.
1979                  */
1980                 bfqq->tentative_waker_bfqq =
1981                         bfqd->last_completed_rq_bfqq;
1982                 bfqq->num_waker_detections = 1;
1983         } else /* Same tentative waker queue detected again */
1984                 bfqq->num_waker_detections++;
1985
1986         if (bfqq->num_waker_detections == 3) {
1987                 bfqq->waker_bfqq = bfqd->last_completed_rq_bfqq;
1988                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
1989
1990                 /*
1991                  * If the waker queue disappears, then
1992                  * bfqq->waker_bfqq must be reset. To
1993                  * this goal, we maintain in each
1994                  * waker queue a list, woken_list, of
1995                  * all the queues that reference the
1996                  * waker queue through their
1997                  * waker_bfqq pointer. When the waker
1998                  * queue exits, the waker_bfqq pointer
1999                  * of all the queues in the woken_list
2000                  * is reset.
2001                  *
2002                  * In addition, if bfqq is already in
2003                  * the woken_list of a waker queue,
2004                  * then, before being inserted into
2005                  * the woken_list of a new waker
2006                  * queue, bfqq must be removed from
2007                  * the woken_list of the old waker
2008                  * queue.
2009                  */
2010                 if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
2011                         hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
2012                 hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
2013                                &bfqd->last_completed_rq_bfqq->woken_list);
2014         }
2015 }
2016
2017 static void bfq_add_request(struct request *rq)
2018 {
2019         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2020         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2021         struct request *next_rq, *prev;
2022         unsigned int old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2023         bool interactive = false;
2024         u64 now_ns = ktime_get_ns();
2025
2026         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "add_request %d", rq_is_sync(rq));
2027         bfqq->queued[rq_is_sync(rq)]++;
2028         bfqd->queued++;
2029
2030         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
2031                 bfq_check_waker(bfqd, bfqq, now_ns);
2032
2033                 /*
2034                  * Periodically reset inject limit, to make sure that
2035                  * the latter eventually drops in case workload
2036                  * changes, see step (3) in the comments on
2037                  * bfq_update_inject_limit().
2038                  */
2039                 if (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2040                                              msecs_to_jiffies(1000)))
2041                         bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
2042
2043                 /*
2044                  * The following conditions must hold to setup a new
2045                  * sampling of total service time, and then a new
2046                  * update of the inject limit:
2047                  * - bfqq is in service, because the total service
2048                  *   time is evaluated only for the I/O requests of
2049                  *   the queues in service;
2050                  * - this is the right occasion to compute or to
2051                  *   lower the baseline total service time, because
2052                  *   there are actually no requests in the drive,
2053                  *   or
2054                  *   the baseline total service time is available, and
2055                  *   this is the right occasion to compute the other
2056                  *   quantity needed to update the inject limit, i.e.,
2057                  *   the total service time caused by the amount of
2058                  *   injection allowed by the current value of the
2059                  *   limit. It is the right occasion because injection
2060                  *   has actually been performed during the service
2061                  *   hole, and there are still in-flight requests,
2062                  *   which are very likely to be exactly the injected
2063                  *   requests, or part of them;
2064                  * - the minimum interval for sampling the total
2065                  *   service time and updating the inject limit has
2066                  *   elapsed.
2067                  */
2068                 if (bfqq == bfqd->in_service_queue &&
2069                     (bfqd->rq_in_driver == 0 ||
2070                      (bfqq->last_serv_time_ns > 0 &&
2071                       bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver > 0)) &&
2072                     time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2073                                               msecs_to_jiffies(10))) {
2074                         bfqd->last_empty_occupied_ns = ktime_get_ns();
2075                         /*
2076                          * Start the state machine for measuring the
2077                          * total service time of rq: setting
2078                          * wait_dispatch will cause bfqd->waited_rq to
2079                          * be set when rq will be dispatched.
2080                          */
2081                         bfqd->wait_dispatch = true;
2082                         /*
2083                          * If there is no I/O in service in the drive,
2084                          * then possible injection occurred before the
2085                          * arrival of rq will not affect the total
2086                          * service time of rq. So the injection limit
2087                          * must not be updated as a function of such
2088                          * total service time, unless new injection
2089                          * occurs before rq is completed. To have the
2090                          * injection limit updated only in the latter
2091                          * case, reset rqs_injected here (rqs_injected
2092                          * will be set in case injection is performed
2093                          * on bfqq before rq is completed).
2094                          */
2095                         if (bfqd->rq_in_driver == 0)
2096                                 bfqd->rqs_injected = false;
2097                 }
2098         }
2099
2100         if (bfq_bfqq_sync(bfqq))
2101                 bfq_update_io_intensity(bfqq, now_ns);
2102
2103         elv_rb_add(&bfqq->sort_list, rq);
2104
2105         /*
2106          * Check if this request is a better next-serve candidate.
2107          */
2108         prev = bfqq->next_rq;
2109         next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, rq, bfqd->last_position);
2110         bfqq->next_rq = next_rq;
2111
2112         /*
2113          * Adjust priority tree position, if next_rq changes.
2114          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
2115          */
2116         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing && prev != bfqq->next_rq))
2117                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2118
2119         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq)) /* switching to busy ... */
2120                 bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(bfqd, bfqq, old_wr_coeff,
2121                                                  rq, &interactive);
2122         else {
2123                 if (bfqd->low_latency && old_wr_coeff == 1 && !rq_is_sync(rq) &&
2124                     time_is_before_jiffies(
2125                                 bfqq->last_wr_start_finish +
2126                                 bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async)) {
2127                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
2128                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
2129
2130                         bfqd->wr_busy_queues++;
2131                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2132                 }
2133                 if (prev != bfqq->next_rq)
2134                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2135         }
2136
2137         /*
2138          * Assign jiffies to last_wr_start_finish in the following
2139          * cases:
2140          *
2141          * . if bfqq is not going to be weight-raised, because, for
2142          *   non weight-raised queues, last_wr_start_finish stores the
2143          *   arrival time of the last request; as of now, this piece
2144          *   of information is used only for deciding whether to
2145          *   weight-raise async queues
2146          *
2147          * . if bfqq is not weight-raised, because, if bfqq is now
2148          *   switching to weight-raised, then last_wr_start_finish
2149          *   stores the time when weight-raising starts
2150          *
2151          * . if bfqq is interactive, because, regardless of whether
2152          *   bfqq is currently weight-raised, the weight-raising
2153          *   period must start or restart (this case is considered
2154          *   separately because it is not detected by the above
2155          *   conditions, if bfqq is already weight-raised)
2156          *
2157          * last_wr_start_finish has to be updated also if bfqq is soft
2158          * real-time, because the weight-raising period is constantly
2159          * restarted on idle-to-busy transitions for these queues, but
2160          * this is already done in bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch if
2161          * needed.
2162          */
2163         if (bfqd->low_latency &&
2164                 (old_wr_coeff == 1 || bfqq->wr_coeff == 1 || interactive))
2165                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2166 }
2167
2168 static struct request *bfq_find_rq_fmerge(struct bfq_data *bfqd,
2169                                           struct bio *bio,
2170                                           struct request_queue *q)
2171 {
2172         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq;
2173
2174
2175         if (bfqq)
2176                 return elv_rb_find(&bfqq->sort_list, bio_end_sector(bio));
2177
2178         return NULL;
2179 }
2180
2181 static sector_t get_sdist(sector_t last_pos, struct request *rq)
2182 {
2183         if (last_pos)
2184                 return abs(blk_rq_pos(rq) - last_pos);
2185
2186         return 0;
2187 }
2188
2189 #if 0 /* Still not clear if we can do without next two functions */
2190 static void bfq_activate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2191 {
2192         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2193
2194         bfqd->rq_in_driver++;
2195 }
2196
2197 static void bfq_deactivate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2198 {
2199         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2200
2201         bfqd->rq_in_driver--;
2202 }
2203 #endif
2204
2205 static void bfq_remove_request(struct request_queue *q,
2206                                struct request *rq)
2207 {
2208         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2209         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2210         const int sync = rq_is_sync(rq);
2211
2212         if (bfqq->next_rq == rq) {
2213                 bfqq->next_rq = bfq_find_next_rq(bfqd, bfqq, rq);
2214                 bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2215         }
2216
2217         if (rq->queuelist.prev != &rq->queuelist)
2218                 list_del_init(&rq->queuelist);
2219         bfqq->queued[sync]--;
2220         bfqd->queued--;
2221         elv_rb_del(&bfqq->sort_list, rq);
2222
2223         elv_rqhash_del(q, rq);
2224         if (q->last_merge == rq)
2225                 q->last_merge = NULL;
2226
2227         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
2228                 bfqq->next_rq = NULL;
2229
2230                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && bfqq != bfqd->in_service_queue) {
2231                         bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2232                         /*
2233                          * bfqq emptied. In normal operation, when
2234                          * bfqq is empty, bfqq->entity.service and
2235                          * bfqq->entity.budget must contain,
2236                          * respectively, the service received and the
2237                          * budget used last time bfqq emptied. These
2238                          * facts do not hold in this case, as at least
2239                          * this last removal occurred while bfqq is
2240                          * not in service. To avoid inconsistencies,
2241                          * reset both bfqq->entity.service and
2242                          * bfqq->entity.budget, if bfqq has still a
2243                          * process that may issue I/O requests to it.
2244                          */
2245                         bfqq->entity.budget = bfqq->entity.service = 0;
2246                 }
2247
2248                 /*
2249                  * Remove queue from request-position tree as it is empty.
2250                  */
2251                 if (bfqq->pos_root) {
2252                         rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
2253                         bfqq->pos_root = NULL;
2254                 }
2255         } else {
2256                 /* see comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely() */
2257                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2258                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2259         }
2260
2261         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
2262                 bfqq->meta_pending--;
2263
2264 }
2265
2266 static bool bfq_bio_merge(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct bio *bio,
2267                 unsigned int nr_segs)
2268 {
2269         struct request_queue *q = hctx->queue;
2270         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2271         struct request *free = NULL;
2272         /*
2273          * bfq_bic_lookup grabs the queue_lock: invoke it now and
2274          * store its return value for later use, to avoid nesting
2275          * queue_lock inside the bfqd->lock. We assume that the bic
2276          * returned by bfq_bic_lookup does not go away before
2277          * bfqd->lock is taken.
2278          */
2279         struct bfq_io_cq *bic = bfq_bic_lookup(bfqd, current->io_context, q);
2280         bool ret;
2281
2282         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2283
2284         if (bic)
2285                 bfqd->bio_bfqq = bic_to_bfqq(bic, op_is_sync(bio->bi_opf));
2286         else
2287                 bfqd->bio_bfqq = NULL;
2288         bfqd->bio_bic = bic;
2289
2290         ret = blk_mq_sched_try_merge(q, bio, nr_segs, &free);
2291
2292         if (free)
2293                 blk_mq_free_request(free);
2294         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2295
2296         return ret;
2297 }
2298
2299 static int bfq_request_merge(struct request_queue *q, struct request **req,
2300                              struct bio *bio)
2301 {
2302         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2303         struct request *__rq;
2304
2305         __rq = bfq_find_rq_fmerge(bfqd, bio, q);
2306         if (__rq && elv_bio_merge_ok(__rq, bio)) {
2307                 *req = __rq;
2308                 return ELEVATOR_FRONT_MERGE;
2309         }
2310
2311         return ELEVATOR_NO_MERGE;
2312 }
2313
2314 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq);
2315
2316 static void bfq_request_merged(struct request_queue *q, struct request *req,
2317                                enum elv_merge type)
2318 {
2319         if (type == ELEVATOR_FRONT_MERGE &&
2320             rb_prev(&req->rb_node) &&
2321             blk_rq_pos(req) <
2322             blk_rq_pos(container_of(rb_prev(&req->rb_node),
2323                                     struct request, rb_node))) {
2324                 struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(req);
2325                 struct bfq_data *bfqd;
2326                 struct request *prev, *next_rq;
2327
2328                 if (!bfqq)
2329                         return;
2330
2331                 bfqd = bfqq->bfqd;
2332
2333                 /* Reposition request in its sort_list */
2334                 elv_rb_del(&bfqq->sort_list, req);
2335                 elv_rb_add(&bfqq->sort_list, req);
2336
2337                 /* Choose next request to be served for bfqq */
2338                 prev = bfqq->next_rq;
2339                 next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, req,
2340                                          bfqd->last_position);
2341                 bfqq->next_rq = next_rq;
2342                 /*
2343                  * If next_rq changes, update both the queue's budget to
2344                  * fit the new request and the queue's position in its
2345                  * rq_pos_tree.
2346                  */
2347                 if (prev != bfqq->next_rq) {
2348                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2349                         /*
2350                          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for
2351                          * the unlikely().
2352                          */
2353                         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2354                                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2355                 }
2356         }
2357 }
2358
2359 /*
2360  * This function is called to notify the scheduler that the requests
2361  * rq and 'next' have been merged, with 'next' going away.  BFQ
2362  * exploits this hook to address the following issue: if 'next' has a
2363  * fifo_time lower that rq, then the fifo_time of rq must be set to
2364  * the value of 'next', to not forget the greater age of 'next'.
2365  *
2366  * NOTE: in this function we assume that rq is in a bfq_queue, basing
2367  * on that rq is picked from the hash table q->elevator->hash, which,
2368  * in its turn, is filled only with I/O requests present in
2369  * bfq_queues, while BFQ is in use for the request queue q. In fact,
2370  * the function that fills this hash table (elv_rqhash_add) is called
2371  * only by bfq_insert_request.
2372  */
2373 static void bfq_requests_merged(struct request_queue *q, struct request *rq,
2374                                 struct request *next)
2375 {
2376         struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(rq),
2377                 *next_bfqq = bfq_init_rq(next);
2378
2379         if (!bfqq)
2380                 return;
2381
2382         /*
2383          * If next and rq belong to the same bfq_queue and next is older
2384          * than rq, then reposition rq in the fifo (by substituting next
2385          * with rq). Otherwise, if next and rq belong to different
2386          * bfq_queues, never reposition rq: in fact, we would have to
2387          * reposition it with respect to next's position in its own fifo,
2388          * which would most certainly be too expensive with respect to
2389          * the benefits.
2390          */
2391         if (bfqq == next_bfqq &&
2392             !list_empty(&rq->queuelist) && !list_empty(&next->queuelist) &&
2393             next->fifo_time < rq->fifo_time) {
2394                 list_del_init(&rq->queuelist);
2395                 list_replace_init(&next->queuelist, &rq->queuelist);
2396                 rq->fifo_time = next->fifo_time;
2397         }
2398
2399         if (bfqq->next_rq == next)
2400                 bfqq->next_rq = rq;
2401
2402         bfqg_stats_update_io_merged(bfqq_group(bfqq), next->cmd_flags);
2403 }
2404
2405 /* Must be called with bfqq != NULL */
2406 static void bfq_bfqq_end_wr(struct bfq_queue *bfqq)
2407 {
2408         /*
2409          * If bfqq has been enjoying interactive weight-raising, then
2410          * reset soft_rt_next_start. We do it for the following
2411          * reason. bfqq may have been conveying the I/O needed to load
2412          * a soft real-time application. Such an application actually
2413          * exhibits a soft real-time I/O pattern after it finishes
2414          * loading, and finally starts doing its job. But, if bfqq has
2415          * been receiving a lot of bandwidth so far (likely to happen
2416          * on a fast device), then soft_rt_next_start now contains a
2417          * high value that. So, without this reset, bfqq would be
2418          * prevented from being possibly considered as soft_rt for a
2419          * very long time.
2420          */
2421
2422         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
2423             bfqq->bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
2424                 bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
2425
2426         if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2427                 bfqq->bfqd->wr_busy_queues--;
2428         bfqq->wr_coeff = 1;
2429         bfqq->wr_cur_max_time = 0;
2430         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2431         /*
2432          * Trigger a weight change on the next invocation of
2433          * __bfq_entity_update_weight_prio.
2434          */
2435         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2436 }
2437
2438 void bfq_end_wr_async_queues(struct bfq_data *bfqd,
2439                              struct bfq_group *bfqg)
2440 {
2441         int i, j;
2442
2443         for (i = 0; i < 2; i++)
2444                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
2445                         if (bfqg->async_bfqq[i][j])
2446                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_bfqq[i][j]);
2447         if (bfqg->async_idle_bfqq)
2448                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_idle_bfqq);
2449 }
2450
2451 static void bfq_end_wr(struct bfq_data *bfqd)
2452 {
2453         struct bfq_queue *bfqq;
2454
2455         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2456
2457         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
2458                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2459         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
2460                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2461         bfq_end_wr_async(bfqd);
2462
2463         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2464 }
2465
2466 static sector_t bfq_io_struct_pos(void *io_struct, bool request)
2467 {
2468         if (request)
2469                 return blk_rq_pos(io_struct);
2470         else
2471                 return ((struct bio *)io_struct)->bi_iter.bi_sector;
2472 }
2473
2474 static int bfq_rq_close_to_sector(void *io_struct, bool request,
2475                                   sector_t sector)
2476 {
2477         return abs(bfq_io_struct_pos(io_struct, request) - sector) <=
2478                BFQQ_CLOSE_THR;
2479 }
2480
2481 static struct bfq_queue *bfqq_find_close(struct bfq_data *bfqd,
2482                                          struct bfq_queue *bfqq,
2483                                          sector_t sector)
2484 {
2485         struct rb_root *root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
2486         struct rb_node *parent, *node;
2487         struct bfq_queue *__bfqq;
2488
2489         if (RB_EMPTY_ROOT(root))
2490                 return NULL;
2491
2492         /*
2493          * First, if we find a request starting at the end of the last
2494          * request, choose it.
2495          */
2496         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, root, sector, &parent, NULL);
2497         if (__bfqq)
2498                 return __bfqq;
2499
2500         /*
2501          * If the exact sector wasn't found, the parent of the NULL leaf
2502          * will contain the closest sector (rq_pos_tree sorted by
2503          * next_request position).
2504          */
2505         __bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
2506         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2507                 return __bfqq;
2508
2509         if (blk_rq_pos(__bfqq->next_rq) < sector)
2510                 node = rb_next(&__bfqq->pos_node);
2511         else
2512                 node = rb_prev(&__bfqq->pos_node);
2513         if (!node)
2514                 return NULL;
2515
2516         __bfqq = rb_entry(node, struct bfq_queue, pos_node);
2517         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2518                 return __bfqq;
2519
2520         return NULL;
2521 }
2522
2523 static struct bfq_queue *bfq_find_close_cooperator(struct bfq_data *bfqd,
2524                                                    struct bfq_queue *cur_bfqq,
2525                                                    sector_t sector)
2526 {
2527         struct bfq_queue *bfqq;
2528
2529         /*
2530          * We shall notice if some of the queues are cooperating,
2531          * e.g., working closely on the same area of the device. In
2532          * that case, we can group them together and: 1) don't waste
2533          * time idling, and 2) serve the union of their requests in
2534          * the best possible order for throughput.
2535          */
2536         bfqq = bfqq_find_close(bfqd, cur_bfqq, sector);
2537         if (!bfqq || bfqq == cur_bfqq)
2538                 return NULL;
2539
2540         return bfqq;
2541 }
2542
2543 static struct bfq_queue *
2544 bfq_setup_merge(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2545 {
2546         int process_refs, new_process_refs;
2547         struct bfq_queue *__bfqq;
2548
2549         /*
2550          * If there are no process references on the new_bfqq, then it is
2551          * unsafe to follow the ->new_bfqq chain as other bfqq's in the chain
2552          * may have dropped their last reference (not just their last process
2553          * reference).
2554          */
2555         if (!bfqq_process_refs(new_bfqq))
2556                 return NULL;
2557
2558         /* Avoid a circular list and skip interim queue merges. */
2559         while ((__bfqq = new_bfqq->new_bfqq)) {
2560                 if (__bfqq == bfqq)
2561                         return NULL;
2562                 new_bfqq = __bfqq;
2563         }
2564
2565         process_refs = bfqq_process_refs(bfqq);
2566         new_process_refs = bfqq_process_refs(new_bfqq);
2567         /*
2568          * If the process for the bfqq has gone away, there is no
2569          * sense in merging the queues.
2570          */
2571         if (process_refs == 0 || new_process_refs == 0)
2572                 return NULL;
2573
2574         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "scheduling merge with queue %d",
2575                 new_bfqq->pid);
2576
2577         /*
2578          * Merging is just a redirection: the requests of the process
2579          * owning one of the two queues are redirected to the other queue.
2580          * The latter queue, in its turn, is set as shared if this is the
2581          * first time that the requests of some process are redirected to
2582          * it.
2583          *
2584          * We redirect bfqq to new_bfqq and not the opposite, because
2585          * we are in the context of the process owning bfqq, thus we
2586          * have the io_cq of this process. So we can immediately
2587          * configure this io_cq to redirect the requests of the
2588          * process to new_bfqq. In contrast, the io_cq of new_bfqq is
2589          * not available any more (new_bfqq->bic == NULL).
2590          *
2591          * Anyway, even in case new_bfqq coincides with the in-service
2592          * queue, redirecting requests the in-service queue is the
2593          * best option, as we feed the in-service queue with new
2594          * requests close to the last request served and, by doing so,
2595          * are likely to increase the throughput.
2596          */
2597         bfqq->new_bfqq = new_bfqq;
2598         new_bfqq->ref += process_refs;
2599         return new_bfqq;
2600 }
2601
2602 static bool bfq_may_be_close_cooperator(struct bfq_queue *bfqq,
2603                                         struct bfq_queue *new_bfqq)
2604 {
2605         if (bfq_too_late_for_merging(new_bfqq))
2606                 return false;
2607
2608         if (bfq_class_idle(bfqq) || bfq_class_idle(new_bfqq) ||
2609             (bfqq->ioprio_class != new_bfqq->ioprio_class))
2610                 return false;
2611
2612         /*
2613          * If either of the queues has already been detected as seeky,
2614          * then merging it with the other queue is unlikely to lead to
2615          * sequential I/O.
2616          */
2617         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) || BFQQ_SEEKY(new_bfqq))
2618                 return false;
2619
2620         /*
2621          * Interleaved I/O is known to be done by (some) applications
2622          * only for reads, so it does not make sense to merge async
2623          * queues.
2624          */
2625         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || !bfq_bfqq_sync(new_bfqq))
2626                 return false;
2627
2628         return true;
2629 }
2630
2631 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
2632                                              struct bfq_queue *bfqq);
2633
2634 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq);
2635
2636 /*
2637  * Attempt to schedule a merge of bfqq with the currently in-service
2638  * queue or with a close queue among the scheduled queues.  Return
2639  * NULL if no merge was scheduled, a pointer to the shared bfq_queue
2640  * structure otherwise.
2641  *
2642  * The OOM queue is not allowed to participate to cooperation: in fact, since
2643  * the requests temporarily redirected to the OOM queue could be redirected
2644  * again to dedicated queues at any time, the state needed to correctly
2645  * handle merging with the OOM queue would be quite complex and expensive
2646  * to maintain. Besides, in such a critical condition as an out of memory,
2647  * the benefits of queue merging may be little relevant, or even negligible.
2648  *
2649  * WARNING: queue merging may impair fairness among non-weight raised
2650  * queues, for at least two reasons: 1) the original weight of a
2651  * merged queue may change during the merged state, 2) even being the
2652  * weight the same, a merged queue may be bloated with many more
2653  * requests than the ones produced by its originally-associated
2654  * process.
2655  */
2656 static struct bfq_queue *
2657 bfq_setup_cooperator(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
2658                      void *io_struct, bool request, struct bfq_io_cq *bic)
2659 {
2660         struct bfq_queue *in_service_bfqq, *new_bfqq;
2661
2662         /*
2663          * Check delayed stable merge for rotational or non-queueing
2664          * devs. For this branch to be executed, bfqq must not be
2665          * currently merged with some other queue (i.e., bfqq->bic
2666          * must be non null). If we considered also merged queues,
2667          * then we should also check whether bfqq has already been
2668          * merged with bic->stable_merge_bfqq. But this would be
2669          * costly and complicated.
2670          */
2671         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing)) {
2672                 if (bic->stable_merge_bfqq &&
2673                     !bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2674                     time_is_after_jiffies(bfqq->split_time +
2675                                           msecs_to_jiffies(200))) {
2676                         struct bfq_queue *stable_merge_bfqq =
2677                                 bic->stable_merge_bfqq;
2678                         int proc_ref = min(bfqq_process_refs(bfqq),
2679                                            bfqq_process_refs(stable_merge_bfqq));
2680
2681                         /* deschedule stable merge, because done or aborted here */
2682                         bfq_put_stable_ref(stable_merge_bfqq);
2683
2684                         bic->stable_merge_bfqq = NULL;
2685
2686                         if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
2687                             proc_ref > 0) {
2688                                 /* next function will take at least one ref */
2689                                 struct bfq_queue *new_bfqq =
2690                                         bfq_setup_merge(bfqq, stable_merge_bfqq);
2691
2692                                 bic->stably_merged = true;
2693                                 if (new_bfqq && new_bfqq->bic)
2694                                         new_bfqq->bic->stably_merged = true;
2695                                 return new_bfqq;
2696                         } else
2697                                 return NULL;
2698                 }
2699         }
2700
2701         /*
2702          * Do not perform queue merging if the device is non
2703          * rotational and performs internal queueing. In fact, such a
2704          * device reaches a high speed through internal parallelism
2705          * and pipelining. This means that, to reach a high
2706          * throughput, it must have many requests enqueued at the same
2707          * time. But, in this configuration, the internal scheduling
2708          * algorithm of the device does exactly the job of queue
2709          * merging: it reorders requests so as to obtain as much as
2710          * possible a sequential I/O pattern. As a consequence, with
2711          * the workload generated by processes doing interleaved I/O,
2712          * the throughput reached by the device is likely to be the
2713          * same, with and without queue merging.
2714          *
2715          * Disabling merging also provides a remarkable benefit in
2716          * terms of throughput. Merging tends to make many workloads
2717          * artificially more uneven, because of shared queues
2718          * remaining non empty for incomparably more time than
2719          * non-merged queues. This may accentuate workload
2720          * asymmetries. For example, if one of the queues in a set of
2721          * merged queues has a higher weight than a normal queue, then
2722          * the shared queue may inherit such a high weight and, by
2723          * staying almost always active, may force BFQ to perform I/O
2724          * plugging most of the time. This evidently makes it harder
2725          * for BFQ to let the device reach a high throughput.
2726          *
2727          * Finally, the likely() macro below is not used because one
2728          * of the two branches is more likely than the other, but to
2729          * have the code path after the following if() executed as
2730          * fast as possible for the case of a non rotational device
2731          * with queueing. We want it because this is the fastest kind
2732          * of device. On the opposite end, the likely() may lengthen
2733          * the execution time of BFQ for the case of slower devices
2734          * (rotational or at least without queueing). But in this case
2735          * the execution time of BFQ matters very little, if not at
2736          * all.
2737          */
2738         if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
2739                 return NULL;
2740
2741         /*
2742          * Prevent bfqq from being merged if it has been created too
2743          * long ago. The idea is that true cooperating processes, and
2744          * thus their associated bfq_queues, are supposed to be
2745          * created shortly after each other. This is the case, e.g.,
2746          * for KVM/QEMU and dump I/O threads. Basing on this
2747          * assumption, the following filtering greatly reduces the
2748          * probability that two non-cooperating processes, which just
2749          * happen to do close I/O for some short time interval, have
2750          * their queues merged by mistake.
2751          */
2752         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
2753                 return NULL;
2754
2755         if (bfqq->new_bfqq)
2756                 return bfqq->new_bfqq;
2757
2758         if (!io_struct || unlikely(bfqq == &bfqd->oom_bfqq))
2759                 return NULL;
2760
2761         /* If there is only one backlogged queue, don't search. */
2762         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1)
2763                 return NULL;
2764
2765         in_service_bfqq = bfqd->in_service_queue;
2766
2767         if (in_service_bfqq && in_service_bfqq != bfqq &&
2768             likely(in_service_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2769             bfq_rq_close_to_sector(io_struct, request,
2770                                    bfqd->in_serv_last_pos) &&
2771             bfqq->entity.parent == in_service_bfqq->entity.parent &&
2772             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, in_service_bfqq)) {
2773                 new_bfqq = bfq_setup_merge(bfqq, in_service_bfqq);
2774                 if (new_bfqq)
2775                         return new_bfqq;
2776         }
2777         /*
2778          * Check whether there is a cooperator among currently scheduled
2779          * queues. The only thing we need is that the bio/request is not
2780          * NULL, as we need it to establish whether a cooperator exists.
2781          */
2782         new_bfqq = bfq_find_close_cooperator(bfqd, bfqq,
2783                         bfq_io_struct_pos(io_struct, request));
2784
2785         if (new_bfqq && likely(new_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2786             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, new_bfqq))
2787                 return bfq_setup_merge(bfqq, new_bfqq);
2788
2789         return NULL;
2790 }
2791
2792 static void bfq_bfqq_save_state(struct bfq_queue *bfqq)
2793 {
2794         struct bfq_io_cq *bic = bfqq->bic;
2795
2796         /*
2797          * If !bfqq->bic, the queue is already shared or its requests
2798          * have already been redirected to a shared queue; both idle window
2799          * and weight raising state have already been saved. Do nothing.
2800          */
2801         if (!bic)
2802                 return;
2803
2804         bic->saved_last_serv_time_ns = bfqq->last_serv_time_ns;
2805         bic->saved_inject_limit = bfqq->inject_limit;
2806         bic->saved_decrease_time_jif = bfqq->decrease_time_jif;
2807
2808         bic->saved_weight = bfqq->entity.orig_weight;
2809         bic->saved_ttime = bfqq->ttime;
2810         bic->saved_has_short_ttime = bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
2811         bic->saved_IO_bound = bfq_bfqq_IO_bound(bfqq);
2812         bic->saved_io_start_time = bfqq->io_start_time;
2813         bic->saved_tot_idle_time = bfqq->tot_idle_time;
2814         bic->saved_in_large_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
2815         bic->was_in_burst_list = !hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node);
2816         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2817                      !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
2818                      bfqq->bfqd->low_latency)) {
2819                 /*
2820                  * bfqq being merged right after being created: bfqq
2821                  * would have deserved interactive weight raising, but
2822                  * did not make it to be set in a weight-raised state,
2823                  * because of this early merge. Store directly the
2824                  * weight-raising state that would have been assigned
2825                  * to bfqq, so that to avoid that bfqq unjustly fails
2826                  * to enjoy weight raising if split soon.
2827                  */
2828                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->bfqd->bfq_wr_coeff;
2829                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
2830                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqq->bfqd);
2831                 bic->saved_last_wr_start_finish = jiffies;
2832         } else {
2833                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2834                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt =
2835                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2836                 bic->saved_service_from_wr = bfqq->service_from_wr;
2837                 bic->saved_last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2838                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2839         }
2840 }
2841
2842
2843 static void
2844 bfq_reassign_last_bfqq(struct bfq_queue *cur_bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2845 {
2846         if (cur_bfqq->entity.parent &&
2847             cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2848                 cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created = new_bfqq;
2849         else if (cur_bfqq->bfqd && cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2850                 cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created = new_bfqq;
2851 }
2852
2853 void bfq_release_process_ref(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
2854 {
2855         /*
2856          * To prevent bfqq's service guarantees from being violated,
2857          * bfqq may be left busy, i.e., queued for service, even if
2858          * empty (see comments in __bfq_bfqq_expire() for
2859          * details). But, if no process will send requests to bfqq any
2860          * longer, then there is no point in keeping bfqq queued for
2861          * service. In addition, keeping bfqq queued for service, but
2862          * with no process ref any longer, may have caused bfqq to be
2863          * freed when dequeued from service. But this is assumed to
2864          * never happen.
2865          */
2866         if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
2867             bfqq != bfqd->in_service_queue)
2868                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2869
2870         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, NULL);
2871
2872         bfq_put_queue(bfqq);
2873 }
2874
2875 static void
2876 bfq_merge_bfqqs(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_io_cq *bic,
2877                 struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2878 {
2879         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "merging with queue %lu",
2880                 (unsigned long)new_bfqq->pid);
2881         /* Save weight raising and idle window of the merged queues */
2882         bfq_bfqq_save_state(bfqq);
2883         bfq_bfqq_save_state(new_bfqq);
2884         if (bfq_bfqq_IO_bound(bfqq))
2885                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(new_bfqq);
2886         bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
2887
2888         /*
2889          * The processes associated with bfqq are cooperators of the
2890          * processes associated with new_bfqq. So, if bfqq has a
2891          * waker, then assume that all these processes will be happy
2892          * to let bfqq's waker freely inject I/O when they have no
2893          * I/O.
2894          */
2895         if (bfqq->waker_bfqq && !new_bfqq->waker_bfqq &&
2896             bfqq->waker_bfqq != new_bfqq) {
2897                 new_bfqq->waker_bfqq = bfqq->waker_bfqq;
2898                 new_bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2899
2900                 /*
2901                  * If the waker queue disappears, then
2902                  * new_bfqq->waker_bfqq must be reset. So insert
2903                  * new_bfqq into the woken_list of the waker. See
2904                  * bfq_check_waker for details.
2905                  */
2906                 hlist_add_head(&new_bfqq->woken_list_node,
2907                                &new_bfqq->waker_bfqq->woken_list);
2908
2909         }
2910
2911         /*
2912          * If bfqq is weight-raised, then let new_bfqq inherit
2913          * weight-raising. To reduce false positives, neglect the case
2914          * where bfqq has just been created, but has not yet made it
2915          * to be weight-raised (which may happen because EQM may merge
2916          * bfqq even before bfq_add_request is executed for the first
2917          * time for bfqq). Handling this case would however be very
2918          * easy, thanks to the flag just_created.
2919          */
2920         if (new_bfqq->wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1) {
2921                 new_bfqq->wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2922                 new_bfqq->wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2923                 new_bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2924                 new_bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
2925                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2926                 if (bfq_bfqq_busy(new_bfqq))
2927                         bfqd->wr_busy_queues++;
2928                 new_bfqq->entity.prio_changed = 1;
2929         }
2930
2931         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* bfqq has given its wr to new_bfqq */
2932                 bfqq->wr_coeff = 1;
2933                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
2934                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2935                         bfqd->wr_busy_queues--;
2936         }
2937
2938         bfq_log_bfqq(bfqd, new_bfqq, "merge_bfqqs: wr_busy %d",
2939                      bfqd->wr_busy_queues);
2940
2941         /*
2942          * Merge queues (that is, let bic redirect its requests to new_bfqq)
2943          */
2944         bic_set_bfqq(bic, new_bfqq, 1);
2945         bfq_mark_bfqq_coop(new_bfqq);
2946         /*
2947          * new_bfqq now belongs to at least two bics (it is a shared queue):
2948          * set new_bfqq->bic to NULL. bfqq either:
2949          * - does not belong to any bic any more, and hence bfqq->bic must
2950          *   be set to NULL, or
2951          * - is a queue whose owning bics have already been redirected to a
2952          *   different queue, hence the queue is destined to not belong to
2953          *   any bic soon and bfqq->bic is already NULL (therefore the next
2954          *   assignment causes no harm).
2955          */
2956         new_bfqq->bic = NULL;
2957         /*
2958          * If the queue is shared, the pid is the pid of one of the associated
2959          * processes. Which pid depends on the exact sequence of merge events
2960          * the queue underwent. So printing such a pid is useless and confusing
2961          * because it reports a random pid between those of the associated
2962          * processes.
2963          * We mark such a queue with a pid -1, and then print SHARED instead of
2964          * a pid in logging messages.
2965          */
2966         new_bfqq->pid = -1;
2967         bfqq->bic = NULL;
2968
2969         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, new_bfqq);
2970
2971         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
2972 }
2973
2974 static bool bfq_allow_bio_merge(struct request_queue *q, struct request *rq,
2975                                 struct bio *bio)
2976 {
2977         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2978         bool is_sync = op_is_sync(bio->bi_opf);
2979         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq, *new_bfqq;
2980
2981         /*
2982          * Disallow merge of a sync bio into an async request.
2983          */
2984         if (is_sync && !rq_is_sync(rq))
2985                 return false;
2986
2987         /*
2988          * Lookup the bfqq that this bio will be queued with. Allow
2989          * merge only if rq is queued there.
2990          */
2991         if (!bfqq)
2992                 return false;
2993
2994         /*
2995          * We take advantage of this function to perform an early merge
2996          * of the queues of possible cooperating processes.
2997          */
2998         new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, bio, false, bfqd->bio_bic);
2999         if (new_bfqq) {
3000                 /*
3001                  * bic still points to bfqq, then it has not yet been
3002                  * redirected to some other bfq_queue, and a queue
3003                  * merge between bfqq and new_bfqq can be safely
3004                  * fulfilled, i.e., bic can be redirected to new_bfqq
3005                  * and bfqq can be put.
3006                  */
3007                 bfq_merge_bfqqs(bfqd, bfqd->bio_bic, bfqq,
3008                                 new_bfqq);
3009                 /*
3010                  * If we get here, bio will be queued into new_queue,
3011                  * so use new_bfqq to decide whether bio and rq can be
3012                  * merged.
3013                  */
3014                 bfqq = new_bfqq;
3015
3016                 /*
3017                  * Change also bqfd->bio_bfqq, as
3018                  * bfqd->bio_bic now points to new_bfqq, and
3019                  * this function may be invoked again (and then may
3020                  * use again bqfd->bio_bfqq).
3021                  */
3022                 bfqd->bio_bfqq = bfqq;
3023         }
3024
3025         return bfqq == RQ_BFQQ(rq);
3026 }
3027
3028 /*
3029  * Set the maximum time for the in-service queue to consume its
3030  * budget. This prevents seeky processes from lowering the throughput.
3031  * In practice, a time-slice service scheme is used with seeky
3032  * processes.
3033  */
3034 static void bfq_set_budget_timeout(struct bfq_data *bfqd,
3035                                    struct bfq_queue *bfqq)
3036 {
3037         unsigned int timeout_coeff;
3038
3039         if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
3040                 timeout_coeff = 1;
3041         else
3042                 timeout_coeff = bfqq->entity.weight / bfqq->entity.orig_weight;
3043
3044         bfqd->last_budget_start = ktime_get();
3045
3046         bfqq->budget_timeout = jiffies +
3047                 bfqd->bfq_timeout * timeout_coeff;
3048 }
3049
3050 static void __bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd,
3051                                        struct bfq_queue *bfqq)
3052 {
3053         if (bfqq) {
3054                 bfq_clear_bfqq_fifo_expire(bfqq);
3055
3056                 bfqd->budgets_assigned = (bfqd->budgets_assigned * 7 + 256) / 8;
3057
3058                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish) &&
3059                     bfqq->wr_coeff > 1 &&
3060                     bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
3061                     time_is_before_jiffies(bfqq->budget_timeout)) {
3062                         /*
3063                          * For soft real-time queues, move the start
3064                          * of the weight-raising period forward by the
3065                          * time the queue has not received any
3066                          * service. Otherwise, a relatively long
3067                          * service delay is likely to cause the
3068                          * weight-raising period of the queue to end,
3069                          * because of the short duration of the
3070                          * weight-raising period of a soft real-time
3071                          * queue.  It is worth noting that this move
3072                          * is not so dangerous for the other queues,
3073                          * because soft real-time queues are not
3074                          * greedy.
3075                          *
3076                          * To not add a further variable, we use the
3077                          * overloaded field budget_timeout to
3078                          * determine for how long the queue has not
3079                          * received service, i.e., how much time has
3080                          * elapsed since the queue expired. However,
3081                          * this is a little imprecise, because
3082                          * budget_timeout is set to jiffies if bfqq
3083                          * not only expires, but also remains with no
3084                          * request.
3085                          */
3086                         if (time_after(bfqq->budget_timeout,
3087                                        bfqq->last_wr_start_finish))
3088                                 bfqq->last_wr_start_finish +=
3089                                         jiffies - bfqq->budget_timeout;
3090                         else
3091                                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
3092                 }
3093
3094                 bfq_set_budget_timeout(bfqd, bfqq);
3095                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
3096                              "set_in_service_queue, cur-budget = %d",
3097                              bfqq->entity.budget);
3098         }
3099
3100         bfqd->in_service_queue = bfqq;
3101         bfqd->in_serv_last_pos = 0;
3102 }
3103
3104 /*
3105  * Get and set a new queue for service.
3106  */
3107 static struct bfq_queue *bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd)
3108 {
3109         struct bfq_queue *bfqq = bfq_get_next_queue(bfqd);
3110
3111         __bfq_set_in_service_queue(bfqd, bfqq);
3112         return bfqq;
3113 }
3114
3115 static void bfq_arm_slice_timer(struct bfq_data *bfqd)
3116 {
3117         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
3118         u32 sl;
3119
3120         bfq_mark_bfqq_wait_request(bfqq);
3121
3122         /*
3123          * We don't want to idle for seeks, but we do want to allow
3124          * fair distribution of slice time for a process doing back-to-back
3125          * seeks. So allow a little bit of time for him to submit a new rq.
3126          */
3127         sl = bfqd->bfq_slice_idle;
3128         /*
3129          * Unless the queue is being weight-raised or the scenario is
3130          * asymmetric, grant only minimum idle time if the queue
3131          * is seeky. A long idling is preserved for a weight-raised
3132          * queue, or, more in general, in an asymmetric scenario,
3133          * because a long idling is needed for guaranteeing to a queue
3134          * its reserved share of the throughput (in particular, it is
3135          * needed if the queue has a higher weight than some other
3136          * queue).
3137          */
3138         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1 &&
3139             !bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq))
3140                 sl = min_t(u64, sl, BFQ_MIN_TT);
3141         else if (bfqq->wr_coeff > 1)
3142                 sl = max_t(u32, sl, 20ULL * NSEC_PER_MSEC);
3143
3144         bfqd->last_idling_start = ktime_get();
3145         bfqd->last_idling_start_jiffies = jiffies;
3146
3147         hrtimer_start(&bfqd->idle_slice_timer, ns_to_ktime(sl),
3148                       HRTIMER_MODE_REL);
3149         bfqg_stats_set_start_idle_time(bfqq_group(bfqq));
3150 }
3151
3152 /*
3153  * In autotuning mode, max_budget is dynamically recomputed as the
3154  * amount of sectors transferred in timeout at the estimated peak
3155  * rate. This enables BFQ to utilize a full timeslice with a full
3156  * budget, even if the in-service queue is served at peak rate. And
3157  * this maximises throughput with sequential workloads.
3158  */
3159 static unsigned long bfq_calc_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
3160 {
3161         return (u64)bfqd->peak_rate * USEC_PER_MSEC *
3162                 jiffies_to_msecs(bfqd->bfq_timeout)>>BFQ_RATE_SHIFT;
3163 }
3164
3165 /*
3166  * Update parameters related to throughput and responsiveness, as a
3167  * function of the estimated peak rate. See comments on
3168  * bfq_calc_max_budget(), and on the ref_wr_duration array.
3169  */
3170 static void update_thr_responsiveness_params(struct bfq_data *bfqd)
3171 {
3172         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0) {
3173                 bfqd->bfq_max_budget =
3174                         bfq_calc_max_budget(bfqd);
3175                 bfq_log(bfqd, "new max_budget = %d", bfqd->bfq_max_budget);
3176         }
3177 }
3178
3179 static void bfq_reset_rate_computation(struct bfq_data *bfqd,
3180                                        struct request *rq)
3181 {
3182         if (rq != NULL) { /* new rq dispatch now, reset accordingly */
3183                 bfqd->last_dispatch = bfqd->first_dispatch = ktime_get_ns();
3184                 bfqd->peak_rate_samples = 1;
3185                 bfqd->sequential_samples = 0;
3186                 bfqd->tot_sectors_dispatched = bfqd->last_rq_max_size =
3187                         blk_rq_sectors(rq);
3188         } else /* no new rq dispatched, just reset the number of samples */
3189                 bfqd->peak_rate_samples = 0; /* full re-init on next disp. */
3190
3191         bfq_log(bfqd,
3192                 "reset_rate_computation at end, sample %u/%u tot_sects %llu",
3193                 bfqd->peak_rate_samples, bfqd->sequential_samples,
3194                 bfqd->tot_sectors_dispatched);
3195 }
3196
3197 static void bfq_update_rate_reset(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3198 {
3199         u32 rate, weight, divisor;
3200
3201         /*
3202          * For the convergence property to hold (see comments on
3203          * bfq_update_peak_rate()) and for the assessment to be
3204          * reliable, a minimum number of samples must be present, and
3205          * a minimum amount of time must have elapsed. If not so, do
3206          * not compute new rate. Just reset parameters, to get ready
3207          * for a new evaluation attempt.
3208          */
3209         if (bfqd->peak_rate_samples < BFQ_RATE_MIN_SAMPLES ||
3210             bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_MIN_INTERVAL)
3211                 goto reset_computation;
3212
3213         /*
3214          * If a new request completion has occurred after last
3215          * dispatch, then, to approximate the rate at which requests
3216          * have been served by the device, it is more precise to
3217          * extend the observation interval to the last completion.
3218          */
3219         bfqd->delta_from_first =
3220                 max_t(u64, bfqd->delta_from_first,
3221                       bfqd->last_completion - bfqd->first_dispatch);
3222
3223         /*
3224          * Rate computed in sects/usec, and not sects/nsec, for
3225          * precision issues.
3226          */
3227         rate = div64_ul(bfqd->tot_sectors_dispatched<<BFQ_RATE_SHIFT,
3228                         div_u64(bfqd->delta_from_first, NSEC_PER_USEC));
3229
3230         /*
3231          * Peak rate not updated if:
3232          * - the percentage of sequential dispatches is below 3/4 of the
3233          *   total, and rate is below the current estimated peak rate
3234          * - rate is unreasonably high (> 20M sectors/sec)
3235          */
3236         if ((bfqd->sequential_samples < (3 * bfqd->peak_rate_samples)>>2 &&
3237              rate <= bfqd->peak_rate) ||
3238                 rate > 20<<BFQ_RATE_SHIFT)
3239                 goto reset_computation;
3240
3241         /*
3242          * We have to update the peak rate, at last! To this purpose,
3243          * we use a low-pass filter. We compute the smoothing constant
3244          * of the filter as a function of the 'weight' of the new
3245          * measured rate.
3246          *
3247          * As can be seen in next formulas, we define this weight as a
3248          * quantity proportional to how sequential the workload is,
3249          * and to how long the observation time interval is.
3250          *
3251          * The weight runs from 0 to 8. The maximum value of the
3252          * weight, 8, yields the minimum value for the smoothing
3253          * constant. At this minimum value for the smoothing constant,
3254          * the measured rate contributes for half of the next value of
3255          * the estimated peak rate.
3256          *
3257          * So, the first step is to compute the weight as a function
3258          * of how sequential the workload is. Note that the weight
3259          * cannot reach 9, because bfqd->sequential_samples cannot
3260          * become equal to bfqd->peak_rate_samples, which, in its
3261          * turn, holds true because bfqd->sequential_samples is not
3262          * incremented for the first sample.
3263          */
3264         weight = (9 * bfqd->sequential_samples) / bfqd->peak_rate_samples;
3265
3266         /*
3267          * Second step: further refine the weight as a function of the
3268          * duration of the observation interval.
3269          */
3270         weight = min_t(u32, 8,
3271                        div_u64(weight * bfqd->delta_from_first,
3272                                BFQ_RATE_REF_INTERVAL));
3273
3274         /*
3275          * Divisor ranging from 10, for minimum weight, to 2, for
3276          * maximum weight.
3277          */
3278         divisor = 10 - weight;
3279
3280         /*
3281          * Finally, update peak rate:
3282          *
3283          * peak_rate = peak_rate * (divisor-1) / divisor  +  rate / divisor
3284          */
3285         bfqd->peak_rate *= divisor-1;
3286         bfqd->peak_rate /= divisor;
3287         rate /= divisor; /* smoothing constant alpha = 1/divisor */
3288
3289         bfqd->peak_rate += rate;
3290
3291         /*
3292          * For a very slow device, bfqd->peak_rate can reach 0 (see
3293          * the minimum representable values reported in the comments
3294          * on BFQ_RATE_SHIFT). Push to 1 if this happens, to avoid
3295          * divisions by zero where bfqd->peak_rate is used as a
3296          * divisor.
3297          */
3298         bfqd->peak_rate = max_t(u32, 1, bfqd->peak_rate);
3299
3300         update_thr_responsiveness_params(bfqd);
3301
3302 reset_computation:
3303         bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3304 }
3305
3306 /*
3307  * Update the read/write peak rate (the main quantity used for
3308  * auto-tuning, see update_thr_responsiveness_params()).
3309  *
3310  * It is not trivial to estimate the peak rate (correctly): because of
3311  * the presence of sw and hw queues between the scheduler and the
3312  * device components that finally serve I/O requests, it is hard to
3313  * say exactly when a given dispatched request is served inside the
3314  * device, and for how long. As a consequence, it is hard to know
3315  * precisely at what rate a given set of requests is actually served
3316  * by the device.
3317  *
3318  * On the opposite end, the dispatch time of any request is trivially
3319  * available, and, from this piece of information, the "dispatch rate"
3320  * of requests can be immediately computed. So, the idea in the next
3321  * function is to use what is known, namely request dispatch times
3322  * (plus, when useful, request completion times), to estimate what is
3323  * unknown, namely in-device request service rate.
3324  *
3325  * The main issue is that, because of the above facts, the rate at
3326  * which a certain set of requests is dispatched over a certain time
3327  * interval can vary greatly with respect to the rate at which the
3328  * same requests are then served. But, since the size of any
3329  * intermediate queue is limited, and the service scheme is lossless
3330  * (no request is silently dropped), the following obvious convergence
3331  * property holds: the number of requests dispatched MUST become
3332  * closer and closer to the number of requests completed as the
3333  * observation interval grows. This is the key property used in
3334  * the next function to estimate the peak service rate as a function
3335  * of the observed dispatch rate. The function assumes to be invoked
3336  * on every request dispatch.
3337  */
3338 static void bfq_update_peak_rate(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3339 {
3340         u64 now_ns = ktime_get_ns();
3341
3342         if (bfqd->peak_rate_samples == 0) { /* first dispatch */
3343                 bfq_log(bfqd, "update_peak_rate: goto reset, samples %d",
3344                         bfqd->peak_rate_samples);
3345                 bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3346                 goto update_last_values; /* will add one sample */
3347         }
3348
3349         /*
3350          * Device idle for very long: the observation interval lasting
3351          * up to this dispatch cannot be a valid observation interval
3352          * for computing a new peak rate (similarly to the late-
3353          * completion event in bfq_completed_request()). Go to
3354          * update_rate_and_reset to have the following three steps
3355          * taken:
3356          * - close the observation interval at the last (previous)
3357          *   request dispatch or completion
3358          * - compute rate, if possible, for that observation interval
3359          * - start a new observation interval with this dispatch
3360          */
3361         if (now_ns - bfqd->last_dispatch > 100*NSEC_PER_MSEC &&
3362             bfqd->rq_in_driver == 0)
3363                 goto update_rate_and_reset;
3364
3365         /* Update sampling information */
3366         bfqd->peak_rate_samples++;
3367
3368         if ((bfqd->rq_in_driver > 0 ||
3369                 now_ns - bfqd->last_completion < BFQ_MIN_TT)
3370             && !BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqd->last_position, rq))
3371                 bfqd->sequential_samples++;
3372
3373         bfqd->tot_sectors_dispatched += blk_rq_sectors(rq);
3374
3375         /* Reset max observed rq size every 32 dispatches */
3376         if (likely(bfqd->peak_rate_samples % 32))
3377                 bfqd->last_rq_max_size =
3378                         max_t(u32, blk_rq_sectors(rq), bfqd->last_rq_max_size);
3379         else
3380                 bfqd->last_rq_max_size = blk_rq_sectors(rq);
3381
3382         bfqd->delta_from_first = now_ns - bfqd->first_dispatch;
3383
3384         /* Target observation interval not yet reached, go on sampling */
3385         if (bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_REF_INTERVAL)
3386                 goto update_last_values;
3387
3388 update_rate_and_reset:
3389         bfq_update_rate_reset(bfqd, rq);
3390 update_last_values:
3391         bfqd->last_position = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
3392         if (RQ_BFQQ(rq) == bfqd->in_service_queue)
3393                 bfqd->in_serv_last_pos = bfqd->last_position;
3394         bfqd->last_dispatch = now_ns;
3395 }
3396
3397 /*
3398  * Remove request from internal lists.
3399  */
3400 static void bfq_dispatch_remove(struct request_queue *q, struct request *rq)
3401 {
3402         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
3403
3404         /*
3405          * For consistency, the next instruction should have been
3406          * executed after removing the request from the queue and
3407          * dispatching it.  We execute instead this instruction before
3408          * bfq_remove_request() (and hence introduce a temporary
3409          * inconsistency), for efficiency.  In fact, should this
3410          * dispatch occur for a non in-service bfqq, this anticipated
3411          * increment prevents two counters related to bfqq->dispatched
3412          * from risking to be, first, uselessly decremented, and then
3413          * incremented again when the (new) value of bfqq->dispatched
3414          * happens to be taken into account.
3415          */
3416         bfqq->dispatched++;
3417         bfq_update_peak_rate(q->elevator->elevator_data, rq);
3418
3419         bfq_remove_request(q, rq);
3420 }
3421
3422 /*
3423  * There is a case where idling does not have to be performed for
3424  * throughput concerns, but to preserve the throughput share of
3425  * the process associated with bfqq.
3426  *
3427  * To introduce this case, we can note that allowing the drive
3428  * to enqueue more than one request at a time, and hence
3429  * delegating de facto final scheduling decisions to the
3430  * drive's internal scheduler, entails loss of control on the
3431  * actual request service order. In particular, the critical
3432  * situation is when requests from different processes happen
3433  * to be present, at the same time, in the internal queue(s)
3434  * of the drive. In such a situation, the drive, by deciding
3435  * the service order of the internally-queued requests, does
3436  * determine also the actual throughput distribution among
3437  * these processes. But the drive typically has no notion or
3438  * concern about per-process throughput distribution, and
3439  * makes its decisions only on a per-request basis. Therefore,
3440  * the service distribution enforced by the drive's internal
3441  * scheduler is likely to coincide with the desired throughput
3442  * distribution only in a completely symmetric, or favorably
3443  * skewed scenario where:
3444  * (i-a) each of these processes must get the same throughput as
3445  *       the others,
3446  * (i-b) in case (i-a) does not hold, it holds that the process
3447  *       associated with bfqq must receive a lower or equal
3448  *       throughput than any of the other processes;
3449  * (ii)  the I/O of each process has the same properties, in
3450  *       terms of locality (sequential or random), direction
3451  *       (reads or writes), request sizes, greediness
3452  *       (from I/O-bound to sporadic), and so on;
3453
3454  * In fact, in such a scenario, the drive tends to treat the requests
3455  * of each process in about the same way as the requests of the
3456  * others, and thus to provide each of these processes with about the
3457  * same throughput.  This is exactly the desired throughput
3458  * distribution if (i-a) holds, or, if (i-b) holds instead, this is an
3459  * even more convenient distribution for (the process associated with)
3460  * bfqq.
3461  *
3462  * In contrast, in any asymmetric or unfavorable scenario, device
3463  * idling (I/O-dispatch plugging) is certainly needed to guarantee
3464  * that bfqq receives its assigned fraction of the device throughput
3465  * (see [1] for details).
3466  *
3467  * The problem is that idling may significantly reduce throughput with
3468  * certain combinations of types of I/O and devices. An important
3469  * example is sync random I/O on flash storage with command
3470  * queueing. So, unless bfqq falls in cases where idling also boosts
3471  * throughput, it is important to check conditions (i-a), i(-b) and
3472  * (ii) accurately, so as to avoid idling when not strictly needed for
3473  * service guarantees.
3474  *
3475  * Unfortunately, it is extremely difficult to thoroughly check
3476  * condition (ii). And, in case there are active groups, it becomes
3477  * very difficult to check conditions (i-a) and (i-b) too.  In fact,
3478  * if there are active groups, then, for conditions (i-a) or (i-b) to
3479  * become false 'indirectly', it is enough that an active group
3480  * contains more active processes or sub-groups than some other active
3481  * group. More precisely, for conditions (i-a) or (i-b) to become
3482  * false because of such a group, it is not even necessary that the
3483  * group is (still) active: it is sufficient that, even if the group
3484  * has become inactive, some of its descendant processes still have
3485  * some request already dispatched but still waiting for
3486  * completion. In fact, requests have still to be guaranteed their
3487  * share of the throughput even after being dispatched. In this
3488  * respect, it is easy to show that, if a group frequently becomes
3489  * inactive while still having in-flight requests, and if, when this
3490  * happens, the group is not considered in the calculation of whether
3491  * the scenario is asymmetric, then the group may fail to be
3492  * guaranteed its fair share of the throughput (basically because
3493  * idling may not be performed for the descendant processes of the
3494  * group, but it had to be).  We address this issue with the following
3495  * bi-modal behavior, implemented in the function
3496  * bfq_asymmetric_scenario().
3497  *
3498  * If there are groups with requests waiting for completion
3499  * (as commented above, some of these groups may even be
3500  * already inactive), then the scenario is tagged as
3501  * asymmetric, conservatively, without checking any of the
3502  * conditions (i-a), (i-b) or (ii). So the device is idled for bfqq.
3503  * This behavior matches also the fact that groups are created
3504  * exactly if controlling I/O is a primary concern (to
3505  * preserve bandwidth and latency guarantees).
3506  *
3507  * On the opposite end, if there are no groups with requests waiting
3508  * for completion, then only conditions (i-a) and (i-b) are actually
3509  * controlled, i.e., provided that conditions (i-a) or (i-b) holds,
3510  * idling is not performed, regardless of whether condition (ii)
3511  * holds.  In other words, only if conditions (i-a) and (i-b) do not
3512  * hold, then idling is allowed, and the device tends to be prevented
3513  * from queueing many requests, possibly of several processes. Since
3514  * there are no groups with requests waiting for completion, then, to
3515  * control conditions (i-a) and (i-b) it is enough to check just
3516  * whether all the queues with requests waiting for completion also
3517  * have the same weight.
3518  *
3519  * Not checking condition (ii) evidently exposes bfqq to the
3520  * risk of getting less throughput than its fair share.
3521  * However, for queues with the same weight, a further
3522  * mechanism, preemption, mitigates or even eliminates this
3523  * problem. And it does so without consequences on overall
3524  * throughput. This mechanism and its benefits are explained
3525  * in the next three paragraphs.
3526  *
3527  * Even if a queue, say Q, is expired when it remains idle, Q
3528  * can still preempt the new in-service queue if the next
3529  * request of Q arrives soon (see the comments on
3530  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation). If all queues and
3531  * groups have the same weight, this form of preemption,
3532  * combined with the hole-recovery heuristic described in the
3533  * comments on function bfq_bfqq_update_budg_for_activation,
3534  * are enough to preserve a correct bandwidth distribution in
3535  * the mid term, even without idling. In fact, even if not
3536  * idling allows the internal queues of the device to contain
3537  * many requests, and thus to reorder requests, we can rather
3538  * safely assume that the internal scheduler still preserves a
3539  * minimum of mid-term fairness.
3540  *
3541  * More precisely, this preemption-based, idleless approach
3542  * provides fairness in terms of IOPS, and not sectors per
3543  * second. This can be seen with a simple example. Suppose
3544  * that there are two queues with the same weight, but that
3545  * the first queue receives requests of 8 sectors, while the
3546  * second queue receives requests of 1024 sectors. In
3547  * addition, suppose that each of the two queues contains at
3548  * most one request at a time, which implies that each queue
3549  * always remains idle after it is served. Finally, after
3550  * remaining idle, each queue receives very quickly a new
3551  * request. It follows that the two queues are served
3552  * alternatively, preempting each other if needed. This
3553  * implies that, although both queues have the same weight,
3554  * the queue with large requests receives a service that is
3555  * 1024/8 times as high as the service received by the other
3556  * queue.
3557  *
3558  * The motivation for using preemption instead of idling (for
3559  * queues with the same weight) is that, by not idling,
3560  * service guarantees are preserved (completely or at least in
3561  * part) without minimally sacrificing throughput. And, if
3562  * there is no active group, then the primary expectation for
3563  * this device is probably a high throughput.
3564  *
3565  * We are now left only with explaining the two sub-conditions in the
3566  * additional compound condition that is checked below for deciding
3567  * whether the scenario is asymmetric. To explain the first
3568  * sub-condition, we need to add that the function
3569  * bfq_asymmetric_scenario checks the weights of only
3570  * non-weight-raised queues, for efficiency reasons (see comments on
3571  * bfq_weights_tree_add()). Then the fact that bfqq is weight-raised
3572  * is checked explicitly here. More precisely, the compound condition
3573  * below takes into account also the fact that, even if bfqq is being
3574  * weight-raised, the scenario is still symmetric if all queues with
3575  * requests waiting for completion happen to be
3576  * weight-raised. Actually, we should be even more precise here, and
3577  * differentiate between interactive weight raising and soft real-time
3578  * weight raising.
3579  *
3580  * The second sub-condition checked in the compound condition is
3581  * whether there is a fair amount of already in-flight I/O not
3582  * belonging to bfqq. If so, I/O dispatching is to be plugged, for the
3583  * following reason. The drive may decide to serve in-flight
3584  * non-bfqq's I/O requests before bfqq's ones, thereby delaying the
3585  * arrival of new I/O requests for bfqq (recall that bfqq is sync). If
3586  * I/O-dispatching is not plugged, then, while bfqq remains empty, a
3587  * basically uncontrolled amount of I/O from other queues may be
3588  * dispatched too, possibly causing the service of bfqq's I/O to be
3589  * delayed even longer in the drive. This problem gets more and more
3590  * serious as the speed and the queue depth of the drive grow,
3591  * because, as these two quantities grow, the probability to find no
3592  * queue busy but many requests in flight grows too. By contrast,
3593  * plugging I/O dispatching minimizes the delay induced by already
3594  * in-flight I/O, and enables bfqq to recover the bandwidth it may
3595  * lose because of this delay.
3596  *
3597  * As a side note, it is worth considering that the above
3598  * device-idling countermeasures may however fail in the following
3599  * unlucky scenario: if I/O-dispatch plugging is (correctly) disabled
3600  * in a time period during which all symmetry sub-conditions hold, and
3601  * therefore the device is allowed to enqueue many requests, but at
3602  * some later point in time some sub-condition stops to hold, then it
3603  * may become impossible to make requests be served in the desired
3604  * order until all the requests already queued in the device have been
3605  * served. The last sub-condition commented above somewhat mitigates
3606  * this problem for weight-raised queues.
3607  *
3608  * However, as an additional mitigation for this problem, we preserve
3609  * plugging for a special symmetric case that may suddenly turn into
3610  * asymmetric: the case where only bfqq is busy. In this case, not
3611  * expiring bfqq does not cause any harm to any other queues in terms
3612  * of service guarantees. In contrast, it avoids the following unlucky
3613  * sequence of events: (1) bfqq is expired, (2) a new queue with a
3614  * lower weight than bfqq becomes busy (or more queues), (3) the new
3615  * queue is served until a new request arrives for bfqq, (4) when bfqq
3616  * is finally served, there are so many requests of the new queue in
3617  * the drive that the pending requests for bfqq take a lot of time to
3618  * be served. In particular, event (2) may case even already
3619  * dispatched requests of bfqq to be delayed, inside the drive. So, to
3620  * avoid this series of events, the scenario is preventively declared
3621  * as asymmetric also if bfqq is the only busy queues
3622  */
3623 static bool idling_needed_for_service_guarantees(struct bfq_data *bfqd,
3624                                                  struct bfq_queue *bfqq)
3625 {
3626         int tot_busy_queues = bfq_tot_busy_queues(bfqd);
3627
3628         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
3629         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
3630                 return false;
3631
3632         return (bfqq->wr_coeff > 1 &&
3633                 (bfqd->wr_busy_queues <
3634                  tot_busy_queues ||
3635                  bfqd->rq_in_driver >=
3636                  bfqq->dispatched + 4)) ||
3637                 bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq) ||
3638                 tot_busy_queues == 1;
3639 }
3640
3641 static bool __bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3642                               enum bfqq_expiration reason)
3643 {
3644         /*
3645          * If this bfqq is shared between multiple processes, check
3646          * to make sure that those processes are still issuing I/Os
3647          * within the mean seek distance. If not, it may be time to
3648          * break the queues apart again.
3649          */
3650         if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && BFQQ_SEEKY(bfqq))
3651                 bfq_mark_bfqq_split_coop(bfqq);
3652
3653         /*
3654          * Consider queues with a higher finish virtual time than
3655          * bfqq. If idling_needed_for_service_guarantees(bfqq) returns
3656          * true, then bfqq's bandwidth would be violated if an
3657          * uncontrolled amount of I/O from these queues were
3658          * dispatched while bfqq is waiting for its new I/O to
3659          * arrive. This is exactly what may happen if this is a forced
3660          * expiration caused by a preemption attempt, and if bfqq is
3661          * not re-scheduled. To prevent this from happening, re-queue
3662          * bfqq if it needs I/O-dispatch plugging, even if it is
3663          * empty. By doing so, bfqq is granted to be served before the
3664          * above queues (provided that bfqq is of course eligible).
3665          */
3666         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
3667             !(reason == BFQQE_PREEMPTED &&
3668               idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq))) {
3669                 if (bfqq->dispatched == 0)
3670                         /*
3671                          * Overloading budget_timeout field to store
3672                          * the time at which the queue remains with no
3673                          * backlog and no outstanding request; used by
3674                          * the weight-raising mechanism.
3675                          */
3676                         bfqq->budget_timeout = jiffies;
3677
3678                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, true);
3679         } else {
3680                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, true);
3681                 /*
3682                  * Resort priority tree of potential close cooperators.
3683                  * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
3684                  */
3685                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing &&
3686                              !RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)))
3687                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
3688         }
3689
3690         /*
3691          * All in-service entities must have been properly deactivated
3692          * or requeued before executing the next function, which
3693          * resets all in-service entities as no more in service. This
3694          * may cause bfqq to be freed. If this happens, the next
3695          * function returns true.
3696          */
3697         return __bfq_bfqd_reset_in_service(bfqd);
3698 }
3699
3700 /**
3701  * __bfq_bfqq_recalc_budget - try to adapt the budget to the @bfqq behavior.
3702  * @bfqd: device data.
3703  * @bfqq: queue to update.
3704  * @reason: reason for expiration.
3705  *
3706  * Handle the feedback on @bfqq budget at queue expiration.
3707  * See the body for detailed comments.
3708  */
3709 static void __bfq_bfqq_recalc_budget(struct bfq_data *bfqd,
3710                                      struct bfq_queue *bfqq,
3711                                      enum bfqq_expiration reason)
3712 {
3713         struct request *next_rq;
3714         int budget, min_budget;
3715
3716         min_budget = bfq_min_budget(bfqd);
3717
3718         if (bfqq->wr_coeff == 1)
3719                 budget = bfqq->max_budget;
3720         else /*
3721               * Use a constant, low budget for weight-raised queues,
3722               * to help achieve a low latency. Keep it slightly higher
3723               * than the minimum possible budget, to cause a little
3724               * bit fewer expirations.
3725               */
3726                 budget = 2 * min_budget;
3727
3728         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last budg %d, budg left %d",
3729                 bfqq->entity.budget, bfq_bfqq_budget_left(bfqq));
3730         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last max_budg %d, min budg %d",
3731                 budget, bfq_min_budget(bfqd));
3732         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: sync %d, seeky %d",
3733                 bfq_bfqq_sync(bfqq), BFQQ_SEEKY(bfqd->in_service_queue));
3734
3735         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1) {
3736                 switch (reason) {
3737                 /*
3738                  * Caveat: in all the following cases we trade latency
3739                  * for throughput.
3740                  */
3741                 case BFQQE_TOO_IDLE:
3742                         /*
3743                          * This is the only case where we may reduce
3744                          * the budget: if there is no request of the
3745                          * process still waiting for completion, then
3746                          * we assume (tentatively) that the timer has
3747                          * expired because the batch of requests of
3748                          * the process could have been served with a
3749                          * smaller budget.  Hence, betting that
3750                          * process will behave in the same way when it
3751                          * becomes backlogged again, we reduce its
3752                          * next budget.  As long as we guess right,
3753                          * this budget cut reduces the latency
3754                          * experienced by the process.
3755                          *
3756                          * However, if there are still outstanding
3757                          * requests, then the process may have not yet
3758                          * issued its next request just because it is
3759                          * still waiting for the completion of some of
3760                          * the still outstanding ones.  So in this
3761                          * subcase we do not reduce its budget, on the
3762                          * contrary we increase it to possibly boost
3763                          * the throughput, as discussed in the
3764                          * comments to the BUDGET_TIMEOUT case.
3765                          */
3766                         if (bfqq->dispatched > 0) /* still outstanding reqs */
3767                                 budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3768                         else {
3769                                 if (budget > 5 * min_budget)
3770                                         budget -= 4 * min_budget;
3771                                 else
3772                                         budget = min_budget;
3773                         }
3774                         break;
3775                 case BFQQE_BUDGET_TIMEOUT:
3776                         /*
3777                          * We double the budget here because it gives
3778                          * the chance to boost the throughput if this
3779                          * is not a seeky process (and has bumped into
3780                          * this timeout because of, e.g., ZBR).
3781                          */
3782                         budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3783                         break;
3784                 case BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED:
3785                         /*
3786                          * The process still has backlog, and did not
3787                          * let either the budget timeout or the disk
3788                          * idling timeout expire. Hence it is not
3789                          * seeky, has a short thinktime and may be
3790                          * happy with a higher budget too. So
3791                          * definitely increase the budget of this good
3792                          * candidate to boost the disk throughput.
3793                          */
3794                         budget = min(budget * 4, bfqd->bfq_max_budget);
3795                         break;
3796                 case BFQQE_NO_MORE_REQUESTS:
3797                         /*
3798                          * For queues that expire for this reason, it
3799                          * is particularly important to keep the
3800                          * budget close to the actual service they
3801                          * need. Doing so reduces the timestamp
3802                          * misalignment problem described in the
3803                          * comments in the body of
3804                          * __bfq_activate_entity. In fact, suppose
3805                          * that a queue systematically expires for
3806                          * BFQQE_NO_MORE_REQUESTS and presents a
3807                          * new request in time to enjoy timestamp
3808                          * back-shifting. The larger the budget of the
3809                          * queue is with respect to the service the
3810                          * queue actually requests in each service
3811                          * slot, the more times the queue can be
3812                          * reactivated with the same virtual finish
3813                          * time. It follows that, even if this finish
3814                          * time is pushed to the system virtual time
3815                          * to reduce the consequent timestamp
3816                          * misalignment, the queue unjustly enjoys for
3817                          * many re-activations a lower finish time
3818                          * than all newly activated queues.
3819                          *
3820                          * The service needed by bfqq is measured
3821                          * quite precisely by bfqq->entity.service.
3822                          * Since bfqq does not enjoy device idling,
3823                          * bfqq->entity.service is equal to the number
3824                          * of sectors that the process associated with
3825                          * bfqq requested to read/write before waiting
3826                          * for request completions, or blocking for
3827                          * other reasons.
3828                          */
3829                         budget = max_t(int, bfqq->entity.service, min_budget);
3830                         break;
3831                 default:
3832                         return;
3833                 }
3834         } else if (!bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
3835                 /*
3836                  * Async queues get always the maximum possible
3837                  * budget, as for them we do not care about latency
3838                  * (in addition, their ability to dispatch is limited
3839                  * by the charging factor).
3840                  */
3841                 budget = bfqd->bfq_max_budget;
3842         }
3843
3844         bfqq->max_budget = budget;
3845
3846         if (bfqd->budgets_assigned >= bfq_stats_min_budgets &&
3847             !bfqd->bfq_user_max_budget)
3848                 bfqq->max_budget = min(bfqq->max_budget, bfqd->bfq_max_budget);
3849
3850         /*
3851          * If there is still backlog, then assign a new budget, making
3852          * sure that it is large enough for the next request.  Since
3853          * the finish time of bfqq must be kept in sync with the
3854          * budget, be sure to call __bfq_bfqq_expire() *after* this
3855          * update.
3856          *
3857          * If there is no backlog, then no need to update the budget;
3858          * it will be updated on the arrival of a new request.
3859          */
3860         next_rq = bfqq->next_rq;
3861         if (next_rq)
3862                 bfqq->entity.budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
3863                                             bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq));
3864
3865         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "head sect: %u, new budget %d",
3866                         next_rq ? blk_rq_sectors(next_rq) : 0,
3867                         bfqq->entity.budget);
3868 }
3869
3870 /*
3871  * Return true if the process associated with bfqq is "slow". The slow
3872  * flag is used, in addition to the budget timeout, to reduce the
3873  * amount of service provided to seeky processes, and thus reduce
3874  * their chances to lower the throughput. More details in the comments
3875  * on the function bfq_bfqq_expire().
3876  *
3877  * An important observation is in order: as discussed in the comments
3878  * on the function bfq_update_peak_rate(), with devices with internal
3879  * queues, it is hard if ever possible to know when and for how long
3880  * an I/O request is processed by the device (apart from the trivial
3881  * I/O pattern where a new request is dispatched only after the
3882  * previous one has been completed). This makes it hard to evaluate
3883  * the real rate at which the I/O requests of each bfq_queue are
3884  * served.  In fact, for an I/O scheduler like BFQ, serving a
3885  * bfq_queue means just dispatching its requests during its service
3886  * slot (i.e., until the budget of the queue is exhausted, or the
3887  * queue remains idle, or, finally, a timeout fires). But, during the
3888  * service slot of a bfq_queue, around 100 ms at most, the device may
3889  * be even still processing requests of bfq_queues served in previous
3890  * service slots. On the opposite end, the requests of the in-service
3891  * bfq_queue may be completed after the service slot of the queue
3892  * finishes.
3893  *
3894  * Anyway, unless more sophisticated solutions are used
3895  * (where possible), the sum of the sizes of the requests dispatched
3896  * during the service slot of a bfq_queue is probably the only
3897  * approximation available for the service received by the bfq_queue
3898  * during its service slot. And this sum is the quantity used in this
3899  * function to evaluate the I/O speed of a process.
3900  */
3901 static bool bfq_bfqq_is_slow(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3902                                  bool compensate, enum bfqq_expiration reason,
3903                                  unsigned long *delta_ms)
3904 {
3905         ktime_t delta_ktime;
3906         u32 delta_usecs;
3907         bool slow = BFQQ_SEEKY(bfqq); /* if delta too short, use seekyness */
3908
3909         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq))
3910                 return false;
3911
3912         if (compensate)
3913                 delta_ktime = bfqd->last_idling_start;
3914         else
3915                 delta_ktime = ktime_get();
3916         delta_ktime = ktime_sub(delta_ktime, bfqd->last_budget_start);
3917         delta_usecs = ktime_to_us(delta_ktime);
3918
3919         /* don't use too short time intervals */
3920         if (delta_usecs < 1000) {
3921                 if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue))
3922                          /*
3923                           * give same worst-case guarantees as idling
3924                           * for seeky
3925                           */
3926                         *delta_ms = BFQ_MIN_TT / NSEC_PER_MSEC;
3927                 else /* charge at least one seek */
3928                         *delta_ms = bfq_slice_idle / NSEC_PER_MSEC;
3929
3930                 return slow;
3931         }
3932
3933         *delta_ms = delta_usecs / USEC_PER_MSEC;
3934
3935         /*
3936          * Use only long (> 20ms) intervals to filter out excessive
3937          * spikes in service rate estimation.
3938          */
3939         if (delta_usecs > 20000) {
3940                 /*
3941                  * Caveat for rotational devices: processes doing I/O
3942                  * in the slower disk zones tend to be slow(er) even
3943                  * if not seeky. In this respect, the estimated peak
3944                  * rate is likely to be an average over the disk
3945                  * surface. Accordingly, to not be too harsh with
3946                  * unlucky processes, a process is deemed slow only if
3947                  * its rate has been lower than half of the estimated
3948                  * peak rate.
3949                  */
3950                 slow = bfqq->entity.service < bfqd->bfq_max_budget / 2;
3951         }
3952
3953         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "bfq_bfqq_is_slow: slow %d", slow);
3954
3955         return slow;
3956 }
3957
3958 /*
3959  * To be deemed as soft real-time, an application must meet two
3960  * requirements. First, the application must not require an average
3961  * bandwidth higher than the approximate bandwidth required to playback or
3962  * record a compressed high-definition video.
3963  * The next function is invoked on the completion of the last request of a
3964  * batch, to compute the next-start time instant, soft_rt_next_start, such
3965  * that, if the next request of the application does not arrive before
3966  * soft_rt_next_start, then the above requirement on the bandwidth is met.
3967  *
3968  * The second requirement is that the request pattern of the application is
3969  * isochronous, i.e., that, after issuing a request or a batch of requests,
3970  * the application stops issuing new requests until all its pending requests
3971  * have been completed. After that, the application may issue a new batch,
3972  * and so on.
3973  * For this reason the next function is invoked to compute
3974  * soft_rt_next_start only for applications that meet this requirement,
3975  * whereas soft_rt_next_start is set to infinity for applications that do
3976  * not.
3977  *
3978  * Unfortunately, even a greedy (i.e., I/O-bound) application may
3979  * happen to meet, occasionally or systematically, both the above
3980  * bandwidth and isochrony requirements. This may happen at least in
3981  * the following circumstances. First, if the CPU load is high. The
3982  * application may stop issuing requests while the CPUs are busy
3983  * serving other processes, then restart, then stop again for a while,
3984  * and so on. The other circumstances are related to the storage
3985  * device: the storage device is highly loaded or reaches a low-enough
3986  * throughput with the I/O of the application (e.g., because the I/O
3987  * is random and/or the device is slow). In all these cases, the
3988  * I/O of the application may be simply slowed down enough to meet
3989  * the bandwidth and isochrony requirements. To reduce the probability
3990  * that greedy applications are deemed as soft real-time in these
3991  * corner cases, a further rule is used in the computation of
3992  * soft_rt_next_start: the return value of this function is forced to
3993  * be higher than the maximum between the following two quantities.
3994  *
3995  * (a) Current time plus: (1) the maximum time for which the arrival
3996  *     of a request is waited for when a sync queue becomes idle,
3997  *     namely bfqd->bfq_slice_idle, and (2) a few extra jiffies. We
3998  *     postpone for a moment the reason for adding a few extra
3999  *     jiffies; we get back to it after next item (b).  Lower-bounding
4000  *     the return value of this function with the current time plus
4001  *     bfqd->bfq_slice_idle tends to filter out greedy applications,
4002  *     because the latter issue their next request as soon as possible
4003  *     after the last one has been completed. In contrast, a soft
4004  *     real-time application spends some time processing data, after a
4005  *     batch of its requests has been completed.
4006  *
4007  * (b) Current value of bfqq->soft_rt_next_start. As pointed out
4008  *     above, greedy applications may happen to meet both the
4009  *     bandwidth and isochrony requirements under heavy CPU or
4010  *     storage-device load. In more detail, in these scenarios, these
4011  *     applications happen, only for limited time periods, to do I/O
4012  *     slowly enough to meet all the requirements described so far,
4013  *     including the filtering in above item (a). These slow-speed
4014  *     time intervals are usually interspersed between other time
4015  *     intervals during which these applications do I/O at a very high
4016  *     speed. Fortunately, exactly because of the high speed of the
4017  *     I/O in the high-speed intervals, the values returned by this
4018  *     function happen to be so high, near the end of any such
4019  *     high-speed interval, to be likely to fall *after* the end of
4020  *     the low-speed time interval that follows. These high values are
4021  *     stored in bfqq->soft_rt_next_start after each invocation of
4022  *     this function. As a consequence, if the last value of
4023  *     bfqq->soft_rt_next_start is constantly used to lower-bound the
4024  *     next value that this function may return, then, from the very
4025  *     beginning of a low-speed interval, bfqq->soft_rt_next_start is
4026  *     likely to be constantly kept so high that any I/O request
4027  *     issued during the low-speed interval is considered as arriving
4028  *     to soon for the application to be deemed as soft
4029  *     real-time. Then, in the high-speed interval that follows, the
4030  *     application will not be deemed as soft real-time, just because
4031  *     it will do I/O at a high speed. And so on.
4032  *
4033  * Getting back to the filtering in item (a), in the following two
4034  * cases this filtering might be easily passed by a greedy
4035  * application, if the reference quantity was just
4036  * bfqd->bfq_slice_idle:
4037  * 1) HZ is so low that the duration of a jiffy is comparable to or
4038  *    higher than bfqd->bfq_slice_idle. This happens, e.g., on slow
4039  *    devices with HZ=100. The time granularity may be so coarse
4040  *    that the approximation, in jiffies, of bfqd->bfq_slice_idle
4041  *    is rather lower than the exact value.
4042  * 2) jiffies, instead of increasing at a constant rate, may stop increasing
4043  *    for a while, then suddenly 'jump' by several units to recover the lost
4044  *    increments. This seems to happen, e.g., inside virtual machines.
4045  * To address this issue, in the filtering in (a) we do not use as a
4046  * reference time interval just bfqd->bfq_slice_idle, but
4047  * bfqd->bfq_slice_idle plus a few jiffies. In particular, we add the
4048  * minimum number of jiffies for which the filter seems to be quite
4049  * precise also in embedded systems and KVM/QEMU virtual machines.
4050  */
4051 static unsigned long bfq_bfqq_softrt_next_start(struct bfq_data *bfqd,
4052                                                 struct bfq_queue *bfqq)
4053 {
4054         return max3(bfqq->soft_rt_next_start,
4055                     bfqq->last_idle_bklogged +
4056                     HZ * bfqq->service_from_backlogged /
4057                     bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate,
4058                     jiffies + nsecs_to_jiffies(bfqq->bfqd->bfq_slice_idle) + 4);
4059 }
4060
4061 /**
4062  * bfq_bfqq_expire - expire a queue.
4063  * @bfqd: device owning the queue.
4064  * @bfqq: the queue to expire.
4065  * @compensate: if true, compensate for the time spent idling.
4066  * @reason: the reason causing the expiration.
4067  *
4068  * If the process associated with bfqq does slow I/O (e.g., because it
4069  * issues random requests), we charge bfqq with the time it has been
4070  * in service instead of the service it has received (see
4071  * bfq_bfqq_charge_time for details on how this goal is achieved). As
4072  * a consequence, bfqq will typically get higher timestamps upon
4073  * reactivation, and hence it will be rescheduled as if it had
4074  * received more service than what it has actually received. In the
4075  * end, bfqq receives less service in proportion to how slowly its
4076  * associated process consumes its budgets (and hence how seriously it
4077  * tends to lower the throughput). In addition, this time-charging
4078  * strategy guarantees time fairness among slow processes. In
4079  * contrast, if the process associated with bfqq is not slow, we
4080  * charge bfqq exactly with the service it has received.
4081  *
4082  * Charging time to the first type of queues and the exact service to
4083  * the other has the effect of using the WF2Q+ policy to schedule the
4084  * former on a timeslice basis, without violating service domain
4085  * guarantees among the latter.
4086  */
4087 void bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd,
4088                      struct bfq_queue *bfqq,
4089                      bool compensate,
4090                      enum bfqq_expiration reason)
4091 {
4092         bool slow;
4093         unsigned long delta = 0;
4094         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4095
4096         /*
4097          * Check whether the process is slow (see bfq_bfqq_is_slow).
4098          */
4099         slow = bfq_bfqq_is_slow(bfqd, bfqq, compensate, reason, &delta);
4100
4101         /*
4102          * As above explained, charge slow (typically seeky) and
4103          * timed-out queues with the time and not the service
4104          * received, to favor sequential workloads.
4105          *
4106          * Processes doing I/O in the slower disk zones will tend to
4107          * be slow(er) even if not seeky. Therefore, since the
4108          * estimated peak rate is actually an average over the disk
4109          * surface, these processes may timeout just for bad luck. To
4110          * avoid punishing them, do not charge time to processes that
4111          * succeeded in consuming at least 2/3 of their budget. This
4112          * allows BFQ to preserve enough elasticity to still perform
4113          * bandwidth, and not time, distribution with little unlucky
4114          * or quasi-sequential processes.
4115          */
4116         if (bfqq->wr_coeff == 1 &&
4117             (slow ||
4118              (reason == BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4119               bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  entity->budget / 3)))
4120                 bfq_bfqq_charge_time(bfqd, bfqq, delta);
4121
4122         if (bfqd->low_latency && bfqq->wr_coeff == 1)
4123                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
4124
4125         if (bfqd->low_latency && bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
4126             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
4127                 /*
4128                  * If we get here, and there are no outstanding
4129                  * requests, then the request pattern is isochronous
4130                  * (see the comments on the function
4131                  * bfq_bfqq_softrt_next_start()). Therefore we can
4132                  * compute soft_rt_next_start.
4133                  *
4134                  * If, instead, the queue still has outstanding
4135                  * requests, then we have to wait for the completion
4136                  * of all the outstanding requests to discover whether
4137                  * the request pattern is actually isochronous.
4138                  */
4139                 if (bfqq->dispatched == 0)
4140                         bfqq->soft_rt_next_start =
4141                                 bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
4142                 else if (bfqq->dispatched > 0) {
4143                         /*
4144                          * Schedule an update of soft_rt_next_start to when
4145                          * the task may be discovered to be isochronous.
4146                          */
4147                         bfq_mark_bfqq_softrt_update(bfqq);
4148                 }
4149         }
4150
4151         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4152                 "expire (%d, slow %d, num_disp %d, short_ttime %d)", reason,
4153                 slow, bfqq->dispatched, bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq));
4154
4155         /*
4156          * bfqq expired, so no total service time needs to be computed
4157          * any longer: reset state machine for measuring total service
4158          * times.
4159          */
4160         bfqd->rqs_injected = bfqd->wait_dispatch = false;
4161         bfqd->waited_rq = NULL;
4162
4163         /*
4164          * Increase, decrease or leave budget unchanged according to
4165          * reason.
4166          */
4167         __bfq_bfqq_recalc_budget(bfqd, bfqq, reason);
4168         if (__bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, reason))
4169                 /* bfqq is gone, no more actions on it */
4170                 return;
4171
4172         /* mark bfqq as waiting a request only if a bic still points to it */
4173         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
4174             reason != BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4175             reason != BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED) {
4176                 bfq_mark_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
4177                 /*
4178                  * Not setting service to 0, because, if the next rq
4179                  * arrives in time, the queue will go on receiving
4180                  * service with this same budget (as if it never expired)
4181                  */
4182         } else
4183                 entity->service = 0;
4184
4185         /*
4186          * Reset the received-service counter for every parent entity.
4187          * Differently from what happens with bfqq->entity.service,
4188          * the resetting of this counter never needs to be postponed
4189          * for parent entities. In fact, in case bfqq may have a
4190          * chance to go on being served using the last, partially
4191          * consumed budget, bfqq->entity.service needs to be kept,
4192          * because if bfqq then actually goes on being served using
4193          * the same budget, the last value of bfqq->entity.service is
4194          * needed to properly decrement bfqq->entity.budget by the
4195          * portion already consumed. In contrast, it is not necessary
4196          * to keep entity->service for parent entities too, because
4197          * the bubble up of the new value of bfqq->entity.budget will
4198          * make sure that the budgets of parent entities are correct,
4199          * even in case bfqq and thus parent entities go on receiving
4200          * service with the same budget.
4201          */
4202         entity = entity->parent;
4203         for_each_entity(entity)
4204                 entity->service = 0;
4205 }
4206
4207 /*
4208  * Budget timeout is not implemented through a dedicated timer, but
4209  * just checked on request arrivals and completions, as well as on
4210  * idle timer expirations.
4211  */
4212 static bool bfq_bfqq_budget_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4213 {
4214         return time_is_before_eq_jiffies(bfqq->budget_timeout);
4215 }
4216
4217 /*
4218  * If we expire a queue that is actively waiting (i.e., with the
4219  * device idled) for the arrival of a new request, then we may incur
4220  * the timestamp misalignment problem described in the body of the
4221  * function __bfq_activate_entity. Hence we return true only if this
4222  * condition does not hold, or if the queue is slow enough to deserve
4223  * only to be kicked off for preserving a high throughput.
4224  */
4225 static bool bfq_may_expire_for_budg_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4226 {
4227         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
4228                 "may_budget_timeout: wait_request %d left %d timeout %d",
4229                 bfq_bfqq_wait_request(bfqq),
4230                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3,
4231                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq));
4232
4233         return (!bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4234                 bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3)
4235                 &&
4236                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
4237 }
4238
4239 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
4240                                              struct bfq_queue *bfqq)
4241 {
4242         bool rot_without_queueing =
4243                 !blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && !bfqd->hw_tag,
4244                 bfqq_sequential_and_IO_bound,
4245                 idling_boosts_thr;
4246
4247         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4248         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4249                 return false;
4250
4251         bfqq_sequential_and_IO_bound = !BFQQ_SEEKY(bfqq) &&
4252                 bfq_bfqq_IO_bound(bfqq) && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4253
4254         /*
4255          * The next variable takes into account the cases where idling
4256          * boosts the throughput.
4257          *
4258          * The value of the variable is computed considering, first, that
4259          * idling is virtually always beneficial for the throughput if:
4260          * (a) the device is not NCQ-capable and rotational, or
4261          * (b) regardless of the presence of NCQ, the device is rotational and
4262          *     the request pattern for bfqq is I/O-bound and sequential, or
4263          * (c) regardless of whether it is rotational, the device is
4264          *     not NCQ-capable and the request pattern for bfqq is
4265          *     I/O-bound and sequential.
4266          *
4267          * Secondly, and in contrast to the above item (b), idling an
4268          * NCQ-capable flash-based device would not boost the
4269          * throughput even with sequential I/O; rather it would lower
4270          * the throughput in proportion to how fast the device
4271          * is. Accordingly, the next variable is true if any of the
4272          * above conditions (a), (b) or (c) is true, and, in
4273          * particular, happens to be false if bfqd is an NCQ-capable
4274          * flash-based device.
4275          */
4276         idling_boosts_thr = rot_without_queueing ||
4277                 ((!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) || !bfqd->hw_tag) &&
4278                  bfqq_sequential_and_IO_bound);
4279
4280         /*
4281          * The return value of this function is equal to that of
4282          * idling_boosts_thr, unless a special case holds. In this
4283          * special case, described below, idling may cause problems to
4284          * weight-raised queues.
4285          *
4286          * When the request pool is saturated (e.g., in the presence
4287          * of write hogs), if the processes associated with
4288          * non-weight-raised queues ask for requests at a lower rate,
4289          * then processes associated with weight-raised queues have a
4290          * higher probability to get a request from the pool
4291          * immediately (or at least soon) when they need one. Thus
4292          * they have a higher probability to actually get a fraction
4293          * of the device throughput proportional to their high
4294          * weight. This is especially true with NCQ-capable drives,
4295          * which enqueue several requests in advance, and further
4296          * reorder internally-queued requests.
4297          *
4298          * For this reason, we force to false the return value if
4299          * there are weight-raised busy queues. In this case, and if
4300          * bfqq is not weight-raised, this guarantees that the device
4301          * is not idled for bfqq (if, instead, bfqq is weight-raised,
4302          * then idling will be guaranteed by another variable, see
4303          * below). Combined with the timestamping rules of BFQ (see
4304          * [1] for details), this behavior causes bfqq, and hence any
4305          * sync non-weight-raised queue, to get a lower number of
4306          * requests served, and thus to ask for a lower number of
4307          * requests from the request pool, before the busy
4308          * weight-raised queues get served again. This often mitigates
4309          * starvation problems in the presence of heavy write
4310          * workloads and NCQ, thereby guaranteeing a higher
4311          * application and system responsiveness in these hostile
4312          * scenarios.
4313          */
4314         return idling_boosts_thr &&
4315                 bfqd->wr_busy_queues == 0;
4316 }
4317
4318 /*
4319  * For a queue that becomes empty, device idling is allowed only if
4320  * this function returns true for that queue. As a consequence, since
4321  * device idling plays a critical role for both throughput boosting
4322  * and service guarantees, the return value of this function plays a
4323  * critical role as well.
4324  *
4325  * In a nutshell, this function returns true only if idling is
4326  * beneficial for throughput or, even if detrimental for throughput,
4327  * idling is however necessary to preserve service guarantees (low
4328  * latency, desired throughput distribution, ...). In particular, on
4329  * NCQ-capable devices, this function tries to return false, so as to
4330  * help keep the drives' internal queues full, whenever this helps the
4331  * device boost the throughput without causing any service-guarantee
4332  * issue.
4333  *
4334  * Most of the issues taken into account to get the return value of
4335  * this function are not trivial. We discuss these issues in the two
4336  * functions providing the main pieces of information needed by this
4337  * function.
4338  */
4339 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4340 {
4341         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
4342         bool idling_boosts_thr_with_no_issue, idling_needed_for_service_guar;
4343
4344         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4345         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4346                 return false;
4347
4348         if (unlikely(bfqd->strict_guarantees))
4349                 return true;
4350
4351         /*
4352          * Idling is performed only if slice_idle > 0. In addition, we
4353          * do not idle if
4354          * (a) bfqq is async
4355          * (b) bfqq is in the idle io prio class: in this case we do
4356          * not idle because we want to minimize the bandwidth that
4357          * queues in this class can steal to higher-priority queues
4358          */
4359         if (bfqd->bfq_slice_idle == 0 || !bfq_bfqq_sync(bfqq) ||
4360            bfq_class_idle(bfqq))
4361                 return false;
4362
4363         idling_boosts_thr_with_no_issue =
4364                 idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq);
4365
4366         idling_needed_for_service_guar =
4367                 idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq);
4368
4369         /*
4370          * We have now the two components we need to compute the
4371          * return value of the function, which is true only if idling
4372          * either boosts the throughput (without issues), or is
4373          * necessary to preserve service guarantees.
4374          */
4375         return idling_boosts_thr_with_no_issue ||
4376                 idling_needed_for_service_guar;
4377 }
4378
4379 /*
4380  * If the in-service queue is empty but the function bfq_better_to_idle
4381  * returns true, then:
4382  * 1) the queue must remain in service and cannot be expired, and
4383  * 2) the device must be idled to wait for the possible arrival of a new
4384  *    request for the queue.
4385  * See the comments on the function bfq_better_to_idle for the reasons
4386  * why performing device idling is the best choice to boost the throughput
4387  * and preserve service guarantees when bfq_better_to_idle itself
4388  * returns true.
4389  */
4390 static bool bfq_bfqq_must_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4391 {
4392         return RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_better_to_idle(bfqq);
4393 }
4394
4395 /*
4396  * This function chooses the queue from which to pick the next extra
4397  * I/O request to inject, if it finds a compatible queue. See the
4398  * comments on bfq_update_inject_limit() for details on the injection
4399  * mechanism, and for the definitions of the quantities mentioned
4400  * below.
4401  */
4402 static struct bfq_queue *
4403 bfq_choose_bfqq_for_injection(struct bfq_data *bfqd)
4404 {
4405         struct bfq_queue *bfqq, *in_serv_bfqq = bfqd->in_service_queue;
4406         unsigned int limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4407         /*
4408          * If
4409          * - bfqq is not weight-raised and therefore does not carry
4410          *   time-critical I/O,
4411          * or
4412          * - regardless of whether bfqq is weight-raised, bfqq has
4413          *   however a long think time, during which it can absorb the
4414          *   effect of an appropriate number of extra I/O requests
4415          *   from other queues (see bfq_update_inject_limit for
4416          *   details on the computation of this number);
4417          * then injection can be performed without restrictions.
4418          */
4419         bool in_serv_always_inject = in_serv_bfqq->wr_coeff == 1 ||
4420                 !bfq_bfqq_has_short_ttime(in_serv_bfqq);
4421
4422         /*
4423          * If
4424          * - the baseline total service time could not be sampled yet,
4425          *   so the inject limit happens to be still 0, and
4426          * - a lot of time has elapsed since the plugging of I/O
4427          *   dispatching started, so drive speed is being wasted
4428          *   significantly;
4429          * then temporarily raise inject limit to one request.
4430          */
4431         if (limit == 0 && in_serv_bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
4432             bfq_bfqq_wait_request(in_serv_bfqq) &&
4433             time_is_before_eq_jiffies(bfqd->last_idling_start_jiffies +
4434                                       bfqd->bfq_slice_idle)
4435                 )
4436                 limit = 1;
4437
4438         if (bfqd->rq_in_driver >= limit)
4439                 return NULL;
4440
4441         /*
4442          * Linear search of the source queue for injection; but, with
4443          * a high probability, very few steps are needed to find a
4444          * candidate queue, i.e., a queue with enough budget left for
4445          * its next request. In fact:
4446          * - BFQ dynamically updates the budget of every queue so as
4447          *   to accommodate the expected backlog of the queue;
4448          * - if a queue gets all its requests dispatched as injected
4449          *   service, then the queue is removed from the active list
4450          *   (and re-added only if it gets new requests, but then it
4451          *   is assigned again enough budget for its new backlog).
4452          */
4453         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
4454                 if (!RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
4455                     (in_serv_always_inject || bfqq->wr_coeff > 1) &&
4456                     bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq) <=
4457                     bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4458                         /*
4459                          * Allow for only one large in-flight request
4460                          * on non-rotational devices, for the
4461                          * following reason. On non-rotationl drives,
4462                          * large requests take much longer than
4463                          * smaller requests to be served. In addition,
4464                          * the drive prefers to serve large requests
4465                          * w.r.t. to small ones, if it can choose. So,
4466                          * having more than one large requests queued
4467                          * in the drive may easily make the next first
4468                          * request of the in-service queue wait for so
4469                          * long to break bfqq's service guarantees. On
4470                          * the bright side, large requests let the
4471                          * drive reach a very high throughput, even if
4472                          * there is only one in-flight large request
4473                          * at a time.
4474                          */
4475                         if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue) &&
4476                             blk_rq_sectors(bfqq->next_rq) >=
4477                             BFQQ_SECT_THR_NONROT)
4478                                 limit = min_t(unsigned int, 1, limit);
4479                         else
4480                                 limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4481
4482                         if (bfqd->rq_in_driver < limit) {
4483                                 bfqd->rqs_injected = true;
4484                                 return bfqq;
4485                         }
4486                 }
4487
4488         return NULL;
4489 }
4490
4491 /*
4492  * Select a queue for service.  If we have a current queue in service,
4493  * check whether to continue servicing it, or retrieve and set a new one.
4494  */
4495 static struct bfq_queue *bfq_select_queue(struct bfq_data *bfqd)
4496 {
4497         struct bfq_queue *bfqq;
4498         struct request *next_rq;
4499         enum bfqq_expiration reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
4500
4501         bfqq = bfqd->in_service_queue;
4502         if (!bfqq)
4503                 goto new_queue;
4504
4505         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: already in-service queue");
4506
4507         /*
4508          * Do not expire bfqq for budget timeout if bfqq may be about
4509          * to enjoy device idling. The reason why, in this case, we
4510          * prevent bfqq from expiring is the same as in the comments
4511          * on the case where bfq_bfqq_must_idle() returns true, in
4512          * bfq_completed_request().
4513          */
4514         if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq) &&
4515             !bfq_bfqq_must_idle(bfqq))
4516                 goto expire;
4517
4518 check_queue:
4519         /*
4520          * This loop is rarely executed more than once. Even when it
4521          * happens, it is much more convenient to re-execute this loop
4522          * than to return NULL and trigger a new dispatch to get a
4523          * request served.
4524          */
4525         next_rq = bfqq->next_rq;
4526         /*
4527          * If bfqq has requests queued and it has enough budget left to
4528          * serve them, keep the queue, otherwise expire it.
4529          */
4530         if (next_rq) {
4531                 if (bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq) >
4532                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4533                         /*
4534                          * Expire the queue for budget exhaustion,
4535                          * which makes sure that the next budget is
4536                          * enough to serve the next request, even if
4537                          * it comes from the fifo expired path.
4538                          */
4539                         reason = BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED;
4540                         goto expire;
4541                 } else {
4542                         /*
4543                          * The idle timer may be pending because we may
4544                          * not disable disk idling even when a new request
4545                          * arrives.
4546                          */
4547                         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
4548                                 /*
4549                                  * If we get here: 1) at least a new request
4550                                  * has arrived but we have not disabled the
4551                                  * timer because the request was too small,
4552                                  * 2) then the block layer has unplugged
4553                                  * the device, causing the dispatch to be
4554                                  * invoked.
4555                                  *
4556                                  * Since the device is unplugged, now the
4557                                  * requests are probably large enough to
4558                                  * provide a reasonable throughput.
4559                                  * So we disable idling.
4560                                  */
4561                                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
4562                                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
4563                         }
4564                         goto keep_queue;
4565                 }
4566         }
4567
4568         /*
4569          * No requests pending. However, if the in-service queue is idling
4570          * for a new request, or has requests waiting for a completion and
4571          * may idle after their completion, then keep it anyway.
4572          *
4573          * Yet, inject service from other queues if it boosts
4574          * throughput and is possible.
4575          */
4576         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4577             (bfqq->dispatched != 0 && bfq_better_to_idle(bfqq))) {
4578                 struct bfq_queue *async_bfqq =
4579                         bfqq->bic && bfqq->bic->bfqq[0] &&
4580                         bfq_bfqq_busy(bfqq->bic->bfqq[0]) &&
4581                         bfqq->bic->bfqq[0]->next_rq ?
4582                         bfqq->bic->bfqq[0] : NULL;
4583                 struct bfq_queue *blocked_bfqq =
4584                         !hlist_empty(&bfqq->woken_list) ?
4585                         container_of(bfqq->woken_list.first,
4586                                      struct bfq_queue,
4587                                      woken_list_node)
4588                         : NULL;
4589
4590                 /*
4591                  * The next four mutually-exclusive ifs decide
4592                  * whether to try injection, and choose the queue to
4593                  * pick an I/O request from.
4594                  *
4595                  * The first if checks whether the process associated
4596                  * with bfqq has also async I/O pending. If so, it
4597                  * injects such I/O unconditionally. Injecting async
4598                  * I/O from the same process can cause no harm to the
4599                  * process. On the contrary, it can only increase
4600                  * bandwidth and reduce latency for the process.
4601                  *
4602                  * The second if checks whether there happens to be a
4603                  * non-empty waker queue for bfqq, i.e., a queue whose
4604                  * I/O needs to be completed for bfqq to receive new
4605                  * I/O. This happens, e.g., if bfqq is associated with
4606                  * a process that does some sync. A sync generates
4607                  * extra blocking I/O, which must be completed before
4608                  * the process associated with bfqq can go on with its
4609                  * I/O. If the I/O of the waker queue is not served,
4610                  * then bfqq remains empty, and no I/O is dispatched,
4611                  * until the idle timeout fires for bfqq. This is
4612                  * likely to result in lower bandwidth and higher
4613                  * latencies for bfqq, and in a severe loss of total
4614                  * throughput. The best action to take is therefore to
4615                  * serve the waker queue as soon as possible. So do it
4616                  * (without relying on the third alternative below for
4617                  * eventually serving waker_bfqq's I/O; see the last
4618                  * paragraph for further details). This systematic
4619                  * injection of I/O from the waker queue does not
4620                  * cause any delay to bfqq's I/O. On the contrary,
4621                  * next bfqq's I/O is brought forward dramatically,
4622                  * for it is not blocked for milliseconds.
4623                  *
4624                  * The third if checks whether there is a queue woken
4625                  * by bfqq, and currently with pending I/O. Such a
4626                  * woken queue does not steal bandwidth from bfqq,
4627                  * because it remains soon without I/O if bfqq is not
4628                  * served. So there is virtually no risk of loss of
4629                  * bandwidth for bfqq if this woken queue has I/O
4630                  * dispatched while bfqq is waiting for new I/O.
4631                  *
4632                  * The fourth if checks whether bfqq is a queue for
4633                  * which it is better to avoid injection. It is so if
4634                  * bfqq delivers more throughput when served without
4635                  * any further I/O from other queues in the middle, or
4636                  * if the service times of bfqq's I/O requests both
4637                  * count more than overall throughput, and may be
4638                  * easily increased by injection (this happens if bfqq
4639                  * has a short think time). If none of these
4640                  * conditions holds, then a candidate queue for
4641                  * injection is looked for through
4642                  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). Note that the
4643                  * latter may return NULL (for example if the inject
4644                  * limit for bfqq is currently 0).
4645                  *
4646                  * NOTE: motivation for the second alternative
4647                  *
4648                  * Thanks to the way the inject limit is updated in
4649                  * bfq_update_has_short_ttime(), it is rather likely
4650                  * that, if I/O is being plugged for bfqq and the
4651                  * waker queue has pending I/O requests that are
4652                  * blocking bfqq's I/O, then the fourth alternative
4653                  * above lets the waker queue get served before the
4654                  * I/O-plugging timeout fires. So one may deem the
4655                  * second alternative superfluous. It is not, because
4656                  * the fourth alternative may be way less effective in
4657                  * case of a synchronization. For two main
4658                  * reasons. First, throughput may be low because the
4659                  * inject limit may be too low to guarantee the same
4660                  * amount of injected I/O, from the waker queue or
4661                  * other queues, that the second alternative
4662                  * guarantees (the second alternative unconditionally
4663                  * injects a pending I/O request of the waker queue
4664                  * for each bfq_dispatch_request()). Second, with the
4665                  * fourth alternative, the duration of the plugging,
4666                  * i.e., the time before bfqq finally receives new I/O,
4667                  * may not be minimized, because the waker queue may
4668                  * happen to be served only after other queues.
4669                  */
4670                 if (async_bfqq &&
4671                     icq_to_bic(async_bfqq->next_rq->elv.icq) == bfqq->bic &&
4672                     bfq_serv_to_charge(async_bfqq->next_rq, async_bfqq) <=
4673                     bfq_bfqq_budget_left(async_bfqq))
4674                         bfqq = bfqq->bic->bfqq[0];
4675                 else if (bfqq->waker_bfqq &&
4676                            bfq_bfqq_busy(bfqq->waker_bfqq) &&
4677                            bfqq->waker_bfqq->next_rq &&
4678                            bfq_serv_to_charge(bfqq->waker_bfqq->next_rq,
4679                                               bfqq->waker_bfqq) <=
4680                            bfq_bfqq_budget_left(bfqq->waker_bfqq)
4681                         )
4682                         bfqq = bfqq->waker_bfqq;
4683                 else if (blocked_bfqq &&
4684                            bfq_bfqq_busy(blocked_bfqq) &&
4685                            blocked_bfqq->next_rq &&
4686                            bfq_serv_to_charge(blocked_bfqq->next_rq,
4687                                               blocked_bfqq) <=
4688                            bfq_bfqq_budget_left(blocked_bfqq)
4689                         )
4690                         bfqq = blocked_bfqq;
4691                 else if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
4692                          (bfqq->wr_coeff == 1 || bfqd->wr_busy_queues > 1 ||
4693                           !bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq)))
4694                         bfqq = bfq_choose_bfqq_for_injection(bfqd);
4695                 else
4696                         bfqq = NULL;
4697
4698                 goto keep_queue;
4699         }
4700
4701         reason = BFQQE_NO_MORE_REQUESTS;
4702 expire:
4703         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, reason);
4704 new_queue:
4705         bfqq = bfq_set_in_service_queue(bfqd);
4706         if (bfqq) {
4707                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: checking new queue");
4708                 goto check_queue;
4709         }
4710 keep_queue:
4711         if (bfqq)
4712                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: returned this queue");
4713         else
4714                 bfq_log(bfqd, "select_queue: no queue returned");
4715
4716         return bfqq;
4717 }
4718
4719 static void bfq_update_wr_data(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
4720 {
4721         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4722
4723         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* queue is being weight-raised */
4724                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4725                         "raising period dur %u/%u msec, old coeff %u, w %d(%d)",
4726                         jiffies_to_msecs(jiffies - bfqq->last_wr_start_finish),
4727                         jiffies_to_msecs(bfqq->wr_cur_max_time),
4728                         bfqq->wr_coeff,
4729                         bfqq->entity.weight, bfqq->entity.orig_weight);
4730
4731                 if (entity->prio_changed)
4732                         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "WARN: pending prio change");
4733
4734                 /*
4735                  * If the queue was activated in a burst, or too much
4736                  * time has elapsed from the beginning of this
4737                  * weight-raising period, then end weight raising.
4738                  */
4739                 if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
4740                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4741                 else if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
4742                                                 bfqq->wr_cur_max_time)) {
4743                         if (bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time ||
4744                         time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
4745                                                bfq_wr_duration(bfqd))) {
4746                                 /*
4747                                  * Either in interactive weight
4748                                  * raising, or in soft_rt weight
4749                                  * raising with the
4750                                  * interactive-weight-raising period
4751                                  * elapsed (so no switch back to
4752                                  * interactive weight raising).
4753                                  */
4754                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4755                         } else { /*
4756                                   * soft_rt finishing while still in
4757                                   * interactive period, switch back to
4758                                   * interactive weight raising
4759                                   */
4760                                 switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
4761                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
4762                         }
4763                 }
4764                 if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
4765                     bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
4766                     bfqq->service_from_wr > max_service_from_wr) {
4767                         /* see comments on max_service_from_wr */
4768                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4769                 }
4770         }
4771         /*
4772          * To improve latency (for this or other queues), immediately
4773          * update weight both if it must be raised and if it must be
4774          * lowered. Since, entity may be on some active tree here, and
4775          * might have a pending change of its ioprio class, invoke
4776          * next function with the last parameter unset (see the
4777          * comments on the function).
4778          */
4779         if ((entity->weight > entity->orig_weight) != (bfqq->wr_coeff > 1))
4780                 __bfq_entity_update_weight_prio(bfq_entity_service_tree(entity),
4781                                                 entity, false);
4782 }
4783
4784 /*
4785  * Dispatch next request from bfqq.
4786  */
4787 static struct request *bfq_dispatch_rq_from_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
4788                                                  struct bfq_queue *bfqq)
4789 {
4790         struct request *rq = bfqq->next_rq;
4791         unsigned long service_to_charge;
4792
4793         service_to_charge = bfq_serv_to_charge(rq, bfqq);
4794
4795         bfq_bfqq_served(bfqq, service_to_charge);
4796
4797         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfqd->wait_dispatch) {
4798                 bfqd->wait_dispatch = false;
4799                 bfqd->waited_rq = rq;
4800         }
4801
4802         bfq_dispatch_remove(bfqd->queue, rq);
4803
4804         if (bfqq != bfqd->in_service_queue)
4805                 goto return_rq;
4806
4807         /*
4808          * If weight raising has to terminate for bfqq, then next
4809          * function causes an immediate update of bfqq's weight,
4810          * without waiting for next activation. As a consequence, on
4811          * expiration, bfqq will be timestamped as if has never been
4812          * weight-raised during this service slot, even if it has
4813          * received part or even most of the service as a
4814          * weight-raised queue. This inflates bfqq's timestamps, which
4815          * is beneficial, as bfqq is then more willing to leave the
4816          * device immediately to possible other weight-raised queues.
4817          */
4818         bfq_update_wr_data(bfqd, bfqq);
4819
4820         /*
4821          * Expire bfqq, pretending that its budget expired, if bfqq
4822          * belongs to CLASS_IDLE and other queues are waiting for
4823          * service.
4824          */
4825         if (!(bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 1 && bfq_class_idle(bfqq)))
4826                 goto return_rq;
4827
4828         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED);
4829
4830 return_rq:
4831         return rq;
4832 }
4833
4834 static bool bfq_has_work(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4835 {
4836         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4837
4838         /*
4839          * Avoiding lock: a race on bfqd->busy_queues should cause at
4840          * most a call to dispatch for nothing
4841          */
4842         return !list_empty_careful(&bfqd->dispatch) ||
4843                 bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 0;
4844 }
4845
4846 static struct request *__bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4847 {
4848         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4849         struct request *rq = NULL;
4850         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
4851
4852         if (!list_empty(&bfqd->dispatch)) {
4853                 rq = list_first_entry(&bfqd->dispatch, struct request,
4854                                       queuelist);
4855                 list_del_init(&rq->queuelist);
4856
4857                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
4858
4859                 if (bfqq) {
4860                         /*
4861                          * Increment counters here, because this
4862                          * dispatch does not follow the standard
4863                          * dispatch flow (where counters are
4864                          * incremented)
4865                          */
4866                         bfqq->dispatched++;
4867
4868                         goto inc_in_driver_start_rq;
4869                 }
4870
4871                 /*
4872                  * We exploit the bfq_finish_requeue_request hook to
4873                  * decrement rq_in_driver, but
4874                  * bfq_finish_requeue_request will not be invoked on
4875                  * this request. So, to avoid unbalance, just start
4876                  * this request, without incrementing rq_in_driver. As
4877                  * a negative consequence, rq_in_driver is deceptively
4878                  * lower than it should be while this request is in
4879                  * service. This may cause bfq_schedule_dispatch to be
4880                  * invoked uselessly.
4881                  *
4882                  * As for implementing an exact solution, the
4883                  * bfq_finish_requeue_request hook, if defined, is
4884                  * probably invoked also on this request. So, by
4885                  * exploiting this hook, we could 1) increment
4886                  * rq_in_driver here, and 2) decrement it in
4887                  * bfq_finish_requeue_request. Such a solution would
4888                  * let the value of the counter be always accurate,
4889                  * but it would entail using an extra interface
4890                  * function. This cost seems higher than the benefit,
4891                  * being the frequency of non-elevator-private
4892                  * requests very low.
4893                  */
4894                 goto start_rq;
4895         }
4896
4897         bfq_log(bfqd, "dispatch requests: %d busy queues",
4898                 bfq_tot_busy_queues(bfqd));
4899
4900         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)
4901                 goto exit;
4902
4903         /*
4904          * Force device to serve one request at a time if
4905          * strict_guarantees is true. Forcing this service scheme is
4906          * currently the ONLY way to guarantee that the request
4907          * service order enforced by the scheduler is respected by a
4908          * queueing device. Otherwise the device is free even to make
4909          * some unlucky request wait for as long as the device
4910          * wishes.
4911          *
4912          * Of course, serving one request at a time may cause loss of
4913          * throughput.
4914          */
4915         if (bfqd->strict_guarantees && bfqd->rq_in_driver > 0)
4916                 goto exit;
4917
4918         bfqq = bfq_select_queue(bfqd);
4919         if (!bfqq)
4920                 goto exit;
4921
4922         rq = bfq_dispatch_rq_from_bfqq(bfqd, bfqq);
4923
4924         if (rq) {
4925 inc_in_driver_start_rq:
4926                 bfqd->rq_in_driver++;
4927 start_rq:
4928                 rq->rq_flags |= RQF_STARTED;
4929         }
4930 exit:
4931         return rq;
4932 }
4933
4934 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
4935 static void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
4936                                       struct request *rq,
4937                                       struct bfq_queue *in_serv_queue,
4938                                       bool idle_timer_disabled)
4939 {
4940         struct bfq_queue *bfqq = rq ? RQ_BFQQ(rq) : NULL;
4941
4942         if (!idle_timer_disabled && !bfqq)
4943                 return;
4944
4945         /*
4946          * rq and bfqq are guaranteed to exist until this function
4947          * ends, for the following reasons. First, rq can be
4948          * dispatched to the device, and then can be completed and
4949          * freed, only after this function ends. Second, rq cannot be
4950          * merged (and thus freed because of a merge) any longer,
4951          * because it has already started. Thus rq cannot be freed
4952          * before this function ends, and, since rq has a reference to
4953          * bfqq, the same guarantee holds for bfqq too.
4954          *
4955          * In addition, the following queue lock guarantees that
4956          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
4957          */
4958         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
4959         if (idle_timer_disabled)
4960                 /*
4961                  * Since the idle timer has been disabled,
4962                  * in_serv_queue contained some request when
4963                  * __bfq_dispatch_request was invoked above, which
4964                  * implies that rq was picked exactly from
4965                  * in_serv_queue. Thus in_serv_queue == bfqq, and is
4966                  * therefore guaranteed to exist because of the above
4967                  * arguments.
4968                  */
4969                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(in_serv_queue));
4970         if (bfqq) {
4971                 struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
4972
4973                 bfqg_stats_update_avg_queue_size(bfqg);
4974                 bfqg_stats_set_start_empty_time(bfqg);
4975                 bfqg_stats_update_io_remove(bfqg, rq->cmd_flags);
4976         }
4977         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
4978 }
4979 #else
4980 static inline void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
4981                                              struct request *rq,
4982                                              struct bfq_queue *in_serv_queue,
4983                                              bool idle_timer_disabled) {}
4984 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
4985
4986 static struct request *bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4987 {
4988         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4989         struct request *rq;
4990         struct bfq_queue *in_serv_queue;
4991         bool waiting_rq, idle_timer_disabled;
4992
4993         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
4994
4995         in_serv_queue = bfqd->in_service_queue;
4996         waiting_rq = in_serv_queue && bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
4997
4998         rq = __bfq_dispatch_request(hctx);
4999
5000         idle_timer_disabled =
5001                 waiting_rq && !bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5002
5003         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5004
5005         bfq_update_dispatch_stats(hctx->queue, rq, in_serv_queue,
5006                                   idle_timer_disabled);
5007
5008         return rq;
5009 }
5010
5011 /*
5012  * Task holds one reference to the queue, dropped when task exits.  Each rq
5013  * in-flight on this queue also holds a reference, dropped when rq is freed.
5014  *
5015  * Scheduler lock must be held here. Recall not to use bfqq after calling
5016  * this function on it.
5017  */
5018 void bfq_put_queue(struct bfq_queue *bfqq)
5019 {
5020         struct bfq_queue *item;
5021         struct hlist_node *n;
5022         struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
5023
5024         if (bfqq->bfqd)
5025                 bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "put_queue: %p %d",
5026                              bfqq, bfqq->ref);
5027
5028         bfqq->ref--;
5029         if (bfqq->ref)
5030                 return;
5031
5032         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node)) {
5033                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
5034                 /*
5035                  * Decrement also burst size after the removal, if the
5036                  * process associated with bfqq is exiting, and thus
5037                  * does not contribute to the burst any longer. This
5038                  * decrement helps filter out false positives of large
5039                  * bursts, when some short-lived process (often due to
5040                  * the execution of commands by some service) happens
5041                  * to start and exit while a complex application is
5042                  * starting, and thus spawning several processes that
5043                  * do I/O (and that *must not* be treated as a large
5044                  * burst, see comments on bfq_handle_burst).
5045                  *
5046                  * In particular, the decrement is performed only if:
5047                  * 1) bfqq is not a merged queue, because, if it is,
5048                  * then this free of bfqq is not triggered by the exit
5049                  * of the process bfqq is associated with, but exactly
5050                  * by the fact that bfqq has just been merged.
5051                  * 2) burst_size is greater than 0, to handle
5052                  * unbalanced decrements. Unbalanced decrements may
5053                  * happen in te following case: bfqq is inserted into
5054                  * the current burst list--without incrementing
5055                  * bust_size--because of a split, but the current
5056                  * burst list is not the burst list bfqq belonged to
5057                  * (see comments on the case of a split in
5058                  * bfq_set_request).
5059                  */
5060                 if (bfqq->bic && bfqq->bfqd->burst_size > 0)
5061                         bfqq->bfqd->burst_size--;
5062         }
5063
5064         /*
5065          * bfqq does not exist any longer, so it cannot be woken by
5066          * any other queue, and cannot wake any other queue. Then bfqq
5067          * must be removed from the woken list of its possible waker
5068          * queue, and all queues in the woken list of bfqq must stop
5069          * having a waker queue. Strictly speaking, these updates
5070          * should be performed when bfqq remains with no I/O source
5071          * attached to it, which happens before bfqq gets freed. In
5072          * particular, this happens when the last process associated
5073          * with bfqq exits or gets associated with a different
5074          * queue. However, both events lead to bfqq being freed soon,
5075          * and dangling references would come out only after bfqq gets
5076          * freed. So these updates are done here, as a simple and safe
5077          * way to handle all cases.
5078          */
5079         /* remove bfqq from woken list */
5080         if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
5081                 hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
5082
5083         /* reset waker for all queues in woken list */
5084         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqq->woken_list,
5085                                   woken_list_node) {
5086                 item->waker_bfqq = NULL;
5087                 hlist_del_init(&item->woken_list_node);
5088         }
5089
5090         if (bfqq->bfqd && bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq)
5091                 bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq = NULL;
5092
5093         kmem_cache_free(bfq_pool, bfqq);
5094         bfqg_and_blkg_put(bfqg);
5095 }
5096
5097 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq)
5098 {
5099         bfqq->stable_ref--;
5100         bfq_put_queue(bfqq);
5101 }
5102
5103 static void bfq_put_cooperator(struct bfq_queue *bfqq)
5104 {
5105         struct bfq_queue *__bfqq, *next;
5106
5107         /*
5108          * If this queue was scheduled to merge with another queue, be
5109          * sure to drop the reference taken on that queue (and others in
5110          * the merge chain). See bfq_setup_merge and bfq_merge_bfqqs.
5111          */
5112         __bfqq = bfqq->new_bfqq;
5113         while (__bfqq) {
5114                 if (__bfqq == bfqq)
5115                         break;
5116                 next = __bfqq->new_bfqq;
5117                 bfq_put_queue(__bfqq);
5118                 __bfqq = next;
5119         }
5120 }
5121
5122 static void bfq_exit_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
5123 {
5124         if (bfqq == bfqd->in_service_queue) {
5125                 __bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5126                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
5127         }
5128
5129         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "exit_bfqq: %p, %d", bfqq, bfqq->ref);
5130
5131         bfq_put_cooperator(bfqq);
5132
5133         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5134 }
5135
5136 static void bfq_exit_icq_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
5137 {
5138         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
5139         struct bfq_data *bfqd;
5140
5141         if (bfqq)
5142                 bfqd = bfqq->bfqd; /* NULL if scheduler already exited */
5143
5144         if (bfqq && bfqd) {
5145                 unsigned long flags;
5146
5147                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5148                 bfqq->bic = NULL;
5149                 bfq_exit_bfqq(bfqd, bfqq);
5150                 bic_set_bfqq(bic, NULL, is_sync);
5151                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5152         }
5153 }
5154
5155 static void bfq_exit_icq(struct io_cq *icq)
5156 {
5157         struct bfq_io_cq *bic = icq_to_bic(icq);
5158
5159         if (bic->stable_merge_bfqq) {
5160                 struct bfq_data *bfqd = bic->stable_merge_bfqq->bfqd;
5161
5162                 /*
5163                  * bfqd is NULL if scheduler already exited, and in
5164                  * that case this is the last time bfqq is accessed.
5165                  */
5166                 if (bfqd) {
5167                         unsigned long flags;
5168
5169                         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5170                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5171                         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5172                 } else {
5173                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5174                 }
5175         }
5176
5177         bfq_exit_icq_bfqq(bic, true);
5178         bfq_exit_icq_bfqq(bic, false);
5179 }
5180
5181 /*
5182  * Update the entity prio values; note that the new values will not
5183  * be used until the next (re)activation.
5184  */
5185 static void
5186 bfq_set_next_ioprio_data(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_io_cq *bic)
5187 {
5188         struct task_struct *tsk = current;
5189         int ioprio_class;
5190         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
5191
5192         if (!bfqd)
5193                 return;
5194
5195         ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5196         switch (ioprio_class) {
5197         default:
5198                 pr_err("bdi %s: bfq: bad prio class %d\n",
5199                                 bdi_dev_name(bfqq->bfqd->queue->backing_dev_info),
5200                                 ioprio_class);
5201                 fallthrough;
5202         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5203                 /*
5204                  * No prio set, inherit CPU scheduling settings.
5205                  */
5206                 bfqq->new_ioprio = task_nice_ioprio(tsk);
5207                 bfqq->new_ioprio_class = task_nice_ioclass(tsk);
5208                 break;
5209         case IOPRIO_CLASS_RT:
5210                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5211                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_RT;
5212                 break;
5213         case IOPRIO_CLASS_BE:
5214                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5215                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
5216                 break;
5217         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5218                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_IDLE;
5219                 bfqq->new_ioprio = 7;
5220                 break;
5221         }
5222
5223         if (bfqq->new_ioprio >= IOPRIO_BE_NR) {
5224                 pr_crit("bfq_set_next_ioprio_data: new_ioprio %d\n",
5225                         bfqq->new_ioprio);
5226                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_BE_NR;
5227         }
5228
5229         bfqq->entity.new_weight = bfq_ioprio_to_weight(bfqq->new_ioprio);
5230         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "new_ioprio %d new_weight %d",
5231                      bfqq->new_ioprio, bfqq->entity.new_weight);
5232         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5233 }
5234
5235 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5236                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5237                                        struct bfq_io_cq *bic,
5238                                        bool respawn);
5239
5240 static void bfq_check_ioprio_change(struct bfq_io_cq *bic, struct bio *bio)
5241 {
5242         struct bfq_data *bfqd = bic_to_bfqd(bic);
5243         struct bfq_queue *bfqq;
5244         int ioprio = bic->icq.ioc->ioprio;
5245
5246         /*
5247          * This condition may trigger on a newly created bic, be sure to
5248          * drop the lock before returning.
5249          */
5250         if (unlikely(!bfqd) || likely(bic->ioprio == ioprio))
5251                 return;
5252
5253         bic->ioprio = ioprio;
5254
5255         bfqq = bic_to_bfqq(bic, false);
5256         if (bfqq) {
5257                 bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5258                 bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, BLK_RW_ASYNC, bic, true);
5259                 bic_set_bfqq(bic, bfqq, false);
5260         }
5261
5262         bfqq = bic_to_bfqq(bic, true);
5263         if (bfqq)
5264                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5265 }
5266
5267 static void bfq_init_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5268                           struct bfq_io_cq *bic, pid_t pid, int is_sync)
5269 {
5270         u64 now_ns = ktime_get_ns();
5271
5272         RB_CLEAR_NODE(&bfqq->entity.rb_node);
5273         INIT_LIST_HEAD(&bfqq->fifo);
5274         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->burst_list_node);
5275         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->woken_list_node);
5276         INIT_HLIST_HEAD(&bfqq->woken_list);
5277
5278         bfqq->ref = 0;
5279         bfqq->bfqd = bfqd;
5280
5281         if (bic)
5282                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5283
5284         if (is_sync) {
5285                 /*
5286                  * No need to mark as has_short_ttime if in
5287                  * idle_class, because no device idling is performed
5288                  * for queues in idle class
5289                  */
5290                 if (!bfq_class_idle(bfqq))
5291                         /* tentatively mark as has_short_ttime */
5292                         bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5293                 bfq_mark_bfqq_sync(bfqq);
5294                 bfq_mark_bfqq_just_created(bfqq);
5295         } else
5296                 bfq_clear_bfqq_sync(bfqq);
5297
5298         /* set end request to minus infinity from now */
5299         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns + 1;
5300
5301         bfqq->creation_time = jiffies;
5302
5303         bfqq->io_start_time = now_ns;
5304
5305         bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
5306
5307         bfqq->pid = pid;
5308
5309         /* Tentative initial value to trade off between thr and lat */
5310         bfqq->max_budget = (2 * bfq_max_budget(bfqd)) / 3;
5311         bfqq->budget_timeout = bfq_smallest_from_now();
5312
5313         bfqq->wr_coeff = 1;
5314         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
5315         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
5316         bfqq->split_time = bfq_smallest_from_now();
5317
5318         /*
5319          * To not forget the possibly high bandwidth consumed by a
5320          * process/queue in the recent past,
5321          * bfq_bfqq_softrt_next_start() returns a value at least equal
5322          * to the current value of bfqq->soft_rt_next_start (see
5323          * comments on bfq_bfqq_softrt_next_start).  Set
5324          * soft_rt_next_start to now, to mean that bfqq has consumed
5325          * no bandwidth so far.
5326          */
5327         bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
5328
5329         /* first request is almost certainly seeky */
5330         bfqq->seek_history = 1;
5331 }
5332
5333 static struct bfq_queue **bfq_async_queue_prio(struct bfq_data *bfqd,
5334                                                struct bfq_group *bfqg,
5335                                                int ioprio_class, int ioprio)
5336 {
5337         switch (ioprio_class) {
5338         case IOPRIO_CLASS_RT:
5339                 return &bfqg->async_bfqq[0][ioprio];
5340         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5341                 ioprio = IOPRIO_NORM;
5342                 fallthrough;
5343         case IOPRIO_CLASS_BE:
5344                 return &bfqg->async_bfqq[1][ioprio];
5345         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5346                 return &bfqg->async_idle_bfqq;
5347         default:
5348                 return NULL;
5349         }
5350 }
5351
5352 static struct bfq_queue *
5353 bfq_do_early_stable_merge(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5354                           struct bfq_io_cq *bic,
5355                           struct bfq_queue *last_bfqq_created)
5356 {
5357         struct bfq_queue *new_bfqq =
5358                 bfq_setup_merge(bfqq, last_bfqq_created);
5359
5360         if (!new_bfqq)
5361                 return bfqq;
5362
5363         if (new_bfqq->bic)
5364                 new_bfqq->bic->stably_merged = true;
5365         bic->stably_merged = true;
5366
5367         /*
5368          * Reusing merge functions. This implies that
5369          * bfqq->bic must be set too, for
5370          * bfq_merge_bfqqs to correctly save bfqq's
5371          * state before killing it.
5372          */
5373         bfqq->bic = bic;
5374         bfq_merge_bfqqs(bfqd, bic, bfqq, new_bfqq);
5375
5376         return new_bfqq;
5377 }
5378
5379 /*
5380  * Many throughput-sensitive workloads are made of several parallel
5381  * I/O flows, with all flows generated by the same application, or
5382  * more generically by the same task (e.g., system boot). The most
5383  * counterproductive action with these workloads is plugging I/O
5384  * dispatch when one of the bfq_queues associated with these flows
5385  * remains temporarily empty.
5386  *
5387  * To avoid this plugging, BFQ has been using a burst-handling
5388  * mechanism for years now. This mechanism has proven effective for
5389  * throughput, and not detrimental for service guarantees. The
5390  * following function pushes this mechanism a little bit further,
5391  * basing on the following two facts.
5392  *
5393  * First, all the I/O flows of a the same application or task
5394  * contribute to the execution/completion of that common application
5395  * or task. So the performance figures that matter are total
5396  * throughput of the flows and task-wide I/O latency.  In particular,
5397  * these flows do not need to be protected from each other, in terms
5398  * of individual bandwidth or latency.
5399  *
5400  * Second, the above fact holds regardless of the number of flows.
5401  *
5402  * Putting these two facts together, this commits merges stably the
5403  * bfq_queues associated with these I/O flows, i.e., with the
5404  * processes that generate these IO/ flows, regardless of how many the
5405  * involved processes are.
5406  *
5407  * To decide whether a set of bfq_queues is actually associated with
5408  * the I/O flows of a common application or task, and to merge these
5409  * queues stably, this function operates as follows: given a bfq_queue,
5410  * say Q2, currently being created, and the last bfq_queue, say Q1,
5411  * created before Q2, Q2 is merged stably with Q1 if
5412  * - very little time has elapsed since when Q1 was created
5413  * - Q2 has the same ioprio as Q1
5414  * - Q2 belongs to the same group as Q1
5415  *
5416  * Merging bfq_queues also reduces scheduling overhead. A fio test
5417  * with ten random readers on /dev/nullb shows a throughput boost of
5418  * 40%, with a quadcore. Since BFQ's execution time amounts to ~50% of
5419  * the total per-request processing time, the above throughput boost
5420  * implies that BFQ's overhead is reduced by more than 50%.
5421  *
5422  * This new mechanism most certainly obsoletes the current
5423  * burst-handling heuristics. We keep those heuristics for the moment.
5424  */
5425 static struct bfq_queue *bfq_do_or_sched_stable_merge(struct bfq_data *bfqd,
5426                                                       struct bfq_queue *bfqq,
5427                                                       struct bfq_io_cq *bic)
5428 {
5429         struct bfq_queue **source_bfqq = bfqq->entity.parent ?
5430                 &bfqq->entity.parent->last_bfqq_created :
5431                 &bfqd->last_bfqq_created;
5432
5433         struct bfq_queue *last_bfqq_created = *source_bfqq;
5434
5435         /*
5436          * If last_bfqq_created has not been set yet, then init it. If
5437          * it has been set already, but too long ago, then move it
5438          * forward to bfqq. Finally, move also if bfqq belongs to a
5439          * different group than last_bfqq_created, or if bfqq has a
5440          * different ioprio or ioprio_class. If none of these
5441          * conditions holds true, then try an early stable merge or
5442          * schedule a delayed stable merge.
5443          *
5444          * A delayed merge is scheduled (instead of performing an
5445          * early merge), in case bfqq might soon prove to be more
5446          * throughput-beneficial if not merged. Currently this is
5447          * possible only if bfqd is rotational with no queueing. For
5448          * such a drive, not merging bfqq is better for throughput if
5449          * bfqq happens to contain sequential I/O. So, we wait a
5450          * little bit for enough I/O to flow through bfqq. After that,
5451          * if such an I/O is sequential, then the merge is
5452          * canceled. Otherwise the merge is finally performed.
5453          */
5454         if (!last_bfqq_created ||
5455             time_before(last_bfqq_created->creation_time +
5456                         bfqd->bfq_burst_interval,
5457                         bfqq->creation_time) ||
5458                 bfqq->entity.parent != last_bfqq_created->entity.parent ||
5459                 bfqq->ioprio != last_bfqq_created->ioprio ||
5460                 bfqq->ioprio_class != last_bfqq_created->ioprio_class)
5461                 *source_bfqq = bfqq;
5462         else if (time_after_eq(last_bfqq_created->creation_time +
5463                                  bfqd->bfq_burst_interval,
5464                                  bfqq->creation_time)) {
5465                 if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
5466                         /*
5467                          * With this type of drive, leaving
5468                          * bfqq alone may provide no
5469                          * throughput benefits compared with
5470                          * merging bfqq. So merge bfqq now.
5471                          */
5472                         bfqq = bfq_do_early_stable_merge(bfqd, bfqq,
5473                                                          bic,
5474                                                          last_bfqq_created);
5475                 else { /* schedule tentative stable merge */
5476                         /*
5477                          * get reference on last_bfqq_created,
5478                          * to prevent it from being freed,
5479                          * until we decide whether to merge
5480                          */
5481                         last_bfqq_created->ref++;
5482                         /*
5483                          * need to keep track of stable refs, to
5484                          * compute process refs correctly
5485                          */
5486                         last_bfqq_created->stable_ref++;
5487                         /*
5488                          * Record the bfqq to merge to.
5489                          */
5490                         bic->stable_merge_bfqq = last_bfqq_created;
5491                 }
5492         }
5493
5494         return bfqq;
5495 }
5496
5497
5498 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5499                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5500                                        struct bfq_io_cq *bic,
5501                                        bool respawn)
5502 {
5503         const int ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5504         const int ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5505         struct bfq_queue **async_bfqq = NULL;
5506         struct bfq_queue *bfqq;
5507         struct bfq_group *bfqg;
5508
5509         rcu_read_lock();
5510
5511         bfqg = bfq_find_set_group(bfqd, __bio_blkcg(bio));
5512         if (!bfqg) {
5513                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5514                 goto out;
5515         }
5516
5517         if (!is_sync) {
5518                 async_bfqq = bfq_async_queue_prio(bfqd, bfqg, ioprio_class,
5519                                                   ioprio);
5520                 bfqq = *async_bfqq;
5521                 if (bfqq)
5522                         goto out;
5523         }
5524
5525         bfqq = kmem_cache_alloc_node(bfq_pool,
5526                                      GFP_NOWAIT | __GFP_ZERO | __GFP_NOWARN,
5527                                      bfqd->queue->node);
5528
5529         if (bfqq) {
5530                 bfq_init_bfqq(bfqd, bfqq, bic, current->pid,
5531                               is_sync);
5532                 bfq_init_entity(&bfqq->entity, bfqg);
5533                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "allocated");
5534         } else {
5535                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5536                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "using oom bfqq");
5537                 goto out;
5538         }
5539
5540         /*
5541          * Pin the queue now that it's allocated, scheduler exit will
5542          * prune it.
5543          */
5544         if (async_bfqq) {
5545                 bfqq->ref++; /*
5546                               * Extra group reference, w.r.t. sync
5547                               * queue. This extra reference is removed
5548                               * only if bfqq->bfqg disappears, to
5549                               * guarantee that this queue is not freed
5550                               * until its group goes away.
5551                               */
5552                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_queue, bfqq not in async: %p, %d",
5553                              bfqq, bfqq->ref);
5554                 *async_bfqq = bfqq;
5555         }
5556
5557 out:
5558         bfqq->ref++; /* get a process reference to this queue */
5559
5560         if (bfqq != &bfqd->oom_bfqq && is_sync && !respawn)
5561                 bfqq = bfq_do_or_sched_stable_merge(bfqd, bfqq, bic);
5562
5563         rcu_read_unlock();
5564         return bfqq;
5565 }
5566
5567 static void bfq_update_io_thinktime(struct bfq_data *bfqd,
5568                                     struct bfq_queue *bfqq)
5569 {
5570         struct bfq_ttime *ttime = &bfqq->ttime;
5571         u64 elapsed;
5572
5573         /*
5574          * We are really interested in how long it takes for the queue to
5575          * become busy when there is no outstanding IO for this queue. So
5576          * ignore cases when the bfq queue has already IO queued.
5577          */
5578         if (bfqq->dispatched || bfq_bfqq_busy(bfqq))
5579                 return;
5580         elapsed = ktime_get_ns() - bfqq->ttime.last_end_request;
5581         elapsed = min_t(u64, elapsed, 2ULL * bfqd->bfq_slice_idle);
5582
5583         ttime->ttime_samples = (7*ttime->ttime_samples + 256) / 8;
5584         ttime->ttime_total = div_u64(7*ttime->ttime_total + 256*elapsed,  8);
5585         ttime->ttime_mean = div64_ul(ttime->ttime_total + 128,
5586                                      ttime->ttime_samples);
5587 }
5588
5589 static void
5590 bfq_update_io_seektime(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5591                        struct request *rq)
5592 {
5593         bfqq->seek_history <<= 1;
5594         bfqq->seek_history |= BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqq->last_request_pos, rq);
5595
5596         if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
5597             bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
5598             BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)) {
5599                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
5600                                            bfq_wr_duration(bfqd))) {
5601                         /*
5602                          * In soft_rt weight raising with the
5603                          * interactive-weight-raising period
5604                          * elapsed (so no switch back to
5605                          * interactive weight raising).
5606                          */
5607                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
5608                 } else { /*
5609                           * stopping soft_rt weight raising
5610                           * while still in interactive period,
5611                           * switch back to interactive weight
5612                           * raising
5613                           */
5614                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
5615                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5616                 }
5617         }
5618 }
5619
5620 static void bfq_update_has_short_ttime(struct bfq_data *bfqd,
5621                                        struct bfq_queue *bfqq,
5622                                        struct bfq_io_cq *bic)
5623 {
5624         bool has_short_ttime = true, state_changed;
5625
5626         /*
5627          * No need to update has_short_ttime if bfqq is async or in
5628          * idle io prio class, or if bfq_slice_idle is zero, because
5629          * no device idling is performed for bfqq in this case.
5630          */
5631         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfq_class_idle(bfqq) ||
5632             bfqd->bfq_slice_idle == 0)
5633                 return;
5634
5635         /* Idle window just restored, statistics are meaningless. */
5636         if (time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
5637                                      bfqd->bfq_wr_min_idle_time))
5638                 return;
5639
5640         /* Think time is infinite if no process is linked to
5641          * bfqq. Otherwise check average think time to decide whether
5642          * to mark as has_short_ttime. To this goal, compare average
5643          * think time with half the I/O-plugging timeout.
5644          */
5645         if (atomic_read(&bic->icq.ioc->active_ref) == 0 ||
5646             (bfq_sample_valid(bfqq->ttime.ttime_samples) &&
5647              bfqq->ttime.ttime_mean > bfqd->bfq_slice_idle>>1))
5648                 has_short_ttime = false;
5649
5650         state_changed = has_short_ttime != bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5651
5652         if (has_short_ttime)
5653                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5654         else
5655                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5656
5657         /*
5658          * Until the base value for the total service time gets
5659          * finally computed for bfqq, the inject limit does depend on
5660          * the think-time state (short|long). In particular, the limit
5661          * is 0 or 1 if the think time is deemed, respectively, as
5662          * short or long (details in the comments in
5663          * bfq_update_inject_limit()). Accordingly, the next
5664          * instructions reset the inject limit if the think-time state
5665          * has changed and the above base value is still to be
5666          * computed.
5667          *
5668          * However, the reset is performed only if more than 100 ms
5669          * have elapsed since the last update of the inject limit, or
5670          * (inclusive) if the change is from short to long think
5671          * time. The reason for this waiting is as follows.
5672          *
5673          * bfqq may have a long think time because of a
5674          * synchronization with some other queue, i.e., because the
5675          * I/O of some other queue may need to be completed for bfqq
5676          * to receive new I/O. Details in the comments on the choice
5677          * of the queue for injection in bfq_select_queue().
5678          *
5679          * As stressed in those comments, if such a synchronization is
5680          * actually in place, then, without injection on bfqq, the
5681          * blocking I/O cannot happen to served while bfqq is in
5682          * service. As a consequence, if bfqq is granted
5683          * I/O-dispatch-plugging, then bfqq remains empty, and no I/O
5684          * is dispatched, until the idle timeout fires. This is likely
5685          * to result in lower bandwidth and higher latencies for bfqq,
5686          * and in a severe loss of total throughput.
5687          *
5688          * On the opposite end, a non-zero inject limit may allow the
5689          * I/O that blocks bfqq to be executed soon, and therefore
5690          * bfqq to receive new I/O soon.
5691          *
5692          * But, if the blocking gets actually eliminated, then the
5693          * next think-time sample for bfqq may be very low. This in
5694          * turn may cause bfqq's think time to be deemed
5695          * short. Without the 100 ms barrier, this new state change
5696          * would cause the body of the next if to be executed
5697          * immediately. But this would set to 0 the inject
5698          * limit. Without injection, the blocking I/O would cause the
5699          * think time of bfqq to become long again, and therefore the
5700          * inject limit to be raised again, and so on. The only effect
5701          * of such a steady oscillation between the two think-time
5702          * states would be to prevent effective injection on bfqq.
5703          *
5704          * In contrast, if the inject limit is not reset during such a
5705          * long time interval as 100 ms, then the number of short
5706          * think time samples can grow significantly before the reset
5707          * is performed. As a consequence, the think time state can
5708          * become stable before the reset. Therefore there will be no
5709          * state change when the 100 ms elapse, and no reset of the
5710          * inject limit. The inject limit remains steadily equal to 1
5711          * both during and after the 100 ms. So injection can be
5712          * performed at all times, and throughput gets boosted.
5713          *
5714          * An inject limit equal to 1 is however in conflict, in
5715          * general, with the fact that the think time of bfqq is
5716          * short, because injection may be likely to delay bfqq's I/O
5717          * (as explained in the comments in
5718          * bfq_update_inject_limit()). But this does not happen in
5719          * this special case, because bfqq's low think time is due to
5720          * an effective handling of a synchronization, through
5721          * injection. In this special case, bfqq's I/O does not get
5722          * delayed by injection; on the contrary, bfqq's I/O is
5723          * brought forward, because it is not blocked for
5724          * milliseconds.
5725          *
5726          * In addition, serving the blocking I/O much sooner, and much
5727          * more frequently than once per I/O-plugging timeout, makes
5728          * it much quicker to detect a waker queue (the concept of
5729          * waker queue is defined in the comments in
5730          * bfq_add_request()). This makes it possible to start sooner
5731          * to boost throughput more effectively, by injecting the I/O
5732          * of the waker queue unconditionally on every
5733          * bfq_dispatch_request().
5734          *
5735          * One last, important benefit of not resetting the inject
5736          * limit before 100 ms is that, during this time interval, the
5737          * base value for the total service time is likely to get
5738          * finally computed for bfqq, freeing the inject limit from
5739          * its relation with the think time.
5740          */
5741         if (state_changed && bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
5742             (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
5743                                       msecs_to_jiffies(100)) ||
5744              !has_short_ttime))
5745                 bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
5746 }
5747
5748 /*
5749  * Called when a new fs request (rq) is added to bfqq.  Check if there's
5750  * something we should do about it.
5751  */
5752 static void bfq_rq_enqueued(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5753                             struct request *rq)
5754 {
5755         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
5756                 bfqq->meta_pending++;
5757
5758         bfqq->last_request_pos = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
5759
5760         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
5761                 bool small_req = bfqq->queued[rq_is_sync(rq)] == 1 &&
5762                                  blk_rq_sectors(rq) < 32;
5763                 bool budget_timeout = bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
5764
5765                 /*
5766                  * There is just this request queued: if
5767                  * - the request is small, and
5768                  * - we are idling to boost throughput, and
5769                  * - the queue is not to be expired,
5770                  * then just exit.
5771                  *
5772                  * In this way, if the device is being idled to wait
5773                  * for a new request from the in-service queue, we
5774                  * avoid unplugging the device and committing the
5775                  * device to serve just a small request. In contrast
5776                  * we wait for the block layer to decide when to
5777                  * unplug the device: hopefully, new requests will be
5778                  * merged to this one quickly, then the device will be
5779                  * unplugged and larger requests will be dispatched.
5780                  */
5781                 if (small_req && idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
5782                     !budget_timeout)
5783                         return;
5784
5785                 /*
5786                  * A large enough request arrived, or idling is being
5787                  * performed to preserve service guarantees, or
5788                  * finally the queue is to be expired: in all these
5789                  * cases disk idling is to be stopped, so clear
5790                  * wait_request flag and reset timer.
5791                  */
5792                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
5793                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
5794
5795                 /*
5796                  * The queue is not empty, because a new request just
5797                  * arrived. Hence we can safely expire the queue, in
5798                  * case of budget timeout, without risking that the
5799                  * timestamps of the queue are not updated correctly.
5800                  * See [1] for more details.
5801                  */
5802                 if (budget_timeout)
5803                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
5804                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5805         }
5806 }
5807
5808 /* returns true if it causes the idle timer to be disabled */
5809 static bool __bfq_insert_request(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
5810 {
5811         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq),
5812                 *new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, rq, true,
5813                                                  RQ_BIC(rq));
5814         bool waiting, idle_timer_disabled = false;
5815
5816         if (new_bfqq) {
5817                 /*
5818                  * Release the request's reference to the old bfqq
5819                  * and make sure one is taken to the shared queue.
5820                  */
5821                 new_bfqq->allocated++;
5822                 bfqq->allocated--;
5823                 new_bfqq->ref++;
5824                 /*
5825                  * If the bic associated with the process
5826                  * issuing this request still points to bfqq
5827                  * (and thus has not been already redirected
5828                  * to new_bfqq or even some other bfq_queue),
5829                  * then complete the merge and redirect it to
5830                  * new_bfqq.
5831                  */
5832                 if (bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1) == bfqq)
5833                         bfq_merge_bfqqs(bfqd, RQ_BIC(rq),
5834                                         bfqq, new_bfqq);
5835
5836                 bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
5837                 /*
5838                  * rq is about to be enqueued into new_bfqq,
5839                  * release rq reference on bfqq
5840                  */
5841                 bfq_put_queue(bfqq);
5842                 rq->elv.priv[1] = new_bfqq;
5843                 bfqq = new_bfqq;
5844         }
5845
5846         bfq_update_io_thinktime(bfqd, bfqq);
5847         bfq_update_has_short_ttime(bfqd, bfqq, RQ_BIC(rq));
5848         bfq_update_io_seektime(bfqd, bfqq, rq);
5849
5850         waiting = bfqq && bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5851         bfq_add_request(rq);
5852         idle_timer_disabled = waiting && !bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5853
5854         rq->fifo_time = ktime_get_ns() + bfqd->bfq_fifo_expire[rq_is_sync(rq)];
5855         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqq->fifo);
5856
5857         bfq_rq_enqueued(bfqd, bfqq, rq);
5858
5859         return idle_timer_disabled;
5860 }
5861
5862 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
5863 static void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5864                                     struct bfq_queue *bfqq,
5865                                     bool idle_timer_disabled,
5866                                     unsigned int cmd_flags)
5867 {
5868         if (!bfqq)
5869                 return;
5870
5871         /*
5872          * bfqq still exists, because it can disappear only after
5873          * either it is merged with another queue, or the process it
5874          * is associated with exits. But both actions must be taken by
5875          * the same process currently executing this flow of
5876          * instructions.
5877          *
5878          * In addition, the following queue lock guarantees that
5879          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
5880          */
5881         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
5882         bfqg_stats_update_io_add(bfqq_group(bfqq), bfqq, cmd_flags);
5883         if (idle_timer_disabled)
5884                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(bfqq));
5885         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5886 }
5887 #else
5888 static inline void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5889                                            struct bfq_queue *bfqq,
5890                                            bool idle_timer_disabled,
5891                                            unsigned int cmd_flags) {}
5892 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5893
5894 static void bfq_insert_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct request *rq,
5895                                bool at_head)
5896 {
5897         struct request_queue *q = hctx->queue;
5898         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
5899         struct bfq_queue *bfqq;
5900         bool idle_timer_disabled = false;
5901         unsigned int cmd_flags;
5902
5903 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5904         if (!cgroup_subsys_on_dfl(io_cgrp_subsys) && rq->bio)
5905                 bfqg_stats_update_legacy_io(q, rq);
5906 #endif
5907         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5908         if (blk_mq_sched_try_insert_merge(q, rq)) {
5909                 spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5910                 return;
5911         }
5912
5913         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5914
5915         trace_block_rq_insert(rq);
5916
5917         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5918         bfqq = bfq_init_rq(rq);
5919
5920         /*
5921          * Reqs with at_head or passthrough flags set are to be put
5922          * directly into dispatch list. Additional case for putting rq
5923          * directly into the dispatch queue: the only active
5924          * bfq_queues are bfqq and either its waker bfq_queue or one
5925          * of its woken bfq_queues. The rationale behind this
5926          * additional condition is as follows:
5927          * - consider a bfq_queue, say Q1, detected as a waker of
5928          *   another bfq_queue, say Q2
5929          * - by definition of a waker, Q1 blocks the I/O of Q2, i.e.,
5930          *   some I/O of Q1 needs to be completed for new I/O of Q2
5931          *   to arrive.  A notable example of waker is journald
5932          * - so, Q1 and Q2 are in any respect the queues of two
5933          *   cooperating processes (or of two cooperating sets of
5934          *   processes): the goal of Q1's I/O is doing what needs to
5935          *   be done so that new Q2's I/O can finally be
5936          *   issued. Therefore, if the service of Q1's I/O is delayed,
5937          *   then Q2's I/O is delayed too.  Conversely, if Q2's I/O is
5938          *   delayed, the goal of Q1's I/O is hindered.
5939          * - as a consequence, if some I/O of Q1/Q2 arrives while
5940          *   Q2/Q1 is the only queue in service, there is absolutely
5941          *   no point in delaying the service of such an I/O. The
5942          *   only possible result is a throughput loss
5943          * - so, when the above condition holds, the best option is to
5944          *   have the new I/O dispatched as soon as possible
5945          * - the most effective and efficient way to attain the above
5946          *   goal is to put the new I/O directly in the dispatch
5947          *   list
5948          * - as an additional restriction, Q1 and Q2 must be the only
5949          *   busy queues for this commit to put the I/O of Q2/Q1 in
5950          *   the dispatch list.  This is necessary, because, if also
5951          *   other queues are waiting for service, then putting new
5952          *   I/O directly in the dispatch list may evidently cause a
5953          *   violation of service guarantees for the other queues
5954          */
5955         if (!bfqq ||
5956             (bfqq != bfqd->in_service_queue &&
5957              bfqd->in_service_queue != NULL &&
5958              bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1 + bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
5959              (bfqq->waker_bfqq == bfqd->in_service_queue ||
5960               bfqd->in_service_queue->waker_bfqq == bfqq)) || at_head) {
5961                 if (at_head)
5962                         list_add(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5963                 else
5964                         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5965         } else {
5966                 idle_timer_disabled = __bfq_insert_request(bfqd, rq);
5967                 /*
5968                  * Update bfqq, because, if a queue merge has occurred
5969                  * in __bfq_insert_request, then rq has been
5970                  * redirected into a new queue.
5971                  */
5972                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
5973
5974                 if (rq_mergeable(rq)) {
5975                         elv_rqhash_add(q, rq);
5976                         if (!q->last_merge)
5977                                 q->last_merge = rq;
5978                 }
5979         }
5980
5981         /*
5982          * Cache cmd_flags before releasing scheduler lock, because rq
5983          * may disappear afterwards (for example, because of a request
5984          * merge).
5985          */
5986         cmd_flags = rq->cmd_flags;
5987
5988         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5989
5990         bfq_update_insert_stats(q, bfqq, idle_timer_disabled,
5991                                 cmd_flags);
5992 }
5993
5994 static void bfq_insert_requests(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
5995                                 struct list_head *list, bool at_head)
5996 {
5997         while (!list_empty(list)) {
5998                 struct request *rq;
5999
6000                 rq = list_first_entry(list, struct request, queuelist);
6001                 list_del_init(&rq->queuelist);
6002                 bfq_insert_request(hctx, rq, at_head);
6003         }
6004 }
6005
6006 static void bfq_update_hw_tag(struct bfq_data *bfqd)
6007 {
6008         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6009
6010         bfqd->max_rq_in_driver = max_t(int, bfqd->max_rq_in_driver,
6011                                        bfqd->rq_in_driver);
6012
6013         if (bfqd->hw_tag == 1)
6014                 return;
6015
6016         /*
6017          * This sample is valid if the number of outstanding requests
6018          * is large enough to allow a queueing behavior.  Note that the
6019          * sum is not exact, as it's not taking into account deactivated
6020          * requests.
6021          */
6022         if (bfqd->rq_in_driver + bfqd->queued <= BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6023                 return;
6024
6025         /*
6026          * If active queue hasn't enough requests and can idle, bfq might not
6027          * dispatch sufficient requests to hardware. Don't zero hw_tag in this
6028          * case
6029          */
6030         if (bfqq && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) &&
6031             bfqq->dispatched + bfqq->queued[0] + bfqq->queued[1] <
6032             BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD &&
6033             bfqd->rq_in_driver < BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6034                 return;
6035
6036         if (bfqd->hw_tag_samples++ < BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES)
6037                 return;
6038
6039         bfqd->hw_tag = bfqd->max_rq_in_driver > BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD;
6040         bfqd->max_rq_in_driver = 0;
6041         bfqd->hw_tag_samples = 0;
6042
6043         bfqd->nonrot_with_queueing =
6044                 blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && bfqd->hw_tag;
6045 }
6046
6047 static void bfq_completed_request(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd)
6048 {
6049         u64 now_ns;
6050         u32 delta_us;
6051
6052         bfq_update_hw_tag(bfqd);
6053
6054         bfqd->rq_in_driver--;
6055         bfqq->dispatched--;
6056
6057         if (!bfqq->dispatched && !bfq_bfqq_busy(bfqq)) {
6058                 /*
6059                  * Set budget_timeout (which we overload to store the
6060                  * time at which the queue remains with no backlog and
6061                  * no outstanding request; used by the weight-raising
6062                  * mechanism).
6063                  */
6064                 bfqq->budget_timeout = jiffies;
6065
6066                 bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq);
6067         }
6068
6069         now_ns = ktime_get_ns();
6070
6071         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns;
6072
6073         /*
6074          * Using us instead of ns, to get a reasonable precision in
6075          * computing rate in next check.
6076          */
6077         delta_us = div_u64(now_ns - bfqd->last_completion, NSEC_PER_USEC);
6078
6079         /*
6080          * If the request took rather long to complete, and, according
6081          * to the maximum request size recorded, this completion latency
6082          * implies that the request was certainly served at a very low
6083          * rate (less than 1M sectors/sec), then the whole observation
6084          * interval that lasts up to this time instant cannot be a
6085          * valid time interval for computing a new peak rate.  Invoke
6086          * bfq_update_rate_reset to have the following three steps
6087          * taken:
6088          * - close the observation interval at the last (previous)
6089          *   request dispatch or completion
6090          * - compute rate, if possible, for that observation interval
6091          * - reset to zero samples, which will trigger a proper
6092          *   re-initialization of the observation interval on next
6093          *   dispatch
6094          */
6095         if (delta_us > BFQ_MIN_TT/NSEC_PER_USEC &&
6096            (bfqd->last_rq_max_size<<BFQ_RATE_SHIFT)/delta_us <
6097                         1UL<<(BFQ_RATE_SHIFT - 10))
6098                 bfq_update_rate_reset(bfqd, NULL);
6099         bfqd->last_completion = now_ns;
6100         /*
6101          * Shared queues are likely to receive I/O at a high
6102          * rate. This may deceptively let them be considered as wakers
6103          * of other queues. But a false waker will unjustly steal
6104          * bandwidth to its supposedly woken queue. So considering
6105          * also shared queues in the waking mechanism may cause more
6106          * control troubles than throughput benefits. Then do not set
6107          * last_completed_rq_bfqq to bfqq if bfqq is a shared queue.
6108          */
6109         if (!bfq_bfqq_coop(bfqq))
6110                 bfqd->last_completed_rq_bfqq = bfqq;
6111
6112         /*
6113          * If we are waiting to discover whether the request pattern
6114          * of the task associated with the queue is actually
6115          * isochronous, and both requisites for this condition to hold
6116          * are now satisfied, then compute soft_rt_next_start (see the
6117          * comments on the function bfq_bfqq_softrt_next_start()). We
6118          * do not compute soft_rt_next_start if bfqq is in interactive
6119          * weight raising (see the comments in bfq_bfqq_expire() for
6120          * an explanation). We schedule this delayed update when bfqq
6121          * expires, if it still has in-flight requests.
6122          */
6123         if (bfq_bfqq_softrt_update(bfqq) && bfqq->dispatched == 0 &&
6124             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6125             bfqq->wr_coeff != bfqd->bfq_wr_coeff)
6126                 bfqq->soft_rt_next_start =
6127                         bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
6128
6129         /*
6130          * If this is the in-service queue, check if it needs to be expired,
6131          * or if we want to idle in case it has no pending requests.
6132          */
6133         if (bfqd->in_service_queue == bfqq) {
6134                 if (bfq_bfqq_must_idle(bfqq)) {
6135                         if (bfqq->dispatched == 0)
6136                                 bfq_arm_slice_timer(bfqd);
6137                         /*
6138                          * If we get here, we do not expire bfqq, even
6139                          * if bfqq was in budget timeout or had no
6140                          * more requests (as controlled in the next
6141                          * conditional instructions). The reason for
6142                          * not expiring bfqq is as follows.
6143                          *
6144                          * Here bfqq->dispatched > 0 holds, but
6145                          * bfq_bfqq_must_idle() returned true. This
6146                          * implies that, even if no request arrives
6147                          * for bfqq before bfqq->dispatched reaches 0,
6148                          * bfqq will, however, not be expired on the
6149                          * completion event that causes bfqq->dispatch
6150                          * to reach zero. In contrast, on this event,
6151                          * bfqq will start enjoying device idling
6152                          * (I/O-dispatch plugging).
6153                          *
6154                          * But, if we expired bfqq here, bfqq would
6155                          * not have the chance to enjoy device idling
6156                          * when bfqq->dispatched finally reaches
6157                          * zero. This would expose bfqq to violation
6158                          * of its reserved service guarantees.
6159                          */
6160                         return;
6161                 } else if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq))
6162                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6163                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
6164                 else if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6165                          (bfqq->dispatched == 0 ||
6166                           !bfq_better_to_idle(bfqq)))
6167                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6168                                         BFQQE_NO_MORE_REQUESTS);
6169         }
6170
6171         if (!bfqd->rq_in_driver)
6172                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6173 }
6174
6175 static void bfq_finish_requeue_request_body(struct bfq_queue *bfqq)
6176 {
6177         bfqq->allocated--;
6178
6179         bfq_put_queue(bfqq);
6180 }
6181
6182 /*
6183  * The processes associated with bfqq may happen to generate their
6184  * cumulative I/O at a lower rate than the rate at which the device
6185  * could serve the same I/O. This is rather probable, e.g., if only
6186  * one process is associated with bfqq and the device is an SSD. It
6187  * results in bfqq becoming often empty while in service. In this
6188  * respect, if BFQ is allowed to switch to another queue when bfqq
6189  * remains empty, then the device goes on being fed with I/O requests,
6190  * and the throughput is not affected. In contrast, if BFQ is not
6191  * allowed to switch to another queue---because bfqq is sync and
6192  * I/O-dispatch needs to be plugged while bfqq is temporarily
6193  * empty---then, during the service of bfqq, there will be frequent
6194  * "service holes", i.e., time intervals during which bfqq gets empty
6195  * and the device can only consume the I/O already queued in its
6196  * hardware queues. During service holes, the device may even get to
6197  * remaining idle. In the end, during the service of bfqq, the device
6198  * is driven at a lower speed than the one it can reach with the kind
6199  * of I/O flowing through bfqq.
6200  *
6201  * To counter this loss of throughput, BFQ implements a "request
6202  * injection mechanism", which tries to fill the above service holes
6203  * with I/O requests taken from other queues. The hard part in this
6204  * mechanism is finding the right amount of I/O to inject, so as to
6205  * both boost throughput and not break bfqq's bandwidth and latency
6206  * guarantees. In this respect, the mechanism maintains a per-queue
6207  * inject limit, computed as below. While bfqq is empty, the injection
6208  * mechanism dispatches extra I/O requests only until the total number
6209  * of I/O requests in flight---i.e., already dispatched but not yet
6210  * completed---remains lower than this limit.
6211  *
6212  * A first definition comes in handy to introduce the algorithm by
6213  * which the inject limit is computed.  We define as first request for
6214  * bfqq, an I/O request for bfqq that arrives while bfqq is in
6215  * service, and causes bfqq to switch from empty to non-empty. The
6216  * algorithm updates the limit as a function of the effect of
6217  * injection on the service times of only the first requests of
6218  * bfqq. The reason for this restriction is that these are the
6219  * requests whose service time is affected most, because they are the
6220  * first to arrive after injection possibly occurred.
6221  *
6222  * To evaluate the effect of injection, the algorithm measures the
6223  * "total service time" of first requests. We define as total service
6224  * time of an I/O request, the time that elapses since when the
6225  * request is enqueued into bfqq, to when it is completed. This
6226  * quantity allows the whole effect of injection to be measured. It is
6227  * easy to see why. Suppose that some requests of other queues are
6228  * actually injected while bfqq is empty, and that a new request R
6229  * then arrives for bfqq. If the device does start to serve all or
6230  * part of the injected requests during the service hole, then,
6231  * because of this extra service, it may delay the next invocation of
6232  * the dispatch hook of BFQ. Then, even after R gets eventually
6233  * dispatched, the device may delay the actual service of R if it is
6234  * still busy serving the extra requests, or if it decides to serve,
6235  * before R, some extra request still present in its queues. As a
6236  * conclusion, the cumulative extra delay caused by injection can be
6237  * easily evaluated by just comparing the total service time of first
6238  * requests with and without injection.
6239  *
6240  * The limit-update algorithm works as follows. On the arrival of a
6241  * first request of bfqq, the algorithm measures the total time of the
6242  * request only if one of the three cases below holds, and, for each
6243  * case, it updates the limit as described below:
6244  *
6245  * (1) If there is no in-flight request. This gives a baseline for the
6246  *     total service time of the requests of bfqq. If the baseline has
6247  *     not been computed yet, then, after computing it, the limit is
6248  *     set to 1, to start boosting throughput, and to prepare the
6249  *     ground for the next case. If the baseline has already been
6250  *     computed, then it is updated, in case it results to be lower
6251  *     than the previous value.
6252  *
6253  * (2) If the limit is higher than 0 and there are in-flight
6254  *     requests. By comparing the total service time in this case with
6255  *     the above baseline, it is possible to know at which extent the
6256  *     current value of the limit is inflating the total service
6257  *     time. If the inflation is below a certain threshold, then bfqq
6258  *     is assumed to be suffering from no perceivable loss of its
6259  *     service guarantees, and the limit is even tentatively
6260  *     increased. If the inflation is above the threshold, then the
6261  *     limit is decreased. Due to the lack of any hysteresis, this
6262  *     logic makes the limit oscillate even in steady workload
6263  *     conditions. Yet we opted for it, because it is fast in reaching
6264  *     the best value for the limit, as a function of the current I/O
6265  *     workload. To reduce oscillations, this step is disabled for a
6266  *     short time interval after the limit happens to be decreased.
6267  *
6268  * (3) Periodically, after resetting the limit, to make sure that the
6269  *     limit eventually drops in case the workload changes. This is
6270  *     needed because, after the limit has gone safely up for a
6271  *     certain workload, it is impossible to guess whether the
6272  *     baseline total service time may have changed, without measuring
6273  *     it again without injection. A more effective version of this
6274  *     step might be to just sample the baseline, by interrupting
6275  *     injection only once, and then to reset/lower the limit only if
6276  *     the total service time with the current limit does happen to be
6277  *     too large.
6278  *
6279  * More details on each step are provided in the comments on the
6280  * pieces of code that implement these steps: the branch handling the
6281  * transition from empty to non empty in bfq_add_request(), the branch
6282  * handling injection in bfq_select_queue(), and the function
6283  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). These comments also explain some
6284  * exceptions, made by the injection mechanism in some special cases.
6285  */
6286 static void bfq_update_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
6287                                     struct bfq_queue *bfqq)
6288 {
6289         u64 tot_time_ns = ktime_get_ns() - bfqd->last_empty_occupied_ns;
6290         unsigned int old_limit = bfqq->inject_limit;
6291
6292         if (bfqq->last_serv_time_ns > 0 && bfqd->rqs_injected) {
6293                 u64 threshold = (bfqq->last_serv_time_ns * 3)>>1;
6294
6295                 if (tot_time_ns >= threshold && old_limit > 0) {
6296                         bfqq->inject_limit--;
6297                         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
6298                 } else if (tot_time_ns < threshold &&
6299                            old_limit <= bfqd->max_rq_in_driver)
6300                         bfqq->inject_limit++;
6301         }
6302
6303         /*
6304          * Either we still have to compute the base value for the
6305          * total service time, and there seem to be the right
6306          * conditions to do it, or we can lower the last base value
6307          * computed.
6308          *
6309          * NOTE: (bfqd->rq_in_driver == 1) means that there is no I/O
6310          * request in flight, because this function is in the code
6311          * path that handles the completion of a request of bfqq, and,
6312          * in particular, this function is executed before
6313          * bfqd->rq_in_driver is decremented in such a code path.
6314          */
6315         if ((bfqq->last_serv_time_ns == 0 && bfqd->rq_in_driver == 1) ||
6316             tot_time_ns < bfqq->last_serv_time_ns) {
6317                 if (bfqq->last_serv_time_ns == 0) {
6318                         /*
6319                          * Now we certainly have a base value: make sure we
6320                          * start trying injection.
6321                          */
6322                         bfqq->inject_limit = max_t(unsigned int, 1, old_limit);
6323                 }
6324                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6325         } else if (!bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver == 1)
6326                 /*
6327                  * No I/O injected and no request still in service in
6328                  * the drive: these are the exact conditions for
6329                  * computing the base value of the total service time
6330                  * for bfqq. So let's update this value, because it is
6331                  * rather variable. For example, it varies if the size
6332                  * or the spatial locality of the I/O requests in bfqq
6333                  * change.
6334                  */
6335                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6336
6337
6338         /* update complete, not waiting for any request completion any longer */
6339         bfqd->waited_rq = NULL;
6340         bfqd->rqs_injected = false;
6341 }
6342
6343 /*
6344  * Handle either a requeue or a finish for rq. The things to do are
6345  * the same in both cases: all references to rq are to be dropped. In
6346  * particular, rq is considered completed from the point of view of
6347  * the scheduler.
6348  */
6349 static void bfq_finish_requeue_request(struct request *rq)
6350 {
6351         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
6352         struct bfq_data *bfqd;
6353
6354         /*
6355          * rq either is not associated with any icq, or is an already
6356          * requeued request that has not (yet) been re-inserted into
6357          * a bfq_queue.
6358          */
6359         if (!rq->elv.icq || !bfqq)
6360                 return;
6361
6362         bfqd = bfqq->bfqd;
6363
6364         if (rq->rq_flags & RQF_STARTED)
6365                 bfqg_stats_update_completion(bfqq_group(bfqq),
6366                                              rq->start_time_ns,
6367                                              rq->io_start_time_ns,
6368                                              rq->cmd_flags);
6369
6370         if (likely(rq->rq_flags & RQF_STARTED)) {
6371                 unsigned long flags;
6372
6373                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6374
6375                 if (rq == bfqd->waited_rq)
6376                         bfq_update_inject_limit(bfqd, bfqq);
6377
6378                 bfq_completed_request(bfqq, bfqd);
6379                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6380
6381                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6382         } else {
6383                 /*
6384                  * Request rq may be still/already in the scheduler,
6385                  * in which case we need to remove it (this should
6386                  * never happen in case of requeue). And we cannot
6387                  * defer such a check and removal, to avoid
6388                  * inconsistencies in the time interval from the end
6389                  * of this function to the start of the deferred work.
6390                  * This situation seems to occur only in process
6391                  * context, as a consequence of a merge. In the
6392                  * current version of the code, this implies that the
6393                  * lock is held.
6394                  */
6395
6396                 if (!RB_EMPTY_NODE(&rq->rb_node)) {
6397                         bfq_remove_request(rq->q, rq);
6398                         bfqg_stats_update_io_remove(bfqq_group(bfqq),
6399                                                     rq->cmd_flags);
6400                 }
6401                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6402         }
6403
6404         /*
6405          * Reset private fields. In case of a requeue, this allows
6406          * this function to correctly do nothing if it is spuriously
6407          * invoked again on this same request (see the check at the
6408          * beginning of the function). Probably, a better general
6409          * design would be to prevent blk-mq from invoking the requeue
6410          * or finish hooks of an elevator, for a request that is not
6411          * referred by that elevator.
6412          *
6413          * Resetting the following fields would break the
6414          * request-insertion logic if rq is re-inserted into a bfq
6415          * internal queue, without a re-preparation. Here we assume
6416          * that re-insertions of requeued requests, without
6417          * re-preparation, can happen only for pass_through or at_head
6418          * requests (which are not re-inserted into bfq internal
6419          * queues).
6420          */
6421         rq->elv.priv[0] = NULL;
6422         rq->elv.priv[1] = NULL;
6423 }
6424
6425 /*
6426  * Removes the association between the current task and bfqq, assuming
6427  * that bic points to the bfq iocontext of the task.
6428  * Returns NULL if a new bfqq should be allocated, or the old bfqq if this
6429  * was the last process referring to that bfqq.
6430  */
6431 static struct bfq_queue *
6432 bfq_split_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq)
6433 {
6434         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "splitting queue");
6435
6436         if (bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6437                 bfqq->pid = current->pid;
6438                 bfq_clear_bfqq_coop(bfqq);
6439                 bfq_clear_bfqq_split_coop(bfqq);
6440                 return bfqq;
6441         }
6442
6443         bic_set_bfqq(bic, NULL, 1);
6444
6445         bfq_put_cooperator(bfqq);
6446
6447         bfq_release_process_ref(bfqq->bfqd, bfqq);
6448         return NULL;
6449 }
6450
6451 static struct bfq_queue *bfq_get_bfqq_handle_split(struct bfq_data *bfqd,
6452                                                    struct bfq_io_cq *bic,
6453                                                    struct bio *bio,
6454                                                    bool split, bool is_sync,
6455                                                    bool *new_queue)
6456 {
6457         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
6458
6459         if (likely(bfqq && bfqq != &bfqd->oom_bfqq))
6460                 return bfqq;
6461
6462         if (new_queue)
6463                 *new_queue = true;
6464
6465         if (bfqq)
6466                 bfq_put_queue(bfqq);
6467         bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, is_sync, bic, split);
6468
6469         bic_set_bfqq(bic, bfqq, is_sync);
6470         if (split && is_sync) {
6471                 if ((bic->was_in_burst_list && bfqd->large_burst) ||
6472                     bic->saved_in_large_burst)
6473                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6474                 else {
6475                         bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6476                         if (bic->was_in_burst_list)
6477                                 /*
6478                                  * If bfqq was in the current
6479                                  * burst list before being
6480                                  * merged, then we have to add
6481                                  * it back. And we do not need
6482                                  * to increase burst_size, as
6483                                  * we did not decrement
6484                                  * burst_size when we removed
6485                                  * bfqq from the burst list as
6486                                  * a consequence of a merge
6487                                  * (see comments in
6488                                  * bfq_put_queue). In this
6489                                  * respect, it would be rather
6490                                  * costly to know whether the
6491                                  * current burst list is still
6492                                  * the same burst list from
6493                                  * which bfqq was removed on
6494                                  * the merge. To avoid this
6495                                  * cost, if bfqq was in a
6496                                  * burst list, then we add
6497                                  * bfqq to the current burst
6498                                  * list without any further
6499                                  * check. This can cause
6500                                  * inappropriate insertions,
6501                                  * but rarely enough to not
6502                                  * harm the detection of large
6503                                  * bursts significantly.
6504                                  */
6505                                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node,
6506                                                &bfqd->burst_list);
6507                 }
6508                 bfqq->split_time = jiffies;
6509         }
6510
6511         return bfqq;
6512 }
6513
6514 /*
6515  * Only reset private fields. The actual request preparation will be
6516  * performed by bfq_init_rq, when rq is either inserted or merged. See
6517  * comments on bfq_init_rq for the reason behind this delayed
6518  * preparation.
6519  */
6520 static void bfq_prepare_request(struct request *rq)
6521 {
6522         /*
6523          * Regardless of whether we have an icq attached, we have to
6524          * clear the scheduler pointers, as they might point to
6525          * previously allocated bic/bfqq structs.
6526          */
6527         rq->elv.priv[0] = rq->elv.priv[1] = NULL;
6528 }
6529
6530 /*
6531  * If needed, init rq, allocate bfq data structures associated with
6532  * rq, and increment reference counters in the destination bfq_queue
6533  * for rq. Return the destination bfq_queue for rq, or NULL is rq is
6534  * not associated with any bfq_queue.
6535  *
6536  * This function is invoked by the functions that perform rq insertion
6537  * or merging. One may have expected the above preparation operations
6538  * to be performed in bfq_prepare_request, and not delayed to when rq
6539  * is inserted or merged. The rationale behind this delayed
6540  * preparation is that, after the prepare_request hook is invoked for
6541  * rq, rq may still be transformed into a request with no icq, i.e., a
6542  * request not associated with any queue. No bfq hook is invoked to
6543  * signal this transformation. As a consequence, should these
6544  * preparation operations be performed when the prepare_request hook
6545  * is invoked, and should rq be transformed one moment later, bfq
6546  * would end up in an inconsistent state, because it would have
6547  * incremented some queue counters for an rq destined to
6548  * transformation, without any chance to correctly lower these
6549  * counters back. In contrast, no transformation can still happen for
6550  * rq after rq has been inserted or merged. So, it is safe to execute
6551  * these preparation operations when rq is finally inserted or merged.
6552  */
6553 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq)
6554 {
6555         struct request_queue *q = rq->q;
6556         struct bio *bio = rq->bio;
6557         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
6558         struct bfq_io_cq *bic;
6559         const int is_sync = rq_is_sync(rq);
6560         struct bfq_queue *bfqq;
6561         bool new_queue = false;
6562         bool bfqq_already_existing = false, split = false;
6563
6564         if (unlikely(!rq->elv.icq))
6565                 return NULL;
6566
6567         /*
6568          * Assuming that elv.priv[1] is set only if everything is set
6569          * for this rq. This holds true, because this function is
6570          * invoked only for insertion or merging, and, after such
6571          * events, a request cannot be manipulated any longer before
6572          * being removed from bfq.
6573          */
6574         if (rq->elv.priv[1])
6575                 return rq->elv.priv[1];
6576
6577         bic = icq_to_bic(rq->elv.icq);
6578
6579         bfq_check_ioprio_change(bic, bio);
6580
6581         bfq_bic_update_cgroup(bic, bio);
6582
6583         bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio, false, is_sync,
6584                                          &new_queue);
6585
6586         if (likely(!new_queue)) {
6587                 /* If the queue was seeky for too long, break it apart. */
6588                 if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && bfq_bfqq_split_coop(bfqq) &&
6589                         !bic->stably_merged) {
6590                         struct bfq_queue *old_bfqq = bfqq;
6591
6592                         /* Update bic before losing reference to bfqq */
6593                         if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
6594                                 bic->saved_in_large_burst = true;
6595
6596                         bfqq = bfq_split_bfqq(bic, bfqq);
6597                         split = true;
6598
6599                         if (!bfqq) {
6600                                 bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio,
6601                                                                  true, is_sync,
6602                                                                  NULL);
6603                                 bfqq->waker_bfqq = old_bfqq->waker_bfqq;
6604                                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
6605
6606                                 /*
6607                                  * If the waker queue disappears, then
6608                                  * new_bfqq->waker_bfqq must be
6609                                  * reset. So insert new_bfqq into the
6610                                  * woken_list of the waker. See
6611                                  * bfq_check_waker for details.
6612                                  */
6613                                 if (bfqq->waker_bfqq)
6614                                         hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
6615                                                        &bfqq->waker_bfqq->woken_list);
6616                         } else
6617                                 bfqq_already_existing = true;
6618                 }
6619         }
6620
6621         bfqq->allocated++;
6622         bfqq->ref++;
6623         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_request %p: bfqq %p, %d",
6624                      rq, bfqq, bfqq->ref);
6625
6626         rq->elv.priv[0] = bic;
6627         rq->elv.priv[1] = bfqq;
6628
6629         /*
6630          * If a bfq_queue has only one process reference, it is owned
6631          * by only this bic: we can then set bfqq->bic = bic. in
6632          * addition, if the queue has also just been split, we have to
6633          * resume its state.
6634          */
6635         if (likely(bfqq != &bfqd->oom_bfqq) && bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6636                 bfqq->bic = bic;
6637                 if (split) {
6638                         /*
6639                          * The queue has just been split from a shared
6640                          * queue: restore the idle window and the
6641                          * possible weight raising period.
6642                          */
6643                         bfq_bfqq_resume_state(bfqq, bfqd, bic,
6644                                               bfqq_already_existing);
6645                 }
6646         }
6647
6648         /*
6649          * Consider bfqq as possibly belonging to a burst of newly
6650          * created queues only if:
6651          * 1) A burst is actually happening (bfqd->burst_size > 0)
6652          * or
6653          * 2) There is no other active queue. In fact, if, in
6654          *    contrast, there are active queues not belonging to the
6655          *    possible burst bfqq may belong to, then there is no gain
6656          *    in considering bfqq as belonging to a burst, and
6657          *    therefore in not weight-raising bfqq. See comments on
6658          *    bfq_handle_burst().
6659          *
6660          * This filtering also helps eliminating false positives,
6661          * occurring when bfqq does not belong to an actual large
6662          * burst, but some background task (e.g., a service) happens
6663          * to trigger the creation of new queues very close to when
6664          * bfqq and its possible companion queues are created. See
6665          * comments on bfq_handle_burst() for further details also on
6666          * this issue.
6667          */
6668         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
6669                      (bfqd->burst_size > 0 ||
6670                       bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)))
6671                 bfq_handle_burst(bfqd, bfqq);
6672
6673         return bfqq;
6674 }
6675
6676 static void
6677 bfq_idle_slice_timer_body(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
6678 {
6679         enum bfqq_expiration reason;
6680         unsigned long flags;
6681
6682         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6683
6684         /*
6685          * Considering that bfqq may be in race, we should firstly check
6686          * whether bfqq is in service before doing something on it. If
6687          * the bfqq in race is not in service, it has already been expired
6688          * through __bfq_bfqq_expire func and its wait_request flags has
6689          * been cleared in __bfq_bfqd_reset_in_service func.
6690          */
6691         if (bfqq != bfqd->in_service_queue) {
6692                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6693                 return;
6694         }
6695
6696         bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
6697
6698         if (bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq))
6699                 /*
6700                  * Also here the queue can be safely expired
6701                  * for budget timeout without wasting
6702                  * guarantees
6703                  */
6704                 reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
6705         else if (bfqq->queued[0] == 0 && bfqq->queued[1] == 0)
6706                 /*
6707                  * The queue may not be empty upon timer expiration,
6708                  * because we may not disable the timer when the
6709                  * first request of the in-service queue arrives
6710                  * during disk idling.
6711                  */
6712                 reason = BFQQE_TOO_IDLE;
6713         else
6714                 goto schedule_dispatch;
6715
6716         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, true, reason);
6717
6718 schedule_dispatch:
6719         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6720         bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6721 }
6722
6723 /*
6724  * Handler of the expiration of the timer running if the in-service queue
6725  * is idling inside its time slice.
6726  */
6727 static enum hrtimer_restart bfq_idle_slice_timer(struct hrtimer *timer)
6728 {
6729         struct bfq_data *bfqd = container_of(timer, struct bfq_data,
6730                                              idle_slice_timer);
6731         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6732
6733         /*
6734          * Theoretical race here: the in-service queue can be NULL or
6735          * different from the queue that was idling if a new request
6736          * arrives for the current queue and there is a full dispatch
6737          * cycle that changes the in-service queue.  This can hardly
6738          * happen, but in the worst case we just expire a queue too
6739          * early.
6740          */
6741         if (bfqq)
6742                 bfq_idle_slice_timer_body(bfqd, bfqq);
6743
6744         return HRTIMER_NORESTART;
6745 }
6746
6747 static void __bfq_put_async_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
6748                                  struct bfq_queue **bfqq_ptr)
6749 {
6750         struct bfq_queue *bfqq = *bfqq_ptr;
6751
6752         bfq_log(bfqd, "put_async_bfqq: %p", bfqq);
6753         if (bfqq) {
6754                 bfq_bfqq_move(bfqd, bfqq, bfqd->root_group);
6755
6756                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "put_async_bfqq: putting %p, %d",
6757                              bfqq, bfqq->ref);
6758                 bfq_put_queue(bfqq);
6759                 *bfqq_ptr = NULL;
6760         }
6761 }
6762
6763 /*
6764  * Release all the bfqg references to its async queues.  If we are
6765  * deallocating the group these queues may still contain requests, so
6766  * we reparent them to the root cgroup (i.e., the only one that will
6767  * exist for sure until all the requests on a device are gone).
6768  */
6769 void bfq_put_async_queues(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_group *bfqg)
6770 {
6771         int i, j;
6772
6773         for (i = 0; i < 2; i++)
6774                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
6775                         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_bfqq[i][j]);
6776
6777         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_idle_bfqq);
6778 }
6779
6780 /*
6781  * See the comments on bfq_limit_depth for the purpose of
6782  * the depths set in the function. Return minimum shallow depth we'll use.
6783  */
6784 static unsigned int bfq_update_depths(struct bfq_data *bfqd,
6785                                       struct sbitmap_queue *bt)
6786 {
6787         unsigned int i, j, min_shallow = UINT_MAX;
6788
6789         /*
6790          * In-word depths if no bfq_queue is being weight-raised:
6791          * leaving 25% of tags only for sync reads.
6792          *
6793          * In next formulas, right-shift the value
6794          * (1U<<bt->sb.shift), instead of computing directly
6795          * (1U<<(bt->sb.shift - something)), to be robust against
6796          * any possible value of bt->sb.shift, without having to
6797          * limit 'something'.
6798          */
6799         /* no more than 50% of tags for async I/O */
6800         bfqd->word_depths[0][0] = max((1U << bt->sb.shift) >> 1, 1U);
6801         /*
6802          * no more than 75% of tags for sync writes (25% extra tags
6803          * w.r.t. async I/O, to prevent async I/O from starving sync
6804          * writes)
6805          */
6806         bfqd->word_depths[0][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 2, 1U);
6807
6808         /*
6809          * In-word depths in case some bfq_queue is being weight-
6810          * raised: leaving ~63% of tags for sync reads. This is the
6811          * highest percentage for which, in our tests, application
6812          * start-up times didn't suffer from any regression due to tag
6813          * shortage.
6814          */
6815         /* no more than ~18% of tags for async I/O */
6816         bfqd->word_depths[1][0] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 4, 1U);
6817         /* no more than ~37% of tags for sync writes (~20% extra tags) */
6818         bfqd->word_depths[1][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 6) >> 4, 1U);
6819
6820         for (i = 0; i < 2; i++)
6821                 for (j = 0; j < 2; j++)
6822                         min_shallow = min(min_shallow, bfqd->word_depths[i][j]);
6823
6824         return min_shallow;
6825 }
6826
6827 static void bfq_depth_updated(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
6828 {
6829         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
6830         struct blk_mq_tags *tags = hctx->sched_tags;
6831         unsigned int min_shallow;
6832
6833         min_shallow = bfq_update_depths(bfqd, tags->bitmap_tags);
6834         sbitmap_queue_min_shallow_depth(tags->bitmap_tags, min_shallow);
6835 }
6836
6837 static int bfq_init_hctx(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, unsigned int index)
6838 {
6839         bfq_depth_updated(hctx);
6840         return 0;
6841 }
6842
6843 static void bfq_exit_queue(struct elevator_queue *e)
6844 {
6845         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
6846         struct bfq_queue *bfqq, *n;
6847
6848         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6849
6850         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6851         list_for_each_entry_safe(bfqq, n, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
6852                 bfq_deactivate_bfqq(bfqd, bfqq, false, false);
6853         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6854
6855         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6856
6857         /* release oom-queue reference to root group */
6858         bfqg_and_blkg_put(bfqd->root_group);
6859
6860 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6861         blkcg_deactivate_policy(bfqd->queue, &blkcg_policy_bfq);
6862 #else
6863         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6864         bfq_put_async_queues(bfqd, bfqd->root_group);
6865         kfree(bfqd->root_group);
6866         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6867 #endif
6868
6869         kfree(bfqd);
6870 }
6871
6872 static void bfq_init_root_group(struct bfq_group *root_group,
6873                                 struct bfq_data *bfqd)
6874 {
6875         int i;
6876
6877 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6878         root_group->entity.parent = NULL;
6879         root_group->my_entity = NULL;
6880         root_group->bfqd = bfqd;
6881 #endif
6882         root_group->rq_pos_tree = RB_ROOT;
6883         for (i = 0; i < BFQ_IOPRIO_CLASSES; i++)
6884                 root_group->sched_data.service_tree[i] = BFQ_SERVICE_TREE_INIT;
6885         root_group->sched_data.bfq_class_idle_last_service = jiffies;
6886 }
6887
6888 static int bfq_init_queue(struct request_queue *q, struct elevator_type *e)
6889 {
6890         struct bfq_data *bfqd;
6891         struct elevator_queue *eq;
6892
6893         eq = elevator_alloc(q, e);
6894         if (!eq)
6895                 return -ENOMEM;
6896
6897         bfqd = kzalloc_node(sizeof(*bfqd), GFP_KERNEL, q->node);
6898         if (!bfqd) {
6899                 kobject_put(&eq->kobj);
6900                 return -ENOMEM;
6901         }
6902         eq->elevator_data = bfqd;
6903
6904         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
6905         q->elevator = eq;
6906         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
6907
6908         /*
6909          * Our fallback bfqq if bfq_find_alloc_queue() runs into OOM issues.
6910          * Grab a permanent reference to it, so that the normal code flow
6911          * will not attempt to free it.
6912          */
6913         bfq_init_bfqq(bfqd, &bfqd->oom_bfqq, NULL, 1, 0);
6914         bfqd->oom_bfqq.ref++;
6915         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio = BFQ_DEFAULT_QUEUE_IOPRIO;
6916         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
6917         bfqd->oom_bfqq.entity.new_weight =
6918                 bfq_ioprio_to_weight(bfqd->oom_bfqq.new_ioprio);
6919
6920         /* oom_bfqq does not participate to bursts */
6921         bfq_clear_bfqq_just_created(&bfqd->oom_bfqq);
6922
6923         /*
6924          * Trigger weight initialization, according to ioprio, at the
6925          * oom_bfqq's first activation. The oom_bfqq's ioprio and ioprio
6926          * class won't be changed any more.
6927          */
6928         bfqd->oom_bfqq.entity.prio_changed = 1;
6929
6930         bfqd->queue = q;
6931
6932         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->dispatch);
6933
6934         hrtimer_init(&bfqd->idle_slice_timer, CLOCK_MONOTONIC,
6935                      HRTIMER_MODE_REL);
6936         bfqd->idle_slice_timer.function = bfq_idle_slice_timer;
6937
6938         bfqd->queue_weights_tree = RB_ROOT_CACHED;
6939         bfqd->num_groups_with_pending_reqs = 0;
6940
6941         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->active_list);
6942         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->idle_list);
6943         INIT_HLIST_HEAD(&bfqd->burst_list);
6944
6945         bfqd->hw_tag = -1;
6946         bfqd->nonrot_with_queueing = blk_queue_nonrot(bfqd->queue);
6947
6948         bfqd->bfq_max_budget = bfq_default_max_budget;
6949
6950         bfqd->bfq_fifo_expire[0] = bfq_fifo_expire[0];
6951         bfqd->bfq_fifo_expire[1] = bfq_fifo_expire[1];
6952         bfqd->bfq_back_max = bfq_back_max;
6953         bfqd->bfq_back_penalty = bfq_back_penalty;
6954         bfqd->bfq_slice_idle = bfq_slice_idle;
6955         bfqd->bfq_timeout = bfq_timeout;
6956
6957         bfqd->bfq_large_burst_thresh = 8;
6958         bfqd->bfq_burst_interval = msecs_to_jiffies(180);
6959
6960         bfqd->low_latency = true;
6961
6962         /*
6963          * Trade-off between responsiveness and fairness.
6964          */
6965         bfqd->bfq_wr_coeff = 30;
6966         bfqd->bfq_wr_rt_max_time = msecs_to_jiffies(300);
6967         bfqd->bfq_wr_max_time = 0;
6968         bfqd->bfq_wr_min_idle_time = msecs_to_jiffies(2000);
6969         bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async = msecs_to_jiffies(500);
6970         bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate = 7000; /*
6971                                               * Approximate rate required
6972                                               * to playback or record a
6973                                               * high-definition compressed
6974                                               * video.
6975                                               */
6976         bfqd->wr_busy_queues = 0;
6977
6978         /*
6979          * Begin by assuming, optimistically, that the device peak
6980          * rate is equal to 2/3 of the highest reference rate.
6981          */
6982         bfqd->rate_dur_prod = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] *
6983                 ref_wr_duration[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)];
6984         bfqd->peak_rate = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] * 2 / 3;
6985
6986         spin_lock_init(&bfqd->lock);
6987
6988         /*
6989          * The invocation of the next bfq_create_group_hierarchy
6990          * function is the head of a chain of function calls
6991          * (bfq_create_group_hierarchy->blkcg_activate_policy->
6992          * blk_mq_freeze_queue) that may lead to the invocation of the
6993          * has_work hook function. For this reason,
6994          * bfq_create_group_hierarchy is invoked only after all
6995          * scheduler data has been initialized, apart from the fields
6996          * that can be initialized only after invoking
6997          * bfq_create_group_hierarchy. This, in particular, enables
6998          * has_work to correctly return false. Of course, to avoid
6999          * other inconsistencies, the blk-mq stack must then refrain
7000          * from invoking further scheduler hooks before this init
7001          * function is finished.
7002          */
7003         bfqd->root_group = bfq_create_group_hierarchy(bfqd, q->node);
7004         if (!bfqd->root_group)
7005                 goto out_free;
7006         bfq_init_root_group(bfqd->root_group, bfqd);
7007         bfq_init_entity(&bfqd->oom_bfqq.entity, bfqd->root_group);
7008
7009         wbt_disable_default(q);
7010         return 0;
7011
7012 out_free:
7013         kfree(bfqd);
7014         kobject_put(&eq->kobj);
7015         return -ENOMEM;
7016 }
7017
7018 static void bfq_slab_kill(void)
7019 {
7020         kmem_cache_destroy(bfq_pool);
7021 }
7022
7023 static int __init bfq_slab_setup(void)
7024 {
7025         bfq_pool = KMEM_CACHE(bfq_queue, 0);
7026         if (!bfq_pool)
7027                 return -ENOMEM;
7028         return 0;
7029 }
7030
7031 static ssize_t bfq_var_show(unsigned int var, char *page)
7032 {
7033         return sprintf(page, "%u\n", var);
7034 }
7035
7036 static int bfq_var_store(unsigned long *var, const char *page)
7037 {
7038         unsigned long new_val;
7039         int ret = kstrtoul(page, 10, &new_val);
7040
7041         if (ret)
7042                 return ret;
7043         *var = new_val;
7044         return 0;
7045 }
7046
7047 #define SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR, __CONV)                            \
7048 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7049 {                                                                       \
7050         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7051         u64 __data = __VAR;                                             \
7052         if (__CONV == 1)                                                \
7053                 __data = jiffies_to_msecs(__data);                      \
7054         else if (__CONV == 2)                                           \
7055                 __data = div_u64(__data, NSEC_PER_MSEC);                \
7056         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7057 }
7058 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_show, bfqd->bfq_fifo_expire[1], 2);
7059 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_show, bfqd->bfq_fifo_expire[0], 2);
7060 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_max_show, bfqd->bfq_back_max, 0);
7061 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_show, bfqd->bfq_back_penalty, 0);
7062 SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_show, bfqd->bfq_slice_idle, 2);
7063 SHOW_FUNCTION(bfq_max_budget_show, bfqd->bfq_user_max_budget, 0);
7064 SHOW_FUNCTION(bfq_timeout_sync_show, bfqd->bfq_timeout, 1);
7065 SHOW_FUNCTION(bfq_strict_guarantees_show, bfqd->strict_guarantees, 0);
7066 SHOW_FUNCTION(bfq_low_latency_show, bfqd->low_latency, 0);
7067 #undef SHOW_FUNCTION
7068
7069 #define USEC_SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR)                               \
7070 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7071 {                                                                       \
7072         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7073         u64 __data = __VAR;                                             \
7074         __data = div_u64(__data, NSEC_PER_USEC);                        \
7075         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7076 }
7077 USEC_SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_show, bfqd->bfq_slice_idle);
7078 #undef USEC_SHOW_FUNCTION
7079
7080 #define STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX, __CONV)                 \
7081 static ssize_t                                                          \
7082 __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)        \
7083 {                                                                       \
7084         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7085         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7086         int ret;                                                        \
7087                                                                         \
7088         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7089         if (ret)                                                        \
7090                 return ret;                                             \
7091         if (__data < __min)                                             \
7092                 __data = __min;                                         \
7093         else if (__data > __max)                                        \
7094                 __data = __max;                                         \
7095         if (__CONV == 1)                                                \
7096                 *(__PTR) = msecs_to_jiffies(__data);                    \
7097         else if (__CONV == 2)                                           \
7098                 *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_MSEC;                 \
7099         else                                                            \
7100                 *(__PTR) = __data;                                      \
7101         return count;                                                   \
7102 }
7103 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[1], 1,
7104                 INT_MAX, 2);
7105 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[0], 1,
7106                 INT_MAX, 2);
7107 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_max_store, &bfqd->bfq_back_max, 0, INT_MAX, 0);
7108 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_store, &bfqd->bfq_back_penalty, 1,
7109                 INT_MAX, 0);
7110 STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0, INT_MAX, 2);
7111 #undef STORE_FUNCTION
7112
7113 #define USEC_STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX)                    \
7114 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)\
7115 {                                                                       \
7116         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7117         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7118         int ret;                                                        \
7119                                                                         \
7120         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7121         if (ret)                                                        \
7122                 return ret;                                             \
7123         if (__data < __min)                                             \
7124                 __data = __min;                                         \
7125         else if (__data > __max)                                        \
7126                 __data = __max;                                         \
7127         *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_USEC;                         \
7128         return count;                                                   \
7129 }
7130 USEC_STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0,
7131                     UINT_MAX);
7132 #undef USEC_STORE_FUNCTION
7133
7134 static ssize_t bfq_max_budget_store(struct elevator_queue *e,
7135                                     const char *page, size_t count)
7136 {
7137         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7138         unsigned long __data;
7139         int ret;
7140
7141         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7142         if (ret)
7143                 return ret;
7144
7145         if (__data == 0)
7146                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7147         else {
7148                 if (__data > INT_MAX)
7149                         __data = INT_MAX;
7150                 bfqd->bfq_max_budget = __data;
7151         }
7152
7153         bfqd->bfq_user_max_budget = __data;
7154
7155         return count;
7156 }
7157
7158 /*
7159  * Leaving this name to preserve name compatibility with cfq
7160  * parameters, but this timeout is used for both sync and async.
7161  */
7162 static ssize_t bfq_timeout_sync_store(struct elevator_queue *e,
7163                                       const char *page, size_t count)
7164 {
7165         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7166         unsigned long __data;
7167         int ret;
7168
7169         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7170         if (ret)
7171                 return ret;
7172
7173         if (__data < 1)
7174                 __data = 1;
7175         else if (__data > INT_MAX)
7176                 __data = INT_MAX;
7177
7178         bfqd->bfq_timeout = msecs_to_jiffies(__data);
7179         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0)
7180                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7181
7182         return count;
7183 }
7184
7185 static ssize_t bfq_strict_guarantees_store(struct elevator_queue *e,
7186                                      const char *page, size_t count)
7187 {
7188         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7189         unsigned long __data;
7190         int ret;
7191
7192         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7193         if (ret)
7194                 return ret;
7195
7196         if (__data > 1)
7197                 __data = 1;
7198         if (!bfqd->strict_guarantees && __data == 1
7199             && bfqd->bfq_slice_idle < 8 * NSEC_PER_MSEC)
7200                 bfqd->bfq_slice_idle = 8 * NSEC_PER_MSEC;
7201
7202         bfqd->strict_guarantees = __data;
7203
7204         return count;
7205 }
7206
7207 static ssize_t bfq_low_latency_store(struct elevator_queue *e,
7208                                      const char *page, size_t count)
7209 {
7210         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7211         unsigned long __data;
7212         int ret;
7213
7214         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7215         if (ret)
7216                 return ret;
7217
7218         if (__data > 1)
7219                 __data = 1;
7220         if (__data == 0 && bfqd->low_latency != 0)
7221                 bfq_end_wr(bfqd);
7222         bfqd->low_latency = __data;
7223
7224         return count;
7225 }
7226
7227 #define BFQ_ATTR(name) \
7228         __ATTR(name, 0644, bfq_##name##_show, bfq_##name##_store)
7229
7230 static struct elv_fs_entry bfq_attrs[] = {
7231         BFQ_ATTR(fifo_expire_sync),
7232         BFQ_ATTR(fifo_expire_async),
7233         BFQ_ATTR(back_seek_max),
7234         BFQ_ATTR(back_seek_penalty),
7235         BFQ_ATTR(slice_idle),
7236         BFQ_ATTR(slice_idle_us),
7237         BFQ_ATTR(max_budget),
7238         BFQ_ATTR(timeout_sync),
7239         BFQ_ATTR(strict_guarantees),
7240         BFQ_ATTR(low_latency),
7241         __ATTR_NULL
7242 };
7243
7244 static struct elevator_type iosched_bfq_mq = {
7245         .ops = {
7246                 .limit_depth            = bfq_limit_depth,
7247                 .prepare_request        = bfq_prepare_request,
7248                 .requeue_request        = bfq_finish_requeue_request,
7249                 .finish_request         = bfq_finish_requeue_request,
7250                 .exit_icq               = bfq_exit_icq,
7251                 .insert_requests        = bfq_insert_requests,
7252                 .dispatch_request       = bfq_dispatch_request,
7253                 .next_request           = elv_rb_latter_request,
7254                 .former_request         = elv_rb_former_request,
7255                 .allow_merge            = bfq_allow_bio_merge,
7256                 .bio_merge              = bfq_bio_merge,
7257                 .request_merge          = bfq_request_merge,
7258                 .requests_merged        = bfq_requests_merged,
7259                 .request_merged         = bfq_request_merged,
7260                 .has_work               = bfq_has_work,
7261                 .depth_updated          = bfq_depth_updated,
7262                 .init_hctx              = bfq_init_hctx,
7263                 .init_sched             = bfq_init_queue,
7264                 .exit_sched             = bfq_exit_queue,
7265         },
7266
7267         .icq_size =             sizeof(struct bfq_io_cq),
7268         .icq_align =            __alignof__(struct bfq_io_cq),
7269         .elevator_attrs =       bfq_attrs,
7270         .elevator_name =        "bfq",
7271         .elevator_owner =       THIS_MODULE,
7272 };
7273 MODULE_ALIAS("bfq-iosched");
7274
7275 static int __init bfq_init(void)
7276 {
7277         int ret;
7278
7279 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7280         ret = blkcg_policy_register(&blkcg_policy_bfq);
7281         if (ret)
7282                 return ret;
7283 #endif
7284
7285         ret = -ENOMEM;
7286         if (bfq_slab_setup())
7287                 goto err_pol_unreg;
7288
7289         /*
7290          * Times to load large popular applications for the typical
7291          * systems installed on the reference devices (see the
7292          * comments before the definition of the next
7293          * array). Actually, we use slightly lower values, as the
7294          * estimated peak rate tends to be smaller than the actual
7295          * peak rate.  The reason for this last fact is that estimates
7296          * are computed over much shorter time intervals than the long
7297          * intervals typically used for benchmarking. Why? First, to
7298          * adapt more quickly to variations. Second, because an I/O
7299          * scheduler cannot rely on a peak-rate-evaluation workload to
7300          * be run for a long time.
7301          */
7302         ref_wr_duration[0] = msecs_to_jiffies(7000); /* actually 8 sec */
7303         ref_wr_duration[1] = msecs_to_jiffies(2500); /* actually 3 sec */
7304
7305         ret = elv_register(&iosched_bfq_mq);
7306         if (ret)
7307                 goto slab_kill;
7308
7309         return 0;
7310
7311 slab_kill:
7312         bfq_slab_kill();
7313 err_pol_unreg:
7314 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7315         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7316 #endif
7317         return ret;
7318 }
7319
7320 static void __exit bfq_exit(void)
7321 {
7322         elv_unregister(&iosched_bfq_mq);
7323 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7324         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7325 #endif
7326         bfq_slab_kill();
7327 }
7328
7329 module_init(bfq_init);
7330 module_exit(bfq_exit);
7331
7332 MODULE_AUTHOR("Paolo Valente");
7333 MODULE_LICENSE("GPL");
7334 MODULE_DESCRIPTION("MQ Budget Fair Queueing I/O Scheduler");