sched: Prevent balance_push() on remote runqueues
[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 /*
368  * Maximum time between the creation of two queues, for stable merge
369  * to be activated (in ms)
370  */
371 static const unsigned long bfq_activation_stable_merging = 600;
372 /*
373  * Minimum time to be waited before evaluating delayed stable merge (in ms)
374  */
375 static const unsigned long bfq_late_stable_merging = 600;
376
377 #define RQ_BIC(rq)              icq_to_bic((rq)->elv.priv[0])
378 #define RQ_BFQQ(rq)             ((rq)->elv.priv[1])
379
380 struct bfq_queue *bic_to_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
381 {
382         return bic->bfqq[is_sync];
383 }
384
385 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq);
386
387 void bic_set_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq, bool is_sync)
388 {
389         /*
390          * If bfqq != NULL, then a non-stable queue merge between
391          * bic->bfqq and bfqq is happening here. This causes troubles
392          * in the following case: bic->bfqq has also been scheduled
393          * for a possible stable merge with bic->stable_merge_bfqq,
394          * and bic->stable_merge_bfqq == bfqq happens to
395          * hold. Troubles occur because bfqq may then undergo a split,
396          * thereby becoming eligible for a stable merge. Yet, if
397          * bic->stable_merge_bfqq points exactly to bfqq, then bfqq
398          * would be stably merged with itself. To avoid this anomaly,
399          * we cancel the stable merge if
400          * bic->stable_merge_bfqq == bfqq.
401          */
402         bic->bfqq[is_sync] = bfqq;
403
404         if (bfqq && bic->stable_merge_bfqq == bfqq) {
405                 /*
406                  * Actually, these same instructions are executed also
407                  * in bfq_setup_cooperator, in case of abort or actual
408                  * execution of a stable merge. We could avoid
409                  * repeating these instructions there too, but if we
410                  * did so, we would nest even more complexity in this
411                  * function.
412                  */
413                 bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
414
415                 bic->stable_merge_bfqq = NULL;
416         }
417 }
418
419 struct bfq_data *bic_to_bfqd(struct bfq_io_cq *bic)
420 {
421         return bic->icq.q->elevator->elevator_data;
422 }
423
424 /**
425  * icq_to_bic - convert iocontext queue structure to bfq_io_cq.
426  * @icq: the iocontext queue.
427  */
428 static struct bfq_io_cq *icq_to_bic(struct io_cq *icq)
429 {
430         /* bic->icq is the first member, %NULL will convert to %NULL */
431         return container_of(icq, struct bfq_io_cq, icq);
432 }
433
434 /**
435  * bfq_bic_lookup - search into @ioc a bic associated to @bfqd.
436  * @bfqd: the lookup key.
437  * @ioc: the io_context of the process doing I/O.
438  * @q: the request queue.
439  */
440 static struct bfq_io_cq *bfq_bic_lookup(struct bfq_data *bfqd,
441                                         struct io_context *ioc,
442                                         struct request_queue *q)
443 {
444         if (ioc) {
445                 unsigned long flags;
446                 struct bfq_io_cq *icq;
447
448                 spin_lock_irqsave(&q->queue_lock, flags);
449                 icq = icq_to_bic(ioc_lookup_icq(ioc, q));
450                 spin_unlock_irqrestore(&q->queue_lock, flags);
451
452                 return icq;
453         }
454
455         return NULL;
456 }
457
458 /*
459  * Scheduler run of queue, if there are requests pending and no one in the
460  * driver that will restart queueing.
461  */
462 void bfq_schedule_dispatch(struct bfq_data *bfqd)
463 {
464         if (bfqd->queued != 0) {
465                 bfq_log(bfqd, "schedule dispatch");
466                 blk_mq_run_hw_queues(bfqd->queue, true);
467         }
468 }
469
470 #define bfq_class_idle(bfqq)    ((bfqq)->ioprio_class == IOPRIO_CLASS_IDLE)
471
472 #define bfq_sample_valid(samples)       ((samples) > 80)
473
474 /*
475  * Lifted from AS - choose which of rq1 and rq2 that is best served now.
476  * We choose the request that is closer to the head right now.  Distance
477  * behind the head is penalized and only allowed to a certain extent.
478  */
479 static struct request *bfq_choose_req(struct bfq_data *bfqd,
480                                       struct request *rq1,
481                                       struct request *rq2,
482                                       sector_t last)
483 {
484         sector_t s1, s2, d1 = 0, d2 = 0;
485         unsigned long back_max;
486 #define BFQ_RQ1_WRAP    0x01 /* request 1 wraps */
487 #define BFQ_RQ2_WRAP    0x02 /* request 2 wraps */
488         unsigned int wrap = 0; /* bit mask: requests behind the disk head? */
489
490         if (!rq1 || rq1 == rq2)
491                 return rq2;
492         if (!rq2)
493                 return rq1;
494
495         if (rq_is_sync(rq1) && !rq_is_sync(rq2))
496                 return rq1;
497         else if (rq_is_sync(rq2) && !rq_is_sync(rq1))
498                 return rq2;
499         if ((rq1->cmd_flags & REQ_META) && !(rq2->cmd_flags & REQ_META))
500                 return rq1;
501         else if ((rq2->cmd_flags & REQ_META) && !(rq1->cmd_flags & REQ_META))
502                 return rq2;
503
504         s1 = blk_rq_pos(rq1);
505         s2 = blk_rq_pos(rq2);
506
507         /*
508          * By definition, 1KiB is 2 sectors.
509          */
510         back_max = bfqd->bfq_back_max * 2;
511
512         /*
513          * Strict one way elevator _except_ in the case where we allow
514          * short backward seeks which are biased as twice the cost of a
515          * similar forward seek.
516          */
517         if (s1 >= last)
518                 d1 = s1 - last;
519         else if (s1 + back_max >= last)
520                 d1 = (last - s1) * bfqd->bfq_back_penalty;
521         else
522                 wrap |= BFQ_RQ1_WRAP;
523
524         if (s2 >= last)
525                 d2 = s2 - last;
526         else if (s2 + back_max >= last)
527                 d2 = (last - s2) * bfqd->bfq_back_penalty;
528         else
529                 wrap |= BFQ_RQ2_WRAP;
530
531         /* Found required data */
532
533         /*
534          * By doing switch() on the bit mask "wrap" we avoid having to
535          * check two variables for all permutations: --> faster!
536          */
537         switch (wrap) {
538         case 0: /* common case for CFQ: rq1 and rq2 not wrapped */
539                 if (d1 < d2)
540                         return rq1;
541                 else if (d2 < d1)
542                         return rq2;
543
544                 if (s1 >= s2)
545                         return rq1;
546                 else
547                         return rq2;
548
549         case BFQ_RQ2_WRAP:
550                 return rq1;
551         case BFQ_RQ1_WRAP:
552                 return rq2;
553         case BFQ_RQ1_WRAP|BFQ_RQ2_WRAP: /* both rqs wrapped */
554         default:
555                 /*
556                  * Since both rqs are wrapped,
557                  * start with the one that's further behind head
558                  * (--> only *one* back seek required),
559                  * since back seek takes more time than forward.
560                  */
561                 if (s1 <= s2)
562                         return rq1;
563                 else
564                         return rq2;
565         }
566 }
567
568 /*
569  * Async I/O can easily starve sync I/O (both sync reads and sync
570  * writes), by consuming all tags. Similarly, storms of sync writes,
571  * such as those that sync(2) may trigger, can starve sync reads.
572  * Limit depths of async I/O and sync writes so as to counter both
573  * problems.
574  */
575 static void bfq_limit_depth(unsigned int op, struct blk_mq_alloc_data *data)
576 {
577         struct bfq_data *bfqd = data->q->elevator->elevator_data;
578
579         if (op_is_sync(op) && !op_is_write(op))
580                 return;
581
582         data->shallow_depth =
583                 bfqd->word_depths[!!bfqd->wr_busy_queues][op_is_sync(op)];
584
585         bfq_log(bfqd, "[%s] wr_busy %d sync %d depth %u",
586                         __func__, bfqd->wr_busy_queues, op_is_sync(op),
587                         data->shallow_depth);
588 }
589
590 static struct bfq_queue *
591 bfq_rq_pos_tree_lookup(struct bfq_data *bfqd, struct rb_root *root,
592                      sector_t sector, struct rb_node **ret_parent,
593                      struct rb_node ***rb_link)
594 {
595         struct rb_node **p, *parent;
596         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
597
598         parent = NULL;
599         p = &root->rb_node;
600         while (*p) {
601                 struct rb_node **n;
602
603                 parent = *p;
604                 bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
605
606                 /*
607                  * Sort strictly based on sector. Smallest to the left,
608                  * largest to the right.
609                  */
610                 if (sector > blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
611                         n = &(*p)->rb_right;
612                 else if (sector < blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
613                         n = &(*p)->rb_left;
614                 else
615                         break;
616                 p = n;
617                 bfqq = NULL;
618         }
619
620         *ret_parent = parent;
621         if (rb_link)
622                 *rb_link = p;
623
624         bfq_log(bfqd, "rq_pos_tree_lookup %llu: returning %d",
625                 (unsigned long long)sector,
626                 bfqq ? bfqq->pid : 0);
627
628         return bfqq;
629 }
630
631 static bool bfq_too_late_for_merging(struct bfq_queue *bfqq)
632 {
633         return bfqq->service_from_backlogged > 0 &&
634                 time_is_before_jiffies(bfqq->first_IO_time +
635                                        bfq_merge_time_limit);
636 }
637
638 /*
639  * The following function is not marked as __cold because it is
640  * actually cold, but for the same performance goal described in the
641  * comments on the likely() at the beginning of
642  * bfq_setup_cooperator(). Unexpectedly, to reach an even lower
643  * execution time for the case where this function is not invoked, we
644  * had to add an unlikely() in each involved if().
645  */
646 void __cold
647 bfq_pos_tree_add_move(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
648 {
649         struct rb_node **p, *parent;
650         struct bfq_queue *__bfqq;
651
652         if (bfqq->pos_root) {
653                 rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
654                 bfqq->pos_root = NULL;
655         }
656
657         /* oom_bfqq does not participate in queue merging */
658         if (bfqq == &bfqd->oom_bfqq)
659                 return;
660
661         /*
662          * bfqq cannot be merged any longer (see comments in
663          * bfq_setup_cooperator): no point in adding bfqq into the
664          * position tree.
665          */
666         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
667                 return;
668
669         if (bfq_class_idle(bfqq))
670                 return;
671         if (!bfqq->next_rq)
672                 return;
673
674         bfqq->pos_root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
675         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, bfqq->pos_root,
676                         blk_rq_pos(bfqq->next_rq), &parent, &p);
677         if (!__bfqq) {
678                 rb_link_node(&bfqq->pos_node, parent, p);
679                 rb_insert_color(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
680         } else
681                 bfqq->pos_root = NULL;
682 }
683
684 /*
685  * The following function returns false either if every active queue
686  * must receive the same share of the throughput (symmetric scenario),
687  * or, as a special case, if bfqq must receive a share of the
688  * throughput lower than or equal to the share that every other active
689  * queue must receive.  If bfqq does sync I/O, then these are the only
690  * two cases where bfqq happens to be guaranteed its share of the
691  * throughput even if I/O dispatching is not plugged when bfqq remains
692  * temporarily empty (for more details, see the comments in the
693  * function bfq_better_to_idle()). For this reason, the return value
694  * of this function is used to check whether I/O-dispatch plugging can
695  * be avoided.
696  *
697  * The above first case (symmetric scenario) occurs when:
698  * 1) all active queues have the same weight,
699  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
700  * 3) all active groups at the same level in the groups tree have the same
701  *    weight,
702  * 4) all active groups at the same level in the groups tree have the same
703  *    number of children.
704  *
705  * Unfortunately, keeping the necessary state for evaluating exactly
706  * the last two symmetry sub-conditions above would be quite complex
707  * and time consuming. Therefore this function evaluates, instead,
708  * only the following stronger three sub-conditions, for which it is
709  * much easier to maintain the needed state:
710  * 1) all active queues have the same weight,
711  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
712  * 3) there are no active groups.
713  * In particular, the last condition is always true if hierarchical
714  * support or the cgroups interface are not enabled, thus no state
715  * needs to be maintained in this case.
716  */
717 static bool bfq_asymmetric_scenario(struct bfq_data *bfqd,
718                                    struct bfq_queue *bfqq)
719 {
720         bool smallest_weight = bfqq &&
721                 bfqq->weight_counter &&
722                 bfqq->weight_counter ==
723                 container_of(
724                         rb_first_cached(&bfqd->queue_weights_tree),
725                         struct bfq_weight_counter,
726                         weights_node);
727
728         /*
729          * For queue weights to differ, queue_weights_tree must contain
730          * at least two nodes.
731          */
732         bool varied_queue_weights = !smallest_weight &&
733                 !RB_EMPTY_ROOT(&bfqd->queue_weights_tree.rb_root) &&
734                 (bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_left ||
735                  bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_right);
736
737         bool multiple_classes_busy =
738                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[1]) ||
739                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[2]) ||
740                 (bfqd->busy_queues[1] && bfqd->busy_queues[2]);
741
742         return varied_queue_weights || multiple_classes_busy
743 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
744                || bfqd->num_groups_with_pending_reqs > 0
745 #endif
746                 ;
747 }
748
749 /*
750  * If the weight-counter tree passed as input contains no counter for
751  * the weight of the input queue, then add that counter; otherwise just
752  * increment the existing counter.
753  *
754  * Note that weight-counter trees contain few nodes in mostly symmetric
755  * scenarios. For example, if all queues have the same weight, then the
756  * weight-counter tree for the queues may contain at most one node.
757  * This holds even if low_latency is on, because weight-raised queues
758  * are not inserted in the tree.
759  * In most scenarios, the rate at which nodes are created/destroyed
760  * should be low too.
761  */
762 void bfq_weights_tree_add(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
763                           struct rb_root_cached *root)
764 {
765         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
766         struct rb_node **new = &(root->rb_root.rb_node), *parent = NULL;
767         bool leftmost = true;
768
769         /*
770          * Do not insert if the queue is already associated with a
771          * counter, which happens if:
772          *   1) a request arrival has caused the queue to become both
773          *      non-weight-raised, and hence change its weight, and
774          *      backlogged; in this respect, each of the two events
775          *      causes an invocation of this function,
776          *   2) this is the invocation of this function caused by the
777          *      second event. This second invocation is actually useless,
778          *      and we handle this fact by exiting immediately. More
779          *      efficient or clearer solutions might possibly be adopted.
780          */
781         if (bfqq->weight_counter)
782                 return;
783
784         while (*new) {
785                 struct bfq_weight_counter *__counter = container_of(*new,
786                                                 struct bfq_weight_counter,
787                                                 weights_node);
788                 parent = *new;
789
790                 if (entity->weight == __counter->weight) {
791                         bfqq->weight_counter = __counter;
792                         goto inc_counter;
793                 }
794                 if (entity->weight < __counter->weight)
795                         new = &((*new)->rb_left);
796                 else {
797                         new = &((*new)->rb_right);
798                         leftmost = false;
799                 }
800         }
801
802         bfqq->weight_counter = kzalloc(sizeof(struct bfq_weight_counter),
803                                        GFP_ATOMIC);
804
805         /*
806          * In the unlucky event of an allocation failure, we just
807          * exit. This will cause the weight of queue to not be
808          * considered in bfq_asymmetric_scenario, which, in its turn,
809          * causes the scenario to be deemed wrongly symmetric in case
810          * bfqq's weight would have been the only weight making the
811          * scenario asymmetric.  On the bright side, no unbalance will
812          * however occur when bfqq becomes inactive again (the
813          * invocation of this function is triggered by an activation
814          * of queue).  In fact, bfq_weights_tree_remove does nothing
815          * if !bfqq->weight_counter.
816          */
817         if (unlikely(!bfqq->weight_counter))
818                 return;
819
820         bfqq->weight_counter->weight = entity->weight;
821         rb_link_node(&bfqq->weight_counter->weights_node, parent, new);
822         rb_insert_color_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root,
823                                 leftmost);
824
825 inc_counter:
826         bfqq->weight_counter->num_active++;
827         bfqq->ref++;
828 }
829
830 /*
831  * Decrement the weight counter associated with the queue, and, if the
832  * counter reaches 0, remove the counter from the tree.
833  * See the comments to the function bfq_weights_tree_add() for considerations
834  * about overhead.
835  */
836 void __bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
837                                struct bfq_queue *bfqq,
838                                struct rb_root_cached *root)
839 {
840         if (!bfqq->weight_counter)
841                 return;
842
843         bfqq->weight_counter->num_active--;
844         if (bfqq->weight_counter->num_active > 0)
845                 goto reset_entity_pointer;
846
847         rb_erase_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root);
848         kfree(bfqq->weight_counter);
849
850 reset_entity_pointer:
851         bfqq->weight_counter = NULL;
852         bfq_put_queue(bfqq);
853 }
854
855 /*
856  * Invoke __bfq_weights_tree_remove on bfqq and decrement the number
857  * of active groups for each queue's inactive parent entity.
858  */
859 void bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
860                              struct bfq_queue *bfqq)
861 {
862         struct bfq_entity *entity = bfqq->entity.parent;
863
864         for_each_entity(entity) {
865                 struct bfq_sched_data *sd = entity->my_sched_data;
866
867                 if (sd->next_in_service || sd->in_service_entity) {
868                         /*
869                          * entity is still active, because either
870                          * next_in_service or in_service_entity is not
871                          * NULL (see the comments on the definition of
872                          * next_in_service for details on why
873                          * in_service_entity must be checked too).
874                          *
875                          * As a consequence, its parent entities are
876                          * active as well, and thus this loop must
877                          * stop here.
878                          */
879                         break;
880                 }
881
882                 /*
883                  * The decrement of num_groups_with_pending_reqs is
884                  * not performed immediately upon the deactivation of
885                  * entity, but it is delayed to when it also happens
886                  * that the first leaf descendant bfqq of entity gets
887                  * all its pending requests completed. The following
888                  * instructions perform this delayed decrement, if
889                  * needed. See the comments on
890                  * num_groups_with_pending_reqs for details.
891                  */
892                 if (entity->in_groups_with_pending_reqs) {
893                         entity->in_groups_with_pending_reqs = false;
894                         bfqd->num_groups_with_pending_reqs--;
895                 }
896         }
897
898         /*
899          * Next function is invoked last, because it causes bfqq to be
900          * freed if the following holds: bfqq is not in service and
901          * has no dispatched request. DO NOT use bfqq after the next
902          * function invocation.
903          */
904         __bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq,
905                                   &bfqd->queue_weights_tree);
906 }
907
908 /*
909  * Return expired entry, or NULL to just start from scratch in rbtree.
910  */
911 static struct request *bfq_check_fifo(struct bfq_queue *bfqq,
912                                       struct request *last)
913 {
914         struct request *rq;
915
916         if (bfq_bfqq_fifo_expire(bfqq))
917                 return NULL;
918
919         bfq_mark_bfqq_fifo_expire(bfqq);
920
921         rq = rq_entry_fifo(bfqq->fifo.next);
922
923         if (rq == last || ktime_get_ns() < rq->fifo_time)
924                 return NULL;
925
926         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "check_fifo: returned %p", rq);
927         return rq;
928 }
929
930 static struct request *bfq_find_next_rq(struct bfq_data *bfqd,
931                                         struct bfq_queue *bfqq,
932                                         struct request *last)
933 {
934         struct rb_node *rbnext = rb_next(&last->rb_node);
935         struct rb_node *rbprev = rb_prev(&last->rb_node);
936         struct request *next, *prev = NULL;
937
938         /* Follow expired path, else get first next available. */
939         next = bfq_check_fifo(bfqq, last);
940         if (next)
941                 return next;
942
943         if (rbprev)
944                 prev = rb_entry_rq(rbprev);
945
946         if (rbnext)
947                 next = rb_entry_rq(rbnext);
948         else {
949                 rbnext = rb_first(&bfqq->sort_list);
950                 if (rbnext && rbnext != &last->rb_node)
951                         next = rb_entry_rq(rbnext);
952         }
953
954         return bfq_choose_req(bfqd, next, prev, blk_rq_pos(last));
955 }
956
957 /* see the definition of bfq_async_charge_factor for details */
958 static unsigned long bfq_serv_to_charge(struct request *rq,
959                                         struct bfq_queue *bfqq)
960 {
961         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfqq->wr_coeff > 1 ||
962             bfq_asymmetric_scenario(bfqq->bfqd, bfqq))
963                 return blk_rq_sectors(rq);
964
965         return blk_rq_sectors(rq) * bfq_async_charge_factor;
966 }
967
968 /**
969  * bfq_updated_next_req - update the queue after a new next_rq selection.
970  * @bfqd: the device data the queue belongs to.
971  * @bfqq: the queue to update.
972  *
973  * If the first request of a queue changes we make sure that the queue
974  * has enough budget to serve at least its first request (if the
975  * request has grown).  We do this because if the queue has not enough
976  * budget for its first request, it has to go through two dispatch
977  * rounds to actually get it dispatched.
978  */
979 static void bfq_updated_next_req(struct bfq_data *bfqd,
980                                  struct bfq_queue *bfqq)
981 {
982         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
983         struct request *next_rq = bfqq->next_rq;
984         unsigned long new_budget;
985
986         if (!next_rq)
987                 return;
988
989         if (bfqq == bfqd->in_service_queue)
990                 /*
991                  * In order not to break guarantees, budgets cannot be
992                  * changed after an entity has been selected.
993                  */
994                 return;
995
996         new_budget = max_t(unsigned long,
997                            max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
998                                  bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq)),
999                            entity->service);
1000         if (entity->budget != new_budget) {
1001                 entity->budget = new_budget;
1002                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "updated next rq: new budget %lu",
1003                                          new_budget);
1004                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, false);
1005         }
1006 }
1007
1008 static unsigned int bfq_wr_duration(struct bfq_data *bfqd)
1009 {
1010         u64 dur;
1011
1012         if (bfqd->bfq_wr_max_time > 0)
1013                 return bfqd->bfq_wr_max_time;
1014
1015         dur = bfqd->rate_dur_prod;
1016         do_div(dur, bfqd->peak_rate);
1017
1018         /*
1019          * Limit duration between 3 and 25 seconds. The upper limit
1020          * has been conservatively set after the following worst case:
1021          * on a QEMU/KVM virtual machine
1022          * - running in a slow PC
1023          * - with a virtual disk stacked on a slow low-end 5400rpm HDD
1024          * - serving a heavy I/O workload, such as the sequential reading
1025          *   of several files
1026          * mplayer took 23 seconds to start, if constantly weight-raised.
1027          *
1028          * As for higher values than that accommodating the above bad
1029          * scenario, tests show that higher values would often yield
1030          * the opposite of the desired result, i.e., would worsen
1031          * responsiveness by allowing non-interactive applications to
1032          * preserve weight raising for too long.
1033          *
1034          * On the other end, lower values than 3 seconds make it
1035          * difficult for most interactive tasks to complete their jobs
1036          * before weight-raising finishes.
1037          */
1038         return clamp_val(dur, msecs_to_jiffies(3000), msecs_to_jiffies(25000));
1039 }
1040
1041 /* switch back from soft real-time to interactive weight raising */
1042 static void switch_back_to_interactive_wr(struct bfq_queue *bfqq,
1043                                           struct bfq_data *bfqd)
1044 {
1045         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1046         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1047         bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
1048 }
1049
1050 static void
1051 bfq_bfqq_resume_state(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd,
1052                       struct bfq_io_cq *bic, bool bfq_already_existing)
1053 {
1054         unsigned int old_wr_coeff = 1;
1055         bool busy = bfq_already_existing && bfq_bfqq_busy(bfqq);
1056
1057         if (bic->saved_has_short_ttime)
1058                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1059         else
1060                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1061
1062         if (bic->saved_IO_bound)
1063                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1064         else
1065                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1066
1067         bfqq->last_serv_time_ns = bic->saved_last_serv_time_ns;
1068         bfqq->inject_limit = bic->saved_inject_limit;
1069         bfqq->decrease_time_jif = bic->saved_decrease_time_jif;
1070
1071         bfqq->entity.new_weight = bic->saved_weight;
1072         bfqq->ttime = bic->saved_ttime;
1073         bfqq->io_start_time = bic->saved_io_start_time;
1074         bfqq->tot_idle_time = bic->saved_tot_idle_time;
1075         /*
1076          * Restore weight coefficient only if low_latency is on
1077          */
1078         if (bfqd->low_latency) {
1079                 old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
1080                 bfqq->wr_coeff = bic->saved_wr_coeff;
1081         }
1082         bfqq->service_from_wr = bic->saved_service_from_wr;
1083         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt;
1084         bfqq->last_wr_start_finish = bic->saved_last_wr_start_finish;
1085         bfqq->wr_cur_max_time = bic->saved_wr_cur_max_time;
1086
1087         if (bfqq->wr_coeff > 1 && (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1088             time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
1089                                    bfqq->wr_cur_max_time))) {
1090                 if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
1091                     !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
1092                     time_is_after_eq_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
1093                                              bfq_wr_duration(bfqd))) {
1094                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
1095                 } else {
1096                         bfqq->wr_coeff = 1;
1097                         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
1098                                      "resume state: switching off wr");
1099                 }
1100         }
1101
1102         /* make sure weight will be updated, however we got here */
1103         bfqq->entity.prio_changed = 1;
1104
1105         if (likely(!busy))
1106                 return;
1107
1108         if (old_wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1)
1109                 bfqd->wr_busy_queues++;
1110         else if (old_wr_coeff > 1 && bfqq->wr_coeff == 1)
1111                 bfqd->wr_busy_queues--;
1112 }
1113
1114 static int bfqq_process_refs(struct bfq_queue *bfqq)
1115 {
1116         return bfqq->ref - bfqq->allocated - bfqq->entity.on_st_or_in_serv -
1117                 (bfqq->weight_counter != NULL) - bfqq->stable_ref;
1118 }
1119
1120 /* Empty burst list and add just bfqq (see comments on bfq_handle_burst) */
1121 static void bfq_reset_burst_list(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1122 {
1123         struct bfq_queue *item;
1124         struct hlist_node *n;
1125
1126         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqd->burst_list, burst_list_node)
1127                 hlist_del_init(&item->burst_list_node);
1128
1129         /*
1130          * Start the creation of a new burst list only if there is no
1131          * active queue. See comments on the conditional invocation of
1132          * bfq_handle_burst().
1133          */
1134         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0) {
1135                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1136                 bfqd->burst_size = 1;
1137         } else
1138                 bfqd->burst_size = 0;
1139
1140         bfqd->burst_parent_entity = bfqq->entity.parent;
1141 }
1142
1143 /* Add bfqq to the list of queues in current burst (see bfq_handle_burst) */
1144 static void bfq_add_to_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1145 {
1146         /* Increment burst size to take into account also bfqq */
1147         bfqd->burst_size++;
1148
1149         if (bfqd->burst_size == bfqd->bfq_large_burst_thresh) {
1150                 struct bfq_queue *pos, *bfqq_item;
1151                 struct hlist_node *n;
1152
1153                 /*
1154                  * Enough queues have been activated shortly after each
1155                  * other to consider this burst as large.
1156                  */
1157                 bfqd->large_burst = true;
1158
1159                 /*
1160                  * We can now mark all queues in the burst list as
1161                  * belonging to a large burst.
1162                  */
1163                 hlist_for_each_entry(bfqq_item, &bfqd->burst_list,
1164                                      burst_list_node)
1165                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq_item);
1166                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1167
1168                 /*
1169                  * From now on, and until the current burst finishes, any
1170                  * new queue being activated shortly after the last queue
1171                  * was inserted in the burst can be immediately marked as
1172                  * belonging to a large burst. So the burst list is not
1173                  * needed any more. Remove it.
1174                  */
1175                 hlist_for_each_entry_safe(pos, n, &bfqd->burst_list,
1176                                           burst_list_node)
1177                         hlist_del_init(&pos->burst_list_node);
1178         } else /*
1179                 * Burst not yet large: add bfqq to the burst list. Do
1180                 * not increment the ref counter for bfqq, because bfqq
1181                 * is removed from the burst list before freeing bfqq
1182                 * in put_queue.
1183                 */
1184                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1185 }
1186
1187 /*
1188  * If many queues belonging to the same group happen to be created
1189  * shortly after each other, then the processes associated with these
1190  * queues have typically a common goal. In particular, bursts of queue
1191  * creations are usually caused by services or applications that spawn
1192  * many parallel threads/processes. Examples are systemd during boot,
1193  * or git grep. To help these processes get their job done as soon as
1194  * possible, it is usually better to not grant either weight-raising
1195  * or device idling to their queues, unless these queues must be
1196  * protected from the I/O flowing through other active queues.
1197  *
1198  * In this comment we describe, firstly, the reasons why this fact
1199  * holds, and, secondly, the next function, which implements the main
1200  * steps needed to properly mark these queues so that they can then be
1201  * treated in a different way.
1202  *
1203  * The above services or applications benefit mostly from a high
1204  * throughput: the quicker the requests of the activated queues are
1205  * cumulatively served, the sooner the target job of these queues gets
1206  * completed. As a consequence, weight-raising any of these queues,
1207  * which also implies idling the device for it, is almost always
1208  * counterproductive, unless there are other active queues to isolate
1209  * these new queues from. If there no other active queues, then
1210  * weight-raising these new queues just lowers throughput in most
1211  * cases.
1212  *
1213  * On the other hand, a burst of queue creations may be caused also by
1214  * the start of an application that does not consist of a lot of
1215  * parallel I/O-bound threads. In fact, with a complex application,
1216  * several short processes may need to be executed to start-up the
1217  * application. In this respect, to start an application as quickly as
1218  * possible, the best thing to do is in any case to privilege the I/O
1219  * related to the application with respect to all other
1220  * I/O. Therefore, the best strategy to start as quickly as possible
1221  * an application that causes a burst of queue creations is to
1222  * weight-raise all the queues created during the burst. This is the
1223  * exact opposite of the best strategy for the other type of bursts.
1224  *
1225  * In the end, to take the best action for each of the two cases, the
1226  * two types of bursts need to be distinguished. Fortunately, this
1227  * seems relatively easy, by looking at the sizes of the bursts. In
1228  * particular, we found a threshold such that only bursts with a
1229  * larger size than that threshold are apparently caused by
1230  * services or commands such as systemd or git grep. For brevity,
1231  * hereafter we call just 'large' these bursts. BFQ *does not*
1232  * weight-raise queues whose creation occurs in a large burst. In
1233  * addition, for each of these queues BFQ performs or does not perform
1234  * idling depending on which choice boosts the throughput more. The
1235  * exact choice depends on the device and request pattern at
1236  * hand.
1237  *
1238  * Unfortunately, false positives may occur while an interactive task
1239  * is starting (e.g., an application is being started). The
1240  * consequence is that the queues associated with the task do not
1241  * enjoy weight raising as expected. Fortunately these false positives
1242  * are very rare. They typically occur if some service happens to
1243  * start doing I/O exactly when the interactive task starts.
1244  *
1245  * Turning back to the next function, it is invoked only if there are
1246  * no active queues (apart from active queues that would belong to the
1247  * same, possible burst bfqq would belong to), and it implements all
1248  * the steps needed to detect the occurrence of a large burst and to
1249  * properly mark all the queues belonging to it (so that they can then
1250  * be treated in a different way). This goal is achieved by
1251  * maintaining a "burst list" that holds, temporarily, the queues that
1252  * belong to the burst in progress. The list is then used to mark
1253  * these queues as belonging to a large burst if the burst does become
1254  * large. The main steps are the following.
1255  *
1256  * . when the very first queue is created, the queue is inserted into the
1257  *   list (as it could be the first queue in a possible burst)
1258  *
1259  * . if the current burst has not yet become large, and a queue Q that does
1260  *   not yet belong to the burst is activated shortly after the last time
1261  *   at which a new queue entered the burst list, then the function appends
1262  *   Q to the burst list
1263  *
1264  * . if, as a consequence of the previous step, the burst size reaches
1265  *   the large-burst threshold, then
1266  *
1267  *     . all the queues in the burst list are marked as belonging to a
1268  *       large burst
1269  *
1270  *     . the burst list is deleted; in fact, the burst list already served
1271  *       its purpose (keeping temporarily track of the queues in a burst,
1272  *       so as to be able to mark them as belonging to a large burst in the
1273  *       previous sub-step), and now is not needed any more
1274  *
1275  *     . the device enters a large-burst mode
1276  *
1277  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created while
1278  *   the device is in large-burst mode and shortly after the last time
1279  *   at which a queue either entered the burst list or was marked as
1280  *   belonging to the current large burst, then Q is immediately marked
1281  *   as belonging to a large burst.
1282  *
1283  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created a while
1284  *   later, i.e., not shortly after, than the last time at which a queue
1285  *   either entered the burst list or was marked as belonging to the
1286  *   current large burst, then the current burst is deemed as finished and:
1287  *
1288  *        . the large-burst mode is reset if set
1289  *
1290  *        . the burst list is emptied
1291  *
1292  *        . Q is inserted in the burst list, as Q may be the first queue
1293  *          in a possible new burst (then the burst list contains just Q
1294  *          after this step).
1295  */
1296 static void bfq_handle_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1297 {
1298         /*
1299          * If bfqq is already in the burst list or is part of a large
1300          * burst, or finally has just been split, then there is
1301          * nothing else to do.
1302          */
1303         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node) ||
1304             bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1305             time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
1306                                      msecs_to_jiffies(10)))
1307                 return;
1308
1309         /*
1310          * If bfqq's creation happens late enough, or bfqq belongs to
1311          * a different group than the burst group, then the current
1312          * burst is finished, and related data structures must be
1313          * reset.
1314          *
1315          * In this respect, consider the special case where bfqq is
1316          * the very first queue created after BFQ is selected for this
1317          * device. In this case, last_ins_in_burst and
1318          * burst_parent_entity are not yet significant when we get
1319          * here. But it is easy to verify that, whether or not the
1320          * following condition is true, bfqq will end up being
1321          * inserted into the burst list. In particular the list will
1322          * happen to contain only bfqq. And this is exactly what has
1323          * to happen, as bfqq may be the first queue of the first
1324          * burst.
1325          */
1326         if (time_is_before_jiffies(bfqd->last_ins_in_burst +
1327             bfqd->bfq_burst_interval) ||
1328             bfqq->entity.parent != bfqd->burst_parent_entity) {
1329                 bfqd->large_burst = false;
1330                 bfq_reset_burst_list(bfqd, bfqq);
1331                 goto end;
1332         }
1333
1334         /*
1335          * If we get here, then bfqq is being activated shortly after the
1336          * last queue. So, if the current burst is also large, we can mark
1337          * bfqq as belonging to this large burst immediately.
1338          */
1339         if (bfqd->large_burst) {
1340                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1341                 goto end;
1342         }
1343
1344         /*
1345          * If we get here, then a large-burst state has not yet been
1346          * reached, but bfqq is being activated shortly after the last
1347          * queue. Then we add bfqq to the burst.
1348          */
1349         bfq_add_to_burst(bfqd, bfqq);
1350 end:
1351         /*
1352          * At this point, bfqq either has been added to the current
1353          * burst or has caused the current burst to terminate and a
1354          * possible new burst to start. In particular, in the second
1355          * case, bfqq has become the first queue in the possible new
1356          * burst.  In both cases last_ins_in_burst needs to be moved
1357          * forward.
1358          */
1359         bfqd->last_ins_in_burst = jiffies;
1360 }
1361
1362 static int bfq_bfqq_budget_left(struct bfq_queue *bfqq)
1363 {
1364         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1365
1366         return entity->budget - entity->service;
1367 }
1368
1369 /*
1370  * If enough samples have been computed, return the current max budget
1371  * stored in bfqd, which is dynamically updated according to the
1372  * estimated disk peak rate; otherwise return the default max budget
1373  */
1374 static int bfq_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
1375 {
1376         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1377                 return bfq_default_max_budget;
1378         else
1379                 return bfqd->bfq_max_budget;
1380 }
1381
1382 /*
1383  * Return min budget, which is a fraction of the current or default
1384  * max budget (trying with 1/32)
1385  */
1386 static int bfq_min_budget(struct bfq_data *bfqd)
1387 {
1388         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1389                 return bfq_default_max_budget / 32;
1390         else
1391                 return bfqd->bfq_max_budget / 32;
1392 }
1393
1394 /*
1395  * The next function, invoked after the input queue bfqq switches from
1396  * idle to busy, updates the budget of bfqq. The function also tells
1397  * whether the in-service queue should be expired, by returning
1398  * true. The purpose of expiring the in-service queue is to give bfqq
1399  * the chance to possibly preempt the in-service queue, and the reason
1400  * for preempting the in-service queue is to achieve one of the two
1401  * goals below.
1402  *
1403  * 1. Guarantee to bfqq its reserved bandwidth even if bfqq has
1404  * expired because it has remained idle. In particular, bfqq may have
1405  * expired for one of the following two reasons:
1406  *
1407  * - BFQQE_NO_MORE_REQUESTS bfqq did not enjoy any device idling
1408  *   and did not make it to issue a new request before its last
1409  *   request was served;
1410  *
1411  * - BFQQE_TOO_IDLE bfqq did enjoy device idling, but did not issue
1412  *   a new request before the expiration of the idling-time.
1413  *
1414  * Even if bfqq has expired for one of the above reasons, the process
1415  * associated with the queue may be however issuing requests greedily,
1416  * and thus be sensitive to the bandwidth it receives (bfqq may have
1417  * remained idle for other reasons: CPU high load, bfqq not enjoying
1418  * idling, I/O throttling somewhere in the path from the process to
1419  * the I/O scheduler, ...). But if, after every expiration for one of
1420  * the above two reasons, bfqq has to wait for the service of at least
1421  * one full budget of another queue before being served again, then
1422  * bfqq is likely to get a much lower bandwidth or resource time than
1423  * its reserved ones. To address this issue, two countermeasures need
1424  * to be taken.
1425  *
1426  * First, the budget and the timestamps of bfqq need to be updated in
1427  * a special way on bfqq reactivation: they need to be updated as if
1428  * bfqq did not remain idle and did not expire. In fact, if they are
1429  * computed as if bfqq expired and remained idle until reactivation,
1430  * then the process associated with bfqq is treated as if, instead of
1431  * being greedy, it stopped issuing requests when bfqq remained idle,
1432  * and restarts issuing requests only on this reactivation. In other
1433  * words, the scheduler does not help the process recover the "service
1434  * hole" between bfqq expiration and reactivation. As a consequence,
1435  * the process receives a lower bandwidth than its reserved one. In
1436  * contrast, to recover this hole, the budget must be updated as if
1437  * bfqq was not expired at all before this reactivation, i.e., it must
1438  * be set to the value of the remaining budget when bfqq was
1439  * expired. Along the same line, timestamps need to be assigned the
1440  * value they had the last time bfqq was selected for service, i.e.,
1441  * before last expiration. Thus timestamps need to be back-shifted
1442  * with respect to their normal computation (see [1] for more details
1443  * on this tricky aspect).
1444  *
1445  * Secondly, to allow the process to recover the hole, the in-service
1446  * queue must be expired too, to give bfqq the chance to preempt it
1447  * immediately. In fact, if bfqq has to wait for a full budget of the
1448  * in-service queue to be completed, then it may become impossible to
1449  * let the process recover the hole, even if the back-shifted
1450  * timestamps of bfqq are lower than those of the in-service queue. If
1451  * this happens for most or all of the holes, then the process may not
1452  * receive its reserved bandwidth. In this respect, it is worth noting
1453  * that, being the service of outstanding requests unpreemptible, a
1454  * little fraction of the holes may however be unrecoverable, thereby
1455  * causing a little loss of bandwidth.
1456  *
1457  * The last important point is detecting whether bfqq does need this
1458  * bandwidth recovery. In this respect, the next function deems the
1459  * process associated with bfqq greedy, and thus allows it to recover
1460  * the hole, if: 1) the process is waiting for the arrival of a new
1461  * request (which implies that bfqq expired for one of the above two
1462  * reasons), and 2) such a request has arrived soon. The first
1463  * condition is controlled through the flag non_blocking_wait_rq,
1464  * while the second through the flag arrived_in_time. If both
1465  * conditions hold, then the function computes the budget in the
1466  * above-described special way, and signals that the in-service queue
1467  * should be expired. Timestamp back-shifting is done later in
1468  * __bfq_activate_entity.
1469  *
1470  * 2. Reduce latency. Even if timestamps are not backshifted to let
1471  * the process associated with bfqq recover a service hole, bfqq may
1472  * however happen to have, after being (re)activated, a lower finish
1473  * timestamp than the in-service queue.  That is, the next budget of
1474  * bfqq may have to be completed before the one of the in-service
1475  * queue. If this is the case, then preempting the in-service queue
1476  * allows this goal to be achieved, apart from the unpreemptible,
1477  * outstanding requests mentioned above.
1478  *
1479  * Unfortunately, regardless of which of the above two goals one wants
1480  * to achieve, service trees need first to be updated to know whether
1481  * the in-service queue must be preempted. To have service trees
1482  * correctly updated, the in-service queue must be expired and
1483  * rescheduled, and bfqq must be scheduled too. This is one of the
1484  * most costly operations (in future versions, the scheduling
1485  * mechanism may be re-designed in such a way to make it possible to
1486  * know whether preemption is needed without needing to update service
1487  * trees). In addition, queue preemptions almost always cause random
1488  * I/O, which may in turn cause loss of throughput. Finally, there may
1489  * even be no in-service queue when the next function is invoked (so,
1490  * no queue to compare timestamps with). Because of these facts, the
1491  * next function adopts the following simple scheme to avoid costly
1492  * operations, too frequent preemptions and too many dependencies on
1493  * the state of the scheduler: it requests the expiration of the
1494  * in-service queue (unconditionally) only for queues that need to
1495  * recover a hole. Then it delegates to other parts of the code the
1496  * responsibility of handling the above case 2.
1497  */
1498 static bool bfq_bfqq_update_budg_for_activation(struct bfq_data *bfqd,
1499                                                 struct bfq_queue *bfqq,
1500                                                 bool arrived_in_time)
1501 {
1502         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1503
1504         /*
1505          * In the next compound condition, we check also whether there
1506          * is some budget left, because otherwise there is no point in
1507          * trying to go on serving bfqq with this same budget: bfqq
1508          * would be expired immediately after being selected for
1509          * service. This would only cause useless overhead.
1510          */
1511         if (bfq_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq) && arrived_in_time &&
1512             bfq_bfqq_budget_left(bfqq) > 0) {
1513                 /*
1514                  * We do not clear the flag non_blocking_wait_rq here, as
1515                  * the latter is used in bfq_activate_bfqq to signal
1516                  * that timestamps need to be back-shifted (and is
1517                  * cleared right after).
1518                  */
1519
1520                 /*
1521                  * In next assignment we rely on that either
1522                  * entity->service or entity->budget are not updated
1523                  * on expiration if bfqq is empty (see
1524                  * __bfq_bfqq_recalc_budget). Thus both quantities
1525                  * remain unchanged after such an expiration, and the
1526                  * following statement therefore assigns to
1527                  * entity->budget the remaining budget on such an
1528                  * expiration.
1529                  */
1530                 entity->budget = min_t(unsigned long,
1531                                        bfq_bfqq_budget_left(bfqq),
1532                                        bfqq->max_budget);
1533
1534                 /*
1535                  * At this point, we have used entity->service to get
1536                  * the budget left (needed for updating
1537                  * entity->budget). Thus we finally can, and have to,
1538                  * reset entity->service. The latter must be reset
1539                  * because bfqq would otherwise be charged again for
1540                  * the service it has received during its previous
1541                  * service slot(s).
1542                  */
1543                 entity->service = 0;
1544
1545                 return true;
1546         }
1547
1548         /*
1549          * We can finally complete expiration, by setting service to 0.
1550          */
1551         entity->service = 0;
1552         entity->budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
1553                                bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq));
1554         bfq_clear_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
1555         return false;
1556 }
1557
1558 /*
1559  * Return the farthest past time instant according to jiffies
1560  * macros.
1561  */
1562 static unsigned long bfq_smallest_from_now(void)
1563 {
1564         return jiffies - MAX_JIFFY_OFFSET;
1565 }
1566
1567 static void bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(struct bfq_data *bfqd,
1568                                              struct bfq_queue *bfqq,
1569                                              unsigned int old_wr_coeff,
1570                                              bool wr_or_deserves_wr,
1571                                              bool interactive,
1572                                              bool in_burst,
1573                                              bool soft_rt)
1574 {
1575         if (old_wr_coeff == 1 && wr_or_deserves_wr) {
1576                 /* start a weight-raising period */
1577                 if (interactive) {
1578                         bfqq->service_from_wr = 0;
1579                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1580                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1581                 } else {
1582                         /*
1583                          * No interactive weight raising in progress
1584                          * here: assign minus infinity to
1585                          * wr_start_at_switch_to_srt, to make sure
1586                          * that, at the end of the soft-real-time
1587                          * weight raising periods that is starting
1588                          * now, no interactive weight-raising period
1589                          * may be wrongly considered as still in
1590                          * progress (and thus actually started by
1591                          * mistake).
1592                          */
1593                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1594                                 bfq_smallest_from_now();
1595                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1596                                 BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1597                         bfqq->wr_cur_max_time =
1598                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1599                 }
1600
1601                 /*
1602                  * If needed, further reduce budget to make sure it is
1603                  * close to bfqq's backlog, so as to reduce the
1604                  * scheduling-error component due to a too large
1605                  * budget. Do not care about throughput consequences,
1606                  * but only about latency. Finally, do not assign a
1607                  * too small budget either, to avoid increasing
1608                  * latency by causing too frequent expirations.
1609                  */
1610                 bfqq->entity.budget = min_t(unsigned long,
1611                                             bfqq->entity.budget,
1612                                             2 * bfq_min_budget(bfqd));
1613         } else if (old_wr_coeff > 1) {
1614                 if (interactive) { /* update wr coeff and duration */
1615                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1616                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1617                 } else if (in_burst)
1618                         bfqq->wr_coeff = 1;
1619                 else if (soft_rt) {
1620                         /*
1621                          * The application is now or still meeting the
1622                          * requirements for being deemed soft rt.  We
1623                          * can then correctly and safely (re)charge
1624                          * the weight-raising duration for the
1625                          * application with the weight-raising
1626                          * duration for soft rt applications.
1627                          *
1628                          * In particular, doing this recharge now, i.e.,
1629                          * before the weight-raising period for the
1630                          * application finishes, reduces the probability
1631                          * of the following negative scenario:
1632                          * 1) the weight of a soft rt application is
1633                          *    raised at startup (as for any newly
1634                          *    created application),
1635                          * 2) since the application is not interactive,
1636                          *    at a certain time weight-raising is
1637                          *    stopped for the application,
1638                          * 3) at that time the application happens to
1639                          *    still have pending requests, and hence
1640                          *    is destined to not have a chance to be
1641                          *    deemed soft rt before these requests are
1642                          *    completed (see the comments to the
1643                          *    function bfq_bfqq_softrt_next_start()
1644                          *    for details on soft rt detection),
1645                          * 4) these pending requests experience a high
1646                          *    latency because the application is not
1647                          *    weight-raised while they are pending.
1648                          */
1649                         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
1650                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time) {
1651                                 bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1652                                         bfqq->last_wr_start_finish;
1653
1654                                 bfqq->wr_cur_max_time =
1655                                         bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1656                                 bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1657                                         BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1658                         }
1659                         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1660                 }
1661         }
1662 }
1663
1664 static bool bfq_bfqq_idle_for_long_time(struct bfq_data *bfqd,
1665                                         struct bfq_queue *bfqq)
1666 {
1667         return bfqq->dispatched == 0 &&
1668                 time_is_before_jiffies(
1669                         bfqq->budget_timeout +
1670                         bfqd->bfq_wr_min_idle_time);
1671 }
1672
1673
1674 /*
1675  * Return true if bfqq is in a higher priority class, or has a higher
1676  * weight than the in-service queue.
1677  */
1678 static bool bfq_bfqq_higher_class_or_weight(struct bfq_queue *bfqq,
1679                                             struct bfq_queue *in_serv_bfqq)
1680 {
1681         int bfqq_weight, in_serv_weight;
1682
1683         if (bfqq->ioprio_class < in_serv_bfqq->ioprio_class)
1684                 return true;
1685
1686         if (in_serv_bfqq->entity.parent == bfqq->entity.parent) {
1687                 bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1688                 in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1689         } else {
1690                 if (bfqq->entity.parent)
1691                         bfqq_weight = bfqq->entity.parent->weight;
1692                 else
1693                         bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1694                 if (in_serv_bfqq->entity.parent)
1695                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.parent->weight;
1696                 else
1697                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1698         }
1699
1700         return bfqq_weight > in_serv_weight;
1701 }
1702
1703 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq);
1704
1705 static void bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(struct bfq_data *bfqd,
1706                                              struct bfq_queue *bfqq,
1707                                              int old_wr_coeff,
1708                                              struct request *rq,
1709                                              bool *interactive)
1710 {
1711         bool soft_rt, in_burst, wr_or_deserves_wr,
1712                 bfqq_wants_to_preempt,
1713                 idle_for_long_time = bfq_bfqq_idle_for_long_time(bfqd, bfqq),
1714                 /*
1715                  * See the comments on
1716                  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation for
1717                  * details on the usage of the next variable.
1718                  */
1719                 arrived_in_time =  ktime_get_ns() <=
1720                         bfqq->ttime.last_end_request +
1721                         bfqd->bfq_slice_idle * 3;
1722
1723
1724         /*
1725          * bfqq deserves to be weight-raised if:
1726          * - it is sync,
1727          * - it does not belong to a large burst,
1728          * - it has been idle for enough time or is soft real-time,
1729          * - is linked to a bfq_io_cq (it is not shared in any sense),
1730          * - has a default weight (otherwise we assume the user wanted
1731          *   to control its weight explicitly)
1732          */
1733         in_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1734         soft_rt = bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
1735                 !BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq) &&
1736                 !in_burst &&
1737                 time_is_before_jiffies(bfqq->soft_rt_next_start) &&
1738                 bfqq->dispatched == 0 &&
1739                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1740         *interactive = !in_burst && idle_for_long_time &&
1741                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1742         /*
1743          * Merged bfq_queues are kept out of weight-raising
1744          * (low-latency) mechanisms. The reason is that these queues
1745          * are usually created for non-interactive and
1746          * non-soft-real-time tasks. Yet this is not the case for
1747          * stably-merged queues. These queues are merged just because
1748          * they are created shortly after each other. So they may
1749          * easily serve the I/O of an interactive or soft-real time
1750          * application, if the application happens to spawn multiple
1751          * processes. So let also stably-merged queued enjoy weight
1752          * raising.
1753          */
1754         wr_or_deserves_wr = bfqd->low_latency &&
1755                 (bfqq->wr_coeff > 1 ||
1756                  (bfq_bfqq_sync(bfqq) &&
1757                   (bfqq->bic || RQ_BIC(rq)->stably_merged) &&
1758                    (*interactive || soft_rt)));
1759
1760         /*
1761          * Using the last flag, update budget and check whether bfqq
1762          * may want to preempt the in-service queue.
1763          */
1764         bfqq_wants_to_preempt =
1765                 bfq_bfqq_update_budg_for_activation(bfqd, bfqq,
1766                                                     arrived_in_time);
1767
1768         /*
1769          * If bfqq happened to be activated in a burst, but has been
1770          * idle for much more than an interactive queue, then we
1771          * assume that, in the overall I/O initiated in the burst, the
1772          * I/O associated with bfqq is finished. So bfqq does not need
1773          * to be treated as a queue belonging to a burst
1774          * anymore. Accordingly, we reset bfqq's in_large_burst flag
1775          * if set, and remove bfqq from the burst list if it's
1776          * there. We do not decrement burst_size, because the fact
1777          * that bfqq does not need to belong to the burst list any
1778          * more does not invalidate the fact that bfqq was created in
1779          * a burst.
1780          */
1781         if (likely(!bfq_bfqq_just_created(bfqq)) &&
1782             idle_for_long_time &&
1783             time_is_before_jiffies(
1784                     bfqq->budget_timeout +
1785                     msecs_to_jiffies(10000))) {
1786                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
1787                 bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1788         }
1789
1790         bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
1791
1792         if (bfqd->low_latency) {
1793                 if (unlikely(time_is_after_jiffies(bfqq->split_time)))
1794                         /* wraparound */
1795                         bfqq->split_time =
1796                                 jiffies - bfqd->bfq_wr_min_idle_time - 1;
1797
1798                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
1799                                            bfqd->bfq_wr_min_idle_time)) {
1800                         bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(bfqd, bfqq,
1801                                                          old_wr_coeff,
1802                                                          wr_or_deserves_wr,
1803                                                          *interactive,
1804                                                          in_burst,
1805                                                          soft_rt);
1806
1807                         if (old_wr_coeff != bfqq->wr_coeff)
1808                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
1809                 }
1810         }
1811
1812         bfqq->last_idle_bklogged = jiffies;
1813         bfqq->service_from_backlogged = 0;
1814         bfq_clear_bfqq_softrt_update(bfqq);
1815
1816         bfq_add_bfqq_busy(bfqd, bfqq);
1817
1818         /*
1819          * Expire in-service queue if preemption may be needed for
1820          * guarantees or throughput. As for guarantees, we care
1821          * explicitly about two cases. The first is that bfqq has to
1822          * recover a service hole, as explained in the comments on
1823          * bfq_bfqq_update_budg_for_activation(), i.e., that
1824          * bfqq_wants_to_preempt is true. However, if bfqq does not
1825          * carry time-critical I/O, then bfqq's bandwidth is less
1826          * important than that of queues that carry time-critical I/O.
1827          * So, as a further constraint, we consider this case only if
1828          * bfqq is at least as weight-raised, i.e., at least as time
1829          * critical, as the in-service queue.
1830          *
1831          * The second case is that bfqq is in a higher priority class,
1832          * or has a higher weight than the in-service queue. If this
1833          * condition does not hold, we don't care because, even if
1834          * bfqq does not start to be served immediately, the resulting
1835          * delay for bfqq's I/O is however lower or much lower than
1836          * the ideal completion time to be guaranteed to bfqq's I/O.
1837          *
1838          * In both cases, preemption is needed only if, according to
1839          * the timestamps of both bfqq and of the in-service queue,
1840          * bfqq actually is the next queue to serve. So, to reduce
1841          * useless preemptions, the return value of
1842          * next_queue_may_preempt() is considered in the next compound
1843          * condition too. Yet next_queue_may_preempt() just checks a
1844          * simple, necessary condition for bfqq to be the next queue
1845          * to serve. In fact, to evaluate a sufficient condition, the
1846          * timestamps of the in-service queue would need to be
1847          * updated, and this operation is quite costly (see the
1848          * comments on bfq_bfqq_update_budg_for_activation()).
1849          *
1850          * As for throughput, we ask bfq_better_to_idle() whether we
1851          * still need to plug I/O dispatching. If bfq_better_to_idle()
1852          * says no, then plugging is not needed any longer, either to
1853          * boost throughput or to perserve service guarantees. Then
1854          * the best option is to stop plugging I/O, as not doing so
1855          * would certainly lower throughput. We may end up in this
1856          * case if: (1) upon a dispatch attempt, we detected that it
1857          * was better to plug I/O dispatch, and to wait for a new
1858          * request to arrive for the currently in-service queue, but
1859          * (2) this switch of bfqq to busy changes the scenario.
1860          */
1861         if (bfqd->in_service_queue &&
1862             ((bfqq_wants_to_preempt &&
1863               bfqq->wr_coeff >= bfqd->in_service_queue->wr_coeff) ||
1864              bfq_bfqq_higher_class_or_weight(bfqq, bfqd->in_service_queue) ||
1865              !bfq_better_to_idle(bfqd->in_service_queue)) &&
1866             next_queue_may_preempt(bfqd))
1867                 bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqd->in_service_queue,
1868                                 false, BFQQE_PREEMPTED);
1869 }
1870
1871 static void bfq_reset_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
1872                                    struct bfq_queue *bfqq)
1873 {
1874         /* invalidate baseline total service time */
1875         bfqq->last_serv_time_ns = 0;
1876
1877         /*
1878          * Reset pointer in case we are waiting for
1879          * some request completion.
1880          */
1881         bfqd->waited_rq = NULL;
1882
1883         /*
1884          * If bfqq has a short think time, then start by setting the
1885          * inject limit to 0 prudentially, because the service time of
1886          * an injected I/O request may be higher than the think time
1887          * of bfqq, and therefore, if one request was injected when
1888          * bfqq remains empty, this injected request might delay the
1889          * service of the next I/O request for bfqq significantly. In
1890          * case bfqq can actually tolerate some injection, then the
1891          * adaptive update will however raise the limit soon. This
1892          * lucky circumstance holds exactly because bfqq has a short
1893          * think time, and thus, after remaining empty, is likely to
1894          * get new I/O enqueued---and then completed---before being
1895          * expired. This is the very pattern that gives the
1896          * limit-update algorithm the chance to measure the effect of
1897          * injection on request service times, and then to update the
1898          * limit accordingly.
1899          *
1900          * However, in the following special case, the inject limit is
1901          * left to 1 even if the think time is short: bfqq's I/O is
1902          * synchronized with that of some other queue, i.e., bfqq may
1903          * receive new I/O only after the I/O of the other queue is
1904          * completed. Keeping the inject limit to 1 allows the
1905          * blocking I/O to be served while bfqq is in service. And
1906          * this is very convenient both for bfqq and for overall
1907          * throughput, as explained in detail in the comments in
1908          * bfq_update_has_short_ttime().
1909          *
1910          * On the opposite end, if bfqq has a long think time, then
1911          * start directly by 1, because:
1912          * a) on the bright side, keeping at most one request in
1913          * service in the drive is unlikely to cause any harm to the
1914          * latency of bfqq's requests, as the service time of a single
1915          * request is likely to be lower than the think time of bfqq;
1916          * b) on the downside, after becoming empty, bfqq is likely to
1917          * expire before getting its next request. With this request
1918          * arrival pattern, it is very hard to sample total service
1919          * times and update the inject limit accordingly (see comments
1920          * on bfq_update_inject_limit()). So the limit is likely to be
1921          * never, or at least seldom, updated.  As a consequence, by
1922          * setting the limit to 1, we avoid that no injection ever
1923          * occurs with bfqq. On the downside, this proactive step
1924          * further reduces chances to actually compute the baseline
1925          * total service time. Thus it reduces chances to execute the
1926          * limit-update algorithm and possibly raise the limit to more
1927          * than 1.
1928          */
1929         if (bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq))
1930                 bfqq->inject_limit = 0;
1931         else
1932                 bfqq->inject_limit = 1;
1933
1934         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
1935 }
1936
1937 static void bfq_update_io_intensity(struct bfq_queue *bfqq, u64 now_ns)
1938 {
1939         u64 tot_io_time = now_ns - bfqq->io_start_time;
1940
1941         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfqq->dispatched == 0)
1942                 bfqq->tot_idle_time +=
1943                         now_ns - bfqq->ttime.last_end_request;
1944
1945         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq)))
1946                 return;
1947
1948         /*
1949          * Must be busy for at least about 80% of the time to be
1950          * considered I/O bound.
1951          */
1952         if (bfqq->tot_idle_time * 5 > tot_io_time)
1953                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1954         else
1955                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1956
1957         /*
1958          * Keep an observation window of at most 200 ms in the past
1959          * from now.
1960          */
1961         if (tot_io_time > 200 * NSEC_PER_MSEC) {
1962                 bfqq->io_start_time = now_ns - (tot_io_time>>1);
1963                 bfqq->tot_idle_time >>= 1;
1964         }
1965 }
1966
1967 /*
1968  * Detect whether bfqq's I/O seems synchronized with that of some
1969  * other queue, i.e., whether bfqq, after remaining empty, happens to
1970  * receive new I/O only right after some I/O request of the other
1971  * queue has been completed. We call waker queue the other queue, and
1972  * we assume, for simplicity, that bfqq may have at most one waker
1973  * queue.
1974  *
1975  * A remarkable throughput boost can be reached by unconditionally
1976  * injecting the I/O of the waker queue, every time a new
1977  * bfq_dispatch_request happens to be invoked while I/O is being
1978  * plugged for bfqq.  In addition to boosting throughput, this
1979  * unblocks bfqq's I/O, thereby improving bandwidth and latency for
1980  * bfqq. Note that these same results may be achieved with the general
1981  * injection mechanism, but less effectively. For details on this
1982  * aspect, see the comments on the choice of the queue for injection
1983  * in bfq_select_queue().
1984  *
1985  * Turning back to the detection of a waker queue, a queue Q is deemed
1986  * as a waker queue for bfqq if, for three consecutive times, bfqq
1987  * happens to become non empty right after a request of Q has been
1988  * completed. In this respect, even if bfqq is empty, we do not check
1989  * for a waker if it still has some in-flight I/O. In fact, in this
1990  * case bfqq is actually still being served by the drive, and may
1991  * receive new I/O on the completion of some of the in-flight
1992  * requests. In particular, on the first time, Q is tentatively set as
1993  * a candidate waker queue, while on the third consecutive time that Q
1994  * is detected, the field waker_bfqq is set to Q, to confirm that Q is
1995  * a waker queue for bfqq. These detection steps are performed only if
1996  * bfqq has a long think time, so as to make it more likely that
1997  * bfqq's I/O is actually being blocked by a synchronization. This
1998  * last filter, plus the above three-times requirement, make false
1999  * positives less likely.
2000  *
2001  * NOTE
2002  *
2003  * The sooner a waker queue is detected, the sooner throughput can be
2004  * boosted by injecting I/O from the waker queue. Fortunately,
2005  * detection is likely to be actually fast, for the following
2006  * reasons. While blocked by synchronization, bfqq has a long think
2007  * time. This implies that bfqq's inject limit is at least equal to 1
2008  * (see the comments in bfq_update_inject_limit()). So, thanks to
2009  * injection, the waker queue is likely to be served during the very
2010  * first I/O-plugging time interval for bfqq. This triggers the first
2011  * step of the detection mechanism. Thanks again to injection, the
2012  * candidate waker queue is then likely to be confirmed no later than
2013  * during the next I/O-plugging interval for bfqq.
2014  *
2015  * ISSUE
2016  *
2017  * On queue merging all waker information is lost.
2018  */
2019 static void bfq_check_waker(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
2020                             u64 now_ns)
2021 {
2022         if (!bfqd->last_completed_rq_bfqq ||
2023             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq ||
2024             bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) ||
2025             bfqq->dispatched > 0 ||
2026             now_ns - bfqd->last_completion >= 4 * NSEC_PER_MSEC ||
2027             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq->waker_bfqq)
2028                 return;
2029
2030         if (bfqd->last_completed_rq_bfqq !=
2031             bfqq->tentative_waker_bfqq) {
2032                 /*
2033                  * First synchronization detected with a
2034                  * candidate waker queue, or with a different
2035                  * candidate waker queue from the current one.
2036                  */
2037                 bfqq->tentative_waker_bfqq =
2038                         bfqd->last_completed_rq_bfqq;
2039                 bfqq->num_waker_detections = 1;
2040         } else /* Same tentative waker queue detected again */
2041                 bfqq->num_waker_detections++;
2042
2043         if (bfqq->num_waker_detections == 3) {
2044                 bfqq->waker_bfqq = bfqd->last_completed_rq_bfqq;
2045                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2046
2047                 /*
2048                  * If the waker queue disappears, then
2049                  * bfqq->waker_bfqq must be reset. To
2050                  * this goal, we maintain in each
2051                  * waker queue a list, woken_list, of
2052                  * all the queues that reference the
2053                  * waker queue through their
2054                  * waker_bfqq pointer. When the waker
2055                  * queue exits, the waker_bfqq pointer
2056                  * of all the queues in the woken_list
2057                  * is reset.
2058                  *
2059                  * In addition, if bfqq is already in
2060                  * the woken_list of a waker queue,
2061                  * then, before being inserted into
2062                  * the woken_list of a new waker
2063                  * queue, bfqq must be removed from
2064                  * the woken_list of the old waker
2065                  * queue.
2066                  */
2067                 if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
2068                         hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
2069                 hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
2070                                &bfqd->last_completed_rq_bfqq->woken_list);
2071         }
2072 }
2073
2074 static void bfq_add_request(struct request *rq)
2075 {
2076         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2077         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2078         struct request *next_rq, *prev;
2079         unsigned int old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2080         bool interactive = false;
2081         u64 now_ns = ktime_get_ns();
2082
2083         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "add_request %d", rq_is_sync(rq));
2084         bfqq->queued[rq_is_sync(rq)]++;
2085         bfqd->queued++;
2086
2087         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
2088                 bfq_check_waker(bfqd, bfqq, now_ns);
2089
2090                 /*
2091                  * Periodically reset inject limit, to make sure that
2092                  * the latter eventually drops in case workload
2093                  * changes, see step (3) in the comments on
2094                  * bfq_update_inject_limit().
2095                  */
2096                 if (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2097                                              msecs_to_jiffies(1000)))
2098                         bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
2099
2100                 /*
2101                  * The following conditions must hold to setup a new
2102                  * sampling of total service time, and then a new
2103                  * update of the inject limit:
2104                  * - bfqq is in service, because the total service
2105                  *   time is evaluated only for the I/O requests of
2106                  *   the queues in service;
2107                  * - this is the right occasion to compute or to
2108                  *   lower the baseline total service time, because
2109                  *   there are actually no requests in the drive,
2110                  *   or
2111                  *   the baseline total service time is available, and
2112                  *   this is the right occasion to compute the other
2113                  *   quantity needed to update the inject limit, i.e.,
2114                  *   the total service time caused by the amount of
2115                  *   injection allowed by the current value of the
2116                  *   limit. It is the right occasion because injection
2117                  *   has actually been performed during the service
2118                  *   hole, and there are still in-flight requests,
2119                  *   which are very likely to be exactly the injected
2120                  *   requests, or part of them;
2121                  * - the minimum interval for sampling the total
2122                  *   service time and updating the inject limit has
2123                  *   elapsed.
2124                  */
2125                 if (bfqq == bfqd->in_service_queue &&
2126                     (bfqd->rq_in_driver == 0 ||
2127                      (bfqq->last_serv_time_ns > 0 &&
2128                       bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver > 0)) &&
2129                     time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2130                                               msecs_to_jiffies(10))) {
2131                         bfqd->last_empty_occupied_ns = ktime_get_ns();
2132                         /*
2133                          * Start the state machine for measuring the
2134                          * total service time of rq: setting
2135                          * wait_dispatch will cause bfqd->waited_rq to
2136                          * be set when rq will be dispatched.
2137                          */
2138                         bfqd->wait_dispatch = true;
2139                         /*
2140                          * If there is no I/O in service in the drive,
2141                          * then possible injection occurred before the
2142                          * arrival of rq will not affect the total
2143                          * service time of rq. So the injection limit
2144                          * must not be updated as a function of such
2145                          * total service time, unless new injection
2146                          * occurs before rq is completed. To have the
2147                          * injection limit updated only in the latter
2148                          * case, reset rqs_injected here (rqs_injected
2149                          * will be set in case injection is performed
2150                          * on bfqq before rq is completed).
2151                          */
2152                         if (bfqd->rq_in_driver == 0)
2153                                 bfqd->rqs_injected = false;
2154                 }
2155         }
2156
2157         if (bfq_bfqq_sync(bfqq))
2158                 bfq_update_io_intensity(bfqq, now_ns);
2159
2160         elv_rb_add(&bfqq->sort_list, rq);
2161
2162         /*
2163          * Check if this request is a better next-serve candidate.
2164          */
2165         prev = bfqq->next_rq;
2166         next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, rq, bfqd->last_position);
2167         bfqq->next_rq = next_rq;
2168
2169         /*
2170          * Adjust priority tree position, if next_rq changes.
2171          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
2172          */
2173         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing && prev != bfqq->next_rq))
2174                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2175
2176         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq)) /* switching to busy ... */
2177                 bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(bfqd, bfqq, old_wr_coeff,
2178                                                  rq, &interactive);
2179         else {
2180                 if (bfqd->low_latency && old_wr_coeff == 1 && !rq_is_sync(rq) &&
2181                     time_is_before_jiffies(
2182                                 bfqq->last_wr_start_finish +
2183                                 bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async)) {
2184                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
2185                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
2186
2187                         bfqd->wr_busy_queues++;
2188                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2189                 }
2190                 if (prev != bfqq->next_rq)
2191                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2192         }
2193
2194         /*
2195          * Assign jiffies to last_wr_start_finish in the following
2196          * cases:
2197          *
2198          * . if bfqq is not going to be weight-raised, because, for
2199          *   non weight-raised queues, last_wr_start_finish stores the
2200          *   arrival time of the last request; as of now, this piece
2201          *   of information is used only for deciding whether to
2202          *   weight-raise async queues
2203          *
2204          * . if bfqq is not weight-raised, because, if bfqq is now
2205          *   switching to weight-raised, then last_wr_start_finish
2206          *   stores the time when weight-raising starts
2207          *
2208          * . if bfqq is interactive, because, regardless of whether
2209          *   bfqq is currently weight-raised, the weight-raising
2210          *   period must start or restart (this case is considered
2211          *   separately because it is not detected by the above
2212          *   conditions, if bfqq is already weight-raised)
2213          *
2214          * last_wr_start_finish has to be updated also if bfqq is soft
2215          * real-time, because the weight-raising period is constantly
2216          * restarted on idle-to-busy transitions for these queues, but
2217          * this is already done in bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch if
2218          * needed.
2219          */
2220         if (bfqd->low_latency &&
2221                 (old_wr_coeff == 1 || bfqq->wr_coeff == 1 || interactive))
2222                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2223 }
2224
2225 static struct request *bfq_find_rq_fmerge(struct bfq_data *bfqd,
2226                                           struct bio *bio,
2227                                           struct request_queue *q)
2228 {
2229         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq;
2230
2231
2232         if (bfqq)
2233                 return elv_rb_find(&bfqq->sort_list, bio_end_sector(bio));
2234
2235         return NULL;
2236 }
2237
2238 static sector_t get_sdist(sector_t last_pos, struct request *rq)
2239 {
2240         if (last_pos)
2241                 return abs(blk_rq_pos(rq) - last_pos);
2242
2243         return 0;
2244 }
2245
2246 #if 0 /* Still not clear if we can do without next two functions */
2247 static void bfq_activate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2248 {
2249         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2250
2251         bfqd->rq_in_driver++;
2252 }
2253
2254 static void bfq_deactivate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2255 {
2256         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2257
2258         bfqd->rq_in_driver--;
2259 }
2260 #endif
2261
2262 static void bfq_remove_request(struct request_queue *q,
2263                                struct request *rq)
2264 {
2265         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2266         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2267         const int sync = rq_is_sync(rq);
2268
2269         if (bfqq->next_rq == rq) {
2270                 bfqq->next_rq = bfq_find_next_rq(bfqd, bfqq, rq);
2271                 bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2272         }
2273
2274         if (rq->queuelist.prev != &rq->queuelist)
2275                 list_del_init(&rq->queuelist);
2276         bfqq->queued[sync]--;
2277         bfqd->queued--;
2278         elv_rb_del(&bfqq->sort_list, rq);
2279
2280         elv_rqhash_del(q, rq);
2281         if (q->last_merge == rq)
2282                 q->last_merge = NULL;
2283
2284         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
2285                 bfqq->next_rq = NULL;
2286
2287                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && bfqq != bfqd->in_service_queue) {
2288                         bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2289                         /*
2290                          * bfqq emptied. In normal operation, when
2291                          * bfqq is empty, bfqq->entity.service and
2292                          * bfqq->entity.budget must contain,
2293                          * respectively, the service received and the
2294                          * budget used last time bfqq emptied. These
2295                          * facts do not hold in this case, as at least
2296                          * this last removal occurred while bfqq is
2297                          * not in service. To avoid inconsistencies,
2298                          * reset both bfqq->entity.service and
2299                          * bfqq->entity.budget, if bfqq has still a
2300                          * process that may issue I/O requests to it.
2301                          */
2302                         bfqq->entity.budget = bfqq->entity.service = 0;
2303                 }
2304
2305                 /*
2306                  * Remove queue from request-position tree as it is empty.
2307                  */
2308                 if (bfqq->pos_root) {
2309                         rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
2310                         bfqq->pos_root = NULL;
2311                 }
2312         } else {
2313                 /* see comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely() */
2314                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2315                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2316         }
2317
2318         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
2319                 bfqq->meta_pending--;
2320
2321 }
2322
2323 static bool bfq_bio_merge(struct request_queue *q, struct bio *bio,
2324                 unsigned int nr_segs)
2325 {
2326         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2327         struct request *free = NULL;
2328         /*
2329          * bfq_bic_lookup grabs the queue_lock: invoke it now and
2330          * store its return value for later use, to avoid nesting
2331          * queue_lock inside the bfqd->lock. We assume that the bic
2332          * returned by bfq_bic_lookup does not go away before
2333          * bfqd->lock is taken.
2334          */
2335         struct bfq_io_cq *bic = bfq_bic_lookup(bfqd, current->io_context, q);
2336         bool ret;
2337
2338         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2339
2340         if (bic)
2341                 bfqd->bio_bfqq = bic_to_bfqq(bic, op_is_sync(bio->bi_opf));
2342         else
2343                 bfqd->bio_bfqq = NULL;
2344         bfqd->bio_bic = bic;
2345
2346         ret = blk_mq_sched_try_merge(q, bio, nr_segs, &free);
2347
2348         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2349         if (free)
2350                 blk_mq_free_request(free);
2351
2352         return ret;
2353 }
2354
2355 static int bfq_request_merge(struct request_queue *q, struct request **req,
2356                              struct bio *bio)
2357 {
2358         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2359         struct request *__rq;
2360
2361         __rq = bfq_find_rq_fmerge(bfqd, bio, q);
2362         if (__rq && elv_bio_merge_ok(__rq, bio)) {
2363                 *req = __rq;
2364                 return ELEVATOR_FRONT_MERGE;
2365         }
2366
2367         return ELEVATOR_NO_MERGE;
2368 }
2369
2370 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq);
2371
2372 static void bfq_request_merged(struct request_queue *q, struct request *req,
2373                                enum elv_merge type)
2374 {
2375         if (type == ELEVATOR_FRONT_MERGE &&
2376             rb_prev(&req->rb_node) &&
2377             blk_rq_pos(req) <
2378             blk_rq_pos(container_of(rb_prev(&req->rb_node),
2379                                     struct request, rb_node))) {
2380                 struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(req);
2381                 struct bfq_data *bfqd;
2382                 struct request *prev, *next_rq;
2383
2384                 if (!bfqq)
2385                         return;
2386
2387                 bfqd = bfqq->bfqd;
2388
2389                 /* Reposition request in its sort_list */
2390                 elv_rb_del(&bfqq->sort_list, req);
2391                 elv_rb_add(&bfqq->sort_list, req);
2392
2393                 /* Choose next request to be served for bfqq */
2394                 prev = bfqq->next_rq;
2395                 next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, req,
2396                                          bfqd->last_position);
2397                 bfqq->next_rq = next_rq;
2398                 /*
2399                  * If next_rq changes, update both the queue's budget to
2400                  * fit the new request and the queue's position in its
2401                  * rq_pos_tree.
2402                  */
2403                 if (prev != bfqq->next_rq) {
2404                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2405                         /*
2406                          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for
2407                          * the unlikely().
2408                          */
2409                         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2410                                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2411                 }
2412         }
2413 }
2414
2415 /*
2416  * This function is called to notify the scheduler that the requests
2417  * rq and 'next' have been merged, with 'next' going away.  BFQ
2418  * exploits this hook to address the following issue: if 'next' has a
2419  * fifo_time lower that rq, then the fifo_time of rq must be set to
2420  * the value of 'next', to not forget the greater age of 'next'.
2421  *
2422  * NOTE: in this function we assume that rq is in a bfq_queue, basing
2423  * on that rq is picked from the hash table q->elevator->hash, which,
2424  * in its turn, is filled only with I/O requests present in
2425  * bfq_queues, while BFQ is in use for the request queue q. In fact,
2426  * the function that fills this hash table (elv_rqhash_add) is called
2427  * only by bfq_insert_request.
2428  */
2429 static void bfq_requests_merged(struct request_queue *q, struct request *rq,
2430                                 struct request *next)
2431 {
2432         struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(rq),
2433                 *next_bfqq = bfq_init_rq(next);
2434
2435         if (!bfqq)
2436                 goto remove;
2437
2438         /*
2439          * If next and rq belong to the same bfq_queue and next is older
2440          * than rq, then reposition rq in the fifo (by substituting next
2441          * with rq). Otherwise, if next and rq belong to different
2442          * bfq_queues, never reposition rq: in fact, we would have to
2443          * reposition it with respect to next's position in its own fifo,
2444          * which would most certainly be too expensive with respect to
2445          * the benefits.
2446          */
2447         if (bfqq == next_bfqq &&
2448             !list_empty(&rq->queuelist) && !list_empty(&next->queuelist) &&
2449             next->fifo_time < rq->fifo_time) {
2450                 list_del_init(&rq->queuelist);
2451                 list_replace_init(&next->queuelist, &rq->queuelist);
2452                 rq->fifo_time = next->fifo_time;
2453         }
2454
2455         if (bfqq->next_rq == next)
2456                 bfqq->next_rq = rq;
2457
2458         bfqg_stats_update_io_merged(bfqq_group(bfqq), next->cmd_flags);
2459 remove:
2460         /* Merged request may be in the IO scheduler. Remove it. */
2461         if (!RB_EMPTY_NODE(&next->rb_node)) {
2462                 bfq_remove_request(next->q, next);
2463                 if (next_bfqq)
2464                         bfqg_stats_update_io_remove(bfqq_group(next_bfqq),
2465                                                     next->cmd_flags);
2466         }
2467 }
2468
2469 /* Must be called with bfqq != NULL */
2470 static void bfq_bfqq_end_wr(struct bfq_queue *bfqq)
2471 {
2472         /*
2473          * If bfqq has been enjoying interactive weight-raising, then
2474          * reset soft_rt_next_start. We do it for the following
2475          * reason. bfqq may have been conveying the I/O needed to load
2476          * a soft real-time application. Such an application actually
2477          * exhibits a soft real-time I/O pattern after it finishes
2478          * loading, and finally starts doing its job. But, if bfqq has
2479          * been receiving a lot of bandwidth so far (likely to happen
2480          * on a fast device), then soft_rt_next_start now contains a
2481          * high value that. So, without this reset, bfqq would be
2482          * prevented from being possibly considered as soft_rt for a
2483          * very long time.
2484          */
2485
2486         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
2487             bfqq->bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
2488                 bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
2489
2490         if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2491                 bfqq->bfqd->wr_busy_queues--;
2492         bfqq->wr_coeff = 1;
2493         bfqq->wr_cur_max_time = 0;
2494         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2495         /*
2496          * Trigger a weight change on the next invocation of
2497          * __bfq_entity_update_weight_prio.
2498          */
2499         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2500 }
2501
2502 void bfq_end_wr_async_queues(struct bfq_data *bfqd,
2503                              struct bfq_group *bfqg)
2504 {
2505         int i, j;
2506
2507         for (i = 0; i < 2; i++)
2508                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
2509                         if (bfqg->async_bfqq[i][j])
2510                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_bfqq[i][j]);
2511         if (bfqg->async_idle_bfqq)
2512                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_idle_bfqq);
2513 }
2514
2515 static void bfq_end_wr(struct bfq_data *bfqd)
2516 {
2517         struct bfq_queue *bfqq;
2518
2519         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2520
2521         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
2522                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2523         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
2524                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2525         bfq_end_wr_async(bfqd);
2526
2527         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2528 }
2529
2530 static sector_t bfq_io_struct_pos(void *io_struct, bool request)
2531 {
2532         if (request)
2533                 return blk_rq_pos(io_struct);
2534         else
2535                 return ((struct bio *)io_struct)->bi_iter.bi_sector;
2536 }
2537
2538 static int bfq_rq_close_to_sector(void *io_struct, bool request,
2539                                   sector_t sector)
2540 {
2541         return abs(bfq_io_struct_pos(io_struct, request) - sector) <=
2542                BFQQ_CLOSE_THR;
2543 }
2544
2545 static struct bfq_queue *bfqq_find_close(struct bfq_data *bfqd,
2546                                          struct bfq_queue *bfqq,
2547                                          sector_t sector)
2548 {
2549         struct rb_root *root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
2550         struct rb_node *parent, *node;
2551         struct bfq_queue *__bfqq;
2552
2553         if (RB_EMPTY_ROOT(root))
2554                 return NULL;
2555
2556         /*
2557          * First, if we find a request starting at the end of the last
2558          * request, choose it.
2559          */
2560         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, root, sector, &parent, NULL);
2561         if (__bfqq)
2562                 return __bfqq;
2563
2564         /*
2565          * If the exact sector wasn't found, the parent of the NULL leaf
2566          * will contain the closest sector (rq_pos_tree sorted by
2567          * next_request position).
2568          */
2569         __bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
2570         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2571                 return __bfqq;
2572
2573         if (blk_rq_pos(__bfqq->next_rq) < sector)
2574                 node = rb_next(&__bfqq->pos_node);
2575         else
2576                 node = rb_prev(&__bfqq->pos_node);
2577         if (!node)
2578                 return NULL;
2579
2580         __bfqq = rb_entry(node, struct bfq_queue, pos_node);
2581         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2582                 return __bfqq;
2583
2584         return NULL;
2585 }
2586
2587 static struct bfq_queue *bfq_find_close_cooperator(struct bfq_data *bfqd,
2588                                                    struct bfq_queue *cur_bfqq,
2589                                                    sector_t sector)
2590 {
2591         struct bfq_queue *bfqq;
2592
2593         /*
2594          * We shall notice if some of the queues are cooperating,
2595          * e.g., working closely on the same area of the device. In
2596          * that case, we can group them together and: 1) don't waste
2597          * time idling, and 2) serve the union of their requests in
2598          * the best possible order for throughput.
2599          */
2600         bfqq = bfqq_find_close(bfqd, cur_bfqq, sector);
2601         if (!bfqq || bfqq == cur_bfqq)
2602                 return NULL;
2603
2604         return bfqq;
2605 }
2606
2607 static struct bfq_queue *
2608 bfq_setup_merge(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2609 {
2610         int process_refs, new_process_refs;
2611         struct bfq_queue *__bfqq;
2612
2613         /*
2614          * If there are no process references on the new_bfqq, then it is
2615          * unsafe to follow the ->new_bfqq chain as other bfqq's in the chain
2616          * may have dropped their last reference (not just their last process
2617          * reference).
2618          */
2619         if (!bfqq_process_refs(new_bfqq))
2620                 return NULL;
2621
2622         /* Avoid a circular list and skip interim queue merges. */
2623         while ((__bfqq = new_bfqq->new_bfqq)) {
2624                 if (__bfqq == bfqq)
2625                         return NULL;
2626                 new_bfqq = __bfqq;
2627         }
2628
2629         process_refs = bfqq_process_refs(bfqq);
2630         new_process_refs = bfqq_process_refs(new_bfqq);
2631         /*
2632          * If the process for the bfqq has gone away, there is no
2633          * sense in merging the queues.
2634          */
2635         if (process_refs == 0 || new_process_refs == 0)
2636                 return NULL;
2637
2638         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "scheduling merge with queue %d",
2639                 new_bfqq->pid);
2640
2641         /*
2642          * Merging is just a redirection: the requests of the process
2643          * owning one of the two queues are redirected to the other queue.
2644          * The latter queue, in its turn, is set as shared if this is the
2645          * first time that the requests of some process are redirected to
2646          * it.
2647          *
2648          * We redirect bfqq to new_bfqq and not the opposite, because
2649          * we are in the context of the process owning bfqq, thus we
2650          * have the io_cq of this process. So we can immediately
2651          * configure this io_cq to redirect the requests of the
2652          * process to new_bfqq. In contrast, the io_cq of new_bfqq is
2653          * not available any more (new_bfqq->bic == NULL).
2654          *
2655          * Anyway, even in case new_bfqq coincides with the in-service
2656          * queue, redirecting requests the in-service queue is the
2657          * best option, as we feed the in-service queue with new
2658          * requests close to the last request served and, by doing so,
2659          * are likely to increase the throughput.
2660          */
2661         bfqq->new_bfqq = new_bfqq;
2662         new_bfqq->ref += process_refs;
2663         return new_bfqq;
2664 }
2665
2666 static bool bfq_may_be_close_cooperator(struct bfq_queue *bfqq,
2667                                         struct bfq_queue *new_bfqq)
2668 {
2669         if (bfq_too_late_for_merging(new_bfqq))
2670                 return false;
2671
2672         if (bfq_class_idle(bfqq) || bfq_class_idle(new_bfqq) ||
2673             (bfqq->ioprio_class != new_bfqq->ioprio_class))
2674                 return false;
2675
2676         /*
2677          * If either of the queues has already been detected as seeky,
2678          * then merging it with the other queue is unlikely to lead to
2679          * sequential I/O.
2680          */
2681         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) || BFQQ_SEEKY(new_bfqq))
2682                 return false;
2683
2684         /*
2685          * Interleaved I/O is known to be done by (some) applications
2686          * only for reads, so it does not make sense to merge async
2687          * queues.
2688          */
2689         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || !bfq_bfqq_sync(new_bfqq))
2690                 return false;
2691
2692         return true;
2693 }
2694
2695 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
2696                                              struct bfq_queue *bfqq);
2697
2698 /*
2699  * Attempt to schedule a merge of bfqq with the currently in-service
2700  * queue or with a close queue among the scheduled queues.  Return
2701  * NULL if no merge was scheduled, a pointer to the shared bfq_queue
2702  * structure otherwise.
2703  *
2704  * The OOM queue is not allowed to participate to cooperation: in fact, since
2705  * the requests temporarily redirected to the OOM queue could be redirected
2706  * again to dedicated queues at any time, the state needed to correctly
2707  * handle merging with the OOM queue would be quite complex and expensive
2708  * to maintain. Besides, in such a critical condition as an out of memory,
2709  * the benefits of queue merging may be little relevant, or even negligible.
2710  *
2711  * WARNING: queue merging may impair fairness among non-weight raised
2712  * queues, for at least two reasons: 1) the original weight of a
2713  * merged queue may change during the merged state, 2) even being the
2714  * weight the same, a merged queue may be bloated with many more
2715  * requests than the ones produced by its originally-associated
2716  * process.
2717  */
2718 static struct bfq_queue *
2719 bfq_setup_cooperator(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
2720                      void *io_struct, bool request, struct bfq_io_cq *bic)
2721 {
2722         struct bfq_queue *in_service_bfqq, *new_bfqq;
2723
2724         /*
2725          * Check delayed stable merge for rotational or non-queueing
2726          * devs. For this branch to be executed, bfqq must not be
2727          * currently merged with some other queue (i.e., bfqq->bic
2728          * must be non null). If we considered also merged queues,
2729          * then we should also check whether bfqq has already been
2730          * merged with bic->stable_merge_bfqq. But this would be
2731          * costly and complicated.
2732          */
2733         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing)) {
2734                 /*
2735                  * Make sure also that bfqq is sync, because
2736                  * bic->stable_merge_bfqq may point to some queue (for
2737                  * stable merging) also if bic is associated with a
2738                  * sync queue, but this bfqq is async
2739                  */
2740                 if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bic->stable_merge_bfqq &&
2741                     !bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2742                     time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
2743                                           msecs_to_jiffies(bfq_late_stable_merging)) &&
2744                     time_is_before_jiffies(bfqq->creation_time +
2745                                            msecs_to_jiffies(bfq_late_stable_merging))) {
2746                         struct bfq_queue *stable_merge_bfqq =
2747                                 bic->stable_merge_bfqq;
2748                         int proc_ref = min(bfqq_process_refs(bfqq),
2749                                            bfqq_process_refs(stable_merge_bfqq));
2750
2751                         /* deschedule stable merge, because done or aborted here */
2752                         bfq_put_stable_ref(stable_merge_bfqq);
2753
2754                         bic->stable_merge_bfqq = NULL;
2755
2756                         if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
2757                             proc_ref > 0) {
2758                                 /* next function will take at least one ref */
2759                                 struct bfq_queue *new_bfqq =
2760                                         bfq_setup_merge(bfqq, stable_merge_bfqq);
2761
2762                                 bic->stably_merged = true;
2763                                 if (new_bfqq && new_bfqq->bic)
2764                                         new_bfqq->bic->stably_merged = true;
2765                                 return new_bfqq;
2766                         } else
2767                                 return NULL;
2768                 }
2769         }
2770
2771         /*
2772          * Do not perform queue merging if the device is non
2773          * rotational and performs internal queueing. In fact, such a
2774          * device reaches a high speed through internal parallelism
2775          * and pipelining. This means that, to reach a high
2776          * throughput, it must have many requests enqueued at the same
2777          * time. But, in this configuration, the internal scheduling
2778          * algorithm of the device does exactly the job of queue
2779          * merging: it reorders requests so as to obtain as much as
2780          * possible a sequential I/O pattern. As a consequence, with
2781          * the workload generated by processes doing interleaved I/O,
2782          * the throughput reached by the device is likely to be the
2783          * same, with and without queue merging.
2784          *
2785          * Disabling merging also provides a remarkable benefit in
2786          * terms of throughput. Merging tends to make many workloads
2787          * artificially more uneven, because of shared queues
2788          * remaining non empty for incomparably more time than
2789          * non-merged queues. This may accentuate workload
2790          * asymmetries. For example, if one of the queues in a set of
2791          * merged queues has a higher weight than a normal queue, then
2792          * the shared queue may inherit such a high weight and, by
2793          * staying almost always active, may force BFQ to perform I/O
2794          * plugging most of the time. This evidently makes it harder
2795          * for BFQ to let the device reach a high throughput.
2796          *
2797          * Finally, the likely() macro below is not used because one
2798          * of the two branches is more likely than the other, but to
2799          * have the code path after the following if() executed as
2800          * fast as possible for the case of a non rotational device
2801          * with queueing. We want it because this is the fastest kind
2802          * of device. On the opposite end, the likely() may lengthen
2803          * the execution time of BFQ for the case of slower devices
2804          * (rotational or at least without queueing). But in this case
2805          * the execution time of BFQ matters very little, if not at
2806          * all.
2807          */
2808         if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
2809                 return NULL;
2810
2811         /*
2812          * Prevent bfqq from being merged if it has been created too
2813          * long ago. The idea is that true cooperating processes, and
2814          * thus their associated bfq_queues, are supposed to be
2815          * created shortly after each other. This is the case, e.g.,
2816          * for KVM/QEMU and dump I/O threads. Basing on this
2817          * assumption, the following filtering greatly reduces the
2818          * probability that two non-cooperating processes, which just
2819          * happen to do close I/O for some short time interval, have
2820          * their queues merged by mistake.
2821          */
2822         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
2823                 return NULL;
2824
2825         if (bfqq->new_bfqq)
2826                 return bfqq->new_bfqq;
2827
2828         if (!io_struct || unlikely(bfqq == &bfqd->oom_bfqq))
2829                 return NULL;
2830
2831         /* If there is only one backlogged queue, don't search. */
2832         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1)
2833                 return NULL;
2834
2835         in_service_bfqq = bfqd->in_service_queue;
2836
2837         if (in_service_bfqq && in_service_bfqq != bfqq &&
2838             likely(in_service_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2839             bfq_rq_close_to_sector(io_struct, request,
2840                                    bfqd->in_serv_last_pos) &&
2841             bfqq->entity.parent == in_service_bfqq->entity.parent &&
2842             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, in_service_bfqq)) {
2843                 new_bfqq = bfq_setup_merge(bfqq, in_service_bfqq);
2844                 if (new_bfqq)
2845                         return new_bfqq;
2846         }
2847         /*
2848          * Check whether there is a cooperator among currently scheduled
2849          * queues. The only thing we need is that the bio/request is not
2850          * NULL, as we need it to establish whether a cooperator exists.
2851          */
2852         new_bfqq = bfq_find_close_cooperator(bfqd, bfqq,
2853                         bfq_io_struct_pos(io_struct, request));
2854
2855         if (new_bfqq && likely(new_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2856             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, new_bfqq))
2857                 return bfq_setup_merge(bfqq, new_bfqq);
2858
2859         return NULL;
2860 }
2861
2862 static void bfq_bfqq_save_state(struct bfq_queue *bfqq)
2863 {
2864         struct bfq_io_cq *bic = bfqq->bic;
2865
2866         /*
2867          * If !bfqq->bic, the queue is already shared or its requests
2868          * have already been redirected to a shared queue; both idle window
2869          * and weight raising state have already been saved. Do nothing.
2870          */
2871         if (!bic)
2872                 return;
2873
2874         bic->saved_last_serv_time_ns = bfqq->last_serv_time_ns;
2875         bic->saved_inject_limit = bfqq->inject_limit;
2876         bic->saved_decrease_time_jif = bfqq->decrease_time_jif;
2877
2878         bic->saved_weight = bfqq->entity.orig_weight;
2879         bic->saved_ttime = bfqq->ttime;
2880         bic->saved_has_short_ttime = bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
2881         bic->saved_IO_bound = bfq_bfqq_IO_bound(bfqq);
2882         bic->saved_io_start_time = bfqq->io_start_time;
2883         bic->saved_tot_idle_time = bfqq->tot_idle_time;
2884         bic->saved_in_large_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
2885         bic->was_in_burst_list = !hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node);
2886         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2887                      !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
2888                      bfqq->bfqd->low_latency)) {
2889                 /*
2890                  * bfqq being merged right after being created: bfqq
2891                  * would have deserved interactive weight raising, but
2892                  * did not make it to be set in a weight-raised state,
2893                  * because of this early merge. Store directly the
2894                  * weight-raising state that would have been assigned
2895                  * to bfqq, so that to avoid that bfqq unjustly fails
2896                  * to enjoy weight raising if split soon.
2897                  */
2898                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->bfqd->bfq_wr_coeff;
2899                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
2900                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqq->bfqd);
2901                 bic->saved_last_wr_start_finish = jiffies;
2902         } else {
2903                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2904                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt =
2905                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2906                 bic->saved_service_from_wr = bfqq->service_from_wr;
2907                 bic->saved_last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2908                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2909         }
2910 }
2911
2912
2913 static void
2914 bfq_reassign_last_bfqq(struct bfq_queue *cur_bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2915 {
2916         if (cur_bfqq->entity.parent &&
2917             cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2918                 cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created = new_bfqq;
2919         else if (cur_bfqq->bfqd && cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2920                 cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created = new_bfqq;
2921 }
2922
2923 void bfq_release_process_ref(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
2924 {
2925         /*
2926          * To prevent bfqq's service guarantees from being violated,
2927          * bfqq may be left busy, i.e., queued for service, even if
2928          * empty (see comments in __bfq_bfqq_expire() for
2929          * details). But, if no process will send requests to bfqq any
2930          * longer, then there is no point in keeping bfqq queued for
2931          * service. In addition, keeping bfqq queued for service, but
2932          * with no process ref any longer, may have caused bfqq to be
2933          * freed when dequeued from service. But this is assumed to
2934          * never happen.
2935          */
2936         if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
2937             bfqq != bfqd->in_service_queue)
2938                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2939
2940         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, NULL);
2941
2942         bfq_put_queue(bfqq);
2943 }
2944
2945 static void
2946 bfq_merge_bfqqs(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_io_cq *bic,
2947                 struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2948 {
2949         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "merging with queue %lu",
2950                 (unsigned long)new_bfqq->pid);
2951         /* Save weight raising and idle window of the merged queues */
2952         bfq_bfqq_save_state(bfqq);
2953         bfq_bfqq_save_state(new_bfqq);
2954         if (bfq_bfqq_IO_bound(bfqq))
2955                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(new_bfqq);
2956         bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
2957
2958         /*
2959          * The processes associated with bfqq are cooperators of the
2960          * processes associated with new_bfqq. So, if bfqq has a
2961          * waker, then assume that all these processes will be happy
2962          * to let bfqq's waker freely inject I/O when they have no
2963          * I/O.
2964          */
2965         if (bfqq->waker_bfqq && !new_bfqq->waker_bfqq &&
2966             bfqq->waker_bfqq != new_bfqq) {
2967                 new_bfqq->waker_bfqq = bfqq->waker_bfqq;
2968                 new_bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2969
2970                 /*
2971                  * If the waker queue disappears, then
2972                  * new_bfqq->waker_bfqq must be reset. So insert
2973                  * new_bfqq into the woken_list of the waker. See
2974                  * bfq_check_waker for details.
2975                  */
2976                 hlist_add_head(&new_bfqq->woken_list_node,
2977                                &new_bfqq->waker_bfqq->woken_list);
2978
2979         }
2980
2981         /*
2982          * If bfqq is weight-raised, then let new_bfqq inherit
2983          * weight-raising. To reduce false positives, neglect the case
2984          * where bfqq has just been created, but has not yet made it
2985          * to be weight-raised (which may happen because EQM may merge
2986          * bfqq even before bfq_add_request is executed for the first
2987          * time for bfqq). Handling this case would however be very
2988          * easy, thanks to the flag just_created.
2989          */
2990         if (new_bfqq->wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1) {
2991                 new_bfqq->wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2992                 new_bfqq->wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2993                 new_bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2994                 new_bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
2995                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2996                 if (bfq_bfqq_busy(new_bfqq))
2997                         bfqd->wr_busy_queues++;
2998                 new_bfqq->entity.prio_changed = 1;
2999         }
3000
3001         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* bfqq has given its wr to new_bfqq */
3002                 bfqq->wr_coeff = 1;
3003                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
3004                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
3005                         bfqd->wr_busy_queues--;
3006         }
3007
3008         bfq_log_bfqq(bfqd, new_bfqq, "merge_bfqqs: wr_busy %d",
3009                      bfqd->wr_busy_queues);
3010
3011         /*
3012          * Merge queues (that is, let bic redirect its requests to new_bfqq)
3013          */
3014         bic_set_bfqq(bic, new_bfqq, 1);
3015         bfq_mark_bfqq_coop(new_bfqq);
3016         /*
3017          * new_bfqq now belongs to at least two bics (it is a shared queue):
3018          * set new_bfqq->bic to NULL. bfqq either:
3019          * - does not belong to any bic any more, and hence bfqq->bic must
3020          *   be set to NULL, or
3021          * - is a queue whose owning bics have already been redirected to a
3022          *   different queue, hence the queue is destined to not belong to
3023          *   any bic soon and bfqq->bic is already NULL (therefore the next
3024          *   assignment causes no harm).
3025          */
3026         new_bfqq->bic = NULL;
3027         /*
3028          * If the queue is shared, the pid is the pid of one of the associated
3029          * processes. Which pid depends on the exact sequence of merge events
3030          * the queue underwent. So printing such a pid is useless and confusing
3031          * because it reports a random pid between those of the associated
3032          * processes.
3033          * We mark such a queue with a pid -1, and then print SHARED instead of
3034          * a pid in logging messages.
3035          */
3036         new_bfqq->pid = -1;
3037         bfqq->bic = NULL;
3038
3039         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, new_bfqq);
3040
3041         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
3042 }
3043
3044 static bool bfq_allow_bio_merge(struct request_queue *q, struct request *rq,
3045                                 struct bio *bio)
3046 {
3047         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
3048         bool is_sync = op_is_sync(bio->bi_opf);
3049         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq, *new_bfqq;
3050
3051         /*
3052          * Disallow merge of a sync bio into an async request.
3053          */
3054         if (is_sync && !rq_is_sync(rq))
3055                 return false;
3056
3057         /*
3058          * Lookup the bfqq that this bio will be queued with. Allow
3059          * merge only if rq is queued there.
3060          */
3061         if (!bfqq)
3062                 return false;
3063
3064         /*
3065          * We take advantage of this function to perform an early merge
3066          * of the queues of possible cooperating processes.
3067          */
3068         new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, bio, false, bfqd->bio_bic);
3069         if (new_bfqq) {
3070                 /*
3071                  * bic still points to bfqq, then it has not yet been
3072                  * redirected to some other bfq_queue, and a queue
3073                  * merge between bfqq and new_bfqq can be safely
3074                  * fulfilled, i.e., bic can be redirected to new_bfqq
3075                  * and bfqq can be put.
3076                  */
3077                 bfq_merge_bfqqs(bfqd, bfqd->bio_bic, bfqq,
3078                                 new_bfqq);
3079                 /*
3080                  * If we get here, bio will be queued into new_queue,
3081                  * so use new_bfqq to decide whether bio and rq can be
3082                  * merged.
3083                  */
3084                 bfqq = new_bfqq;
3085
3086                 /*
3087                  * Change also bqfd->bio_bfqq, as
3088                  * bfqd->bio_bic now points to new_bfqq, and
3089                  * this function may be invoked again (and then may
3090                  * use again bqfd->bio_bfqq).
3091                  */
3092                 bfqd->bio_bfqq = bfqq;
3093         }
3094
3095         return bfqq == RQ_BFQQ(rq);
3096 }
3097
3098 /*
3099  * Set the maximum time for the in-service queue to consume its
3100  * budget. This prevents seeky processes from lowering the throughput.
3101  * In practice, a time-slice service scheme is used with seeky
3102  * processes.
3103  */
3104 static void bfq_set_budget_timeout(struct bfq_data *bfqd,
3105                                    struct bfq_queue *bfqq)
3106 {
3107         unsigned int timeout_coeff;
3108
3109         if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
3110                 timeout_coeff = 1;
3111         else
3112                 timeout_coeff = bfqq->entity.weight / bfqq->entity.orig_weight;
3113
3114         bfqd->last_budget_start = ktime_get();
3115
3116         bfqq->budget_timeout = jiffies +
3117                 bfqd->bfq_timeout * timeout_coeff;
3118 }
3119
3120 static void __bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd,
3121                                        struct bfq_queue *bfqq)
3122 {
3123         if (bfqq) {
3124                 bfq_clear_bfqq_fifo_expire(bfqq);
3125
3126                 bfqd->budgets_assigned = (bfqd->budgets_assigned * 7 + 256) / 8;
3127
3128                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish) &&
3129                     bfqq->wr_coeff > 1 &&
3130                     bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
3131                     time_is_before_jiffies(bfqq->budget_timeout)) {
3132                         /*
3133                          * For soft real-time queues, move the start
3134                          * of the weight-raising period forward by the
3135                          * time the queue has not received any
3136                          * service. Otherwise, a relatively long
3137                          * service delay is likely to cause the
3138                          * weight-raising period of the queue to end,
3139                          * because of the short duration of the
3140                          * weight-raising period of a soft real-time
3141                          * queue.  It is worth noting that this move
3142                          * is not so dangerous for the other queues,
3143                          * because soft real-time queues are not
3144                          * greedy.
3145                          *
3146                          * To not add a further variable, we use the
3147                          * overloaded field budget_timeout to
3148                          * determine for how long the queue has not
3149                          * received service, i.e., how much time has
3150                          * elapsed since the queue expired. However,
3151                          * this is a little imprecise, because
3152                          * budget_timeout is set to jiffies if bfqq
3153                          * not only expires, but also remains with no
3154                          * request.
3155                          */
3156                         if (time_after(bfqq->budget_timeout,
3157                                        bfqq->last_wr_start_finish))
3158                                 bfqq->last_wr_start_finish +=
3159                                         jiffies - bfqq->budget_timeout;
3160                         else
3161                                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
3162                 }
3163
3164                 bfq_set_budget_timeout(bfqd, bfqq);
3165                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
3166                              "set_in_service_queue, cur-budget = %d",
3167                              bfqq->entity.budget);
3168         }
3169
3170         bfqd->in_service_queue = bfqq;
3171         bfqd->in_serv_last_pos = 0;
3172 }
3173
3174 /*
3175  * Get and set a new queue for service.
3176  */
3177 static struct bfq_queue *bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd)
3178 {
3179         struct bfq_queue *bfqq = bfq_get_next_queue(bfqd);
3180
3181         __bfq_set_in_service_queue(bfqd, bfqq);
3182         return bfqq;
3183 }
3184
3185 static void bfq_arm_slice_timer(struct bfq_data *bfqd)
3186 {
3187         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
3188         u32 sl;
3189
3190         bfq_mark_bfqq_wait_request(bfqq);
3191
3192         /*
3193          * We don't want to idle for seeks, but we do want to allow
3194          * fair distribution of slice time for a process doing back-to-back
3195          * seeks. So allow a little bit of time for him to submit a new rq.
3196          */
3197         sl = bfqd->bfq_slice_idle;
3198         /*
3199          * Unless the queue is being weight-raised or the scenario is
3200          * asymmetric, grant only minimum idle time if the queue
3201          * is seeky. A long idling is preserved for a weight-raised
3202          * queue, or, more in general, in an asymmetric scenario,
3203          * because a long idling is needed for guaranteeing to a queue
3204          * its reserved share of the throughput (in particular, it is
3205          * needed if the queue has a higher weight than some other
3206          * queue).
3207          */
3208         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1 &&
3209             !bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq))
3210                 sl = min_t(u64, sl, BFQ_MIN_TT);
3211         else if (bfqq->wr_coeff > 1)
3212                 sl = max_t(u32, sl, 20ULL * NSEC_PER_MSEC);
3213
3214         bfqd->last_idling_start = ktime_get();
3215         bfqd->last_idling_start_jiffies = jiffies;
3216
3217         hrtimer_start(&bfqd->idle_slice_timer, ns_to_ktime(sl),
3218                       HRTIMER_MODE_REL);
3219         bfqg_stats_set_start_idle_time(bfqq_group(bfqq));
3220 }
3221
3222 /*
3223  * In autotuning mode, max_budget is dynamically recomputed as the
3224  * amount of sectors transferred in timeout at the estimated peak
3225  * rate. This enables BFQ to utilize a full timeslice with a full
3226  * budget, even if the in-service queue is served at peak rate. And
3227  * this maximises throughput with sequential workloads.
3228  */
3229 static unsigned long bfq_calc_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
3230 {
3231         return (u64)bfqd->peak_rate * USEC_PER_MSEC *
3232                 jiffies_to_msecs(bfqd->bfq_timeout)>>BFQ_RATE_SHIFT;
3233 }
3234
3235 /*
3236  * Update parameters related to throughput and responsiveness, as a
3237  * function of the estimated peak rate. See comments on
3238  * bfq_calc_max_budget(), and on the ref_wr_duration array.
3239  */
3240 static void update_thr_responsiveness_params(struct bfq_data *bfqd)
3241 {
3242         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0) {
3243                 bfqd->bfq_max_budget =
3244                         bfq_calc_max_budget(bfqd);
3245                 bfq_log(bfqd, "new max_budget = %d", bfqd->bfq_max_budget);
3246         }
3247 }
3248
3249 static void bfq_reset_rate_computation(struct bfq_data *bfqd,
3250                                        struct request *rq)
3251 {
3252         if (rq != NULL) { /* new rq dispatch now, reset accordingly */
3253                 bfqd->last_dispatch = bfqd->first_dispatch = ktime_get_ns();
3254                 bfqd->peak_rate_samples = 1;
3255                 bfqd->sequential_samples = 0;
3256                 bfqd->tot_sectors_dispatched = bfqd->last_rq_max_size =
3257                         blk_rq_sectors(rq);
3258         } else /* no new rq dispatched, just reset the number of samples */
3259                 bfqd->peak_rate_samples = 0; /* full re-init on next disp. */
3260
3261         bfq_log(bfqd,
3262                 "reset_rate_computation at end, sample %u/%u tot_sects %llu",
3263                 bfqd->peak_rate_samples, bfqd->sequential_samples,
3264                 bfqd->tot_sectors_dispatched);
3265 }
3266
3267 static void bfq_update_rate_reset(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3268 {
3269         u32 rate, weight, divisor;
3270
3271         /*
3272          * For the convergence property to hold (see comments on
3273          * bfq_update_peak_rate()) and for the assessment to be
3274          * reliable, a minimum number of samples must be present, and
3275          * a minimum amount of time must have elapsed. If not so, do
3276          * not compute new rate. Just reset parameters, to get ready
3277          * for a new evaluation attempt.
3278          */
3279         if (bfqd->peak_rate_samples < BFQ_RATE_MIN_SAMPLES ||
3280             bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_MIN_INTERVAL)
3281                 goto reset_computation;
3282
3283         /*
3284          * If a new request completion has occurred after last
3285          * dispatch, then, to approximate the rate at which requests
3286          * have been served by the device, it is more precise to
3287          * extend the observation interval to the last completion.
3288          */
3289         bfqd->delta_from_first =
3290                 max_t(u64, bfqd->delta_from_first,
3291                       bfqd->last_completion - bfqd->first_dispatch);
3292
3293         /*
3294          * Rate computed in sects/usec, and not sects/nsec, for
3295          * precision issues.
3296          */
3297         rate = div64_ul(bfqd->tot_sectors_dispatched<<BFQ_RATE_SHIFT,
3298                         div_u64(bfqd->delta_from_first, NSEC_PER_USEC));
3299
3300         /*
3301          * Peak rate not updated if:
3302          * - the percentage of sequential dispatches is below 3/4 of the
3303          *   total, and rate is below the current estimated peak rate
3304          * - rate is unreasonably high (> 20M sectors/sec)
3305          */
3306         if ((bfqd->sequential_samples < (3 * bfqd->peak_rate_samples)>>2 &&
3307              rate <= bfqd->peak_rate) ||
3308                 rate > 20<<BFQ_RATE_SHIFT)
3309                 goto reset_computation;
3310
3311         /*
3312          * We have to update the peak rate, at last! To this purpose,
3313          * we use a low-pass filter. We compute the smoothing constant
3314          * of the filter as a function of the 'weight' of the new
3315          * measured rate.
3316          *
3317          * As can be seen in next formulas, we define this weight as a
3318          * quantity proportional to how sequential the workload is,
3319          * and to how long the observation time interval is.
3320          *
3321          * The weight runs from 0 to 8. The maximum value of the
3322          * weight, 8, yields the minimum value for the smoothing
3323          * constant. At this minimum value for the smoothing constant,
3324          * the measured rate contributes for half of the next value of
3325          * the estimated peak rate.
3326          *
3327          * So, the first step is to compute the weight as a function
3328          * of how sequential the workload is. Note that the weight
3329          * cannot reach 9, because bfqd->sequential_samples cannot
3330          * become equal to bfqd->peak_rate_samples, which, in its
3331          * turn, holds true because bfqd->sequential_samples is not
3332          * incremented for the first sample.
3333          */
3334         weight = (9 * bfqd->sequential_samples) / bfqd->peak_rate_samples;
3335
3336         /*
3337          * Second step: further refine the weight as a function of the
3338          * duration of the observation interval.
3339          */
3340         weight = min_t(u32, 8,
3341                        div_u64(weight * bfqd->delta_from_first,
3342                                BFQ_RATE_REF_INTERVAL));
3343
3344         /*
3345          * Divisor ranging from 10, for minimum weight, to 2, for
3346          * maximum weight.
3347          */
3348         divisor = 10 - weight;
3349
3350         /*
3351          * Finally, update peak rate:
3352          *
3353          * peak_rate = peak_rate * (divisor-1) / divisor  +  rate / divisor
3354          */
3355         bfqd->peak_rate *= divisor-1;
3356         bfqd->peak_rate /= divisor;
3357         rate /= divisor; /* smoothing constant alpha = 1/divisor */
3358
3359         bfqd->peak_rate += rate;
3360
3361         /*
3362          * For a very slow device, bfqd->peak_rate can reach 0 (see
3363          * the minimum representable values reported in the comments
3364          * on BFQ_RATE_SHIFT). Push to 1 if this happens, to avoid
3365          * divisions by zero where bfqd->peak_rate is used as a
3366          * divisor.
3367          */
3368         bfqd->peak_rate = max_t(u32, 1, bfqd->peak_rate);
3369
3370         update_thr_responsiveness_params(bfqd);
3371
3372 reset_computation:
3373         bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3374 }
3375
3376 /*
3377  * Update the read/write peak rate (the main quantity used for
3378  * auto-tuning, see update_thr_responsiveness_params()).
3379  *
3380  * It is not trivial to estimate the peak rate (correctly): because of
3381  * the presence of sw and hw queues between the scheduler and the
3382  * device components that finally serve I/O requests, it is hard to
3383  * say exactly when a given dispatched request is served inside the
3384  * device, and for how long. As a consequence, it is hard to know
3385  * precisely at what rate a given set of requests is actually served
3386  * by the device.
3387  *
3388  * On the opposite end, the dispatch time of any request is trivially
3389  * available, and, from this piece of information, the "dispatch rate"
3390  * of requests can be immediately computed. So, the idea in the next
3391  * function is to use what is known, namely request dispatch times
3392  * (plus, when useful, request completion times), to estimate what is
3393  * unknown, namely in-device request service rate.
3394  *
3395  * The main issue is that, because of the above facts, the rate at
3396  * which a certain set of requests is dispatched over a certain time
3397  * interval can vary greatly with respect to the rate at which the
3398  * same requests are then served. But, since the size of any
3399  * intermediate queue is limited, and the service scheme is lossless
3400  * (no request is silently dropped), the following obvious convergence
3401  * property holds: the number of requests dispatched MUST become
3402  * closer and closer to the number of requests completed as the
3403  * observation interval grows. This is the key property used in
3404  * the next function to estimate the peak service rate as a function
3405  * of the observed dispatch rate. The function assumes to be invoked
3406  * on every request dispatch.
3407  */
3408 static void bfq_update_peak_rate(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3409 {
3410         u64 now_ns = ktime_get_ns();
3411
3412         if (bfqd->peak_rate_samples == 0) { /* first dispatch */
3413                 bfq_log(bfqd, "update_peak_rate: goto reset, samples %d",
3414                         bfqd->peak_rate_samples);
3415                 bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3416                 goto update_last_values; /* will add one sample */
3417         }
3418
3419         /*
3420          * Device idle for very long: the observation interval lasting
3421          * up to this dispatch cannot be a valid observation interval
3422          * for computing a new peak rate (similarly to the late-
3423          * completion event in bfq_completed_request()). Go to
3424          * update_rate_and_reset to have the following three steps
3425          * taken:
3426          * - close the observation interval at the last (previous)
3427          *   request dispatch or completion
3428          * - compute rate, if possible, for that observation interval
3429          * - start a new observation interval with this dispatch
3430          */
3431         if (now_ns - bfqd->last_dispatch > 100*NSEC_PER_MSEC &&
3432             bfqd->rq_in_driver == 0)
3433                 goto update_rate_and_reset;
3434
3435         /* Update sampling information */
3436         bfqd->peak_rate_samples++;
3437
3438         if ((bfqd->rq_in_driver > 0 ||
3439                 now_ns - bfqd->last_completion < BFQ_MIN_TT)
3440             && !BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqd->last_position, rq))
3441                 bfqd->sequential_samples++;
3442
3443         bfqd->tot_sectors_dispatched += blk_rq_sectors(rq);
3444
3445         /* Reset max observed rq size every 32 dispatches */
3446         if (likely(bfqd->peak_rate_samples % 32))
3447                 bfqd->last_rq_max_size =
3448                         max_t(u32, blk_rq_sectors(rq), bfqd->last_rq_max_size);
3449         else
3450                 bfqd->last_rq_max_size = blk_rq_sectors(rq);
3451
3452         bfqd->delta_from_first = now_ns - bfqd->first_dispatch;
3453
3454         /* Target observation interval not yet reached, go on sampling */
3455         if (bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_REF_INTERVAL)
3456                 goto update_last_values;
3457
3458 update_rate_and_reset:
3459         bfq_update_rate_reset(bfqd, rq);
3460 update_last_values:
3461         bfqd->last_position = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
3462         if (RQ_BFQQ(rq) == bfqd->in_service_queue)
3463                 bfqd->in_serv_last_pos = bfqd->last_position;
3464         bfqd->last_dispatch = now_ns;
3465 }
3466
3467 /*
3468  * Remove request from internal lists.
3469  */
3470 static void bfq_dispatch_remove(struct request_queue *q, struct request *rq)
3471 {
3472         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
3473
3474         /*
3475          * For consistency, the next instruction should have been
3476          * executed after removing the request from the queue and
3477          * dispatching it.  We execute instead this instruction before
3478          * bfq_remove_request() (and hence introduce a temporary
3479          * inconsistency), for efficiency.  In fact, should this
3480          * dispatch occur for a non in-service bfqq, this anticipated
3481          * increment prevents two counters related to bfqq->dispatched
3482          * from risking to be, first, uselessly decremented, and then
3483          * incremented again when the (new) value of bfqq->dispatched
3484          * happens to be taken into account.
3485          */
3486         bfqq->dispatched++;
3487         bfq_update_peak_rate(q->elevator->elevator_data, rq);
3488
3489         bfq_remove_request(q, rq);
3490 }
3491
3492 /*
3493  * There is a case where idling does not have to be performed for
3494  * throughput concerns, but to preserve the throughput share of
3495  * the process associated with bfqq.
3496  *
3497  * To introduce this case, we can note that allowing the drive
3498  * to enqueue more than one request at a time, and hence
3499  * delegating de facto final scheduling decisions to the
3500  * drive's internal scheduler, entails loss of control on the
3501  * actual request service order. In particular, the critical
3502  * situation is when requests from different processes happen
3503  * to be present, at the same time, in the internal queue(s)
3504  * of the drive. In such a situation, the drive, by deciding
3505  * the service order of the internally-queued requests, does
3506  * determine also the actual throughput distribution among
3507  * these processes. But the drive typically has no notion or
3508  * concern about per-process throughput distribution, and
3509  * makes its decisions only on a per-request basis. Therefore,
3510  * the service distribution enforced by the drive's internal
3511  * scheduler is likely to coincide with the desired throughput
3512  * distribution only in a completely symmetric, or favorably
3513  * skewed scenario where:
3514  * (i-a) each of these processes must get the same throughput as
3515  *       the others,
3516  * (i-b) in case (i-a) does not hold, it holds that the process
3517  *       associated with bfqq must receive a lower or equal
3518  *       throughput than any of the other processes;
3519  * (ii)  the I/O of each process has the same properties, in
3520  *       terms of locality (sequential or random), direction
3521  *       (reads or writes), request sizes, greediness
3522  *       (from I/O-bound to sporadic), and so on;
3523
3524  * In fact, in such a scenario, the drive tends to treat the requests
3525  * of each process in about the same way as the requests of the
3526  * others, and thus to provide each of these processes with about the
3527  * same throughput.  This is exactly the desired throughput
3528  * distribution if (i-a) holds, or, if (i-b) holds instead, this is an
3529  * even more convenient distribution for (the process associated with)
3530  * bfqq.
3531  *
3532  * In contrast, in any asymmetric or unfavorable scenario, device
3533  * idling (I/O-dispatch plugging) is certainly needed to guarantee
3534  * that bfqq receives its assigned fraction of the device throughput
3535  * (see [1] for details).
3536  *
3537  * The problem is that idling may significantly reduce throughput with
3538  * certain combinations of types of I/O and devices. An important
3539  * example is sync random I/O on flash storage with command
3540  * queueing. So, unless bfqq falls in cases where idling also boosts
3541  * throughput, it is important to check conditions (i-a), i(-b) and
3542  * (ii) accurately, so as to avoid idling when not strictly needed for
3543  * service guarantees.
3544  *
3545  * Unfortunately, it is extremely difficult to thoroughly check
3546  * condition (ii). And, in case there are active groups, it becomes
3547  * very difficult to check conditions (i-a) and (i-b) too.  In fact,
3548  * if there are active groups, then, for conditions (i-a) or (i-b) to
3549  * become false 'indirectly', it is enough that an active group
3550  * contains more active processes or sub-groups than some other active
3551  * group. More precisely, for conditions (i-a) or (i-b) to become
3552  * false because of such a group, it is not even necessary that the
3553  * group is (still) active: it is sufficient that, even if the group
3554  * has become inactive, some of its descendant processes still have
3555  * some request already dispatched but still waiting for
3556  * completion. In fact, requests have still to be guaranteed their
3557  * share of the throughput even after being dispatched. In this
3558  * respect, it is easy to show that, if a group frequently becomes
3559  * inactive while still having in-flight requests, and if, when this
3560  * happens, the group is not considered in the calculation of whether
3561  * the scenario is asymmetric, then the group may fail to be
3562  * guaranteed its fair share of the throughput (basically because
3563  * idling may not be performed for the descendant processes of the
3564  * group, but it had to be).  We address this issue with the following
3565  * bi-modal behavior, implemented in the function
3566  * bfq_asymmetric_scenario().
3567  *
3568  * If there are groups with requests waiting for completion
3569  * (as commented above, some of these groups may even be
3570  * already inactive), then the scenario is tagged as
3571  * asymmetric, conservatively, without checking any of the
3572  * conditions (i-a), (i-b) or (ii). So the device is idled for bfqq.
3573  * This behavior matches also the fact that groups are created
3574  * exactly if controlling I/O is a primary concern (to
3575  * preserve bandwidth and latency guarantees).
3576  *
3577  * On the opposite end, if there are no groups with requests waiting
3578  * for completion, then only conditions (i-a) and (i-b) are actually
3579  * controlled, i.e., provided that conditions (i-a) or (i-b) holds,
3580  * idling is not performed, regardless of whether condition (ii)
3581  * holds.  In other words, only if conditions (i-a) and (i-b) do not
3582  * hold, then idling is allowed, and the device tends to be prevented
3583  * from queueing many requests, possibly of several processes. Since
3584  * there are no groups with requests waiting for completion, then, to
3585  * control conditions (i-a) and (i-b) it is enough to check just
3586  * whether all the queues with requests waiting for completion also
3587  * have the same weight.
3588  *
3589  * Not checking condition (ii) evidently exposes bfqq to the
3590  * risk of getting less throughput than its fair share.
3591  * However, for queues with the same weight, a further
3592  * mechanism, preemption, mitigates or even eliminates this
3593  * problem. And it does so without consequences on overall
3594  * throughput. This mechanism and its benefits are explained
3595  * in the next three paragraphs.
3596  *
3597  * Even if a queue, say Q, is expired when it remains idle, Q
3598  * can still preempt the new in-service queue if the next
3599  * request of Q arrives soon (see the comments on
3600  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation). If all queues and
3601  * groups have the same weight, this form of preemption,
3602  * combined with the hole-recovery heuristic described in the
3603  * comments on function bfq_bfqq_update_budg_for_activation,
3604  * are enough to preserve a correct bandwidth distribution in
3605  * the mid term, even without idling. In fact, even if not
3606  * idling allows the internal queues of the device to contain
3607  * many requests, and thus to reorder requests, we can rather
3608  * safely assume that the internal scheduler still preserves a
3609  * minimum of mid-term fairness.
3610  *
3611  * More precisely, this preemption-based, idleless approach
3612  * provides fairness in terms of IOPS, and not sectors per
3613  * second. This can be seen with a simple example. Suppose
3614  * that there are two queues with the same weight, but that
3615  * the first queue receives requests of 8 sectors, while the
3616  * second queue receives requests of 1024 sectors. In
3617  * addition, suppose that each of the two queues contains at
3618  * most one request at a time, which implies that each queue
3619  * always remains idle after it is served. Finally, after
3620  * remaining idle, each queue receives very quickly a new
3621  * request. It follows that the two queues are served
3622  * alternatively, preempting each other if needed. This
3623  * implies that, although both queues have the same weight,
3624  * the queue with large requests receives a service that is
3625  * 1024/8 times as high as the service received by the other
3626  * queue.
3627  *
3628  * The motivation for using preemption instead of idling (for
3629  * queues with the same weight) is that, by not idling,
3630  * service guarantees are preserved (completely or at least in
3631  * part) without minimally sacrificing throughput. And, if
3632  * there is no active group, then the primary expectation for
3633  * this device is probably a high throughput.
3634  *
3635  * We are now left only with explaining the two sub-conditions in the
3636  * additional compound condition that is checked below for deciding
3637  * whether the scenario is asymmetric. To explain the first
3638  * sub-condition, we need to add that the function
3639  * bfq_asymmetric_scenario checks the weights of only
3640  * non-weight-raised queues, for efficiency reasons (see comments on
3641  * bfq_weights_tree_add()). Then the fact that bfqq is weight-raised
3642  * is checked explicitly here. More precisely, the compound condition
3643  * below takes into account also the fact that, even if bfqq is being
3644  * weight-raised, the scenario is still symmetric if all queues with
3645  * requests waiting for completion happen to be
3646  * weight-raised. Actually, we should be even more precise here, and
3647  * differentiate between interactive weight raising and soft real-time
3648  * weight raising.
3649  *
3650  * The second sub-condition checked in the compound condition is
3651  * whether there is a fair amount of already in-flight I/O not
3652  * belonging to bfqq. If so, I/O dispatching is to be plugged, for the
3653  * following reason. The drive may decide to serve in-flight
3654  * non-bfqq's I/O requests before bfqq's ones, thereby delaying the
3655  * arrival of new I/O requests for bfqq (recall that bfqq is sync). If
3656  * I/O-dispatching is not plugged, then, while bfqq remains empty, a
3657  * basically uncontrolled amount of I/O from other queues may be
3658  * dispatched too, possibly causing the service of bfqq's I/O to be
3659  * delayed even longer in the drive. This problem gets more and more
3660  * serious as the speed and the queue depth of the drive grow,
3661  * because, as these two quantities grow, the probability to find no
3662  * queue busy but many requests in flight grows too. By contrast,
3663  * plugging I/O dispatching minimizes the delay induced by already
3664  * in-flight I/O, and enables bfqq to recover the bandwidth it may
3665  * lose because of this delay.
3666  *
3667  * As a side note, it is worth considering that the above
3668  * device-idling countermeasures may however fail in the following
3669  * unlucky scenario: if I/O-dispatch plugging is (correctly) disabled
3670  * in a time period during which all symmetry sub-conditions hold, and
3671  * therefore the device is allowed to enqueue many requests, but at
3672  * some later point in time some sub-condition stops to hold, then it
3673  * may become impossible to make requests be served in the desired
3674  * order until all the requests already queued in the device have been
3675  * served. The last sub-condition commented above somewhat mitigates
3676  * this problem for weight-raised queues.
3677  *
3678  * However, as an additional mitigation for this problem, we preserve
3679  * plugging for a special symmetric case that may suddenly turn into
3680  * asymmetric: the case where only bfqq is busy. In this case, not
3681  * expiring bfqq does not cause any harm to any other queues in terms
3682  * of service guarantees. In contrast, it avoids the following unlucky
3683  * sequence of events: (1) bfqq is expired, (2) a new queue with a
3684  * lower weight than bfqq becomes busy (or more queues), (3) the new
3685  * queue is served until a new request arrives for bfqq, (4) when bfqq
3686  * is finally served, there are so many requests of the new queue in
3687  * the drive that the pending requests for bfqq take a lot of time to
3688  * be served. In particular, event (2) may case even already
3689  * dispatched requests of bfqq to be delayed, inside the drive. So, to
3690  * avoid this series of events, the scenario is preventively declared
3691  * as asymmetric also if bfqq is the only busy queues
3692  */
3693 static bool idling_needed_for_service_guarantees(struct bfq_data *bfqd,
3694                                                  struct bfq_queue *bfqq)
3695 {
3696         int tot_busy_queues = bfq_tot_busy_queues(bfqd);
3697
3698         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
3699         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
3700                 return false;
3701
3702         return (bfqq->wr_coeff > 1 &&
3703                 (bfqd->wr_busy_queues <
3704                  tot_busy_queues ||
3705                  bfqd->rq_in_driver >=
3706                  bfqq->dispatched + 4)) ||
3707                 bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq) ||
3708                 tot_busy_queues == 1;
3709 }
3710
3711 static bool __bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3712                               enum bfqq_expiration reason)
3713 {
3714         /*
3715          * If this bfqq is shared between multiple processes, check
3716          * to make sure that those processes are still issuing I/Os
3717          * within the mean seek distance. If not, it may be time to
3718          * break the queues apart again.
3719          */
3720         if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && BFQQ_SEEKY(bfqq))
3721                 bfq_mark_bfqq_split_coop(bfqq);
3722
3723         /*
3724          * Consider queues with a higher finish virtual time than
3725          * bfqq. If idling_needed_for_service_guarantees(bfqq) returns
3726          * true, then bfqq's bandwidth would be violated if an
3727          * uncontrolled amount of I/O from these queues were
3728          * dispatched while bfqq is waiting for its new I/O to
3729          * arrive. This is exactly what may happen if this is a forced
3730          * expiration caused by a preemption attempt, and if bfqq is
3731          * not re-scheduled. To prevent this from happening, re-queue
3732          * bfqq if it needs I/O-dispatch plugging, even if it is
3733          * empty. By doing so, bfqq is granted to be served before the
3734          * above queues (provided that bfqq is of course eligible).
3735          */
3736         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
3737             !(reason == BFQQE_PREEMPTED &&
3738               idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq))) {
3739                 if (bfqq->dispatched == 0)
3740                         /*
3741                          * Overloading budget_timeout field to store
3742                          * the time at which the queue remains with no
3743                          * backlog and no outstanding request; used by
3744                          * the weight-raising mechanism.
3745                          */
3746                         bfqq->budget_timeout = jiffies;
3747
3748                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, true);
3749         } else {
3750                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, true);
3751                 /*
3752                  * Resort priority tree of potential close cooperators.
3753                  * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
3754                  */
3755                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing &&
3756                              !RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)))
3757                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
3758         }
3759
3760         /*
3761          * All in-service entities must have been properly deactivated
3762          * or requeued before executing the next function, which
3763          * resets all in-service entities as no more in service. This
3764          * may cause bfqq to be freed. If this happens, the next
3765          * function returns true.
3766          */
3767         return __bfq_bfqd_reset_in_service(bfqd);
3768 }
3769
3770 /**
3771  * __bfq_bfqq_recalc_budget - try to adapt the budget to the @bfqq behavior.
3772  * @bfqd: device data.
3773  * @bfqq: queue to update.
3774  * @reason: reason for expiration.
3775  *
3776  * Handle the feedback on @bfqq budget at queue expiration.
3777  * See the body for detailed comments.
3778  */
3779 static void __bfq_bfqq_recalc_budget(struct bfq_data *bfqd,
3780                                      struct bfq_queue *bfqq,
3781                                      enum bfqq_expiration reason)
3782 {
3783         struct request *next_rq;
3784         int budget, min_budget;
3785
3786         min_budget = bfq_min_budget(bfqd);
3787
3788         if (bfqq->wr_coeff == 1)
3789                 budget = bfqq->max_budget;
3790         else /*
3791               * Use a constant, low budget for weight-raised queues,
3792               * to help achieve a low latency. Keep it slightly higher
3793               * than the minimum possible budget, to cause a little
3794               * bit fewer expirations.
3795               */
3796                 budget = 2 * min_budget;
3797
3798         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last budg %d, budg left %d",
3799                 bfqq->entity.budget, bfq_bfqq_budget_left(bfqq));
3800         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last max_budg %d, min budg %d",
3801                 budget, bfq_min_budget(bfqd));
3802         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: sync %d, seeky %d",
3803                 bfq_bfqq_sync(bfqq), BFQQ_SEEKY(bfqd->in_service_queue));
3804
3805         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1) {
3806                 switch (reason) {
3807                 /*
3808                  * Caveat: in all the following cases we trade latency
3809                  * for throughput.
3810                  */
3811                 case BFQQE_TOO_IDLE:
3812                         /*
3813                          * This is the only case where we may reduce
3814                          * the budget: if there is no request of the
3815                          * process still waiting for completion, then
3816                          * we assume (tentatively) that the timer has
3817                          * expired because the batch of requests of
3818                          * the process could have been served with a
3819                          * smaller budget.  Hence, betting that
3820                          * process will behave in the same way when it
3821                          * becomes backlogged again, we reduce its
3822                          * next budget.  As long as we guess right,
3823                          * this budget cut reduces the latency
3824                          * experienced by the process.
3825                          *
3826                          * However, if there are still outstanding
3827                          * requests, then the process may have not yet
3828                          * issued its next request just because it is
3829                          * still waiting for the completion of some of
3830                          * the still outstanding ones.  So in this
3831                          * subcase we do not reduce its budget, on the
3832                          * contrary we increase it to possibly boost
3833                          * the throughput, as discussed in the
3834                          * comments to the BUDGET_TIMEOUT case.
3835                          */
3836                         if (bfqq->dispatched > 0) /* still outstanding reqs */
3837                                 budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3838                         else {
3839                                 if (budget > 5 * min_budget)
3840                                         budget -= 4 * min_budget;
3841                                 else
3842                                         budget = min_budget;
3843                         }
3844                         break;
3845                 case BFQQE_BUDGET_TIMEOUT:
3846                         /*
3847                          * We double the budget here because it gives
3848                          * the chance to boost the throughput if this
3849                          * is not a seeky process (and has bumped into
3850                          * this timeout because of, e.g., ZBR).
3851                          */
3852                         budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3853                         break;
3854                 case BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED:
3855                         /*
3856                          * The process still has backlog, and did not
3857                          * let either the budget timeout or the disk
3858                          * idling timeout expire. Hence it is not
3859                          * seeky, has a short thinktime and may be
3860                          * happy with a higher budget too. So
3861                          * definitely increase the budget of this good
3862                          * candidate to boost the disk throughput.
3863                          */
3864                         budget = min(budget * 4, bfqd->bfq_max_budget);
3865                         break;
3866                 case BFQQE_NO_MORE_REQUESTS:
3867                         /*
3868                          * For queues that expire for this reason, it
3869                          * is particularly important to keep the
3870                          * budget close to the actual service they
3871                          * need. Doing so reduces the timestamp
3872                          * misalignment problem described in the
3873                          * comments in the body of
3874                          * __bfq_activate_entity. In fact, suppose
3875                          * that a queue systematically expires for
3876                          * BFQQE_NO_MORE_REQUESTS and presents a
3877                          * new request in time to enjoy timestamp
3878                          * back-shifting. The larger the budget of the
3879                          * queue is with respect to the service the
3880                          * queue actually requests in each service
3881                          * slot, the more times the queue can be
3882                          * reactivated with the same virtual finish
3883                          * time. It follows that, even if this finish
3884                          * time is pushed to the system virtual time
3885                          * to reduce the consequent timestamp
3886                          * misalignment, the queue unjustly enjoys for
3887                          * many re-activations a lower finish time
3888                          * than all newly activated queues.
3889                          *
3890                          * The service needed by bfqq is measured
3891                          * quite precisely by bfqq->entity.service.
3892                          * Since bfqq does not enjoy device idling,
3893                          * bfqq->entity.service is equal to the number
3894                          * of sectors that the process associated with
3895                          * bfqq requested to read/write before waiting
3896                          * for request completions, or blocking for
3897                          * other reasons.
3898                          */
3899                         budget = max_t(int, bfqq->entity.service, min_budget);
3900                         break;
3901                 default:
3902                         return;
3903                 }
3904         } else if (!bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
3905                 /*
3906                  * Async queues get always the maximum possible
3907                  * budget, as for them we do not care about latency
3908                  * (in addition, their ability to dispatch is limited
3909                  * by the charging factor).
3910                  */
3911                 budget = bfqd->bfq_max_budget;
3912         }
3913
3914         bfqq->max_budget = budget;
3915
3916         if (bfqd->budgets_assigned >= bfq_stats_min_budgets &&
3917             !bfqd->bfq_user_max_budget)
3918                 bfqq->max_budget = min(bfqq->max_budget, bfqd->bfq_max_budget);
3919
3920         /*
3921          * If there is still backlog, then assign a new budget, making
3922          * sure that it is large enough for the next request.  Since
3923          * the finish time of bfqq must be kept in sync with the
3924          * budget, be sure to call __bfq_bfqq_expire() *after* this
3925          * update.
3926          *
3927          * If there is no backlog, then no need to update the budget;
3928          * it will be updated on the arrival of a new request.
3929          */
3930         next_rq = bfqq->next_rq;
3931         if (next_rq)
3932                 bfqq->entity.budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
3933                                             bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq));
3934
3935         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "head sect: %u, new budget %d",
3936                         next_rq ? blk_rq_sectors(next_rq) : 0,
3937                         bfqq->entity.budget);
3938 }
3939
3940 /*
3941  * Return true if the process associated with bfqq is "slow". The slow
3942  * flag is used, in addition to the budget timeout, to reduce the
3943  * amount of service provided to seeky processes, and thus reduce
3944  * their chances to lower the throughput. More details in the comments
3945  * on the function bfq_bfqq_expire().
3946  *
3947  * An important observation is in order: as discussed in the comments
3948  * on the function bfq_update_peak_rate(), with devices with internal
3949  * queues, it is hard if ever possible to know when and for how long
3950  * an I/O request is processed by the device (apart from the trivial
3951  * I/O pattern where a new request is dispatched only after the
3952  * previous one has been completed). This makes it hard to evaluate
3953  * the real rate at which the I/O requests of each bfq_queue are
3954  * served.  In fact, for an I/O scheduler like BFQ, serving a
3955  * bfq_queue means just dispatching its requests during its service
3956  * slot (i.e., until the budget of the queue is exhausted, or the
3957  * queue remains idle, or, finally, a timeout fires). But, during the
3958  * service slot of a bfq_queue, around 100 ms at most, the device may
3959  * be even still processing requests of bfq_queues served in previous
3960  * service slots. On the opposite end, the requests of the in-service
3961  * bfq_queue may be completed after the service slot of the queue
3962  * finishes.
3963  *
3964  * Anyway, unless more sophisticated solutions are used
3965  * (where possible), the sum of the sizes of the requests dispatched
3966  * during the service slot of a bfq_queue is probably the only
3967  * approximation available for the service received by the bfq_queue
3968  * during its service slot. And this sum is the quantity used in this
3969  * function to evaluate the I/O speed of a process.
3970  */
3971 static bool bfq_bfqq_is_slow(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3972                                  bool compensate, enum bfqq_expiration reason,
3973                                  unsigned long *delta_ms)
3974 {
3975         ktime_t delta_ktime;
3976         u32 delta_usecs;
3977         bool slow = BFQQ_SEEKY(bfqq); /* if delta too short, use seekyness */
3978
3979         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq))
3980                 return false;
3981
3982         if (compensate)
3983                 delta_ktime = bfqd->last_idling_start;
3984         else
3985                 delta_ktime = ktime_get();
3986         delta_ktime = ktime_sub(delta_ktime, bfqd->last_budget_start);
3987         delta_usecs = ktime_to_us(delta_ktime);
3988
3989         /* don't use too short time intervals */
3990         if (delta_usecs < 1000) {
3991                 if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue))
3992                          /*
3993                           * give same worst-case guarantees as idling
3994                           * for seeky
3995                           */
3996                         *delta_ms = BFQ_MIN_TT / NSEC_PER_MSEC;
3997                 else /* charge at least one seek */
3998                         *delta_ms = bfq_slice_idle / NSEC_PER_MSEC;
3999
4000                 return slow;
4001         }
4002
4003         *delta_ms = delta_usecs / USEC_PER_MSEC;
4004
4005         /*
4006          * Use only long (> 20ms) intervals to filter out excessive
4007          * spikes in service rate estimation.
4008          */
4009         if (delta_usecs > 20000) {
4010                 /*
4011                  * Caveat for rotational devices: processes doing I/O
4012                  * in the slower disk zones tend to be slow(er) even
4013                  * if not seeky. In this respect, the estimated peak
4014                  * rate is likely to be an average over the disk
4015                  * surface. Accordingly, to not be too harsh with
4016                  * unlucky processes, a process is deemed slow only if
4017                  * its rate has been lower than half of the estimated
4018                  * peak rate.
4019                  */
4020                 slow = bfqq->entity.service < bfqd->bfq_max_budget / 2;
4021         }
4022
4023         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "bfq_bfqq_is_slow: slow %d", slow);
4024
4025         return slow;
4026 }
4027
4028 /*
4029  * To be deemed as soft real-time, an application must meet two
4030  * requirements. First, the application must not require an average
4031  * bandwidth higher than the approximate bandwidth required to playback or
4032  * record a compressed high-definition video.
4033  * The next function is invoked on the completion of the last request of a
4034  * batch, to compute the next-start time instant, soft_rt_next_start, such
4035  * that, if the next request of the application does not arrive before
4036  * soft_rt_next_start, then the above requirement on the bandwidth is met.
4037  *
4038  * The second requirement is that the request pattern of the application is
4039  * isochronous, i.e., that, after issuing a request or a batch of requests,
4040  * the application stops issuing new requests until all its pending requests
4041  * have been completed. After that, the application may issue a new batch,
4042  * and so on.
4043  * For this reason the next function is invoked to compute
4044  * soft_rt_next_start only for applications that meet this requirement,
4045  * whereas soft_rt_next_start is set to infinity for applications that do
4046  * not.
4047  *
4048  * Unfortunately, even a greedy (i.e., I/O-bound) application may
4049  * happen to meet, occasionally or systematically, both the above
4050  * bandwidth and isochrony requirements. This may happen at least in
4051  * the following circumstances. First, if the CPU load is high. The
4052  * application may stop issuing requests while the CPUs are busy
4053  * serving other processes, then restart, then stop again for a while,
4054  * and so on. The other circumstances are related to the storage
4055  * device: the storage device is highly loaded or reaches a low-enough
4056  * throughput with the I/O of the application (e.g., because the I/O
4057  * is random and/or the device is slow). In all these cases, the
4058  * I/O of the application may be simply slowed down enough to meet
4059  * the bandwidth and isochrony requirements. To reduce the probability
4060  * that greedy applications are deemed as soft real-time in these
4061  * corner cases, a further rule is used in the computation of
4062  * soft_rt_next_start: the return value of this function is forced to
4063  * be higher than the maximum between the following two quantities.
4064  *
4065  * (a) Current time plus: (1) the maximum time for which the arrival
4066  *     of a request is waited for when a sync queue becomes idle,
4067  *     namely bfqd->bfq_slice_idle, and (2) a few extra jiffies. We
4068  *     postpone for a moment the reason for adding a few extra
4069  *     jiffies; we get back to it after next item (b).  Lower-bounding
4070  *     the return value of this function with the current time plus
4071  *     bfqd->bfq_slice_idle tends to filter out greedy applications,
4072  *     because the latter issue their next request as soon as possible
4073  *     after the last one has been completed. In contrast, a soft
4074  *     real-time application spends some time processing data, after a
4075  *     batch of its requests has been completed.
4076  *
4077  * (b) Current value of bfqq->soft_rt_next_start. As pointed out
4078  *     above, greedy applications may happen to meet both the
4079  *     bandwidth and isochrony requirements under heavy CPU or
4080  *     storage-device load. In more detail, in these scenarios, these
4081  *     applications happen, only for limited time periods, to do I/O
4082  *     slowly enough to meet all the requirements described so far,
4083  *     including the filtering in above item (a). These slow-speed
4084  *     time intervals are usually interspersed between other time
4085  *     intervals during which these applications do I/O at a very high
4086  *     speed. Fortunately, exactly because of the high speed of the
4087  *     I/O in the high-speed intervals, the values returned by this
4088  *     function happen to be so high, near the end of any such
4089  *     high-speed interval, to be likely to fall *after* the end of
4090  *     the low-speed time interval that follows. These high values are
4091  *     stored in bfqq->soft_rt_next_start after each invocation of
4092  *     this function. As a consequence, if the last value of
4093  *     bfqq->soft_rt_next_start is constantly used to lower-bound the
4094  *     next value that this function may return, then, from the very
4095  *     beginning of a low-speed interval, bfqq->soft_rt_next_start is
4096  *     likely to be constantly kept so high that any I/O request
4097  *     issued during the low-speed interval is considered as arriving
4098  *     to soon for the application to be deemed as soft
4099  *     real-time. Then, in the high-speed interval that follows, the
4100  *     application will not be deemed as soft real-time, just because
4101  *     it will do I/O at a high speed. And so on.
4102  *
4103  * Getting back to the filtering in item (a), in the following two
4104  * cases this filtering might be easily passed by a greedy
4105  * application, if the reference quantity was just
4106  * bfqd->bfq_slice_idle:
4107  * 1) HZ is so low that the duration of a jiffy is comparable to or
4108  *    higher than bfqd->bfq_slice_idle. This happens, e.g., on slow
4109  *    devices with HZ=100. The time granularity may be so coarse
4110  *    that the approximation, in jiffies, of bfqd->bfq_slice_idle
4111  *    is rather lower than the exact value.
4112  * 2) jiffies, instead of increasing at a constant rate, may stop increasing
4113  *    for a while, then suddenly 'jump' by several units to recover the lost
4114  *    increments. This seems to happen, e.g., inside virtual machines.
4115  * To address this issue, in the filtering in (a) we do not use as a
4116  * reference time interval just bfqd->bfq_slice_idle, but
4117  * bfqd->bfq_slice_idle plus a few jiffies. In particular, we add the
4118  * minimum number of jiffies for which the filter seems to be quite
4119  * precise also in embedded systems and KVM/QEMU virtual machines.
4120  */
4121 static unsigned long bfq_bfqq_softrt_next_start(struct bfq_data *bfqd,
4122                                                 struct bfq_queue *bfqq)
4123 {
4124         return max3(bfqq->soft_rt_next_start,
4125                     bfqq->last_idle_bklogged +
4126                     HZ * bfqq->service_from_backlogged /
4127                     bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate,
4128                     jiffies + nsecs_to_jiffies(bfqq->bfqd->bfq_slice_idle) + 4);
4129 }
4130
4131 /**
4132  * bfq_bfqq_expire - expire a queue.
4133  * @bfqd: device owning the queue.
4134  * @bfqq: the queue to expire.
4135  * @compensate: if true, compensate for the time spent idling.
4136  * @reason: the reason causing the expiration.
4137  *
4138  * If the process associated with bfqq does slow I/O (e.g., because it
4139  * issues random requests), we charge bfqq with the time it has been
4140  * in service instead of the service it has received (see
4141  * bfq_bfqq_charge_time for details on how this goal is achieved). As
4142  * a consequence, bfqq will typically get higher timestamps upon
4143  * reactivation, and hence it will be rescheduled as if it had
4144  * received more service than what it has actually received. In the
4145  * end, bfqq receives less service in proportion to how slowly its
4146  * associated process consumes its budgets (and hence how seriously it
4147  * tends to lower the throughput). In addition, this time-charging
4148  * strategy guarantees time fairness among slow processes. In
4149  * contrast, if the process associated with bfqq is not slow, we
4150  * charge bfqq exactly with the service it has received.
4151  *
4152  * Charging time to the first type of queues and the exact service to
4153  * the other has the effect of using the WF2Q+ policy to schedule the
4154  * former on a timeslice basis, without violating service domain
4155  * guarantees among the latter.
4156  */
4157 void bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd,
4158                      struct bfq_queue *bfqq,
4159                      bool compensate,
4160                      enum bfqq_expiration reason)
4161 {
4162         bool slow;
4163         unsigned long delta = 0;
4164         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4165
4166         /*
4167          * Check whether the process is slow (see bfq_bfqq_is_slow).
4168          */
4169         slow = bfq_bfqq_is_slow(bfqd, bfqq, compensate, reason, &delta);
4170
4171         /*
4172          * As above explained, charge slow (typically seeky) and
4173          * timed-out queues with the time and not the service
4174          * received, to favor sequential workloads.
4175          *
4176          * Processes doing I/O in the slower disk zones will tend to
4177          * be slow(er) even if not seeky. Therefore, since the
4178          * estimated peak rate is actually an average over the disk
4179          * surface, these processes may timeout just for bad luck. To
4180          * avoid punishing them, do not charge time to processes that
4181          * succeeded in consuming at least 2/3 of their budget. This
4182          * allows BFQ to preserve enough elasticity to still perform
4183          * bandwidth, and not time, distribution with little unlucky
4184          * or quasi-sequential processes.
4185          */
4186         if (bfqq->wr_coeff == 1 &&
4187             (slow ||
4188              (reason == BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4189               bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  entity->budget / 3)))
4190                 bfq_bfqq_charge_time(bfqd, bfqq, delta);
4191
4192         if (bfqd->low_latency && bfqq->wr_coeff == 1)
4193                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
4194
4195         if (bfqd->low_latency && bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
4196             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
4197                 /*
4198                  * If we get here, and there are no outstanding
4199                  * requests, then the request pattern is isochronous
4200                  * (see the comments on the function
4201                  * bfq_bfqq_softrt_next_start()). Therefore we can
4202                  * compute soft_rt_next_start.
4203                  *
4204                  * If, instead, the queue still has outstanding
4205                  * requests, then we have to wait for the completion
4206                  * of all the outstanding requests to discover whether
4207                  * the request pattern is actually isochronous.
4208                  */
4209                 if (bfqq->dispatched == 0)
4210                         bfqq->soft_rt_next_start =
4211                                 bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
4212                 else if (bfqq->dispatched > 0) {
4213                         /*
4214                          * Schedule an update of soft_rt_next_start to when
4215                          * the task may be discovered to be isochronous.
4216                          */
4217                         bfq_mark_bfqq_softrt_update(bfqq);
4218                 }
4219         }
4220
4221         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4222                 "expire (%d, slow %d, num_disp %d, short_ttime %d)", reason,
4223                 slow, bfqq->dispatched, bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq));
4224
4225         /*
4226          * bfqq expired, so no total service time needs to be computed
4227          * any longer: reset state machine for measuring total service
4228          * times.
4229          */
4230         bfqd->rqs_injected = bfqd->wait_dispatch = false;
4231         bfqd->waited_rq = NULL;
4232
4233         /*
4234          * Increase, decrease or leave budget unchanged according to
4235          * reason.
4236          */
4237         __bfq_bfqq_recalc_budget(bfqd, bfqq, reason);
4238         if (__bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, reason))
4239                 /* bfqq is gone, no more actions on it */
4240                 return;
4241
4242         /* mark bfqq as waiting a request only if a bic still points to it */
4243         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
4244             reason != BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4245             reason != BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED) {
4246                 bfq_mark_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
4247                 /*
4248                  * Not setting service to 0, because, if the next rq
4249                  * arrives in time, the queue will go on receiving
4250                  * service with this same budget (as if it never expired)
4251                  */
4252         } else
4253                 entity->service = 0;
4254
4255         /*
4256          * Reset the received-service counter for every parent entity.
4257          * Differently from what happens with bfqq->entity.service,
4258          * the resetting of this counter never needs to be postponed
4259          * for parent entities. In fact, in case bfqq may have a
4260          * chance to go on being served using the last, partially
4261          * consumed budget, bfqq->entity.service needs to be kept,
4262          * because if bfqq then actually goes on being served using
4263          * the same budget, the last value of bfqq->entity.service is
4264          * needed to properly decrement bfqq->entity.budget by the
4265          * portion already consumed. In contrast, it is not necessary
4266          * to keep entity->service for parent entities too, because
4267          * the bubble up of the new value of bfqq->entity.budget will
4268          * make sure that the budgets of parent entities are correct,
4269          * even in case bfqq and thus parent entities go on receiving
4270          * service with the same budget.
4271          */
4272         entity = entity->parent;
4273         for_each_entity(entity)
4274                 entity->service = 0;
4275 }
4276
4277 /*
4278  * Budget timeout is not implemented through a dedicated timer, but
4279  * just checked on request arrivals and completions, as well as on
4280  * idle timer expirations.
4281  */
4282 static bool bfq_bfqq_budget_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4283 {
4284         return time_is_before_eq_jiffies(bfqq->budget_timeout);
4285 }
4286
4287 /*
4288  * If we expire a queue that is actively waiting (i.e., with the
4289  * device idled) for the arrival of a new request, then we may incur
4290  * the timestamp misalignment problem described in the body of the
4291  * function __bfq_activate_entity. Hence we return true only if this
4292  * condition does not hold, or if the queue is slow enough to deserve
4293  * only to be kicked off for preserving a high throughput.
4294  */
4295 static bool bfq_may_expire_for_budg_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4296 {
4297         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
4298                 "may_budget_timeout: wait_request %d left %d timeout %d",
4299                 bfq_bfqq_wait_request(bfqq),
4300                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3,
4301                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq));
4302
4303         return (!bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4304                 bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3)
4305                 &&
4306                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
4307 }
4308
4309 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
4310                                              struct bfq_queue *bfqq)
4311 {
4312         bool rot_without_queueing =
4313                 !blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && !bfqd->hw_tag,
4314                 bfqq_sequential_and_IO_bound,
4315                 idling_boosts_thr;
4316
4317         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4318         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4319                 return false;
4320
4321         bfqq_sequential_and_IO_bound = !BFQQ_SEEKY(bfqq) &&
4322                 bfq_bfqq_IO_bound(bfqq) && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4323
4324         /*
4325          * The next variable takes into account the cases where idling
4326          * boosts the throughput.
4327          *
4328          * The value of the variable is computed considering, first, that
4329          * idling is virtually always beneficial for the throughput if:
4330          * (a) the device is not NCQ-capable and rotational, or
4331          * (b) regardless of the presence of NCQ, the device is rotational and
4332          *     the request pattern for bfqq is I/O-bound and sequential, or
4333          * (c) regardless of whether it is rotational, the device is
4334          *     not NCQ-capable and the request pattern for bfqq is
4335          *     I/O-bound and sequential.
4336          *
4337          * Secondly, and in contrast to the above item (b), idling an
4338          * NCQ-capable flash-based device would not boost the
4339          * throughput even with sequential I/O; rather it would lower
4340          * the throughput in proportion to how fast the device
4341          * is. Accordingly, the next variable is true if any of the
4342          * above conditions (a), (b) or (c) is true, and, in
4343          * particular, happens to be false if bfqd is an NCQ-capable
4344          * flash-based device.
4345          */
4346         idling_boosts_thr = rot_without_queueing ||
4347                 ((!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) || !bfqd->hw_tag) &&
4348                  bfqq_sequential_and_IO_bound);
4349
4350         /*
4351          * The return value of this function is equal to that of
4352          * idling_boosts_thr, unless a special case holds. In this
4353          * special case, described below, idling may cause problems to
4354          * weight-raised queues.
4355          *
4356          * When the request pool is saturated (e.g., in the presence
4357          * of write hogs), if the processes associated with
4358          * non-weight-raised queues ask for requests at a lower rate,
4359          * then processes associated with weight-raised queues have a
4360          * higher probability to get a request from the pool
4361          * immediately (or at least soon) when they need one. Thus
4362          * they have a higher probability to actually get a fraction
4363          * of the device throughput proportional to their high
4364          * weight. This is especially true with NCQ-capable drives,
4365          * which enqueue several requests in advance, and further
4366          * reorder internally-queued requests.
4367          *
4368          * For this reason, we force to false the return value if
4369          * there are weight-raised busy queues. In this case, and if
4370          * bfqq is not weight-raised, this guarantees that the device
4371          * is not idled for bfqq (if, instead, bfqq is weight-raised,
4372          * then idling will be guaranteed by another variable, see
4373          * below). Combined with the timestamping rules of BFQ (see
4374          * [1] for details), this behavior causes bfqq, and hence any
4375          * sync non-weight-raised queue, to get a lower number of
4376          * requests served, and thus to ask for a lower number of
4377          * requests from the request pool, before the busy
4378          * weight-raised queues get served again. This often mitigates
4379          * starvation problems in the presence of heavy write
4380          * workloads and NCQ, thereby guaranteeing a higher
4381          * application and system responsiveness in these hostile
4382          * scenarios.
4383          */
4384         return idling_boosts_thr &&
4385                 bfqd->wr_busy_queues == 0;
4386 }
4387
4388 /*
4389  * For a queue that becomes empty, device idling is allowed only if
4390  * this function returns true for that queue. As a consequence, since
4391  * device idling plays a critical role for both throughput boosting
4392  * and service guarantees, the return value of this function plays a
4393  * critical role as well.
4394  *
4395  * In a nutshell, this function returns true only if idling is
4396  * beneficial for throughput or, even if detrimental for throughput,
4397  * idling is however necessary to preserve service guarantees (low
4398  * latency, desired throughput distribution, ...). In particular, on
4399  * NCQ-capable devices, this function tries to return false, so as to
4400  * help keep the drives' internal queues full, whenever this helps the
4401  * device boost the throughput without causing any service-guarantee
4402  * issue.
4403  *
4404  * Most of the issues taken into account to get the return value of
4405  * this function are not trivial. We discuss these issues in the two
4406  * functions providing the main pieces of information needed by this
4407  * function.
4408  */
4409 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4410 {
4411         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
4412         bool idling_boosts_thr_with_no_issue, idling_needed_for_service_guar;
4413
4414         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4415         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4416                 return false;
4417
4418         if (unlikely(bfqd->strict_guarantees))
4419                 return true;
4420
4421         /*
4422          * Idling is performed only if slice_idle > 0. In addition, we
4423          * do not idle if
4424          * (a) bfqq is async
4425          * (b) bfqq is in the idle io prio class: in this case we do
4426          * not idle because we want to minimize the bandwidth that
4427          * queues in this class can steal to higher-priority queues
4428          */
4429         if (bfqd->bfq_slice_idle == 0 || !bfq_bfqq_sync(bfqq) ||
4430            bfq_class_idle(bfqq))
4431                 return false;
4432
4433         idling_boosts_thr_with_no_issue =
4434                 idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq);
4435
4436         idling_needed_for_service_guar =
4437                 idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq);
4438
4439         /*
4440          * We have now the two components we need to compute the
4441          * return value of the function, which is true only if idling
4442          * either boosts the throughput (without issues), or is
4443          * necessary to preserve service guarantees.
4444          */
4445         return idling_boosts_thr_with_no_issue ||
4446                 idling_needed_for_service_guar;
4447 }
4448
4449 /*
4450  * If the in-service queue is empty but the function bfq_better_to_idle
4451  * returns true, then:
4452  * 1) the queue must remain in service and cannot be expired, and
4453  * 2) the device must be idled to wait for the possible arrival of a new
4454  *    request for the queue.
4455  * See the comments on the function bfq_better_to_idle for the reasons
4456  * why performing device idling is the best choice to boost the throughput
4457  * and preserve service guarantees when bfq_better_to_idle itself
4458  * returns true.
4459  */
4460 static bool bfq_bfqq_must_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4461 {
4462         return RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_better_to_idle(bfqq);
4463 }
4464
4465 /*
4466  * This function chooses the queue from which to pick the next extra
4467  * I/O request to inject, if it finds a compatible queue. See the
4468  * comments on bfq_update_inject_limit() for details on the injection
4469  * mechanism, and for the definitions of the quantities mentioned
4470  * below.
4471  */
4472 static struct bfq_queue *
4473 bfq_choose_bfqq_for_injection(struct bfq_data *bfqd)
4474 {
4475         struct bfq_queue *bfqq, *in_serv_bfqq = bfqd->in_service_queue;
4476         unsigned int limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4477         /*
4478          * If
4479          * - bfqq is not weight-raised and therefore does not carry
4480          *   time-critical I/O,
4481          * or
4482          * - regardless of whether bfqq is weight-raised, bfqq has
4483          *   however a long think time, during which it can absorb the
4484          *   effect of an appropriate number of extra I/O requests
4485          *   from other queues (see bfq_update_inject_limit for
4486          *   details on the computation of this number);
4487          * then injection can be performed without restrictions.
4488          */
4489         bool in_serv_always_inject = in_serv_bfqq->wr_coeff == 1 ||
4490                 !bfq_bfqq_has_short_ttime(in_serv_bfqq);
4491
4492         /*
4493          * If
4494          * - the baseline total service time could not be sampled yet,
4495          *   so the inject limit happens to be still 0, and
4496          * - a lot of time has elapsed since the plugging of I/O
4497          *   dispatching started, so drive speed is being wasted
4498          *   significantly;
4499          * then temporarily raise inject limit to one request.
4500          */
4501         if (limit == 0 && in_serv_bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
4502             bfq_bfqq_wait_request(in_serv_bfqq) &&
4503             time_is_before_eq_jiffies(bfqd->last_idling_start_jiffies +
4504                                       bfqd->bfq_slice_idle)
4505                 )
4506                 limit = 1;
4507
4508         if (bfqd->rq_in_driver >= limit)
4509                 return NULL;
4510
4511         /*
4512          * Linear search of the source queue for injection; but, with
4513          * a high probability, very few steps are needed to find a
4514          * candidate queue, i.e., a queue with enough budget left for
4515          * its next request. In fact:
4516          * - BFQ dynamically updates the budget of every queue so as
4517          *   to accommodate the expected backlog of the queue;
4518          * - if a queue gets all its requests dispatched as injected
4519          *   service, then the queue is removed from the active list
4520          *   (and re-added only if it gets new requests, but then it
4521          *   is assigned again enough budget for its new backlog).
4522          */
4523         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
4524                 if (!RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
4525                     (in_serv_always_inject || bfqq->wr_coeff > 1) &&
4526                     bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq) <=
4527                     bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4528                         /*
4529                          * Allow for only one large in-flight request
4530                          * on non-rotational devices, for the
4531                          * following reason. On non-rotationl drives,
4532                          * large requests take much longer than
4533                          * smaller requests to be served. In addition,
4534                          * the drive prefers to serve large requests
4535                          * w.r.t. to small ones, if it can choose. So,
4536                          * having more than one large requests queued
4537                          * in the drive may easily make the next first
4538                          * request of the in-service queue wait for so
4539                          * long to break bfqq's service guarantees. On
4540                          * the bright side, large requests let the
4541                          * drive reach a very high throughput, even if
4542                          * there is only one in-flight large request
4543                          * at a time.
4544                          */
4545                         if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue) &&
4546                             blk_rq_sectors(bfqq->next_rq) >=
4547                             BFQQ_SECT_THR_NONROT)
4548                                 limit = min_t(unsigned int, 1, limit);
4549                         else
4550                                 limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4551
4552                         if (bfqd->rq_in_driver < limit) {
4553                                 bfqd->rqs_injected = true;
4554                                 return bfqq;
4555                         }
4556                 }
4557
4558         return NULL;
4559 }
4560
4561 /*
4562  * Select a queue for service.  If we have a current queue in service,
4563  * check whether to continue servicing it, or retrieve and set a new one.
4564  */
4565 static struct bfq_queue *bfq_select_queue(struct bfq_data *bfqd)
4566 {
4567         struct bfq_queue *bfqq;
4568         struct request *next_rq;
4569         enum bfqq_expiration reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
4570
4571         bfqq = bfqd->in_service_queue;
4572         if (!bfqq)
4573                 goto new_queue;
4574
4575         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: already in-service queue");
4576
4577         /*
4578          * Do not expire bfqq for budget timeout if bfqq may be about
4579          * to enjoy device idling. The reason why, in this case, we
4580          * prevent bfqq from expiring is the same as in the comments
4581          * on the case where bfq_bfqq_must_idle() returns true, in
4582          * bfq_completed_request().
4583          */
4584         if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq) &&
4585             !bfq_bfqq_must_idle(bfqq))
4586                 goto expire;
4587
4588 check_queue:
4589         /*
4590          * This loop is rarely executed more than once. Even when it
4591          * happens, it is much more convenient to re-execute this loop
4592          * than to return NULL and trigger a new dispatch to get a
4593          * request served.
4594          */
4595         next_rq = bfqq->next_rq;
4596         /*
4597          * If bfqq has requests queued and it has enough budget left to
4598          * serve them, keep the queue, otherwise expire it.
4599          */
4600         if (next_rq) {
4601                 if (bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq) >
4602                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4603                         /*
4604                          * Expire the queue for budget exhaustion,
4605                          * which makes sure that the next budget is
4606                          * enough to serve the next request, even if
4607                          * it comes from the fifo expired path.
4608                          */
4609                         reason = BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED;
4610                         goto expire;
4611                 } else {
4612                         /*
4613                          * The idle timer may be pending because we may
4614                          * not disable disk idling even when a new request
4615                          * arrives.
4616                          */
4617                         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
4618                                 /*
4619                                  * If we get here: 1) at least a new request
4620                                  * has arrived but we have not disabled the
4621                                  * timer because the request was too small,
4622                                  * 2) then the block layer has unplugged
4623                                  * the device, causing the dispatch to be
4624                                  * invoked.
4625                                  *
4626                                  * Since the device is unplugged, now the
4627                                  * requests are probably large enough to
4628                                  * provide a reasonable throughput.
4629                                  * So we disable idling.
4630                                  */
4631                                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
4632                                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
4633                         }
4634                         goto keep_queue;
4635                 }
4636         }
4637
4638         /*
4639          * No requests pending. However, if the in-service queue is idling
4640          * for a new request, or has requests waiting for a completion and
4641          * may idle after their completion, then keep it anyway.
4642          *
4643          * Yet, inject service from other queues if it boosts
4644          * throughput and is possible.
4645          */
4646         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4647             (bfqq->dispatched != 0 && bfq_better_to_idle(bfqq))) {
4648                 struct bfq_queue *async_bfqq =
4649                         bfqq->bic && bfqq->bic->bfqq[0] &&
4650                         bfq_bfqq_busy(bfqq->bic->bfqq[0]) &&
4651                         bfqq->bic->bfqq[0]->next_rq ?
4652                         bfqq->bic->bfqq[0] : NULL;
4653                 struct bfq_queue *blocked_bfqq =
4654                         !hlist_empty(&bfqq->woken_list) ?
4655                         container_of(bfqq->woken_list.first,
4656                                      struct bfq_queue,
4657                                      woken_list_node)
4658                         : NULL;
4659
4660                 /*
4661                  * The next four mutually-exclusive ifs decide
4662                  * whether to try injection, and choose the queue to
4663                  * pick an I/O request from.
4664                  *
4665                  * The first if checks whether the process associated
4666                  * with bfqq has also async I/O pending. If so, it
4667                  * injects such I/O unconditionally. Injecting async
4668                  * I/O from the same process can cause no harm to the
4669                  * process. On the contrary, it can only increase
4670                  * bandwidth and reduce latency for the process.
4671                  *
4672                  * The second if checks whether there happens to be a
4673                  * non-empty waker queue for bfqq, i.e., a queue whose
4674                  * I/O needs to be completed for bfqq to receive new
4675                  * I/O. This happens, e.g., if bfqq is associated with
4676                  * a process that does some sync. A sync generates
4677                  * extra blocking I/O, which must be completed before
4678                  * the process associated with bfqq can go on with its
4679                  * I/O. If the I/O of the waker queue is not served,
4680                  * then bfqq remains empty, and no I/O is dispatched,
4681                  * until the idle timeout fires for bfqq. This is
4682                  * likely to result in lower bandwidth and higher
4683                  * latencies for bfqq, and in a severe loss of total
4684                  * throughput. The best action to take is therefore to
4685                  * serve the waker queue as soon as possible. So do it
4686                  * (without relying on the third alternative below for
4687                  * eventually serving waker_bfqq's I/O; see the last
4688                  * paragraph for further details). This systematic
4689                  * injection of I/O from the waker queue does not
4690                  * cause any delay to bfqq's I/O. On the contrary,
4691                  * next bfqq's I/O is brought forward dramatically,
4692                  * for it is not blocked for milliseconds.
4693                  *
4694                  * The third if checks whether there is a queue woken
4695                  * by bfqq, and currently with pending I/O. Such a
4696                  * woken queue does not steal bandwidth from bfqq,
4697                  * because it remains soon without I/O if bfqq is not
4698                  * served. So there is virtually no risk of loss of
4699                  * bandwidth for bfqq if this woken queue has I/O
4700                  * dispatched while bfqq is waiting for new I/O.
4701                  *
4702                  * The fourth if checks whether bfqq is a queue for
4703                  * which it is better to avoid injection. It is so if
4704                  * bfqq delivers more throughput when served without
4705                  * any further I/O from other queues in the middle, or
4706                  * if the service times of bfqq's I/O requests both
4707                  * count more than overall throughput, and may be
4708                  * easily increased by injection (this happens if bfqq
4709                  * has a short think time). If none of these
4710                  * conditions holds, then a candidate queue for
4711                  * injection is looked for through
4712                  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). Note that the
4713                  * latter may return NULL (for example if the inject
4714                  * limit for bfqq is currently 0).
4715                  *
4716                  * NOTE: motivation for the second alternative
4717                  *
4718                  * Thanks to the way the inject limit is updated in
4719                  * bfq_update_has_short_ttime(), it is rather likely
4720                  * that, if I/O is being plugged for bfqq and the
4721                  * waker queue has pending I/O requests that are
4722                  * blocking bfqq's I/O, then the fourth alternative
4723                  * above lets the waker queue get served before the
4724                  * I/O-plugging timeout fires. So one may deem the
4725                  * second alternative superfluous. It is not, because
4726                  * the fourth alternative may be way less effective in
4727                  * case of a synchronization. For two main
4728                  * reasons. First, throughput may be low because the
4729                  * inject limit may be too low to guarantee the same
4730                  * amount of injected I/O, from the waker queue or
4731                  * other queues, that the second alternative
4732                  * guarantees (the second alternative unconditionally
4733                  * injects a pending I/O request of the waker queue
4734                  * for each bfq_dispatch_request()). Second, with the
4735                  * fourth alternative, the duration of the plugging,
4736                  * i.e., the time before bfqq finally receives new I/O,
4737                  * may not be minimized, because the waker queue may
4738                  * happen to be served only after other queues.
4739                  */
4740                 if (async_bfqq &&
4741                     icq_to_bic(async_bfqq->next_rq->elv.icq) == bfqq->bic &&
4742                     bfq_serv_to_charge(async_bfqq->next_rq, async_bfqq) <=
4743                     bfq_bfqq_budget_left(async_bfqq))
4744                         bfqq = bfqq->bic->bfqq[0];
4745                 else if (bfqq->waker_bfqq &&
4746                            bfq_bfqq_busy(bfqq->waker_bfqq) &&
4747                            bfqq->waker_bfqq->next_rq &&
4748                            bfq_serv_to_charge(bfqq->waker_bfqq->next_rq,
4749                                               bfqq->waker_bfqq) <=
4750                            bfq_bfqq_budget_left(bfqq->waker_bfqq)
4751                         )
4752                         bfqq = bfqq->waker_bfqq;
4753                 else if (blocked_bfqq &&
4754                            bfq_bfqq_busy(blocked_bfqq) &&
4755                            blocked_bfqq->next_rq &&
4756                            bfq_serv_to_charge(blocked_bfqq->next_rq,
4757                                               blocked_bfqq) <=
4758                            bfq_bfqq_budget_left(blocked_bfqq)
4759                         )
4760                         bfqq = blocked_bfqq;
4761                 else if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
4762                          (bfqq->wr_coeff == 1 || bfqd->wr_busy_queues > 1 ||
4763                           !bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq)))
4764                         bfqq = bfq_choose_bfqq_for_injection(bfqd);
4765                 else
4766                         bfqq = NULL;
4767
4768                 goto keep_queue;
4769         }
4770
4771         reason = BFQQE_NO_MORE_REQUESTS;
4772 expire:
4773         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, reason);
4774 new_queue:
4775         bfqq = bfq_set_in_service_queue(bfqd);
4776         if (bfqq) {
4777                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: checking new queue");
4778                 goto check_queue;
4779         }
4780 keep_queue:
4781         if (bfqq)
4782                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: returned this queue");
4783         else
4784                 bfq_log(bfqd, "select_queue: no queue returned");
4785
4786         return bfqq;
4787 }
4788
4789 static void bfq_update_wr_data(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
4790 {
4791         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4792
4793         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* queue is being weight-raised */
4794                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4795                         "raising period dur %u/%u msec, old coeff %u, w %d(%d)",
4796                         jiffies_to_msecs(jiffies - bfqq->last_wr_start_finish),
4797                         jiffies_to_msecs(bfqq->wr_cur_max_time),
4798                         bfqq->wr_coeff,
4799                         bfqq->entity.weight, bfqq->entity.orig_weight);
4800
4801                 if (entity->prio_changed)
4802                         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "WARN: pending prio change");
4803
4804                 /*
4805                  * If the queue was activated in a burst, or too much
4806                  * time has elapsed from the beginning of this
4807                  * weight-raising period, then end weight raising.
4808                  */
4809                 if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
4810                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4811                 else if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
4812                                                 bfqq->wr_cur_max_time)) {
4813                         if (bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time ||
4814                         time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
4815                                                bfq_wr_duration(bfqd))) {
4816                                 /*
4817                                  * Either in interactive weight
4818                                  * raising, or in soft_rt weight
4819                                  * raising with the
4820                                  * interactive-weight-raising period
4821                                  * elapsed (so no switch back to
4822                                  * interactive weight raising).
4823                                  */
4824                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4825                         } else { /*
4826                                   * soft_rt finishing while still in
4827                                   * interactive period, switch back to
4828                                   * interactive weight raising
4829                                   */
4830                                 switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
4831                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
4832                         }
4833                 }
4834                 if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
4835                     bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
4836                     bfqq->service_from_wr > max_service_from_wr) {
4837                         /* see comments on max_service_from_wr */
4838                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4839                 }
4840         }
4841         /*
4842          * To improve latency (for this or other queues), immediately
4843          * update weight both if it must be raised and if it must be
4844          * lowered. Since, entity may be on some active tree here, and
4845          * might have a pending change of its ioprio class, invoke
4846          * next function with the last parameter unset (see the
4847          * comments on the function).
4848          */
4849         if ((entity->weight > entity->orig_weight) != (bfqq->wr_coeff > 1))
4850                 __bfq_entity_update_weight_prio(bfq_entity_service_tree(entity),
4851                                                 entity, false);
4852 }
4853
4854 /*
4855  * Dispatch next request from bfqq.
4856  */
4857 static struct request *bfq_dispatch_rq_from_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
4858                                                  struct bfq_queue *bfqq)
4859 {
4860         struct request *rq = bfqq->next_rq;
4861         unsigned long service_to_charge;
4862
4863         service_to_charge = bfq_serv_to_charge(rq, bfqq);
4864
4865         bfq_bfqq_served(bfqq, service_to_charge);
4866
4867         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfqd->wait_dispatch) {
4868                 bfqd->wait_dispatch = false;
4869                 bfqd->waited_rq = rq;
4870         }
4871
4872         bfq_dispatch_remove(bfqd->queue, rq);
4873
4874         if (bfqq != bfqd->in_service_queue)
4875                 goto return_rq;
4876
4877         /*
4878          * If weight raising has to terminate for bfqq, then next
4879          * function causes an immediate update of bfqq's weight,
4880          * without waiting for next activation. As a consequence, on
4881          * expiration, bfqq will be timestamped as if has never been
4882          * weight-raised during this service slot, even if it has
4883          * received part or even most of the service as a
4884          * weight-raised queue. This inflates bfqq's timestamps, which
4885          * is beneficial, as bfqq is then more willing to leave the
4886          * device immediately to possible other weight-raised queues.
4887          */
4888         bfq_update_wr_data(bfqd, bfqq);
4889
4890         /*
4891          * Expire bfqq, pretending that its budget expired, if bfqq
4892          * belongs to CLASS_IDLE and other queues are waiting for
4893          * service.
4894          */
4895         if (!(bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 1 && bfq_class_idle(bfqq)))
4896                 goto return_rq;
4897
4898         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED);
4899
4900 return_rq:
4901         return rq;
4902 }
4903
4904 static bool bfq_has_work(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4905 {
4906         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4907
4908         /*
4909          * Avoiding lock: a race on bfqd->busy_queues should cause at
4910          * most a call to dispatch for nothing
4911          */
4912         return !list_empty_careful(&bfqd->dispatch) ||
4913                 bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 0;
4914 }
4915
4916 static struct request *__bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4917 {
4918         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4919         struct request *rq = NULL;
4920         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
4921
4922         if (!list_empty(&bfqd->dispatch)) {
4923                 rq = list_first_entry(&bfqd->dispatch, struct request,
4924                                       queuelist);
4925                 list_del_init(&rq->queuelist);
4926
4927                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
4928
4929                 if (bfqq) {
4930                         /*
4931                          * Increment counters here, because this
4932                          * dispatch does not follow the standard
4933                          * dispatch flow (where counters are
4934                          * incremented)
4935                          */
4936                         bfqq->dispatched++;
4937
4938                         goto inc_in_driver_start_rq;
4939                 }
4940
4941                 /*
4942                  * We exploit the bfq_finish_requeue_request hook to
4943                  * decrement rq_in_driver, but
4944                  * bfq_finish_requeue_request will not be invoked on
4945                  * this request. So, to avoid unbalance, just start
4946                  * this request, without incrementing rq_in_driver. As
4947                  * a negative consequence, rq_in_driver is deceptively
4948                  * lower than it should be while this request is in
4949                  * service. This may cause bfq_schedule_dispatch to be
4950                  * invoked uselessly.
4951                  *
4952                  * As for implementing an exact solution, the
4953                  * bfq_finish_requeue_request hook, if defined, is
4954                  * probably invoked also on this request. So, by
4955                  * exploiting this hook, we could 1) increment
4956                  * rq_in_driver here, and 2) decrement it in
4957                  * bfq_finish_requeue_request. Such a solution would
4958                  * let the value of the counter be always accurate,
4959                  * but it would entail using an extra interface
4960                  * function. This cost seems higher than the benefit,
4961                  * being the frequency of non-elevator-private
4962                  * requests very low.
4963                  */
4964                 goto start_rq;
4965         }
4966
4967         bfq_log(bfqd, "dispatch requests: %d busy queues",
4968                 bfq_tot_busy_queues(bfqd));
4969
4970         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)
4971                 goto exit;
4972
4973         /*
4974          * Force device to serve one request at a time if
4975          * strict_guarantees is true. Forcing this service scheme is
4976          * currently the ONLY way to guarantee that the request
4977          * service order enforced by the scheduler is respected by a
4978          * queueing device. Otherwise the device is free even to make
4979          * some unlucky request wait for as long as the device
4980          * wishes.
4981          *
4982          * Of course, serving one request at a time may cause loss of
4983          * throughput.
4984          */
4985         if (bfqd->strict_guarantees && bfqd->rq_in_driver > 0)
4986                 goto exit;
4987
4988         bfqq = bfq_select_queue(bfqd);
4989         if (!bfqq)
4990                 goto exit;
4991
4992         rq = bfq_dispatch_rq_from_bfqq(bfqd, bfqq);
4993
4994         if (rq) {
4995 inc_in_driver_start_rq:
4996                 bfqd->rq_in_driver++;
4997 start_rq:
4998                 rq->rq_flags |= RQF_STARTED;
4999         }
5000 exit:
5001         return rq;
5002 }
5003
5004 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
5005 static void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
5006                                       struct request *rq,
5007                                       struct bfq_queue *in_serv_queue,
5008                                       bool idle_timer_disabled)
5009 {
5010         struct bfq_queue *bfqq = rq ? RQ_BFQQ(rq) : NULL;
5011
5012         if (!idle_timer_disabled && !bfqq)
5013                 return;
5014
5015         /*
5016          * rq and bfqq are guaranteed to exist until this function
5017          * ends, for the following reasons. First, rq can be
5018          * dispatched to the device, and then can be completed and
5019          * freed, only after this function ends. Second, rq cannot be
5020          * merged (and thus freed because of a merge) any longer,
5021          * because it has already started. Thus rq cannot be freed
5022          * before this function ends, and, since rq has a reference to
5023          * bfqq, the same guarantee holds for bfqq too.
5024          *
5025          * In addition, the following queue lock guarantees that
5026          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
5027          */
5028         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
5029         if (idle_timer_disabled)
5030                 /*
5031                  * Since the idle timer has been disabled,
5032                  * in_serv_queue contained some request when
5033                  * __bfq_dispatch_request was invoked above, which
5034                  * implies that rq was picked exactly from
5035                  * in_serv_queue. Thus in_serv_queue == bfqq, and is
5036                  * therefore guaranteed to exist because of the above
5037                  * arguments.
5038                  */
5039                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(in_serv_queue));
5040         if (bfqq) {
5041                 struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
5042
5043                 bfqg_stats_update_avg_queue_size(bfqg);
5044                 bfqg_stats_set_start_empty_time(bfqg);
5045                 bfqg_stats_update_io_remove(bfqg, rq->cmd_flags);
5046         }
5047         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5048 }
5049 #else
5050 static inline void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
5051                                              struct request *rq,
5052                                              struct bfq_queue *in_serv_queue,
5053                                              bool idle_timer_disabled) {}
5054 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5055
5056 static struct request *bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
5057 {
5058         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
5059         struct request *rq;
5060         struct bfq_queue *in_serv_queue;
5061         bool waiting_rq, idle_timer_disabled;
5062
5063         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5064
5065         in_serv_queue = bfqd->in_service_queue;
5066         waiting_rq = in_serv_queue && bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5067
5068         rq = __bfq_dispatch_request(hctx);
5069
5070         idle_timer_disabled =
5071                 waiting_rq && !bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5072
5073         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5074
5075         bfq_update_dispatch_stats(hctx->queue, rq, in_serv_queue,
5076                                   idle_timer_disabled);
5077
5078         return rq;
5079 }
5080
5081 /*
5082  * Task holds one reference to the queue, dropped when task exits.  Each rq
5083  * in-flight on this queue also holds a reference, dropped when rq is freed.
5084  *
5085  * Scheduler lock must be held here. Recall not to use bfqq after calling
5086  * this function on it.
5087  */
5088 void bfq_put_queue(struct bfq_queue *bfqq)
5089 {
5090         struct bfq_queue *item;
5091         struct hlist_node *n;
5092         struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
5093
5094         if (bfqq->bfqd)
5095                 bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "put_queue: %p %d",
5096                              bfqq, bfqq->ref);
5097
5098         bfqq->ref--;
5099         if (bfqq->ref)
5100                 return;
5101
5102         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node)) {
5103                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
5104                 /*
5105                  * Decrement also burst size after the removal, if the
5106                  * process associated with bfqq is exiting, and thus
5107                  * does not contribute to the burst any longer. This
5108                  * decrement helps filter out false positives of large
5109                  * bursts, when some short-lived process (often due to
5110                  * the execution of commands by some service) happens
5111                  * to start and exit while a complex application is
5112                  * starting, and thus spawning several processes that
5113                  * do I/O (and that *must not* be treated as a large
5114                  * burst, see comments on bfq_handle_burst).
5115                  *
5116                  * In particular, the decrement is performed only if:
5117                  * 1) bfqq is not a merged queue, because, if it is,
5118                  * then this free of bfqq is not triggered by the exit
5119                  * of the process bfqq is associated with, but exactly
5120                  * by the fact that bfqq has just been merged.
5121                  * 2) burst_size is greater than 0, to handle
5122                  * unbalanced decrements. Unbalanced decrements may
5123                  * happen in te following case: bfqq is inserted into
5124                  * the current burst list--without incrementing
5125                  * bust_size--because of a split, but the current
5126                  * burst list is not the burst list bfqq belonged to
5127                  * (see comments on the case of a split in
5128                  * bfq_set_request).
5129                  */
5130                 if (bfqq->bic && bfqq->bfqd->burst_size > 0)
5131                         bfqq->bfqd->burst_size--;
5132         }
5133
5134         /*
5135          * bfqq does not exist any longer, so it cannot be woken by
5136          * any other queue, and cannot wake any other queue. Then bfqq
5137          * must be removed from the woken list of its possible waker
5138          * queue, and all queues in the woken list of bfqq must stop
5139          * having a waker queue. Strictly speaking, these updates
5140          * should be performed when bfqq remains with no I/O source
5141          * attached to it, which happens before bfqq gets freed. In
5142          * particular, this happens when the last process associated
5143          * with bfqq exits or gets associated with a different
5144          * queue. However, both events lead to bfqq being freed soon,
5145          * and dangling references would come out only after bfqq gets
5146          * freed. So these updates are done here, as a simple and safe
5147          * way to handle all cases.
5148          */
5149         /* remove bfqq from woken list */
5150         if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
5151                 hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
5152
5153         /* reset waker for all queues in woken list */
5154         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqq->woken_list,
5155                                   woken_list_node) {
5156                 item->waker_bfqq = NULL;
5157                 hlist_del_init(&item->woken_list_node);
5158         }
5159
5160         if (bfqq->bfqd && bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq)
5161                 bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq = NULL;
5162
5163         kmem_cache_free(bfq_pool, bfqq);
5164         bfqg_and_blkg_put(bfqg);
5165 }
5166
5167 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq)
5168 {
5169         bfqq->stable_ref--;
5170         bfq_put_queue(bfqq);
5171 }
5172
5173 static void bfq_put_cooperator(struct bfq_queue *bfqq)
5174 {
5175         struct bfq_queue *__bfqq, *next;
5176
5177         /*
5178          * If this queue was scheduled to merge with another queue, be
5179          * sure to drop the reference taken on that queue (and others in
5180          * the merge chain). See bfq_setup_merge and bfq_merge_bfqqs.
5181          */
5182         __bfqq = bfqq->new_bfqq;
5183         while (__bfqq) {
5184                 if (__bfqq == bfqq)
5185                         break;
5186                 next = __bfqq->new_bfqq;
5187                 bfq_put_queue(__bfqq);
5188                 __bfqq = next;
5189         }
5190 }
5191
5192 static void bfq_exit_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
5193 {
5194         if (bfqq == bfqd->in_service_queue) {
5195                 __bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5196                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
5197         }
5198
5199         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "exit_bfqq: %p, %d", bfqq, bfqq->ref);
5200
5201         bfq_put_cooperator(bfqq);
5202
5203         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5204 }
5205
5206 static void bfq_exit_icq_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
5207 {
5208         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
5209         struct bfq_data *bfqd;
5210
5211         if (bfqq)
5212                 bfqd = bfqq->bfqd; /* NULL if scheduler already exited */
5213
5214         if (bfqq && bfqd) {
5215                 unsigned long flags;
5216
5217                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5218                 bfqq->bic = NULL;
5219                 bfq_exit_bfqq(bfqd, bfqq);
5220                 bic_set_bfqq(bic, NULL, is_sync);
5221                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5222         }
5223 }
5224
5225 static void bfq_exit_icq(struct io_cq *icq)
5226 {
5227         struct bfq_io_cq *bic = icq_to_bic(icq);
5228
5229         if (bic->stable_merge_bfqq) {
5230                 struct bfq_data *bfqd = bic->stable_merge_bfqq->bfqd;
5231
5232                 /*
5233                  * bfqd is NULL if scheduler already exited, and in
5234                  * that case this is the last time bfqq is accessed.
5235                  */
5236                 if (bfqd) {
5237                         unsigned long flags;
5238
5239                         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5240                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5241                         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5242                 } else {
5243                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5244                 }
5245         }
5246
5247         bfq_exit_icq_bfqq(bic, true);
5248         bfq_exit_icq_bfqq(bic, false);
5249 }
5250
5251 /*
5252  * Update the entity prio values; note that the new values will not
5253  * be used until the next (re)activation.
5254  */
5255 static void
5256 bfq_set_next_ioprio_data(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_io_cq *bic)
5257 {
5258         struct task_struct *tsk = current;
5259         int ioprio_class;
5260         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
5261
5262         if (!bfqd)
5263                 return;
5264
5265         ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5266         switch (ioprio_class) {
5267         default:
5268                 pr_err("bdi %s: bfq: bad prio class %d\n",
5269                                 bdi_dev_name(bfqq->bfqd->queue->backing_dev_info),
5270                                 ioprio_class);
5271                 fallthrough;
5272         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5273                 /*
5274                  * No prio set, inherit CPU scheduling settings.
5275                  */
5276                 bfqq->new_ioprio = task_nice_ioprio(tsk);
5277                 bfqq->new_ioprio_class = task_nice_ioclass(tsk);
5278                 break;
5279         case IOPRIO_CLASS_RT:
5280                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5281                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_RT;
5282                 break;
5283         case IOPRIO_CLASS_BE:
5284                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5285                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
5286                 break;
5287         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5288                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_IDLE;
5289                 bfqq->new_ioprio = 7;
5290                 break;
5291         }
5292
5293         if (bfqq->new_ioprio >= IOPRIO_BE_NR) {
5294                 pr_crit("bfq_set_next_ioprio_data: new_ioprio %d\n",
5295                         bfqq->new_ioprio);
5296                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_BE_NR;
5297         }
5298
5299         bfqq->entity.new_weight = bfq_ioprio_to_weight(bfqq->new_ioprio);
5300         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "new_ioprio %d new_weight %d",
5301                      bfqq->new_ioprio, bfqq->entity.new_weight);
5302         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5303 }
5304
5305 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5306                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5307                                        struct bfq_io_cq *bic,
5308                                        bool respawn);
5309
5310 static void bfq_check_ioprio_change(struct bfq_io_cq *bic, struct bio *bio)
5311 {
5312         struct bfq_data *bfqd = bic_to_bfqd(bic);
5313         struct bfq_queue *bfqq;
5314         int ioprio = bic->icq.ioc->ioprio;
5315
5316         /*
5317          * This condition may trigger on a newly created bic, be sure to
5318          * drop the lock before returning.
5319          */
5320         if (unlikely(!bfqd) || likely(bic->ioprio == ioprio))
5321                 return;
5322
5323         bic->ioprio = ioprio;
5324
5325         bfqq = bic_to_bfqq(bic, false);
5326         if (bfqq) {
5327                 bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5328                 bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, BLK_RW_ASYNC, bic, true);
5329                 bic_set_bfqq(bic, bfqq, false);
5330         }
5331
5332         bfqq = bic_to_bfqq(bic, true);
5333         if (bfqq)
5334                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5335 }
5336
5337 static void bfq_init_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5338                           struct bfq_io_cq *bic, pid_t pid, int is_sync)
5339 {
5340         u64 now_ns = ktime_get_ns();
5341
5342         RB_CLEAR_NODE(&bfqq->entity.rb_node);
5343         INIT_LIST_HEAD(&bfqq->fifo);
5344         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->burst_list_node);
5345         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->woken_list_node);
5346         INIT_HLIST_HEAD(&bfqq->woken_list);
5347
5348         bfqq->ref = 0;
5349         bfqq->bfqd = bfqd;
5350
5351         if (bic)
5352                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5353
5354         if (is_sync) {
5355                 /*
5356                  * No need to mark as has_short_ttime if in
5357                  * idle_class, because no device idling is performed
5358                  * for queues in idle class
5359                  */
5360                 if (!bfq_class_idle(bfqq))
5361                         /* tentatively mark as has_short_ttime */
5362                         bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5363                 bfq_mark_bfqq_sync(bfqq);
5364                 bfq_mark_bfqq_just_created(bfqq);
5365         } else
5366                 bfq_clear_bfqq_sync(bfqq);
5367
5368         /* set end request to minus infinity from now */
5369         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns + 1;
5370
5371         bfqq->creation_time = jiffies;
5372
5373         bfqq->io_start_time = now_ns;
5374
5375         bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
5376
5377         bfqq->pid = pid;
5378
5379         /* Tentative initial value to trade off between thr and lat */
5380         bfqq->max_budget = (2 * bfq_max_budget(bfqd)) / 3;
5381         bfqq->budget_timeout = bfq_smallest_from_now();
5382
5383         bfqq->wr_coeff = 1;
5384         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
5385         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
5386         bfqq->split_time = bfq_smallest_from_now();
5387
5388         /*
5389          * To not forget the possibly high bandwidth consumed by a
5390          * process/queue in the recent past,
5391          * bfq_bfqq_softrt_next_start() returns a value at least equal
5392          * to the current value of bfqq->soft_rt_next_start (see
5393          * comments on bfq_bfqq_softrt_next_start).  Set
5394          * soft_rt_next_start to now, to mean that bfqq has consumed
5395          * no bandwidth so far.
5396          */
5397         bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
5398
5399         /* first request is almost certainly seeky */
5400         bfqq->seek_history = 1;
5401 }
5402
5403 static struct bfq_queue **bfq_async_queue_prio(struct bfq_data *bfqd,
5404                                                struct bfq_group *bfqg,
5405                                                int ioprio_class, int ioprio)
5406 {
5407         switch (ioprio_class) {
5408         case IOPRIO_CLASS_RT:
5409                 return &bfqg->async_bfqq[0][ioprio];
5410         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5411                 ioprio = IOPRIO_NORM;
5412                 fallthrough;
5413         case IOPRIO_CLASS_BE:
5414                 return &bfqg->async_bfqq[1][ioprio];
5415         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5416                 return &bfqg->async_idle_bfqq;
5417         default:
5418                 return NULL;
5419         }
5420 }
5421
5422 static struct bfq_queue *
5423 bfq_do_early_stable_merge(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5424                           struct bfq_io_cq *bic,
5425                           struct bfq_queue *last_bfqq_created)
5426 {
5427         struct bfq_queue *new_bfqq =
5428                 bfq_setup_merge(bfqq, last_bfqq_created);
5429
5430         if (!new_bfqq)
5431                 return bfqq;
5432
5433         if (new_bfqq->bic)
5434                 new_bfqq->bic->stably_merged = true;
5435         bic->stably_merged = true;
5436
5437         /*
5438          * Reusing merge functions. This implies that
5439          * bfqq->bic must be set too, for
5440          * bfq_merge_bfqqs to correctly save bfqq's
5441          * state before killing it.
5442          */
5443         bfqq->bic = bic;
5444         bfq_merge_bfqqs(bfqd, bic, bfqq, new_bfqq);
5445
5446         return new_bfqq;
5447 }
5448
5449 /*
5450  * Many throughput-sensitive workloads are made of several parallel
5451  * I/O flows, with all flows generated by the same application, or
5452  * more generically by the same task (e.g., system boot). The most
5453  * counterproductive action with these workloads is plugging I/O
5454  * dispatch when one of the bfq_queues associated with these flows
5455  * remains temporarily empty.
5456  *
5457  * To avoid this plugging, BFQ has been using a burst-handling
5458  * mechanism for years now. This mechanism has proven effective for
5459  * throughput, and not detrimental for service guarantees. The
5460  * following function pushes this mechanism a little bit further,
5461  * basing on the following two facts.
5462  *
5463  * First, all the I/O flows of a the same application or task
5464  * contribute to the execution/completion of that common application
5465  * or task. So the performance figures that matter are total
5466  * throughput of the flows and task-wide I/O latency.  In particular,
5467  * these flows do not need to be protected from each other, in terms
5468  * of individual bandwidth or latency.
5469  *
5470  * Second, the above fact holds regardless of the number of flows.
5471  *
5472  * Putting these two facts together, this commits merges stably the
5473  * bfq_queues associated with these I/O flows, i.e., with the
5474  * processes that generate these IO/ flows, regardless of how many the
5475  * involved processes are.
5476  *
5477  * To decide whether a set of bfq_queues is actually associated with
5478  * the I/O flows of a common application or task, and to merge these
5479  * queues stably, this function operates as follows: given a bfq_queue,
5480  * say Q2, currently being created, and the last bfq_queue, say Q1,
5481  * created before Q2, Q2 is merged stably with Q1 if
5482  * - very little time has elapsed since when Q1 was created
5483  * - Q2 has the same ioprio as Q1
5484  * - Q2 belongs to the same group as Q1
5485  *
5486  * Merging bfq_queues also reduces scheduling overhead. A fio test
5487  * with ten random readers on /dev/nullb shows a throughput boost of
5488  * 40%, with a quadcore. Since BFQ's execution time amounts to ~50% of
5489  * the total per-request processing time, the above throughput boost
5490  * implies that BFQ's overhead is reduced by more than 50%.
5491  *
5492  * This new mechanism most certainly obsoletes the current
5493  * burst-handling heuristics. We keep those heuristics for the moment.
5494  */
5495 static struct bfq_queue *bfq_do_or_sched_stable_merge(struct bfq_data *bfqd,
5496                                                       struct bfq_queue *bfqq,
5497                                                       struct bfq_io_cq *bic)
5498 {
5499         struct bfq_queue **source_bfqq = bfqq->entity.parent ?
5500                 &bfqq->entity.parent->last_bfqq_created :
5501                 &bfqd->last_bfqq_created;
5502
5503         struct bfq_queue *last_bfqq_created = *source_bfqq;
5504
5505         /*
5506          * If last_bfqq_created has not been set yet, then init it. If
5507          * it has been set already, but too long ago, then move it
5508          * forward to bfqq. Finally, move also if bfqq belongs to a
5509          * different group than last_bfqq_created, or if bfqq has a
5510          * different ioprio or ioprio_class. If none of these
5511          * conditions holds true, then try an early stable merge or
5512          * schedule a delayed stable merge.
5513          *
5514          * A delayed merge is scheduled (instead of performing an
5515          * early merge), in case bfqq might soon prove to be more
5516          * throughput-beneficial if not merged. Currently this is
5517          * possible only if bfqd is rotational with no queueing. For
5518          * such a drive, not merging bfqq is better for throughput if
5519          * bfqq happens to contain sequential I/O. So, we wait a
5520          * little bit for enough I/O to flow through bfqq. After that,
5521          * if such an I/O is sequential, then the merge is
5522          * canceled. Otherwise the merge is finally performed.
5523          */
5524         if (!last_bfqq_created ||
5525             time_before(last_bfqq_created->creation_time +
5526                         msecs_to_jiffies(bfq_activation_stable_merging),
5527                         bfqq->creation_time) ||
5528                 bfqq->entity.parent != last_bfqq_created->entity.parent ||
5529                 bfqq->ioprio != last_bfqq_created->ioprio ||
5530                 bfqq->ioprio_class != last_bfqq_created->ioprio_class)
5531                 *source_bfqq = bfqq;
5532         else if (time_after_eq(last_bfqq_created->creation_time +
5533                                  bfqd->bfq_burst_interval,
5534                                  bfqq->creation_time)) {
5535                 if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
5536                         /*
5537                          * With this type of drive, leaving
5538                          * bfqq alone may provide no
5539                          * throughput benefits compared with
5540                          * merging bfqq. So merge bfqq now.
5541                          */
5542                         bfqq = bfq_do_early_stable_merge(bfqd, bfqq,
5543                                                          bic,
5544                                                          last_bfqq_created);
5545                 else { /* schedule tentative stable merge */
5546                         /*
5547                          * get reference on last_bfqq_created,
5548                          * to prevent it from being freed,
5549                          * until we decide whether to merge
5550                          */
5551                         last_bfqq_created->ref++;
5552                         /*
5553                          * need to keep track of stable refs, to
5554                          * compute process refs correctly
5555                          */
5556                         last_bfqq_created->stable_ref++;
5557                         /*
5558                          * Record the bfqq to merge to.
5559                          */
5560                         bic->stable_merge_bfqq = last_bfqq_created;
5561                 }
5562         }
5563
5564         return bfqq;
5565 }
5566
5567
5568 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5569                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5570                                        struct bfq_io_cq *bic,
5571                                        bool respawn)
5572 {
5573         const int ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5574         const int ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5575         struct bfq_queue **async_bfqq = NULL;
5576         struct bfq_queue *bfqq;
5577         struct bfq_group *bfqg;
5578
5579         rcu_read_lock();
5580
5581         bfqg = bfq_find_set_group(bfqd, __bio_blkcg(bio));
5582         if (!bfqg) {
5583                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5584                 goto out;
5585         }
5586
5587         if (!is_sync) {
5588                 async_bfqq = bfq_async_queue_prio(bfqd, bfqg, ioprio_class,
5589                                                   ioprio);
5590                 bfqq = *async_bfqq;
5591                 if (bfqq)
5592                         goto out;
5593         }
5594
5595         bfqq = kmem_cache_alloc_node(bfq_pool,
5596                                      GFP_NOWAIT | __GFP_ZERO | __GFP_NOWARN,
5597                                      bfqd->queue->node);
5598
5599         if (bfqq) {
5600                 bfq_init_bfqq(bfqd, bfqq, bic, current->pid,
5601                               is_sync);
5602                 bfq_init_entity(&bfqq->entity, bfqg);
5603                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "allocated");
5604         } else {
5605                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5606                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "using oom bfqq");
5607                 goto out;
5608         }
5609
5610         /*
5611          * Pin the queue now that it's allocated, scheduler exit will
5612          * prune it.
5613          */
5614         if (async_bfqq) {
5615                 bfqq->ref++; /*
5616                               * Extra group reference, w.r.t. sync
5617                               * queue. This extra reference is removed
5618                               * only if bfqq->bfqg disappears, to
5619                               * guarantee that this queue is not freed
5620                               * until its group goes away.
5621                               */
5622                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_queue, bfqq not in async: %p, %d",
5623                              bfqq, bfqq->ref);
5624                 *async_bfqq = bfqq;
5625         }
5626
5627 out:
5628         bfqq->ref++; /* get a process reference to this queue */
5629
5630         if (bfqq != &bfqd->oom_bfqq && is_sync && !respawn)
5631                 bfqq = bfq_do_or_sched_stable_merge(bfqd, bfqq, bic);
5632
5633         rcu_read_unlock();
5634         return bfqq;
5635 }
5636
5637 static void bfq_update_io_thinktime(struct bfq_data *bfqd,
5638                                     struct bfq_queue *bfqq)
5639 {
5640         struct bfq_ttime *ttime = &bfqq->ttime;
5641         u64 elapsed;
5642
5643         /*
5644          * We are really interested in how long it takes for the queue to
5645          * become busy when there is no outstanding IO for this queue. So
5646          * ignore cases when the bfq queue has already IO queued.
5647          */
5648         if (bfqq->dispatched || bfq_bfqq_busy(bfqq))
5649                 return;
5650         elapsed = ktime_get_ns() - bfqq->ttime.last_end_request;
5651         elapsed = min_t(u64, elapsed, 2ULL * bfqd->bfq_slice_idle);
5652
5653         ttime->ttime_samples = (7*ttime->ttime_samples + 256) / 8;
5654         ttime->ttime_total = div_u64(7*ttime->ttime_total + 256*elapsed,  8);
5655         ttime->ttime_mean = div64_ul(ttime->ttime_total + 128,
5656                                      ttime->ttime_samples);
5657 }
5658
5659 static void
5660 bfq_update_io_seektime(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5661                        struct request *rq)
5662 {
5663         bfqq->seek_history <<= 1;
5664         bfqq->seek_history |= BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqq->last_request_pos, rq);
5665
5666         if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
5667             bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
5668             BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)) {
5669                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
5670                                            bfq_wr_duration(bfqd))) {
5671                         /*
5672                          * In soft_rt weight raising with the
5673                          * interactive-weight-raising period
5674                          * elapsed (so no switch back to
5675                          * interactive weight raising).
5676                          */
5677                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
5678                 } else { /*
5679                           * stopping soft_rt weight raising
5680                           * while still in interactive period,
5681                           * switch back to interactive weight
5682                           * raising
5683                           */
5684                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
5685                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5686                 }
5687         }
5688 }
5689
5690 static void bfq_update_has_short_ttime(struct bfq_data *bfqd,
5691                                        struct bfq_queue *bfqq,
5692                                        struct bfq_io_cq *bic)
5693 {
5694         bool has_short_ttime = true, state_changed;
5695
5696         /*
5697          * No need to update has_short_ttime if bfqq is async or in
5698          * idle io prio class, or if bfq_slice_idle is zero, because
5699          * no device idling is performed for bfqq in this case.
5700          */
5701         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfq_class_idle(bfqq) ||
5702             bfqd->bfq_slice_idle == 0)
5703                 return;
5704
5705         /* Idle window just restored, statistics are meaningless. */
5706         if (time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
5707                                      bfqd->bfq_wr_min_idle_time))
5708                 return;
5709
5710         /* Think time is infinite if no process is linked to
5711          * bfqq. Otherwise check average think time to decide whether
5712          * to mark as has_short_ttime. To this goal, compare average
5713          * think time with half the I/O-plugging timeout.
5714          */
5715         if (atomic_read(&bic->icq.ioc->active_ref) == 0 ||
5716             (bfq_sample_valid(bfqq->ttime.ttime_samples) &&
5717              bfqq->ttime.ttime_mean > bfqd->bfq_slice_idle>>1))
5718                 has_short_ttime = false;
5719
5720         state_changed = has_short_ttime != bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5721
5722         if (has_short_ttime)
5723                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5724         else
5725                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5726
5727         /*
5728          * Until the base value for the total service time gets
5729          * finally computed for bfqq, the inject limit does depend on
5730          * the think-time state (short|long). In particular, the limit
5731          * is 0 or 1 if the think time is deemed, respectively, as
5732          * short or long (details in the comments in
5733          * bfq_update_inject_limit()). Accordingly, the next
5734          * instructions reset the inject limit if the think-time state
5735          * has changed and the above base value is still to be
5736          * computed.
5737          *
5738          * However, the reset is performed only if more than 100 ms
5739          * have elapsed since the last update of the inject limit, or
5740          * (inclusive) if the change is from short to long think
5741          * time. The reason for this waiting is as follows.
5742          *
5743          * bfqq may have a long think time because of a
5744          * synchronization with some other queue, i.e., because the
5745          * I/O of some other queue may need to be completed for bfqq
5746          * to receive new I/O. Details in the comments on the choice
5747          * of the queue for injection in bfq_select_queue().
5748          *
5749          * As stressed in those comments, if such a synchronization is
5750          * actually in place, then, without injection on bfqq, the
5751          * blocking I/O cannot happen to served while bfqq is in
5752          * service. As a consequence, if bfqq is granted
5753          * I/O-dispatch-plugging, then bfqq remains empty, and no I/O
5754          * is dispatched, until the idle timeout fires. This is likely
5755          * to result in lower bandwidth and higher latencies for bfqq,
5756          * and in a severe loss of total throughput.
5757          *
5758          * On the opposite end, a non-zero inject limit may allow the
5759          * I/O that blocks bfqq to be executed soon, and therefore
5760          * bfqq to receive new I/O soon.
5761          *
5762          * But, if the blocking gets actually eliminated, then the
5763          * next think-time sample for bfqq may be very low. This in
5764          * turn may cause bfqq's think time to be deemed
5765          * short. Without the 100 ms barrier, this new state change
5766          * would cause the body of the next if to be executed
5767          * immediately. But this would set to 0 the inject
5768          * limit. Without injection, the blocking I/O would cause the
5769          * think time of bfqq to become long again, and therefore the
5770          * inject limit to be raised again, and so on. The only effect
5771          * of such a steady oscillation between the two think-time
5772          * states would be to prevent effective injection on bfqq.
5773          *
5774          * In contrast, if the inject limit is not reset during such a
5775          * long time interval as 100 ms, then the number of short
5776          * think time samples can grow significantly before the reset
5777          * is performed. As a consequence, the think time state can
5778          * become stable before the reset. Therefore there will be no
5779          * state change when the 100 ms elapse, and no reset of the
5780          * inject limit. The inject limit remains steadily equal to 1
5781          * both during and after the 100 ms. So injection can be
5782          * performed at all times, and throughput gets boosted.
5783          *
5784          * An inject limit equal to 1 is however in conflict, in
5785          * general, with the fact that the think time of bfqq is
5786          * short, because injection may be likely to delay bfqq's I/O
5787          * (as explained in the comments in
5788          * bfq_update_inject_limit()). But this does not happen in
5789          * this special case, because bfqq's low think time is due to
5790          * an effective handling of a synchronization, through
5791          * injection. In this special case, bfqq's I/O does not get
5792          * delayed by injection; on the contrary, bfqq's I/O is
5793          * brought forward, because it is not blocked for
5794          * milliseconds.
5795          *
5796          * In addition, serving the blocking I/O much sooner, and much
5797          * more frequently than once per I/O-plugging timeout, makes
5798          * it much quicker to detect a waker queue (the concept of
5799          * waker queue is defined in the comments in
5800          * bfq_add_request()). This makes it possible to start sooner
5801          * to boost throughput more effectively, by injecting the I/O
5802          * of the waker queue unconditionally on every
5803          * bfq_dispatch_request().
5804          *
5805          * One last, important benefit of not resetting the inject
5806          * limit before 100 ms is that, during this time interval, the
5807          * base value for the total service time is likely to get
5808          * finally computed for bfqq, freeing the inject limit from
5809          * its relation with the think time.
5810          */
5811         if (state_changed && bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
5812             (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
5813                                       msecs_to_jiffies(100)) ||
5814              !has_short_ttime))
5815                 bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
5816 }
5817
5818 /*
5819  * Called when a new fs request (rq) is added to bfqq.  Check if there's
5820  * something we should do about it.
5821  */
5822 static void bfq_rq_enqueued(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5823                             struct request *rq)
5824 {
5825         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
5826                 bfqq->meta_pending++;
5827
5828         bfqq->last_request_pos = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
5829
5830         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
5831                 bool small_req = bfqq->queued[rq_is_sync(rq)] == 1 &&
5832                                  blk_rq_sectors(rq) < 32;
5833                 bool budget_timeout = bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
5834
5835                 /*
5836                  * There is just this request queued: if
5837                  * - the request is small, and
5838                  * - we are idling to boost throughput, and
5839                  * - the queue is not to be expired,
5840                  * then just exit.
5841                  *
5842                  * In this way, if the device is being idled to wait
5843                  * for a new request from the in-service queue, we
5844                  * avoid unplugging the device and committing the
5845                  * device to serve just a small request. In contrast
5846                  * we wait for the block layer to decide when to
5847                  * unplug the device: hopefully, new requests will be
5848                  * merged to this one quickly, then the device will be
5849                  * unplugged and larger requests will be dispatched.
5850                  */
5851                 if (small_req && idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
5852                     !budget_timeout)
5853                         return;
5854
5855                 /*
5856                  * A large enough request arrived, or idling is being
5857                  * performed to preserve service guarantees, or
5858                  * finally the queue is to be expired: in all these
5859                  * cases disk idling is to be stopped, so clear
5860                  * wait_request flag and reset timer.
5861                  */
5862                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
5863                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
5864
5865                 /*
5866                  * The queue is not empty, because a new request just
5867                  * arrived. Hence we can safely expire the queue, in
5868                  * case of budget timeout, without risking that the
5869                  * timestamps of the queue are not updated correctly.
5870                  * See [1] for more details.
5871                  */
5872                 if (budget_timeout)
5873                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
5874                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5875         }
5876 }
5877
5878 /* returns true if it causes the idle timer to be disabled */
5879 static bool __bfq_insert_request(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
5880 {
5881         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq),
5882                 *new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, rq, true,
5883                                                  RQ_BIC(rq));
5884         bool waiting, idle_timer_disabled = false;
5885
5886         if (new_bfqq) {
5887                 /*
5888                  * Release the request's reference to the old bfqq
5889                  * and make sure one is taken to the shared queue.
5890                  */
5891                 new_bfqq->allocated++;
5892                 bfqq->allocated--;
5893                 new_bfqq->ref++;
5894                 /*
5895                  * If the bic associated with the process
5896                  * issuing this request still points to bfqq
5897                  * (and thus has not been already redirected
5898                  * to new_bfqq or even some other bfq_queue),
5899                  * then complete the merge and redirect it to
5900                  * new_bfqq.
5901                  */
5902                 if (bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1) == bfqq)
5903                         bfq_merge_bfqqs(bfqd, RQ_BIC(rq),
5904                                         bfqq, new_bfqq);
5905
5906                 bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
5907                 /*
5908                  * rq is about to be enqueued into new_bfqq,
5909                  * release rq reference on bfqq
5910                  */
5911                 bfq_put_queue(bfqq);
5912                 rq->elv.priv[1] = new_bfqq;
5913                 bfqq = new_bfqq;
5914         }
5915
5916         bfq_update_io_thinktime(bfqd, bfqq);
5917         bfq_update_has_short_ttime(bfqd, bfqq, RQ_BIC(rq));
5918         bfq_update_io_seektime(bfqd, bfqq, rq);
5919
5920         waiting = bfqq && bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5921         bfq_add_request(rq);
5922         idle_timer_disabled = waiting && !bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5923
5924         rq->fifo_time = ktime_get_ns() + bfqd->bfq_fifo_expire[rq_is_sync(rq)];
5925         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqq->fifo);
5926
5927         bfq_rq_enqueued(bfqd, bfqq, rq);
5928
5929         return idle_timer_disabled;
5930 }
5931
5932 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
5933 static void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5934                                     struct bfq_queue *bfqq,
5935                                     bool idle_timer_disabled,
5936                                     unsigned int cmd_flags)
5937 {
5938         if (!bfqq)
5939                 return;
5940
5941         /*
5942          * bfqq still exists, because it can disappear only after
5943          * either it is merged with another queue, or the process it
5944          * is associated with exits. But both actions must be taken by
5945          * the same process currently executing this flow of
5946          * instructions.
5947          *
5948          * In addition, the following queue lock guarantees that
5949          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
5950          */
5951         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
5952         bfqg_stats_update_io_add(bfqq_group(bfqq), bfqq, cmd_flags);
5953         if (idle_timer_disabled)
5954                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(bfqq));
5955         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5956 }
5957 #else
5958 static inline void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5959                                            struct bfq_queue *bfqq,
5960                                            bool idle_timer_disabled,
5961                                            unsigned int cmd_flags) {}
5962 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5963
5964 static void bfq_insert_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct request *rq,
5965                                bool at_head)
5966 {
5967         struct request_queue *q = hctx->queue;
5968         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
5969         struct bfq_queue *bfqq;
5970         bool idle_timer_disabled = false;
5971         unsigned int cmd_flags;
5972         LIST_HEAD(free);
5973
5974 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5975         if (!cgroup_subsys_on_dfl(io_cgrp_subsys) && rq->bio)
5976                 bfqg_stats_update_legacy_io(q, rq);
5977 #endif
5978         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5979         if (blk_mq_sched_try_insert_merge(q, rq, &free)) {
5980                 spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5981                 blk_mq_free_requests(&free);
5982                 return;
5983         }
5984
5985         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5986
5987         trace_block_rq_insert(rq);
5988
5989         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5990         bfqq = bfq_init_rq(rq);
5991
5992         /*
5993          * Reqs with at_head or passthrough flags set are to be put
5994          * directly into dispatch list. Additional case for putting rq
5995          * directly into the dispatch queue: the only active
5996          * bfq_queues are bfqq and either its waker bfq_queue or one
5997          * of its woken bfq_queues. The rationale behind this
5998          * additional condition is as follows:
5999          * - consider a bfq_queue, say Q1, detected as a waker of
6000          *   another bfq_queue, say Q2
6001          * - by definition of a waker, Q1 blocks the I/O of Q2, i.e.,
6002          *   some I/O of Q1 needs to be completed for new I/O of Q2
6003          *   to arrive.  A notable example of waker is journald
6004          * - so, Q1 and Q2 are in any respect the queues of two
6005          *   cooperating processes (or of two cooperating sets of
6006          *   processes): the goal of Q1's I/O is doing what needs to
6007          *   be done so that new Q2's I/O can finally be
6008          *   issued. Therefore, if the service of Q1's I/O is delayed,
6009          *   then Q2's I/O is delayed too.  Conversely, if Q2's I/O is
6010          *   delayed, the goal of Q1's I/O is hindered.
6011          * - as a consequence, if some I/O of Q1/Q2 arrives while
6012          *   Q2/Q1 is the only queue in service, there is absolutely
6013          *   no point in delaying the service of such an I/O. The
6014          *   only possible result is a throughput loss
6015          * - so, when the above condition holds, the best option is to
6016          *   have the new I/O dispatched as soon as possible
6017          * - the most effective and efficient way to attain the above
6018          *   goal is to put the new I/O directly in the dispatch
6019          *   list
6020          * - as an additional restriction, Q1 and Q2 must be the only
6021          *   busy queues for this commit to put the I/O of Q2/Q1 in
6022          *   the dispatch list.  This is necessary, because, if also
6023          *   other queues are waiting for service, then putting new
6024          *   I/O directly in the dispatch list may evidently cause a
6025          *   violation of service guarantees for the other queues
6026          */
6027         if (!bfqq ||
6028             (bfqq != bfqd->in_service_queue &&
6029              bfqd->in_service_queue != NULL &&
6030              bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1 + bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
6031              (bfqq->waker_bfqq == bfqd->in_service_queue ||
6032               bfqd->in_service_queue->waker_bfqq == bfqq)) || at_head) {
6033                 if (at_head)
6034                         list_add(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
6035                 else
6036                         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
6037         } else {
6038                 idle_timer_disabled = __bfq_insert_request(bfqd, rq);
6039                 /*
6040                  * Update bfqq, because, if a queue merge has occurred
6041                  * in __bfq_insert_request, then rq has been
6042                  * redirected into a new queue.
6043                  */
6044                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
6045
6046                 if (rq_mergeable(rq)) {
6047                         elv_rqhash_add(q, rq);
6048                         if (!q->last_merge)
6049                                 q->last_merge = rq;
6050                 }
6051         }
6052
6053         /*
6054          * Cache cmd_flags before releasing scheduler lock, because rq
6055          * may disappear afterwards (for example, because of a request
6056          * merge).
6057          */
6058         cmd_flags = rq->cmd_flags;
6059
6060         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6061
6062         bfq_update_insert_stats(q, bfqq, idle_timer_disabled,
6063                                 cmd_flags);
6064 }
6065
6066 static void bfq_insert_requests(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
6067                                 struct list_head *list, bool at_head)
6068 {
6069         while (!list_empty(list)) {
6070                 struct request *rq;
6071
6072                 rq = list_first_entry(list, struct request, queuelist);
6073                 list_del_init(&rq->queuelist);
6074                 bfq_insert_request(hctx, rq, at_head);
6075         }
6076 }
6077
6078 static void bfq_update_hw_tag(struct bfq_data *bfqd)
6079 {
6080         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6081
6082         bfqd->max_rq_in_driver = max_t(int, bfqd->max_rq_in_driver,
6083                                        bfqd->rq_in_driver);
6084
6085         if (bfqd->hw_tag == 1)
6086                 return;
6087
6088         /*
6089          * This sample is valid if the number of outstanding requests
6090          * is large enough to allow a queueing behavior.  Note that the
6091          * sum is not exact, as it's not taking into account deactivated
6092          * requests.
6093          */
6094         if (bfqd->rq_in_driver + bfqd->queued <= BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6095                 return;
6096
6097         /*
6098          * If active queue hasn't enough requests and can idle, bfq might not
6099          * dispatch sufficient requests to hardware. Don't zero hw_tag in this
6100          * case
6101          */
6102         if (bfqq && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) &&
6103             bfqq->dispatched + bfqq->queued[0] + bfqq->queued[1] <
6104             BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD &&
6105             bfqd->rq_in_driver < BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6106                 return;
6107
6108         if (bfqd->hw_tag_samples++ < BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES)
6109                 return;
6110
6111         bfqd->hw_tag = bfqd->max_rq_in_driver > BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD;
6112         bfqd->max_rq_in_driver = 0;
6113         bfqd->hw_tag_samples = 0;
6114
6115         bfqd->nonrot_with_queueing =
6116                 blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && bfqd->hw_tag;
6117 }
6118
6119 static void bfq_completed_request(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd)
6120 {
6121         u64 now_ns;
6122         u32 delta_us;
6123
6124         bfq_update_hw_tag(bfqd);
6125
6126         bfqd->rq_in_driver--;
6127         bfqq->dispatched--;
6128
6129         if (!bfqq->dispatched && !bfq_bfqq_busy(bfqq)) {
6130                 /*
6131                  * Set budget_timeout (which we overload to store the
6132                  * time at which the queue remains with no backlog and
6133                  * no outstanding request; used by the weight-raising
6134                  * mechanism).
6135                  */
6136                 bfqq->budget_timeout = jiffies;
6137
6138                 bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq);
6139         }
6140
6141         now_ns = ktime_get_ns();
6142
6143         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns;
6144
6145         /*
6146          * Using us instead of ns, to get a reasonable precision in
6147          * computing rate in next check.
6148          */
6149         delta_us = div_u64(now_ns - bfqd->last_completion, NSEC_PER_USEC);
6150
6151         /*
6152          * If the request took rather long to complete, and, according
6153          * to the maximum request size recorded, this completion latency
6154          * implies that the request was certainly served at a very low
6155          * rate (less than 1M sectors/sec), then the whole observation
6156          * interval that lasts up to this time instant cannot be a
6157          * valid time interval for computing a new peak rate.  Invoke
6158          * bfq_update_rate_reset to have the following three steps
6159          * taken:
6160          * - close the observation interval at the last (previous)
6161          *   request dispatch or completion
6162          * - compute rate, if possible, for that observation interval
6163          * - reset to zero samples, which will trigger a proper
6164          *   re-initialization of the observation interval on next
6165          *   dispatch
6166          */
6167         if (delta_us > BFQ_MIN_TT/NSEC_PER_USEC &&
6168            (bfqd->last_rq_max_size<<BFQ_RATE_SHIFT)/delta_us <
6169                         1UL<<(BFQ_RATE_SHIFT - 10))
6170                 bfq_update_rate_reset(bfqd, NULL);
6171         bfqd->last_completion = now_ns;
6172         /*
6173          * Shared queues are likely to receive I/O at a high
6174          * rate. This may deceptively let them be considered as wakers
6175          * of other queues. But a false waker will unjustly steal
6176          * bandwidth to its supposedly woken queue. So considering
6177          * also shared queues in the waking mechanism may cause more
6178          * control troubles than throughput benefits. Then reset
6179          * last_completed_rq_bfqq if bfqq is a shared queue.
6180          */
6181         if (!bfq_bfqq_coop(bfqq))
6182                 bfqd->last_completed_rq_bfqq = bfqq;
6183         else
6184                 bfqd->last_completed_rq_bfqq = NULL;
6185
6186         /*
6187          * If we are waiting to discover whether the request pattern
6188          * of the task associated with the queue is actually
6189          * isochronous, and both requisites for this condition to hold
6190          * are now satisfied, then compute soft_rt_next_start (see the
6191          * comments on the function bfq_bfqq_softrt_next_start()). We
6192          * do not compute soft_rt_next_start if bfqq is in interactive
6193          * weight raising (see the comments in bfq_bfqq_expire() for
6194          * an explanation). We schedule this delayed update when bfqq
6195          * expires, if it still has in-flight requests.
6196          */
6197         if (bfq_bfqq_softrt_update(bfqq) && bfqq->dispatched == 0 &&
6198             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6199             bfqq->wr_coeff != bfqd->bfq_wr_coeff)
6200                 bfqq->soft_rt_next_start =
6201                         bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
6202
6203         /*
6204          * If this is the in-service queue, check if it needs to be expired,
6205          * or if we want to idle in case it has no pending requests.
6206          */
6207         if (bfqd->in_service_queue == bfqq) {
6208                 if (bfq_bfqq_must_idle(bfqq)) {
6209                         if (bfqq->dispatched == 0)
6210                                 bfq_arm_slice_timer(bfqd);
6211                         /*
6212                          * If we get here, we do not expire bfqq, even
6213                          * if bfqq was in budget timeout or had no
6214                          * more requests (as controlled in the next
6215                          * conditional instructions). The reason for
6216                          * not expiring bfqq is as follows.
6217                          *
6218                          * Here bfqq->dispatched > 0 holds, but
6219                          * bfq_bfqq_must_idle() returned true. This
6220                          * implies that, even if no request arrives
6221                          * for bfqq before bfqq->dispatched reaches 0,
6222                          * bfqq will, however, not be expired on the
6223                          * completion event that causes bfqq->dispatch
6224                          * to reach zero. In contrast, on this event,
6225                          * bfqq will start enjoying device idling
6226                          * (I/O-dispatch plugging).
6227                          *
6228                          * But, if we expired bfqq here, bfqq would
6229                          * not have the chance to enjoy device idling
6230                          * when bfqq->dispatched finally reaches
6231                          * zero. This would expose bfqq to violation
6232                          * of its reserved service guarantees.
6233                          */
6234                         return;
6235                 } else if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq))
6236                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6237                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
6238                 else if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6239                          (bfqq->dispatched == 0 ||
6240                           !bfq_better_to_idle(bfqq)))
6241                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6242                                         BFQQE_NO_MORE_REQUESTS);
6243         }
6244
6245         if (!bfqd->rq_in_driver)
6246                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6247 }
6248
6249 static void bfq_finish_requeue_request_body(struct bfq_queue *bfqq)
6250 {
6251         bfqq->allocated--;
6252
6253         bfq_put_queue(bfqq);
6254 }
6255
6256 /*
6257  * The processes associated with bfqq may happen to generate their
6258  * cumulative I/O at a lower rate than the rate at which the device
6259  * could serve the same I/O. This is rather probable, e.g., if only
6260  * one process is associated with bfqq and the device is an SSD. It
6261  * results in bfqq becoming often empty while in service. In this
6262  * respect, if BFQ is allowed to switch to another queue when bfqq
6263  * remains empty, then the device goes on being fed with I/O requests,
6264  * and the throughput is not affected. In contrast, if BFQ is not
6265  * allowed to switch to another queue---because bfqq is sync and
6266  * I/O-dispatch needs to be plugged while bfqq is temporarily
6267  * empty---then, during the service of bfqq, there will be frequent
6268  * "service holes", i.e., time intervals during which bfqq gets empty
6269  * and the device can only consume the I/O already queued in its
6270  * hardware queues. During service holes, the device may even get to
6271  * remaining idle. In the end, during the service of bfqq, the device
6272  * is driven at a lower speed than the one it can reach with the kind
6273  * of I/O flowing through bfqq.
6274  *
6275  * To counter this loss of throughput, BFQ implements a "request
6276  * injection mechanism", which tries to fill the above service holes
6277  * with I/O requests taken from other queues. The hard part in this
6278  * mechanism is finding the right amount of I/O to inject, so as to
6279  * both boost throughput and not break bfqq's bandwidth and latency
6280  * guarantees. In this respect, the mechanism maintains a per-queue
6281  * inject limit, computed as below. While bfqq is empty, the injection
6282  * mechanism dispatches extra I/O requests only until the total number
6283  * of I/O requests in flight---i.e., already dispatched but not yet
6284  * completed---remains lower than this limit.
6285  *
6286  * A first definition comes in handy to introduce the algorithm by
6287  * which the inject limit is computed.  We define as first request for
6288  * bfqq, an I/O request for bfqq that arrives while bfqq is in
6289  * service, and causes bfqq to switch from empty to non-empty. The
6290  * algorithm updates the limit as a function of the effect of
6291  * injection on the service times of only the first requests of
6292  * bfqq. The reason for this restriction is that these are the
6293  * requests whose service time is affected most, because they are the
6294  * first to arrive after injection possibly occurred.
6295  *
6296  * To evaluate the effect of injection, the algorithm measures the
6297  * "total service time" of first requests. We define as total service
6298  * time of an I/O request, the time that elapses since when the
6299  * request is enqueued into bfqq, to when it is completed. This
6300  * quantity allows the whole effect of injection to be measured. It is
6301  * easy to see why. Suppose that some requests of other queues are
6302  * actually injected while bfqq is empty, and that a new request R
6303  * then arrives for bfqq. If the device does start to serve all or
6304  * part of the injected requests during the service hole, then,
6305  * because of this extra service, it may delay the next invocation of
6306  * the dispatch hook of BFQ. Then, even after R gets eventually
6307  * dispatched, the device may delay the actual service of R if it is
6308  * still busy serving the extra requests, or if it decides to serve,
6309  * before R, some extra request still present in its queues. As a
6310  * conclusion, the cumulative extra delay caused by injection can be
6311  * easily evaluated by just comparing the total service time of first
6312  * requests with and without injection.
6313  *
6314  * The limit-update algorithm works as follows. On the arrival of a
6315  * first request of bfqq, the algorithm measures the total time of the
6316  * request only if one of the three cases below holds, and, for each
6317  * case, it updates the limit as described below:
6318  *
6319  * (1) If there is no in-flight request. This gives a baseline for the
6320  *     total service time of the requests of bfqq. If the baseline has
6321  *     not been computed yet, then, after computing it, the limit is
6322  *     set to 1, to start boosting throughput, and to prepare the
6323  *     ground for the next case. If the baseline has already been
6324  *     computed, then it is updated, in case it results to be lower
6325  *     than the previous value.
6326  *
6327  * (2) If the limit is higher than 0 and there are in-flight
6328  *     requests. By comparing the total service time in this case with
6329  *     the above baseline, it is possible to know at which extent the
6330  *     current value of the limit is inflating the total service
6331  *     time. If the inflation is below a certain threshold, then bfqq
6332  *     is assumed to be suffering from no perceivable loss of its
6333  *     service guarantees, and the limit is even tentatively
6334  *     increased. If the inflation is above the threshold, then the
6335  *     limit is decreased. Due to the lack of any hysteresis, this
6336  *     logic makes the limit oscillate even in steady workload
6337  *     conditions. Yet we opted for it, because it is fast in reaching
6338  *     the best value for the limit, as a function of the current I/O
6339  *     workload. To reduce oscillations, this step is disabled for a
6340  *     short time interval after the limit happens to be decreased.
6341  *
6342  * (3) Periodically, after resetting the limit, to make sure that the
6343  *     limit eventually drops in case the workload changes. This is
6344  *     needed because, after the limit has gone safely up for a
6345  *     certain workload, it is impossible to guess whether the
6346  *     baseline total service time may have changed, without measuring
6347  *     it again without injection. A more effective version of this
6348  *     step might be to just sample the baseline, by interrupting
6349  *     injection only once, and then to reset/lower the limit only if
6350  *     the total service time with the current limit does happen to be
6351  *     too large.
6352  *
6353  * More details on each step are provided in the comments on the
6354  * pieces of code that implement these steps: the branch handling the
6355  * transition from empty to non empty in bfq_add_request(), the branch
6356  * handling injection in bfq_select_queue(), and the function
6357  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). These comments also explain some
6358  * exceptions, made by the injection mechanism in some special cases.
6359  */
6360 static void bfq_update_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
6361                                     struct bfq_queue *bfqq)
6362 {
6363         u64 tot_time_ns = ktime_get_ns() - bfqd->last_empty_occupied_ns;
6364         unsigned int old_limit = bfqq->inject_limit;
6365
6366         if (bfqq->last_serv_time_ns > 0 && bfqd->rqs_injected) {
6367                 u64 threshold = (bfqq->last_serv_time_ns * 3)>>1;
6368
6369                 if (tot_time_ns >= threshold && old_limit > 0) {
6370                         bfqq->inject_limit--;
6371                         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
6372                 } else if (tot_time_ns < threshold &&
6373                            old_limit <= bfqd->max_rq_in_driver)
6374                         bfqq->inject_limit++;
6375         }
6376
6377         /*
6378          * Either we still have to compute the base value for the
6379          * total service time, and there seem to be the right
6380          * conditions to do it, or we can lower the last base value
6381          * computed.
6382          *
6383          * NOTE: (bfqd->rq_in_driver == 1) means that there is no I/O
6384          * request in flight, because this function is in the code
6385          * path that handles the completion of a request of bfqq, and,
6386          * in particular, this function is executed before
6387          * bfqd->rq_in_driver is decremented in such a code path.
6388          */
6389         if ((bfqq->last_serv_time_ns == 0 && bfqd->rq_in_driver == 1) ||
6390             tot_time_ns < bfqq->last_serv_time_ns) {
6391                 if (bfqq->last_serv_time_ns == 0) {
6392                         /*
6393                          * Now we certainly have a base value: make sure we
6394                          * start trying injection.
6395                          */
6396                         bfqq->inject_limit = max_t(unsigned int, 1, old_limit);
6397                 }
6398                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6399         } else if (!bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver == 1)
6400                 /*
6401                  * No I/O injected and no request still in service in
6402                  * the drive: these are the exact conditions for
6403                  * computing the base value of the total service time
6404                  * for bfqq. So let's update this value, because it is
6405                  * rather variable. For example, it varies if the size
6406                  * or the spatial locality of the I/O requests in bfqq
6407                  * change.
6408                  */
6409                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6410
6411
6412         /* update complete, not waiting for any request completion any longer */
6413         bfqd->waited_rq = NULL;
6414         bfqd->rqs_injected = false;
6415 }
6416
6417 /*
6418  * Handle either a requeue or a finish for rq. The things to do are
6419  * the same in both cases: all references to rq are to be dropped. In
6420  * particular, rq is considered completed from the point of view of
6421  * the scheduler.
6422  */
6423 static void bfq_finish_requeue_request(struct request *rq)
6424 {
6425         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
6426         struct bfq_data *bfqd;
6427         unsigned long flags;
6428
6429         /*
6430          * rq either is not associated with any icq, or is an already
6431          * requeued request that has not (yet) been re-inserted into
6432          * a bfq_queue.
6433          */
6434         if (!rq->elv.icq || !bfqq)
6435                 return;
6436
6437         bfqd = bfqq->bfqd;
6438
6439         if (rq->rq_flags & RQF_STARTED)
6440                 bfqg_stats_update_completion(bfqq_group(bfqq),
6441                                              rq->start_time_ns,
6442                                              rq->io_start_time_ns,
6443                                              rq->cmd_flags);
6444
6445         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6446         if (likely(rq->rq_flags & RQF_STARTED)) {
6447                 if (rq == bfqd->waited_rq)
6448                         bfq_update_inject_limit(bfqd, bfqq);
6449
6450                 bfq_completed_request(bfqq, bfqd);
6451         }
6452         bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6453         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6454
6455         /*
6456          * Reset private fields. In case of a requeue, this allows
6457          * this function to correctly do nothing if it is spuriously
6458          * invoked again on this same request (see the check at the
6459          * beginning of the function). Probably, a better general
6460          * design would be to prevent blk-mq from invoking the requeue
6461          * or finish hooks of an elevator, for a request that is not
6462          * referred by that elevator.
6463          *
6464          * Resetting the following fields would break the
6465          * request-insertion logic if rq is re-inserted into a bfq
6466          * internal queue, without a re-preparation. Here we assume
6467          * that re-insertions of requeued requests, without
6468          * re-preparation, can happen only for pass_through or at_head
6469          * requests (which are not re-inserted into bfq internal
6470          * queues).
6471          */
6472         rq->elv.priv[0] = NULL;
6473         rq->elv.priv[1] = NULL;
6474 }
6475
6476 /*
6477  * Removes the association between the current task and bfqq, assuming
6478  * that bic points to the bfq iocontext of the task.
6479  * Returns NULL if a new bfqq should be allocated, or the old bfqq if this
6480  * was the last process referring to that bfqq.
6481  */
6482 static struct bfq_queue *
6483 bfq_split_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq)
6484 {
6485         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "splitting queue");
6486
6487         if (bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6488                 bfqq->pid = current->pid;
6489                 bfq_clear_bfqq_coop(bfqq);
6490                 bfq_clear_bfqq_split_coop(bfqq);
6491                 return bfqq;
6492         }
6493
6494         bic_set_bfqq(bic, NULL, 1);
6495
6496         bfq_put_cooperator(bfqq);
6497
6498         bfq_release_process_ref(bfqq->bfqd, bfqq);
6499         return NULL;
6500 }
6501
6502 static struct bfq_queue *bfq_get_bfqq_handle_split(struct bfq_data *bfqd,
6503                                                    struct bfq_io_cq *bic,
6504                                                    struct bio *bio,
6505                                                    bool split, bool is_sync,
6506                                                    bool *new_queue)
6507 {
6508         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
6509
6510         if (likely(bfqq && bfqq != &bfqd->oom_bfqq))
6511                 return bfqq;
6512
6513         if (new_queue)
6514                 *new_queue = true;
6515
6516         if (bfqq)
6517                 bfq_put_queue(bfqq);
6518         bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, is_sync, bic, split);
6519
6520         bic_set_bfqq(bic, bfqq, is_sync);
6521         if (split && is_sync) {
6522                 if ((bic->was_in_burst_list && bfqd->large_burst) ||
6523                     bic->saved_in_large_burst)
6524                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6525                 else {
6526                         bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6527                         if (bic->was_in_burst_list)
6528                                 /*
6529                                  * If bfqq was in the current
6530                                  * burst list before being
6531                                  * merged, then we have to add
6532                                  * it back. And we do not need
6533                                  * to increase burst_size, as
6534                                  * we did not decrement
6535                                  * burst_size when we removed
6536                                  * bfqq from the burst list as
6537                                  * a consequence of a merge
6538                                  * (see comments in
6539                                  * bfq_put_queue). In this
6540                                  * respect, it would be rather
6541                                  * costly to know whether the
6542                                  * current burst list is still
6543                                  * the same burst list from
6544                                  * which bfqq was removed on
6545                                  * the merge. To avoid this
6546                                  * cost, if bfqq was in a
6547                                  * burst list, then we add
6548                                  * bfqq to the current burst
6549                                  * list without any further
6550                                  * check. This can cause
6551                                  * inappropriate insertions,
6552                                  * but rarely enough to not
6553                                  * harm the detection of large
6554                                  * bursts significantly.
6555                                  */
6556                                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node,
6557                                                &bfqd->burst_list);
6558                 }
6559                 bfqq->split_time = jiffies;
6560         }
6561
6562         return bfqq;
6563 }
6564
6565 /*
6566  * Only reset private fields. The actual request preparation will be
6567  * performed by bfq_init_rq, when rq is either inserted or merged. See
6568  * comments on bfq_init_rq for the reason behind this delayed
6569  * preparation.
6570  */
6571 static void bfq_prepare_request(struct request *rq)
6572 {
6573         /*
6574          * Regardless of whether we have an icq attached, we have to
6575          * clear the scheduler pointers, as they might point to
6576          * previously allocated bic/bfqq structs.
6577          */
6578         rq->elv.priv[0] = rq->elv.priv[1] = NULL;
6579 }
6580
6581 /*
6582  * If needed, init rq, allocate bfq data structures associated with
6583  * rq, and increment reference counters in the destination bfq_queue
6584  * for rq. Return the destination bfq_queue for rq, or NULL is rq is
6585  * not associated with any bfq_queue.
6586  *
6587  * This function is invoked by the functions that perform rq insertion
6588  * or merging. One may have expected the above preparation operations
6589  * to be performed in bfq_prepare_request, and not delayed to when rq
6590  * is inserted or merged. The rationale behind this delayed
6591  * preparation is that, after the prepare_request hook is invoked for
6592  * rq, rq may still be transformed into a request with no icq, i.e., a
6593  * request not associated with any queue. No bfq hook is invoked to
6594  * signal this transformation. As a consequence, should these
6595  * preparation operations be performed when the prepare_request hook
6596  * is invoked, and should rq be transformed one moment later, bfq
6597  * would end up in an inconsistent state, because it would have
6598  * incremented some queue counters for an rq destined to
6599  * transformation, without any chance to correctly lower these
6600  * counters back. In contrast, no transformation can still happen for
6601  * rq after rq has been inserted or merged. So, it is safe to execute
6602  * these preparation operations when rq is finally inserted or merged.
6603  */
6604 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq)
6605 {
6606         struct request_queue *q = rq->q;
6607         struct bio *bio = rq->bio;
6608         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
6609         struct bfq_io_cq *bic;
6610         const int is_sync = rq_is_sync(rq);
6611         struct bfq_queue *bfqq;
6612         bool new_queue = false;
6613         bool bfqq_already_existing = false, split = false;
6614
6615         if (unlikely(!rq->elv.icq))
6616                 return NULL;
6617
6618         /*
6619          * Assuming that elv.priv[1] is set only if everything is set
6620          * for this rq. This holds true, because this function is
6621          * invoked only for insertion or merging, and, after such
6622          * events, a request cannot be manipulated any longer before
6623          * being removed from bfq.
6624          */
6625         if (rq->elv.priv[1])
6626                 return rq->elv.priv[1];
6627
6628         bic = icq_to_bic(rq->elv.icq);
6629
6630         bfq_check_ioprio_change(bic, bio);
6631
6632         bfq_bic_update_cgroup(bic, bio);
6633
6634         bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio, false, is_sync,
6635                                          &new_queue);
6636
6637         if (likely(!new_queue)) {
6638                 /* If the queue was seeky for too long, break it apart. */
6639                 if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && bfq_bfqq_split_coop(bfqq) &&
6640                         !bic->stably_merged) {
6641                         struct bfq_queue *old_bfqq = bfqq;
6642
6643                         /* Update bic before losing reference to bfqq */
6644                         if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
6645                                 bic->saved_in_large_burst = true;
6646
6647                         bfqq = bfq_split_bfqq(bic, bfqq);
6648                         split = true;
6649
6650                         if (!bfqq) {
6651                                 bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio,
6652                                                                  true, is_sync,
6653                                                                  NULL);
6654                                 bfqq->waker_bfqq = old_bfqq->waker_bfqq;
6655                                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
6656
6657                                 /*
6658                                  * If the waker queue disappears, then
6659                                  * new_bfqq->waker_bfqq must be
6660                                  * reset. So insert new_bfqq into the
6661                                  * woken_list of the waker. See
6662                                  * bfq_check_waker for details.
6663                                  */
6664                                 if (bfqq->waker_bfqq)
6665                                         hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
6666                                                        &bfqq->waker_bfqq->woken_list);
6667                         } else
6668                                 bfqq_already_existing = true;
6669                 }
6670         }
6671
6672         bfqq->allocated++;
6673         bfqq->ref++;
6674         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_request %p: bfqq %p, %d",
6675                      rq, bfqq, bfqq->ref);
6676
6677         rq->elv.priv[0] = bic;
6678         rq->elv.priv[1] = bfqq;
6679
6680         /*
6681          * If a bfq_queue has only one process reference, it is owned
6682          * by only this bic: we can then set bfqq->bic = bic. in
6683          * addition, if the queue has also just been split, we have to
6684          * resume its state.
6685          */
6686         if (likely(bfqq != &bfqd->oom_bfqq) && bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6687                 bfqq->bic = bic;
6688                 if (split) {
6689                         /*
6690                          * The queue has just been split from a shared
6691                          * queue: restore the idle window and the
6692                          * possible weight raising period.
6693                          */
6694                         bfq_bfqq_resume_state(bfqq, bfqd, bic,
6695                                               bfqq_already_existing);
6696                 }
6697         }
6698
6699         /*
6700          * Consider bfqq as possibly belonging to a burst of newly
6701          * created queues only if:
6702          * 1) A burst is actually happening (bfqd->burst_size > 0)
6703          * or
6704          * 2) There is no other active queue. In fact, if, in
6705          *    contrast, there are active queues not belonging to the
6706          *    possible burst bfqq may belong to, then there is no gain
6707          *    in considering bfqq as belonging to a burst, and
6708          *    therefore in not weight-raising bfqq. See comments on
6709          *    bfq_handle_burst().
6710          *
6711          * This filtering also helps eliminating false positives,
6712          * occurring when bfqq does not belong to an actual large
6713          * burst, but some background task (e.g., a service) happens
6714          * to trigger the creation of new queues very close to when
6715          * bfqq and its possible companion queues are created. See
6716          * comments on bfq_handle_burst() for further details also on
6717          * this issue.
6718          */
6719         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
6720                      (bfqd->burst_size > 0 ||
6721                       bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)))
6722                 bfq_handle_burst(bfqd, bfqq);
6723
6724         return bfqq;
6725 }
6726
6727 static void
6728 bfq_idle_slice_timer_body(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
6729 {
6730         enum bfqq_expiration reason;
6731         unsigned long flags;
6732
6733         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6734
6735         /*
6736          * Considering that bfqq may be in race, we should firstly check
6737          * whether bfqq is in service before doing something on it. If
6738          * the bfqq in race is not in service, it has already been expired
6739          * through __bfq_bfqq_expire func and its wait_request flags has
6740          * been cleared in __bfq_bfqd_reset_in_service func.
6741          */
6742         if (bfqq != bfqd->in_service_queue) {
6743                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6744                 return;
6745         }
6746
6747         bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
6748
6749         if (bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq))
6750                 /*
6751                  * Also here the queue can be safely expired
6752                  * for budget timeout without wasting
6753                  * guarantees
6754                  */
6755                 reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
6756         else if (bfqq->queued[0] == 0 && bfqq->queued[1] == 0)
6757                 /*
6758                  * The queue may not be empty upon timer expiration,
6759                  * because we may not disable the timer when the
6760                  * first request of the in-service queue arrives
6761                  * during disk idling.
6762                  */
6763                 reason = BFQQE_TOO_IDLE;
6764         else
6765                 goto schedule_dispatch;
6766
6767         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, true, reason);
6768
6769 schedule_dispatch:
6770         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6771         bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6772 }
6773
6774 /*
6775  * Handler of the expiration of the timer running if the in-service queue
6776  * is idling inside its time slice.
6777  */
6778 static enum hrtimer_restart bfq_idle_slice_timer(struct hrtimer *timer)
6779 {
6780         struct bfq_data *bfqd = container_of(timer, struct bfq_data,
6781                                              idle_slice_timer);
6782         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6783
6784         /*
6785          * Theoretical race here: the in-service queue can be NULL or
6786          * different from the queue that was idling if a new request
6787          * arrives for the current queue and there is a full dispatch
6788          * cycle that changes the in-service queue.  This can hardly
6789          * happen, but in the worst case we just expire a queue too
6790          * early.
6791          */
6792         if (bfqq)
6793                 bfq_idle_slice_timer_body(bfqd, bfqq);
6794
6795         return HRTIMER_NORESTART;
6796 }
6797
6798 static void __bfq_put_async_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
6799                                  struct bfq_queue **bfqq_ptr)
6800 {
6801         struct bfq_queue *bfqq = *bfqq_ptr;
6802
6803         bfq_log(bfqd, "put_async_bfqq: %p", bfqq);
6804         if (bfqq) {
6805                 bfq_bfqq_move(bfqd, bfqq, bfqd->root_group);
6806
6807                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "put_async_bfqq: putting %p, %d",
6808                              bfqq, bfqq->ref);
6809                 bfq_put_queue(bfqq);
6810                 *bfqq_ptr = NULL;
6811         }
6812 }
6813
6814 /*
6815  * Release all the bfqg references to its async queues.  If we are
6816  * deallocating the group these queues may still contain requests, so
6817  * we reparent them to the root cgroup (i.e., the only one that will
6818  * exist for sure until all the requests on a device are gone).
6819  */
6820 void bfq_put_async_queues(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_group *bfqg)
6821 {
6822         int i, j;
6823
6824         for (i = 0; i < 2; i++)
6825                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
6826                         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_bfqq[i][j]);
6827
6828         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_idle_bfqq);
6829 }
6830
6831 /*
6832  * See the comments on bfq_limit_depth for the purpose of
6833  * the depths set in the function. Return minimum shallow depth we'll use.
6834  */
6835 static unsigned int bfq_update_depths(struct bfq_data *bfqd,
6836                                       struct sbitmap_queue *bt)
6837 {
6838         unsigned int i, j, min_shallow = UINT_MAX;
6839
6840         /*
6841          * In-word depths if no bfq_queue is being weight-raised:
6842          * leaving 25% of tags only for sync reads.
6843          *
6844          * In next formulas, right-shift the value
6845          * (1U<<bt->sb.shift), instead of computing directly
6846          * (1U<<(bt->sb.shift - something)), to be robust against
6847          * any possible value of bt->sb.shift, without having to
6848          * limit 'something'.
6849          */
6850         /* no more than 50% of tags for async I/O */
6851         bfqd->word_depths[0][0] = max((1U << bt->sb.shift) >> 1, 1U);
6852         /*
6853          * no more than 75% of tags for sync writes (25% extra tags
6854          * w.r.t. async I/O, to prevent async I/O from starving sync
6855          * writes)
6856          */
6857         bfqd->word_depths[0][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 2, 1U);
6858
6859         /*
6860          * In-word depths in case some bfq_queue is being weight-
6861          * raised: leaving ~63% of tags for sync reads. This is the
6862          * highest percentage for which, in our tests, application
6863          * start-up times didn't suffer from any regression due to tag
6864          * shortage.
6865          */
6866         /* no more than ~18% of tags for async I/O */
6867         bfqd->word_depths[1][0] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 4, 1U);
6868         /* no more than ~37% of tags for sync writes (~20% extra tags) */
6869         bfqd->word_depths[1][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 6) >> 4, 1U);
6870
6871         for (i = 0; i < 2; i++)
6872                 for (j = 0; j < 2; j++)
6873                         min_shallow = min(min_shallow, bfqd->word_depths[i][j]);
6874
6875         return min_shallow;
6876 }
6877
6878 static void bfq_depth_updated(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
6879 {
6880         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
6881         struct blk_mq_tags *tags = hctx->sched_tags;
6882         unsigned int min_shallow;
6883
6884         min_shallow = bfq_update_depths(bfqd, tags->bitmap_tags);
6885         sbitmap_queue_min_shallow_depth(tags->bitmap_tags, min_shallow);
6886 }
6887
6888 static int bfq_init_hctx(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, unsigned int index)
6889 {
6890         bfq_depth_updated(hctx);
6891         return 0;
6892 }
6893
6894 static void bfq_exit_queue(struct elevator_queue *e)
6895 {
6896         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
6897         struct bfq_queue *bfqq, *n;
6898
6899         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6900
6901         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6902         list_for_each_entry_safe(bfqq, n, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
6903                 bfq_deactivate_bfqq(bfqd, bfqq, false, false);
6904         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6905
6906         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6907
6908         /* release oom-queue reference to root group */
6909         bfqg_and_blkg_put(bfqd->root_group);
6910
6911 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6912         blkcg_deactivate_policy(bfqd->queue, &blkcg_policy_bfq);
6913 #else
6914         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6915         bfq_put_async_queues(bfqd, bfqd->root_group);
6916         kfree(bfqd->root_group);
6917         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6918 #endif
6919
6920         kfree(bfqd);
6921 }
6922
6923 static void bfq_init_root_group(struct bfq_group *root_group,
6924                                 struct bfq_data *bfqd)
6925 {
6926         int i;
6927
6928 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6929         root_group->entity.parent = NULL;
6930         root_group->my_entity = NULL;
6931         root_group->bfqd = bfqd;
6932 #endif
6933         root_group->rq_pos_tree = RB_ROOT;
6934         for (i = 0; i < BFQ_IOPRIO_CLASSES; i++)
6935                 root_group->sched_data.service_tree[i] = BFQ_SERVICE_TREE_INIT;
6936         root_group->sched_data.bfq_class_idle_last_service = jiffies;
6937 }
6938
6939 static int bfq_init_queue(struct request_queue *q, struct elevator_type *e)
6940 {
6941         struct bfq_data *bfqd;
6942         struct elevator_queue *eq;
6943
6944         eq = elevator_alloc(q, e);
6945         if (!eq)
6946                 return -ENOMEM;
6947
6948         bfqd = kzalloc_node(sizeof(*bfqd), GFP_KERNEL, q->node);
6949         if (!bfqd) {
6950                 kobject_put(&eq->kobj);
6951                 return -ENOMEM;
6952         }
6953         eq->elevator_data = bfqd;
6954
6955         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
6956         q->elevator = eq;
6957         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
6958
6959         /*
6960          * Our fallback bfqq if bfq_find_alloc_queue() runs into OOM issues.
6961          * Grab a permanent reference to it, so that the normal code flow
6962          * will not attempt to free it.
6963          */
6964         bfq_init_bfqq(bfqd, &bfqd->oom_bfqq, NULL, 1, 0);
6965         bfqd->oom_bfqq.ref++;
6966         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio = BFQ_DEFAULT_QUEUE_IOPRIO;
6967         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
6968         bfqd->oom_bfqq.entity.new_weight =
6969                 bfq_ioprio_to_weight(bfqd->oom_bfqq.new_ioprio);
6970
6971         /* oom_bfqq does not participate to bursts */
6972         bfq_clear_bfqq_just_created(&bfqd->oom_bfqq);
6973
6974         /*
6975          * Trigger weight initialization, according to ioprio, at the
6976          * oom_bfqq's first activation. The oom_bfqq's ioprio and ioprio
6977          * class won't be changed any more.
6978          */
6979         bfqd->oom_bfqq.entity.prio_changed = 1;
6980
6981         bfqd->queue = q;
6982
6983         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->dispatch);
6984
6985         hrtimer_init(&bfqd->idle_slice_timer, CLOCK_MONOTONIC,
6986                      HRTIMER_MODE_REL);
6987         bfqd->idle_slice_timer.function = bfq_idle_slice_timer;
6988
6989         bfqd->queue_weights_tree = RB_ROOT_CACHED;
6990         bfqd->num_groups_with_pending_reqs = 0;
6991
6992         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->active_list);
6993         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->idle_list);
6994         INIT_HLIST_HEAD(&bfqd->burst_list);
6995
6996         bfqd->hw_tag = -1;
6997         bfqd->nonrot_with_queueing = blk_queue_nonrot(bfqd->queue);
6998
6999         bfqd->bfq_max_budget = bfq_default_max_budget;
7000
7001         bfqd->bfq_fifo_expire[0] = bfq_fifo_expire[0];
7002         bfqd->bfq_fifo_expire[1] = bfq_fifo_expire[1];
7003         bfqd->bfq_back_max = bfq_back_max;
7004         bfqd->bfq_back_penalty = bfq_back_penalty;
7005         bfqd->bfq_slice_idle = bfq_slice_idle;
7006         bfqd->bfq_timeout = bfq_timeout;
7007
7008         bfqd->bfq_large_burst_thresh = 8;
7009         bfqd->bfq_burst_interval = msecs_to_jiffies(180);
7010
7011         bfqd->low_latency = true;
7012
7013         /*
7014          * Trade-off between responsiveness and fairness.
7015          */
7016         bfqd->bfq_wr_coeff = 30;
7017         bfqd->bfq_wr_rt_max_time = msecs_to_jiffies(300);
7018         bfqd->bfq_wr_max_time = 0;
7019         bfqd->bfq_wr_min_idle_time = msecs_to_jiffies(2000);
7020         bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async = msecs_to_jiffies(500);
7021         bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate = 7000; /*
7022                                               * Approximate rate required
7023                                               * to playback or record a
7024                                               * high-definition compressed
7025                                               * video.
7026                                               */
7027         bfqd->wr_busy_queues = 0;
7028
7029         /*
7030          * Begin by assuming, optimistically, that the device peak
7031          * rate is equal to 2/3 of the highest reference rate.
7032          */
7033         bfqd->rate_dur_prod = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] *
7034                 ref_wr_duration[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)];
7035         bfqd->peak_rate = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] * 2 / 3;
7036
7037         spin_lock_init(&bfqd->lock);
7038
7039         /*
7040          * The invocation of the next bfq_create_group_hierarchy
7041          * function is the head of a chain of function calls
7042          * (bfq_create_group_hierarchy->blkcg_activate_policy->
7043          * blk_mq_freeze_queue) that may lead to the invocation of the
7044          * has_work hook function. For this reason,
7045          * bfq_create_group_hierarchy is invoked only after all
7046          * scheduler data has been initialized, apart from the fields
7047          * that can be initialized only after invoking
7048          * bfq_create_group_hierarchy. This, in particular, enables
7049          * has_work to correctly return false. Of course, to avoid
7050          * other inconsistencies, the blk-mq stack must then refrain
7051          * from invoking further scheduler hooks before this init
7052          * function is finished.
7053          */
7054         bfqd->root_group = bfq_create_group_hierarchy(bfqd, q->node);
7055         if (!bfqd->root_group)
7056                 goto out_free;
7057         bfq_init_root_group(bfqd->root_group, bfqd);
7058         bfq_init_entity(&bfqd->oom_bfqq.entity, bfqd->root_group);
7059
7060         wbt_disable_default(q);
7061         return 0;
7062
7063 out_free:
7064         kfree(bfqd);
7065         kobject_put(&eq->kobj);
7066         return -ENOMEM;
7067 }
7068
7069 static void bfq_slab_kill(void)
7070 {
7071         kmem_cache_destroy(bfq_pool);
7072 }
7073
7074 static int __init bfq_slab_setup(void)
7075 {
7076         bfq_pool = KMEM_CACHE(bfq_queue, 0);
7077         if (!bfq_pool)
7078                 return -ENOMEM;
7079         return 0;
7080 }
7081
7082 static ssize_t bfq_var_show(unsigned int var, char *page)
7083 {
7084         return sprintf(page, "%u\n", var);
7085 }
7086
7087 static int bfq_var_store(unsigned long *var, const char *page)
7088 {
7089         unsigned long new_val;
7090         int ret = kstrtoul(page, 10, &new_val);
7091
7092         if (ret)
7093                 return ret;
7094         *var = new_val;
7095         return 0;
7096 }
7097
7098 #define SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR, __CONV)                            \
7099 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7100 {                                                                       \
7101         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7102         u64 __data = __VAR;                                             \
7103         if (__CONV == 1)                                                \
7104                 __data = jiffies_to_msecs(__data);                      \
7105         else if (__CONV == 2)                                           \
7106                 __data = div_u64(__data, NSEC_PER_MSEC);                \
7107         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7108 }
7109 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_show, bfqd->bfq_fifo_expire[1], 2);
7110 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_show, bfqd->bfq_fifo_expire[0], 2);
7111 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_max_show, bfqd->bfq_back_max, 0);
7112 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_show, bfqd->bfq_back_penalty, 0);
7113 SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_show, bfqd->bfq_slice_idle, 2);
7114 SHOW_FUNCTION(bfq_max_budget_show, bfqd->bfq_user_max_budget, 0);
7115 SHOW_FUNCTION(bfq_timeout_sync_show, bfqd->bfq_timeout, 1);
7116 SHOW_FUNCTION(bfq_strict_guarantees_show, bfqd->strict_guarantees, 0);
7117 SHOW_FUNCTION(bfq_low_latency_show, bfqd->low_latency, 0);
7118 #undef SHOW_FUNCTION
7119
7120 #define USEC_SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR)                               \
7121 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7122 {                                                                       \
7123         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7124         u64 __data = __VAR;                                             \
7125         __data = div_u64(__data, NSEC_PER_USEC);                        \
7126         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7127 }
7128 USEC_SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_show, bfqd->bfq_slice_idle);
7129 #undef USEC_SHOW_FUNCTION
7130
7131 #define STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX, __CONV)                 \
7132 static ssize_t                                                          \
7133 __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)        \
7134 {                                                                       \
7135         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7136         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7137         int ret;                                                        \
7138                                                                         \
7139         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7140         if (ret)                                                        \
7141                 return ret;                                             \
7142         if (__data < __min)                                             \
7143                 __data = __min;                                         \
7144         else if (__data > __max)                                        \
7145                 __data = __max;                                         \
7146         if (__CONV == 1)                                                \
7147                 *(__PTR) = msecs_to_jiffies(__data);                    \
7148         else if (__CONV == 2)                                           \
7149                 *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_MSEC;                 \
7150         else                                                            \
7151                 *(__PTR) = __data;                                      \
7152         return count;                                                   \
7153 }
7154 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[1], 1,
7155                 INT_MAX, 2);
7156 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[0], 1,
7157                 INT_MAX, 2);
7158 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_max_store, &bfqd->bfq_back_max, 0, INT_MAX, 0);
7159 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_store, &bfqd->bfq_back_penalty, 1,
7160                 INT_MAX, 0);
7161 STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0, INT_MAX, 2);
7162 #undef STORE_FUNCTION
7163
7164 #define USEC_STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX)                    \
7165 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)\
7166 {                                                                       \
7167         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7168         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7169         int ret;                                                        \
7170                                                                         \
7171         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7172         if (ret)                                                        \
7173                 return ret;                                             \
7174         if (__data < __min)                                             \
7175                 __data = __min;                                         \
7176         else if (__data > __max)                                        \
7177                 __data = __max;                                         \
7178         *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_USEC;                         \
7179         return count;                                                   \
7180 }
7181 USEC_STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0,
7182                     UINT_MAX);
7183 #undef USEC_STORE_FUNCTION
7184
7185 static ssize_t bfq_max_budget_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 == 0)
7197                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7198         else {
7199                 if (__data > INT_MAX)
7200                         __data = INT_MAX;
7201                 bfqd->bfq_max_budget = __data;
7202         }
7203
7204         bfqd->bfq_user_max_budget = __data;
7205
7206         return count;
7207 }
7208
7209 /*
7210  * Leaving this name to preserve name compatibility with cfq
7211  * parameters, but this timeout is used for both sync and async.
7212  */
7213 static ssize_t bfq_timeout_sync_store(struct elevator_queue *e,
7214                                       const char *page, size_t count)
7215 {
7216         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7217         unsigned long __data;
7218         int ret;
7219
7220         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7221         if (ret)
7222                 return ret;
7223
7224         if (__data < 1)
7225                 __data = 1;
7226         else if (__data > INT_MAX)
7227                 __data = INT_MAX;
7228
7229         bfqd->bfq_timeout = msecs_to_jiffies(__data);
7230         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0)
7231                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7232
7233         return count;
7234 }
7235
7236 static ssize_t bfq_strict_guarantees_store(struct elevator_queue *e,
7237                                      const char *page, size_t count)
7238 {
7239         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7240         unsigned long __data;
7241         int ret;
7242
7243         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7244         if (ret)
7245                 return ret;
7246
7247         if (__data > 1)
7248                 __data = 1;
7249         if (!bfqd->strict_guarantees && __data == 1
7250             && bfqd->bfq_slice_idle < 8 * NSEC_PER_MSEC)
7251                 bfqd->bfq_slice_idle = 8 * NSEC_PER_MSEC;
7252
7253         bfqd->strict_guarantees = __data;
7254
7255         return count;
7256 }
7257
7258 static ssize_t bfq_low_latency_store(struct elevator_queue *e,
7259                                      const char *page, size_t count)
7260 {
7261         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7262         unsigned long __data;
7263         int ret;
7264
7265         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7266         if (ret)
7267                 return ret;
7268
7269         if (__data > 1)
7270                 __data = 1;
7271         if (__data == 0 && bfqd->low_latency != 0)
7272                 bfq_end_wr(bfqd);
7273         bfqd->low_latency = __data;
7274
7275         return count;
7276 }
7277
7278 #define BFQ_ATTR(name) \
7279         __ATTR(name, 0644, bfq_##name##_show, bfq_##name##_store)
7280
7281 static struct elv_fs_entry bfq_attrs[] = {
7282         BFQ_ATTR(fifo_expire_sync),
7283         BFQ_ATTR(fifo_expire_async),
7284         BFQ_ATTR(back_seek_max),
7285         BFQ_ATTR(back_seek_penalty),
7286         BFQ_ATTR(slice_idle),
7287         BFQ_ATTR(slice_idle_us),
7288         BFQ_ATTR(max_budget),
7289         BFQ_ATTR(timeout_sync),
7290         BFQ_ATTR(strict_guarantees),
7291         BFQ_ATTR(low_latency),
7292         __ATTR_NULL
7293 };
7294
7295 static struct elevator_type iosched_bfq_mq = {
7296         .ops = {
7297                 .limit_depth            = bfq_limit_depth,
7298                 .prepare_request        = bfq_prepare_request,
7299                 .requeue_request        = bfq_finish_requeue_request,
7300                 .finish_request         = bfq_finish_requeue_request,
7301                 .exit_icq               = bfq_exit_icq,
7302                 .insert_requests        = bfq_insert_requests,
7303                 .dispatch_request       = bfq_dispatch_request,
7304                 .next_request           = elv_rb_latter_request,
7305                 .former_request         = elv_rb_former_request,
7306                 .allow_merge            = bfq_allow_bio_merge,
7307                 .bio_merge              = bfq_bio_merge,
7308                 .request_merge          = bfq_request_merge,
7309                 .requests_merged        = bfq_requests_merged,
7310                 .request_merged         = bfq_request_merged,
7311                 .has_work               = bfq_has_work,
7312                 .depth_updated          = bfq_depth_updated,
7313                 .init_hctx              = bfq_init_hctx,
7314                 .init_sched             = bfq_init_queue,
7315                 .exit_sched             = bfq_exit_queue,
7316         },
7317
7318         .icq_size =             sizeof(struct bfq_io_cq),
7319         .icq_align =            __alignof__(struct bfq_io_cq),
7320         .elevator_attrs =       bfq_attrs,
7321         .elevator_name =        "bfq",
7322         .elevator_owner =       THIS_MODULE,
7323 };
7324 MODULE_ALIAS("bfq-iosched");
7325
7326 static int __init bfq_init(void)
7327 {
7328         int ret;
7329
7330 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7331         ret = blkcg_policy_register(&blkcg_policy_bfq);
7332         if (ret)
7333                 return ret;
7334 #endif
7335
7336         ret = -ENOMEM;
7337         if (bfq_slab_setup())
7338                 goto err_pol_unreg;
7339
7340         /*
7341          * Times to load large popular applications for the typical
7342          * systems installed on the reference devices (see the
7343          * comments before the definition of the next
7344          * array). Actually, we use slightly lower values, as the
7345          * estimated peak rate tends to be smaller than the actual
7346          * peak rate.  The reason for this last fact is that estimates
7347          * are computed over much shorter time intervals than the long
7348          * intervals typically used for benchmarking. Why? First, to
7349          * adapt more quickly to variations. Second, because an I/O
7350          * scheduler cannot rely on a peak-rate-evaluation workload to
7351          * be run for a long time.
7352          */
7353         ref_wr_duration[0] = msecs_to_jiffies(7000); /* actually 8 sec */
7354         ref_wr_duration[1] = msecs_to_jiffies(2500); /* actually 3 sec */
7355
7356         ret = elv_register(&iosched_bfq_mq);
7357         if (ret)
7358                 goto slab_kill;
7359
7360         return 0;
7361
7362 slab_kill:
7363         bfq_slab_kill();
7364 err_pol_unreg:
7365 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7366         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7367 #endif
7368         return ret;
7369 }
7370
7371 static void __exit bfq_exit(void)
7372 {
7373         elv_unregister(&iosched_bfq_mq);
7374 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7375         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7376 #endif
7377         bfq_slab_kill();
7378 }
7379
7380 module_init(bfq_init);
7381 module_exit(bfq_exit);
7382
7383 MODULE_AUTHOR("Paolo Valente");
7384 MODULE_LICENSE("GPL");
7385 MODULE_DESCRIPTION("MQ Budget Fair Queueing I/O Scheduler");