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