selftests/seccomp: More closely track fds being assigned
[linux-2.6-microblaze.git] / block / bfq-iosched.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
2 /*
3  * Budget Fair Queueing (BFQ) I/O scheduler.
4  *
5  * Based on ideas and code from CFQ:
6  * Copyright (C) 2003 Jens Axboe <axboe@kernel.dk>
7  *
8  * Copyright (C) 2008 Fabio Checconi <fabio@gandalf.sssup.it>
9  *                    Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
10  *
11  * Copyright (C) 2010 Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
12  *                    Arianna Avanzini <avanzini@google.com>
13  *
14  * Copyright (C) 2017 Paolo Valente <paolo.valente@linaro.org>
15  *
16  * BFQ is a proportional-share I/O scheduler, with some extra
17  * low-latency capabilities. BFQ also supports full hierarchical
18  * scheduling through cgroups. Next paragraphs provide an introduction
19  * on BFQ inner workings. Details on BFQ benefits, usage and
20  * limitations can be found in Documentation/block/bfq-iosched.rst.
21  *
22  * BFQ is a proportional-share storage-I/O scheduling algorithm based
23  * on the slice-by-slice service scheme of CFQ. But BFQ assigns
24  * budgets, measured in number of sectors, to processes instead of
25  * time slices. The device is not granted to the in-service process
26  * for a given time slice, but until it has exhausted its assigned
27  * budget. This change from the time to the service domain enables BFQ
28  * to distribute the device throughput among processes as desired,
29  * without any distortion due to throughput fluctuations, or to device
30  * internal queueing. BFQ uses an ad hoc internal scheduler, called
31  * B-WF2Q+, to schedule processes according to their budgets. More
32  * precisely, BFQ schedules queues associated with processes. Each
33  * process/queue is assigned a user-configurable weight, and B-WF2Q+
34  * guarantees that each queue receives a fraction of the throughput
35  * proportional to its weight. Thanks to the accurate policy of
36  * B-WF2Q+, BFQ can afford to assign high budgets to I/O-bound
37  * processes issuing sequential requests (to boost the throughput),
38  * and yet guarantee a low latency to interactive and soft real-time
39  * applications.
40  *
41  * In particular, to provide these low-latency guarantees, BFQ
42  * explicitly privileges the I/O of two classes of time-sensitive
43  * applications: interactive and soft real-time. In more detail, BFQ
44  * behaves this way if the low_latency parameter is set (default
45  * configuration). This feature enables BFQ to provide applications in
46  * these classes with a very low latency.
47  *
48  * To implement this feature, BFQ constantly tries to detect whether
49  * the I/O requests in a bfq_queue come from an interactive or a soft
50  * real-time application. For brevity, in these cases, the queue is
51  * said to be interactive or soft real-time. In both cases, BFQ
52  * privileges the service of the queue, over that of non-interactive
53  * and non-soft-real-time queues. This privileging is performed,
54  * mainly, by raising the weight of the queue. So, for brevity, we
55  * call just weight-raising periods the time periods during which a
56  * queue is privileged, because deemed interactive or soft real-time.
57  *
58  * The detection of soft real-time queues/applications is described in
59  * detail in the comments on the function
60  * bfq_bfqq_softrt_next_start. On the other hand, the detection of an
61  * interactive queue works as follows: a queue is deemed interactive
62  * if it is constantly non empty only for a limited time interval,
63  * after which it does become empty. The queue may be deemed
64  * interactive again (for a limited time), if it restarts being
65  * constantly non empty, provided that this happens only after the
66  * queue has remained empty for a given minimum idle time.
67  *
68  * By default, BFQ computes automatically the above maximum time
69  * interval, i.e., the time interval after which a constantly
70  * non-empty queue stops being deemed interactive. Since a queue is
71  * weight-raised while it is deemed interactive, this maximum time
72  * interval happens to coincide with the (maximum) duration of the
73  * weight-raising for interactive queues.
74  *
75  * Finally, BFQ also features additional heuristics for
76  * preserving both a low latency and a high throughput on NCQ-capable,
77  * rotational or flash-based devices, and to get the job done quickly
78  * for applications consisting in many I/O-bound processes.
79  *
80  * NOTE: if the main or only goal, with a given device, is to achieve
81  * the maximum-possible throughput at all times, then do switch off
82  * all low-latency heuristics for that device, by setting low_latency
83  * to 0.
84  *
85  * BFQ is described in [1], where also a reference to the initial,
86  * more theoretical paper on BFQ can be found. The interested reader
87  * can find in the latter paper full details on the main algorithm, as
88  * well as formulas of the guarantees and formal proofs of all the
89  * properties.  With respect to the version of BFQ presented in these
90  * papers, this implementation adds a few more heuristics, such as the
91  * ones that guarantee a low latency to interactive and soft real-time
92  * applications, and a hierarchical extension based on H-WF2Q+.
93  *
94  * B-WF2Q+ is based on WF2Q+, which is described in [2], together with
95  * H-WF2Q+, while the augmented tree used here to implement B-WF2Q+
96  * with O(log N) complexity derives from the one introduced with EEVDF
97  * in [3].
98  *
99  * [1] P. Valente, A. Avanzini, "Evolution of the BFQ Storage I/O
100  *     Scheduler", Proceedings of the First Workshop on Mobile System
101  *     Technologies (MST-2015), May 2015.
102  *     http://algogroup.unimore.it/people/paolo/disk_sched/mst-2015.pdf
103  *
104  * [2] Jon C.R. Bennett and H. Zhang, "Hierarchical Packet Fair Queueing
105  *     Algorithms", IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(5):675-689,
106  *     Oct 1997.
107  *
108  * http://www.cs.cmu.edu/~hzhang/papers/TON-97-Oct.ps.gz
109  *
110  * [3] I. Stoica and H. Abdel-Wahab, "Earliest Eligible Virtual Deadline
111  *     First: A Flexible and Accurate Mechanism for Proportional Share
112  *     Resource Allocation", technical report.
113  *
114  * http://www.cs.berkeley.edu/~istoica/papers/eevdf-tr-95.pdf
115  */
116 #include <linux/module.h>
117 #include <linux/slab.h>
118 #include <linux/blkdev.h>
119 #include <linux/cgroup.h>
120 #include <linux/elevator.h>
121 #include <linux/ktime.h>
122 #include <linux/rbtree.h>
123 #include <linux/ioprio.h>
124 #include <linux/sbitmap.h>
125 #include <linux/delay.h>
126 #include <linux/backing-dev.h>
127
128 #include <trace/events/block.h>
129
130 #include "blk.h"
131 #include "blk-mq.h"
132 #include "blk-mq-tag.h"
133 #include "blk-mq-sched.h"
134 #include "bfq-iosched.h"
135 #include "blk-wbt.h"
136
137 #define BFQ_BFQQ_FNS(name)                                              \
138 void bfq_mark_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                       \
139 {                                                                       \
140         __set_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);                        \
141 }                                                                       \
142 void bfq_clear_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                      \
143 {                                                                       \
144         __clear_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);              \
145 }                                                                       \
146 int bfq_bfqq_##name(const struct bfq_queue *bfqq)                       \
147 {                                                                       \
148         return test_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);          \
149 }
150
151 BFQ_BFQQ_FNS(just_created);
152 BFQ_BFQQ_FNS(busy);
153 BFQ_BFQQ_FNS(wait_request);
154 BFQ_BFQQ_FNS(non_blocking_wait_rq);
155 BFQ_BFQQ_FNS(fifo_expire);
156 BFQ_BFQQ_FNS(has_short_ttime);
157 BFQ_BFQQ_FNS(sync);
158 BFQ_BFQQ_FNS(IO_bound);
159 BFQ_BFQQ_FNS(in_large_burst);
160 BFQ_BFQQ_FNS(coop);
161 BFQ_BFQQ_FNS(split_coop);
162 BFQ_BFQQ_FNS(softrt_update);
163 #undef BFQ_BFQQ_FNS                                             \
164
165 /* Expiration time of async (0) and sync (1) requests, in ns. */
166 static const u64 bfq_fifo_expire[2] = { NSEC_PER_SEC / 4, NSEC_PER_SEC / 8 };
167
168 /* Maximum backwards seek (magic number lifted from CFQ), in KiB. */
169 static const int bfq_back_max = 16 * 1024;
170
171 /* Penalty of a backwards seek, in number of sectors. */
172 static const int bfq_back_penalty = 2;
173
174 /* Idling period duration, in ns. */
175 static u64 bfq_slice_idle = NSEC_PER_SEC / 125;
176
177 /* Minimum number of assigned budgets for which stats are safe to compute. */
178 static const int bfq_stats_min_budgets = 194;
179
180 /* Default maximum budget values, in sectors and number of requests. */
181 static const int bfq_default_max_budget = 16 * 1024;
182
183 /*
184  * When a sync request is dispatched, the queue that contains that
185  * request, and all the ancestor entities of that queue, are charged
186  * with the number of sectors of the request. In contrast, if the
187  * request is async, then the queue and its ancestor entities are
188  * charged with the number of sectors of the request, multiplied by
189  * the factor below. This throttles the bandwidth for async I/O,
190  * w.r.t. to sync I/O, and it is done to counter the tendency of async
191  * writes to steal I/O throughput to reads.
192  *
193  * The current value of this parameter is the result of a tuning with
194  * several hardware and software configurations. We tried to find the
195  * lowest value for which writes do not cause noticeable problems to
196  * reads. In fact, the lower this parameter, the stabler I/O control,
197  * in the following respect.  The lower this parameter is, the less
198  * the bandwidth enjoyed by a group decreases
199  * - when the group does writes, w.r.t. to when it does reads;
200  * - when other groups do reads, w.r.t. to when they do writes.
201  */
202 static const int bfq_async_charge_factor = 3;
203
204 /* Default timeout values, in jiffies, approximating CFQ defaults. */
205 const int bfq_timeout = HZ / 8;
206
207 /*
208  * Time limit for merging (see comments in bfq_setup_cooperator). Set
209  * to the slowest value that, in our tests, proved to be effective in
210  * removing false positives, while not causing true positives to miss
211  * queue merging.
212  *
213  * As can be deduced from the low time limit below, queue merging, if
214  * successful, happens at the very beginning of the I/O of the involved
215  * cooperating processes, as a consequence of the arrival of the very
216  * first requests from each cooperator.  After that, there is very
217  * little chance to find cooperators.
218  */
219 static const unsigned long bfq_merge_time_limit = HZ/10;
220
221 static struct kmem_cache *bfq_pool;
222
223 /* Below this threshold (in ns), we consider thinktime immediate. */
224 #define BFQ_MIN_TT              (2 * NSEC_PER_MSEC)
225
226 /* hw_tag detection: parallel requests threshold and min samples needed. */
227 #define BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD  3
228 #define BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES    32
229
230 #define BFQQ_SEEK_THR           (sector_t)(8 * 100)
231 #define BFQQ_SECT_THR_NONROT    (sector_t)(2 * 32)
232 #define BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, last_pos, rq) \
233         (get_sdist(last_pos, rq) >                      \
234          BFQQ_SEEK_THR &&                               \
235          (!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) ||             \
236           blk_rq_sectors(rq) < BFQQ_SECT_THR_NONROT))
237 #define BFQQ_CLOSE_THR          (sector_t)(8 * 1024)
238 #define BFQQ_SEEKY(bfqq)        (hweight32(bfqq->seek_history) > 19)
239 /*
240  * Sync random I/O is likely to be confused with soft real-time I/O,
241  * because it is characterized by limited throughput and apparently
242  * isochronous arrival pattern. To avoid false positives, queues
243  * containing only random (seeky) I/O are prevented from being tagged
244  * as soft real-time.
245  */
246 #define BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)        (bfqq->seek_history == -1)
247
248 /* Min number of samples required to perform peak-rate update */
249 #define BFQ_RATE_MIN_SAMPLES    32
250 /* Min observation time interval required to perform a peak-rate update (ns) */
251 #define BFQ_RATE_MIN_INTERVAL   (300*NSEC_PER_MSEC)
252 /* Target observation time interval for a peak-rate update (ns) */
253 #define BFQ_RATE_REF_INTERVAL   NSEC_PER_SEC
254
255 /*
256  * Shift used for peak-rate fixed precision calculations.
257  * With
258  * - the current shift: 16 positions
259  * - the current type used to store rate: u32
260  * - the current unit of measure for rate: [sectors/usec], or, more precisely,
261  *   [(sectors/usec) / 2^BFQ_RATE_SHIFT] to take into account the shift,
262  * the range of rates that can be stored is
263  * [1 / 2^BFQ_RATE_SHIFT, 2^(32 - BFQ_RATE_SHIFT)] sectors/usec =
264  * [1 / 2^16, 2^16] sectors/usec = [15e-6, 65536] sectors/usec =
265  * [15, 65G] sectors/sec
266  * Which, assuming a sector size of 512B, corresponds to a range of
267  * [7.5K, 33T] B/sec
268  */
269 #define BFQ_RATE_SHIFT          16
270
271 /*
272  * When configured for computing the duration of the weight-raising
273  * for interactive queues automatically (see the comments at the
274  * beginning of this file), BFQ does it using the following formula:
275  * duration = (ref_rate / r) * ref_wr_duration,
276  * where r is the peak rate of the device, and ref_rate and
277  * ref_wr_duration are two reference parameters.  In particular,
278  * ref_rate is the peak rate of the reference storage device (see
279  * below), and ref_wr_duration is about the maximum time needed, with
280  * BFQ and while reading two files in parallel, to load typical large
281  * applications on the reference device (see the comments on
282  * max_service_from_wr below, for more details on how ref_wr_duration
283  * is obtained).  In practice, the slower/faster the device at hand
284  * is, the more/less it takes to load applications with respect to the
285  * reference device.  Accordingly, the longer/shorter BFQ grants
286  * weight raising to interactive applications.
287  *
288  * BFQ uses two different reference pairs (ref_rate, ref_wr_duration),
289  * depending on whether the device is rotational or non-rotational.
290  *
291  * In the following definitions, ref_rate[0] and ref_wr_duration[0]
292  * are the reference values for a rotational device, whereas
293  * ref_rate[1] and ref_wr_duration[1] are the reference values for a
294  * non-rotational device. The reference rates are not the actual peak
295  * rates of the devices used as a reference, but slightly lower
296  * values. The reason for using slightly lower values is that the
297  * peak-rate estimator tends to yield slightly lower values than the
298  * actual peak rate (it can yield the actual peak rate only if there
299  * is only one process doing I/O, and the process does sequential
300  * I/O).
301  *
302  * The reference peak rates are measured in sectors/usec, left-shifted
303  * by BFQ_RATE_SHIFT.
304  */
305 static int ref_rate[2] = {14000, 33000};
306 /*
307  * To improve readability, a conversion function is used to initialize
308  * the following array, which entails that the array can be
309  * initialized only in a function.
310  */
311 static int ref_wr_duration[2];
312
313 /*
314  * BFQ uses the above-detailed, time-based weight-raising mechanism to
315  * privilege interactive tasks. This mechanism is vulnerable to the
316  * following false positives: I/O-bound applications that will go on
317  * doing I/O for much longer than the duration of weight
318  * raising. These applications have basically no benefit from being
319  * weight-raised at the beginning of their I/O. On the opposite end,
320  * while being weight-raised, these applications
321  * a) unjustly steal throughput to applications that may actually need
322  * low latency;
323  * b) make BFQ uselessly perform device idling; device idling results
324  * in loss of device throughput with most flash-based storage, and may
325  * increase latencies when used purposelessly.
326  *
327  * BFQ tries to reduce these problems, by adopting the following
328  * countermeasure. To introduce this countermeasure, we need first to
329  * finish explaining how the duration of weight-raising for
330  * interactive tasks is computed.
331  *
332  * For a bfq_queue deemed as interactive, the duration of weight
333  * raising is dynamically adjusted, as a function of the estimated
334  * peak rate of the device, so as to be equal to the time needed to
335  * execute the 'largest' interactive task we benchmarked so far. By
336  * largest task, we mean the task for which each involved process has
337  * to do more I/O than for any of the other tasks we benchmarked. This
338  * reference interactive task is the start-up of LibreOffice Writer,
339  * and in this task each process/bfq_queue needs to have at most ~110K
340  * sectors transferred.
341  *
342  * This last piece of information enables BFQ to reduce the actual
343  * duration of weight-raising for at least one class of I/O-bound
344  * applications: those doing sequential or quasi-sequential I/O. An
345  * example is file copy. In fact, once started, the main I/O-bound
346  * processes of these applications usually consume the above 110K
347  * sectors in much less time than the processes of an application that
348  * is starting, because these I/O-bound processes will greedily devote
349  * almost all their CPU cycles only to their target,
350  * throughput-friendly I/O operations. This is even more true if BFQ
351  * happens to be underestimating the device peak rate, and thus
352  * overestimating the duration of weight raising. But, according to
353  * our measurements, once transferred 110K sectors, these processes
354  * have no right to be weight-raised any longer.
355  *
356  * Basing on the last consideration, BFQ ends weight-raising for a
357  * bfq_queue if the latter happens to have received an amount of
358  * service at least equal to the following constant. The constant is
359  * set to slightly more than 110K, to have a minimum safety margin.
360  *
361  * This early ending of weight-raising reduces the amount of time
362  * during which interactive false positives cause the two problems
363  * described at the beginning of these comments.
364  */
365 static const unsigned long max_service_from_wr = 120000;
366
367 #define RQ_BIC(rq)              icq_to_bic((rq)->elv.priv[0])
368 #define RQ_BFQQ(rq)             ((rq)->elv.priv[1])
369
370 struct bfq_queue *bic_to_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
371 {
372         return bic->bfqq[is_sync];
373 }
374
375 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq);
376
377 void bic_set_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq, bool is_sync)
378 {
379         /*
380          * If bfqq != NULL, then a non-stable queue merge between
381          * bic->bfqq and bfqq is happening here. This causes troubles
382          * in the following case: bic->bfqq has also been scheduled
383          * for a possible stable merge with bic->stable_merge_bfqq,
384          * and bic->stable_merge_bfqq == bfqq happens to
385          * hold. Troubles occur because bfqq may then undergo a split,
386          * thereby becoming eligible for a stable merge. Yet, if
387          * bic->stable_merge_bfqq points exactly to bfqq, then bfqq
388          * would be stably merged with itself. To avoid this anomaly,
389          * we cancel the stable merge if
390          * bic->stable_merge_bfqq == bfqq.
391          */
392         bic->bfqq[is_sync] = bfqq;
393
394         if (bfqq && bic->stable_merge_bfqq == bfqq) {
395                 /*
396                  * Actually, these same instructions are executed also
397                  * in bfq_setup_cooperator, in case of abort or actual
398                  * execution of a stable merge. We could avoid
399                  * repeating these instructions there too, but if we
400                  * did so, we would nest even more complexity in this
401                  * function.
402                  */
403                 bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
404
405                 bic->stable_merge_bfqq = NULL;
406         }
407 }
408
409 struct bfq_data *bic_to_bfqd(struct bfq_io_cq *bic)
410 {
411         return bic->icq.q->elevator->elevator_data;
412 }
413
414 /**
415  * icq_to_bic - convert iocontext queue structure to bfq_io_cq.
416  * @icq: the iocontext queue.
417  */
418 static struct bfq_io_cq *icq_to_bic(struct io_cq *icq)
419 {
420         /* bic->icq is the first member, %NULL will convert to %NULL */
421         return container_of(icq, struct bfq_io_cq, icq);
422 }
423
424 /**
425  * bfq_bic_lookup - search into @ioc a bic associated to @bfqd.
426  * @bfqd: the lookup key.
427  * @ioc: the io_context of the process doing I/O.
428  * @q: the request queue.
429  */
430 static struct bfq_io_cq *bfq_bic_lookup(struct bfq_data *bfqd,
431                                         struct io_context *ioc,
432                                         struct request_queue *q)
433 {
434         if (ioc) {
435                 unsigned long flags;
436                 struct bfq_io_cq *icq;
437
438                 spin_lock_irqsave(&q->queue_lock, flags);
439                 icq = icq_to_bic(ioc_lookup_icq(ioc, q));
440                 spin_unlock_irqrestore(&q->queue_lock, flags);
441
442                 return icq;
443         }
444
445         return NULL;
446 }
447
448 /*
449  * Scheduler run of queue, if there are requests pending and no one in the
450  * driver that will restart queueing.
451  */
452 void bfq_schedule_dispatch(struct bfq_data *bfqd)
453 {
454         if (bfqd->queued != 0) {
455                 bfq_log(bfqd, "schedule dispatch");
456                 blk_mq_run_hw_queues(bfqd->queue, true);
457         }
458 }
459
460 #define bfq_class_idle(bfqq)    ((bfqq)->ioprio_class == IOPRIO_CLASS_IDLE)
461
462 #define bfq_sample_valid(samples)       ((samples) > 80)
463
464 /*
465  * Lifted from AS - choose which of rq1 and rq2 that is best served now.
466  * We choose the request that is closer to the head right now.  Distance
467  * behind the head is penalized and only allowed to a certain extent.
468  */
469 static struct request *bfq_choose_req(struct bfq_data *bfqd,
470                                       struct request *rq1,
471                                       struct request *rq2,
472                                       sector_t last)
473 {
474         sector_t s1, s2, d1 = 0, d2 = 0;
475         unsigned long back_max;
476 #define BFQ_RQ1_WRAP    0x01 /* request 1 wraps */
477 #define BFQ_RQ2_WRAP    0x02 /* request 2 wraps */
478         unsigned int wrap = 0; /* bit mask: requests behind the disk head? */
479
480         if (!rq1 || rq1 == rq2)
481                 return rq2;
482         if (!rq2)
483                 return rq1;
484
485         if (rq_is_sync(rq1) && !rq_is_sync(rq2))
486                 return rq1;
487         else if (rq_is_sync(rq2) && !rq_is_sync(rq1))
488                 return rq2;
489         if ((rq1->cmd_flags & REQ_META) && !(rq2->cmd_flags & REQ_META))
490                 return rq1;
491         else if ((rq2->cmd_flags & REQ_META) && !(rq1->cmd_flags & REQ_META))
492                 return rq2;
493
494         s1 = blk_rq_pos(rq1);
495         s2 = blk_rq_pos(rq2);
496
497         /*
498          * By definition, 1KiB is 2 sectors.
499          */
500         back_max = bfqd->bfq_back_max * 2;
501
502         /*
503          * Strict one way elevator _except_ in the case where we allow
504          * short backward seeks which are biased as twice the cost of a
505          * similar forward seek.
506          */
507         if (s1 >= last)
508                 d1 = s1 - last;
509         else if (s1 + back_max >= last)
510                 d1 = (last - s1) * bfqd->bfq_back_penalty;
511         else
512                 wrap |= BFQ_RQ1_WRAP;
513
514         if (s2 >= last)
515                 d2 = s2 - last;
516         else if (s2 + back_max >= last)
517                 d2 = (last - s2) * bfqd->bfq_back_penalty;
518         else
519                 wrap |= BFQ_RQ2_WRAP;
520
521         /* Found required data */
522
523         /*
524          * By doing switch() on the bit mask "wrap" we avoid having to
525          * check two variables for all permutations: --> faster!
526          */
527         switch (wrap) {
528         case 0: /* common case for CFQ: rq1 and rq2 not wrapped */
529                 if (d1 < d2)
530                         return rq1;
531                 else if (d2 < d1)
532                         return rq2;
533
534                 if (s1 >= s2)
535                         return rq1;
536                 else
537                         return rq2;
538
539         case BFQ_RQ2_WRAP:
540                 return rq1;
541         case BFQ_RQ1_WRAP:
542                 return rq2;
543         case BFQ_RQ1_WRAP|BFQ_RQ2_WRAP: /* both rqs wrapped */
544         default:
545                 /*
546                  * Since both rqs are wrapped,
547                  * start with the one that's further behind head
548                  * (--> only *one* back seek required),
549                  * since back seek takes more time than forward.
550                  */
551                 if (s1 <= s2)
552                         return rq1;
553                 else
554                         return rq2;
555         }
556 }
557
558 /*
559  * Async I/O can easily starve sync I/O (both sync reads and sync
560  * writes), by consuming all tags. Similarly, storms of sync writes,
561  * such as those that sync(2) may trigger, can starve sync reads.
562  * Limit depths of async I/O and sync writes so as to counter both
563  * problems.
564  */
565 static void bfq_limit_depth(unsigned int op, struct blk_mq_alloc_data *data)
566 {
567         struct bfq_data *bfqd = data->q->elevator->elevator_data;
568
569         if (op_is_sync(op) && !op_is_write(op))
570                 return;
571
572         data->shallow_depth =
573                 bfqd->word_depths[!!bfqd->wr_busy_queues][op_is_sync(op)];
574
575         bfq_log(bfqd, "[%s] wr_busy %d sync %d depth %u",
576                         __func__, bfqd->wr_busy_queues, op_is_sync(op),
577                         data->shallow_depth);
578 }
579
580 static struct bfq_queue *
581 bfq_rq_pos_tree_lookup(struct bfq_data *bfqd, struct rb_root *root,
582                      sector_t sector, struct rb_node **ret_parent,
583                      struct rb_node ***rb_link)
584 {
585         struct rb_node **p, *parent;
586         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
587
588         parent = NULL;
589         p = &root->rb_node;
590         while (*p) {
591                 struct rb_node **n;
592
593                 parent = *p;
594                 bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
595
596                 /*
597                  * Sort strictly based on sector. Smallest to the left,
598                  * largest to the right.
599                  */
600                 if (sector > blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
601                         n = &(*p)->rb_right;
602                 else if (sector < blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
603                         n = &(*p)->rb_left;
604                 else
605                         break;
606                 p = n;
607                 bfqq = NULL;
608         }
609
610         *ret_parent = parent;
611         if (rb_link)
612                 *rb_link = p;
613
614         bfq_log(bfqd, "rq_pos_tree_lookup %llu: returning %d",
615                 (unsigned long long)sector,
616                 bfqq ? bfqq->pid : 0);
617
618         return bfqq;
619 }
620
621 static bool bfq_too_late_for_merging(struct bfq_queue *bfqq)
622 {
623         return bfqq->service_from_backlogged > 0 &&
624                 time_is_before_jiffies(bfqq->first_IO_time +
625                                        bfq_merge_time_limit);
626 }
627
628 /*
629  * The following function is not marked as __cold because it is
630  * actually cold, but for the same performance goal described in the
631  * comments on the likely() at the beginning of
632  * bfq_setup_cooperator(). Unexpectedly, to reach an even lower
633  * execution time for the case where this function is not invoked, we
634  * had to add an unlikely() in each involved if().
635  */
636 void __cold
637 bfq_pos_tree_add_move(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
638 {
639         struct rb_node **p, *parent;
640         struct bfq_queue *__bfqq;
641
642         if (bfqq->pos_root) {
643                 rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
644                 bfqq->pos_root = NULL;
645         }
646
647         /* oom_bfqq does not participate in queue merging */
648         if (bfqq == &bfqd->oom_bfqq)
649                 return;
650
651         /*
652          * bfqq cannot be merged any longer (see comments in
653          * bfq_setup_cooperator): no point in adding bfqq into the
654          * position tree.
655          */
656         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
657                 return;
658
659         if (bfq_class_idle(bfqq))
660                 return;
661         if (!bfqq->next_rq)
662                 return;
663
664         bfqq->pos_root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
665         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, bfqq->pos_root,
666                         blk_rq_pos(bfqq->next_rq), &parent, &p);
667         if (!__bfqq) {
668                 rb_link_node(&bfqq->pos_node, parent, p);
669                 rb_insert_color(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
670         } else
671                 bfqq->pos_root = NULL;
672 }
673
674 /*
675  * The following function returns false either if every active queue
676  * must receive the same share of the throughput (symmetric scenario),
677  * or, as a special case, if bfqq must receive a share of the
678  * throughput lower than or equal to the share that every other active
679  * queue must receive.  If bfqq does sync I/O, then these are the only
680  * two cases where bfqq happens to be guaranteed its share of the
681  * throughput even if I/O dispatching is not plugged when bfqq remains
682  * temporarily empty (for more details, see the comments in the
683  * function bfq_better_to_idle()). For this reason, the return value
684  * of this function is used to check whether I/O-dispatch plugging can
685  * be avoided.
686  *
687  * The above first case (symmetric scenario) occurs when:
688  * 1) all active queues have the same weight,
689  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
690  * 3) all active groups at the same level in the groups tree have the same
691  *    weight,
692  * 4) all active groups at the same level in the groups tree have the same
693  *    number of children.
694  *
695  * Unfortunately, keeping the necessary state for evaluating exactly
696  * the last two symmetry sub-conditions above would be quite complex
697  * and time consuming. Therefore this function evaluates, instead,
698  * only the following stronger three sub-conditions, for which it is
699  * much easier to maintain the needed state:
700  * 1) all active queues have the same weight,
701  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
702  * 3) there are no active groups.
703  * In particular, the last condition is always true if hierarchical
704  * support or the cgroups interface are not enabled, thus no state
705  * needs to be maintained in this case.
706  */
707 static bool bfq_asymmetric_scenario(struct bfq_data *bfqd,
708                                    struct bfq_queue *bfqq)
709 {
710         bool smallest_weight = bfqq &&
711                 bfqq->weight_counter &&
712                 bfqq->weight_counter ==
713                 container_of(
714                         rb_first_cached(&bfqd->queue_weights_tree),
715                         struct bfq_weight_counter,
716                         weights_node);
717
718         /*
719          * For queue weights to differ, queue_weights_tree must contain
720          * at least two nodes.
721          */
722         bool varied_queue_weights = !smallest_weight &&
723                 !RB_EMPTY_ROOT(&bfqd->queue_weights_tree.rb_root) &&
724                 (bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_left ||
725                  bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_right);
726
727         bool multiple_classes_busy =
728                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[1]) ||
729                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[2]) ||
730                 (bfqd->busy_queues[1] && bfqd->busy_queues[2]);
731
732         return varied_queue_weights || multiple_classes_busy
733 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
734                || bfqd->num_groups_with_pending_reqs > 0
735 #endif
736                 ;
737 }
738
739 /*
740  * If the weight-counter tree passed as input contains no counter for
741  * the weight of the input queue, then add that counter; otherwise just
742  * increment the existing counter.
743  *
744  * Note that weight-counter trees contain few nodes in mostly symmetric
745  * scenarios. For example, if all queues have the same weight, then the
746  * weight-counter tree for the queues may contain at most one node.
747  * This holds even if low_latency is on, because weight-raised queues
748  * are not inserted in the tree.
749  * In most scenarios, the rate at which nodes are created/destroyed
750  * should be low too.
751  */
752 void bfq_weights_tree_add(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
753                           struct rb_root_cached *root)
754 {
755         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
756         struct rb_node **new = &(root->rb_root.rb_node), *parent = NULL;
757         bool leftmost = true;
758
759         /*
760          * Do not insert if the queue is already associated with a
761          * counter, which happens if:
762          *   1) a request arrival has caused the queue to become both
763          *      non-weight-raised, and hence change its weight, and
764          *      backlogged; in this respect, each of the two events
765          *      causes an invocation of this function,
766          *   2) this is the invocation of this function caused by the
767          *      second event. This second invocation is actually useless,
768          *      and we handle this fact by exiting immediately. More
769          *      efficient or clearer solutions might possibly be adopted.
770          */
771         if (bfqq->weight_counter)
772                 return;
773
774         while (*new) {
775                 struct bfq_weight_counter *__counter = container_of(*new,
776                                                 struct bfq_weight_counter,
777                                                 weights_node);
778                 parent = *new;
779
780                 if (entity->weight == __counter->weight) {
781                         bfqq->weight_counter = __counter;
782                         goto inc_counter;
783                 }
784                 if (entity->weight < __counter->weight)
785                         new = &((*new)->rb_left);
786                 else {
787                         new = &((*new)->rb_right);
788                         leftmost = false;
789                 }
790         }
791
792         bfqq->weight_counter = kzalloc(sizeof(struct bfq_weight_counter),
793                                        GFP_ATOMIC);
794
795         /*
796          * In the unlucky event of an allocation failure, we just
797          * exit. This will cause the weight of queue to not be
798          * considered in bfq_asymmetric_scenario, which, in its turn,
799          * causes the scenario to be deemed wrongly symmetric in case
800          * bfqq's weight would have been the only weight making the
801          * scenario asymmetric.  On the bright side, no unbalance will
802          * however occur when bfqq becomes inactive again (the
803          * invocation of this function is triggered by an activation
804          * of queue).  In fact, bfq_weights_tree_remove does nothing
805          * if !bfqq->weight_counter.
806          */
807         if (unlikely(!bfqq->weight_counter))
808                 return;
809
810         bfqq->weight_counter->weight = entity->weight;
811         rb_link_node(&bfqq->weight_counter->weights_node, parent, new);
812         rb_insert_color_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root,
813                                 leftmost);
814
815 inc_counter:
816         bfqq->weight_counter->num_active++;
817         bfqq->ref++;
818 }
819
820 /*
821  * Decrement the weight counter associated with the queue, and, if the
822  * counter reaches 0, remove the counter from the tree.
823  * See the comments to the function bfq_weights_tree_add() for considerations
824  * about overhead.
825  */
826 void __bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
827                                struct bfq_queue *bfqq,
828                                struct rb_root_cached *root)
829 {
830         if (!bfqq->weight_counter)
831                 return;
832
833         bfqq->weight_counter->num_active--;
834         if (bfqq->weight_counter->num_active > 0)
835                 goto reset_entity_pointer;
836
837         rb_erase_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root);
838         kfree(bfqq->weight_counter);
839
840 reset_entity_pointer:
841         bfqq->weight_counter = NULL;
842         bfq_put_queue(bfqq);
843 }
844
845 /*
846  * Invoke __bfq_weights_tree_remove on bfqq and decrement the number
847  * of active groups for each queue's inactive parent entity.
848  */
849 void bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
850                              struct bfq_queue *bfqq)
851 {
852         struct bfq_entity *entity = bfqq->entity.parent;
853
854         for_each_entity(entity) {
855                 struct bfq_sched_data *sd = entity->my_sched_data;
856
857                 if (sd->next_in_service || sd->in_service_entity) {
858                         /*
859                          * entity is still active, because either
860                          * next_in_service or in_service_entity is not
861                          * NULL (see the comments on the definition of
862                          * next_in_service for details on why
863                          * in_service_entity must be checked too).
864                          *
865                          * As a consequence, its parent entities are
866                          * active as well, and thus this loop must
867                          * stop here.
868                          */
869                         break;
870                 }
871
872                 /*
873                  * The decrement of num_groups_with_pending_reqs is
874                  * not performed immediately upon the deactivation of
875                  * entity, but it is delayed to when it also happens
876                  * that the first leaf descendant bfqq of entity gets
877                  * all its pending requests completed. The following
878                  * instructions perform this delayed decrement, if
879                  * needed. See the comments on
880                  * num_groups_with_pending_reqs for details.
881                  */
882                 if (entity->in_groups_with_pending_reqs) {
883                         entity->in_groups_with_pending_reqs = false;
884                         bfqd->num_groups_with_pending_reqs--;
885                 }
886         }
887
888         /*
889          * Next function is invoked last, because it causes bfqq to be
890          * freed if the following holds: bfqq is not in service and
891          * has no dispatched request. DO NOT use bfqq after the next
892          * function invocation.
893          */
894         __bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq,
895                                   &bfqd->queue_weights_tree);
896 }
897
898 /*
899  * Return expired entry, or NULL to just start from scratch in rbtree.
900  */
901 static struct request *bfq_check_fifo(struct bfq_queue *bfqq,
902                                       struct request *last)
903 {
904         struct request *rq;
905
906         if (bfq_bfqq_fifo_expire(bfqq))
907                 return NULL;
908
909         bfq_mark_bfqq_fifo_expire(bfqq);
910
911         rq = rq_entry_fifo(bfqq->fifo.next);
912
913         if (rq == last || ktime_get_ns() < rq->fifo_time)
914                 return NULL;
915
916         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "check_fifo: returned %p", rq);
917         return rq;
918 }
919
920 static struct request *bfq_find_next_rq(struct bfq_data *bfqd,
921                                         struct bfq_queue *bfqq,
922                                         struct request *last)
923 {
924         struct rb_node *rbnext = rb_next(&last->rb_node);
925         struct rb_node *rbprev = rb_prev(&last->rb_node);
926         struct request *next, *prev = NULL;
927
928         /* Follow expired path, else get first next available. */
929         next = bfq_check_fifo(bfqq, last);
930         if (next)
931                 return next;
932
933         if (rbprev)
934                 prev = rb_entry_rq(rbprev);
935
936         if (rbnext)
937                 next = rb_entry_rq(rbnext);
938         else {
939                 rbnext = rb_first(&bfqq->sort_list);
940                 if (rbnext && rbnext != &last->rb_node)
941                         next = rb_entry_rq(rbnext);
942         }
943
944         return bfq_choose_req(bfqd, next, prev, blk_rq_pos(last));
945 }
946
947 /* see the definition of bfq_async_charge_factor for details */
948 static unsigned long bfq_serv_to_charge(struct request *rq,
949                                         struct bfq_queue *bfqq)
950 {
951         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfqq->wr_coeff > 1 ||
952             bfq_asymmetric_scenario(bfqq->bfqd, bfqq))
953                 return blk_rq_sectors(rq);
954
955         return blk_rq_sectors(rq) * bfq_async_charge_factor;
956 }
957
958 /**
959  * bfq_updated_next_req - update the queue after a new next_rq selection.
960  * @bfqd: the device data the queue belongs to.
961  * @bfqq: the queue to update.
962  *
963  * If the first request of a queue changes we make sure that the queue
964  * has enough budget to serve at least its first request (if the
965  * request has grown).  We do this because if the queue has not enough
966  * budget for its first request, it has to go through two dispatch
967  * rounds to actually get it dispatched.
968  */
969 static void bfq_updated_next_req(struct bfq_data *bfqd,
970                                  struct bfq_queue *bfqq)
971 {
972         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
973         struct request *next_rq = bfqq->next_rq;
974         unsigned long new_budget;
975
976         if (!next_rq)
977                 return;
978
979         if (bfqq == bfqd->in_service_queue)
980                 /*
981                  * In order not to break guarantees, budgets cannot be
982                  * changed after an entity has been selected.
983                  */
984                 return;
985
986         new_budget = max_t(unsigned long,
987                            max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
988                                  bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq)),
989                            entity->service);
990         if (entity->budget != new_budget) {
991                 entity->budget = new_budget;
992                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "updated next rq: new budget %lu",
993                                          new_budget);
994                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, false);
995         }
996 }
997
998 static unsigned int bfq_wr_duration(struct bfq_data *bfqd)
999 {
1000         u64 dur;
1001
1002         if (bfqd->bfq_wr_max_time > 0)
1003                 return bfqd->bfq_wr_max_time;
1004
1005         dur = bfqd->rate_dur_prod;
1006         do_div(dur, bfqd->peak_rate);
1007
1008         /*
1009          * Limit duration between 3 and 25 seconds. The upper limit
1010          * has been conservatively set after the following worst case:
1011          * on a QEMU/KVM virtual machine
1012          * - running in a slow PC
1013          * - with a virtual disk stacked on a slow low-end 5400rpm HDD
1014          * - serving a heavy I/O workload, such as the sequential reading
1015          *   of several files
1016          * mplayer took 23 seconds to start, if constantly weight-raised.
1017          *
1018          * As for higher values than that accommodating the above bad
1019          * scenario, tests show that higher values would often yield
1020          * the opposite of the desired result, i.e., would worsen
1021          * responsiveness by allowing non-interactive applications to
1022          * preserve weight raising for too long.
1023          *
1024          * On the other end, lower values than 3 seconds make it
1025          * difficult for most interactive tasks to complete their jobs
1026          * before weight-raising finishes.
1027          */
1028         return clamp_val(dur, msecs_to_jiffies(3000), msecs_to_jiffies(25000));
1029 }
1030
1031 /* switch back from soft real-time to interactive weight raising */
1032 static void switch_back_to_interactive_wr(struct bfq_queue *bfqq,
1033                                           struct bfq_data *bfqd)
1034 {
1035         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1036         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1037         bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
1038 }
1039
1040 static void
1041 bfq_bfqq_resume_state(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd,
1042                       struct bfq_io_cq *bic, bool bfq_already_existing)
1043 {
1044         unsigned int old_wr_coeff = 1;
1045         bool busy = bfq_already_existing && bfq_bfqq_busy(bfqq);
1046
1047         if (bic->saved_has_short_ttime)
1048                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1049         else
1050                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1051
1052         if (bic->saved_IO_bound)
1053                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1054         else
1055                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1056
1057         bfqq->last_serv_time_ns = bic->saved_last_serv_time_ns;
1058         bfqq->inject_limit = bic->saved_inject_limit;
1059         bfqq->decrease_time_jif = bic->saved_decrease_time_jif;
1060
1061         bfqq->entity.new_weight = bic->saved_weight;
1062         bfqq->ttime = bic->saved_ttime;
1063         bfqq->io_start_time = bic->saved_io_start_time;
1064         bfqq->tot_idle_time = bic->saved_tot_idle_time;
1065         /*
1066          * Restore weight coefficient only if low_latency is on
1067          */
1068         if (bfqd->low_latency) {
1069                 old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
1070                 bfqq->wr_coeff = bic->saved_wr_coeff;
1071         }
1072         bfqq->service_from_wr = bic->saved_service_from_wr;
1073         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt;
1074         bfqq->last_wr_start_finish = bic->saved_last_wr_start_finish;
1075         bfqq->wr_cur_max_time = bic->saved_wr_cur_max_time;
1076
1077         if (bfqq->wr_coeff > 1 && (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1078             time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
1079                                    bfqq->wr_cur_max_time))) {
1080                 if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
1081                     !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
1082                     time_is_after_eq_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
1083                                              bfq_wr_duration(bfqd))) {
1084                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
1085                 } else {
1086                         bfqq->wr_coeff = 1;
1087                         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
1088                                      "resume state: switching off wr");
1089                 }
1090         }
1091
1092         /* make sure weight will be updated, however we got here */
1093         bfqq->entity.prio_changed = 1;
1094
1095         if (likely(!busy))
1096                 return;
1097
1098         if (old_wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1)
1099                 bfqd->wr_busy_queues++;
1100         else if (old_wr_coeff > 1 && bfqq->wr_coeff == 1)
1101                 bfqd->wr_busy_queues--;
1102 }
1103
1104 static int bfqq_process_refs(struct bfq_queue *bfqq)
1105 {
1106         return bfqq->ref - bfqq->allocated - bfqq->entity.on_st_or_in_serv -
1107                 (bfqq->weight_counter != NULL) - bfqq->stable_ref;
1108 }
1109
1110 /* Empty burst list and add just bfqq (see comments on bfq_handle_burst) */
1111 static void bfq_reset_burst_list(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1112 {
1113         struct bfq_queue *item;
1114         struct hlist_node *n;
1115
1116         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqd->burst_list, burst_list_node)
1117                 hlist_del_init(&item->burst_list_node);
1118
1119         /*
1120          * Start the creation of a new burst list only if there is no
1121          * active queue. See comments on the conditional invocation of
1122          * bfq_handle_burst().
1123          */
1124         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0) {
1125                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1126                 bfqd->burst_size = 1;
1127         } else
1128                 bfqd->burst_size = 0;
1129
1130         bfqd->burst_parent_entity = bfqq->entity.parent;
1131 }
1132
1133 /* Add bfqq to the list of queues in current burst (see bfq_handle_burst) */
1134 static void bfq_add_to_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1135 {
1136         /* Increment burst size to take into account also bfqq */
1137         bfqd->burst_size++;
1138
1139         if (bfqd->burst_size == bfqd->bfq_large_burst_thresh) {
1140                 struct bfq_queue *pos, *bfqq_item;
1141                 struct hlist_node *n;
1142
1143                 /*
1144                  * Enough queues have been activated shortly after each
1145                  * other to consider this burst as large.
1146                  */
1147                 bfqd->large_burst = true;
1148
1149                 /*
1150                  * We can now mark all queues in the burst list as
1151                  * belonging to a large burst.
1152                  */
1153                 hlist_for_each_entry(bfqq_item, &bfqd->burst_list,
1154                                      burst_list_node)
1155                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq_item);
1156                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1157
1158                 /*
1159                  * From now on, and until the current burst finishes, any
1160                  * new queue being activated shortly after the last queue
1161                  * was inserted in the burst can be immediately marked as
1162                  * belonging to a large burst. So the burst list is not
1163                  * needed any more. Remove it.
1164                  */
1165                 hlist_for_each_entry_safe(pos, n, &bfqd->burst_list,
1166                                           burst_list_node)
1167                         hlist_del_init(&pos->burst_list_node);
1168         } else /*
1169                 * Burst not yet large: add bfqq to the burst list. Do
1170                 * not increment the ref counter for bfqq, because bfqq
1171                 * is removed from the burst list before freeing bfqq
1172                 * in put_queue.
1173                 */
1174                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1175 }
1176
1177 /*
1178  * If many queues belonging to the same group happen to be created
1179  * shortly after each other, then the processes associated with these
1180  * queues have typically a common goal. In particular, bursts of queue
1181  * creations are usually caused by services or applications that spawn
1182  * many parallel threads/processes. Examples are systemd during boot,
1183  * or git grep. To help these processes get their job done as soon as
1184  * possible, it is usually better to not grant either weight-raising
1185  * or device idling to their queues, unless these queues must be
1186  * protected from the I/O flowing through other active queues.
1187  *
1188  * In this comment we describe, firstly, the reasons why this fact
1189  * holds, and, secondly, the next function, which implements the main
1190  * steps needed to properly mark these queues so that they can then be
1191  * treated in a different way.
1192  *
1193  * The above services or applications benefit mostly from a high
1194  * throughput: the quicker the requests of the activated queues are
1195  * cumulatively served, the sooner the target job of these queues gets
1196  * completed. As a consequence, weight-raising any of these queues,
1197  * which also implies idling the device for it, is almost always
1198  * counterproductive, unless there are other active queues to isolate
1199  * these new queues from. If there no other active queues, then
1200  * weight-raising these new queues just lowers throughput in most
1201  * cases.
1202  *
1203  * On the other hand, a burst of queue creations may be caused also by
1204  * the start of an application that does not consist of a lot of
1205  * parallel I/O-bound threads. In fact, with a complex application,
1206  * several short processes may need to be executed to start-up the
1207  * application. In this respect, to start an application as quickly as
1208  * possible, the best thing to do is in any case to privilege the I/O
1209  * related to the application with respect to all other
1210  * I/O. Therefore, the best strategy to start as quickly as possible
1211  * an application that causes a burst of queue creations is to
1212  * weight-raise all the queues created during the burst. This is the
1213  * exact opposite of the best strategy for the other type of bursts.
1214  *
1215  * In the end, to take the best action for each of the two cases, the
1216  * two types of bursts need to be distinguished. Fortunately, this
1217  * seems relatively easy, by looking at the sizes of the bursts. In
1218  * particular, we found a threshold such that only bursts with a
1219  * larger size than that threshold are apparently caused by
1220  * services or commands such as systemd or git grep. For brevity,
1221  * hereafter we call just 'large' these bursts. BFQ *does not*
1222  * weight-raise queues whose creation occurs in a large burst. In
1223  * addition, for each of these queues BFQ performs or does not perform
1224  * idling depending on which choice boosts the throughput more. The
1225  * exact choice depends on the device and request pattern at
1226  * hand.
1227  *
1228  * Unfortunately, false positives may occur while an interactive task
1229  * is starting (e.g., an application is being started). The
1230  * consequence is that the queues associated with the task do not
1231  * enjoy weight raising as expected. Fortunately these false positives
1232  * are very rare. They typically occur if some service happens to
1233  * start doing I/O exactly when the interactive task starts.
1234  *
1235  * Turning back to the next function, it is invoked only if there are
1236  * no active queues (apart from active queues that would belong to the
1237  * same, possible burst bfqq would belong to), and it implements all
1238  * the steps needed to detect the occurrence of a large burst and to
1239  * properly mark all the queues belonging to it (so that they can then
1240  * be treated in a different way). This goal is achieved by
1241  * maintaining a "burst list" that holds, temporarily, the queues that
1242  * belong to the burst in progress. The list is then used to mark
1243  * these queues as belonging to a large burst if the burst does become
1244  * large. The main steps are the following.
1245  *
1246  * . when the very first queue is created, the queue is inserted into the
1247  *   list (as it could be the first queue in a possible burst)
1248  *
1249  * . if the current burst has not yet become large, and a queue Q that does
1250  *   not yet belong to the burst is activated shortly after the last time
1251  *   at which a new queue entered the burst list, then the function appends
1252  *   Q to the burst list
1253  *
1254  * . if, as a consequence of the previous step, the burst size reaches
1255  *   the large-burst threshold, then
1256  *
1257  *     . all the queues in the burst list are marked as belonging to a
1258  *       large burst
1259  *
1260  *     . the burst list is deleted; in fact, the burst list already served
1261  *       its purpose (keeping temporarily track of the queues in a burst,
1262  *       so as to be able to mark them as belonging to a large burst in the
1263  *       previous sub-step), and now is not needed any more
1264  *
1265  *     . the device enters a large-burst mode
1266  *
1267  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created while
1268  *   the device is in large-burst mode and shortly after the last time
1269  *   at which a queue either entered the burst list or was marked as
1270  *   belonging to the current large burst, then Q is immediately marked
1271  *   as belonging to a large burst.
1272  *
1273  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created a while
1274  *   later, i.e., not shortly after, than the last time at which a queue
1275  *   either entered the burst list or was marked as belonging to the
1276  *   current large burst, then the current burst is deemed as finished and:
1277  *
1278  *        . the large-burst mode is reset if set
1279  *
1280  *        . the burst list is emptied
1281  *
1282  *        . Q is inserted in the burst list, as Q may be the first queue
1283  *          in a possible new burst (then the burst list contains just Q
1284  *          after this step).
1285  */
1286 static void bfq_handle_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1287 {
1288         /*
1289          * If bfqq is already in the burst list or is part of a large
1290          * burst, or finally has just been split, then there is
1291          * nothing else to do.
1292          */
1293         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node) ||
1294             bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1295             time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
1296                                      msecs_to_jiffies(10)))
1297                 return;
1298
1299         /*
1300          * If bfqq's creation happens late enough, or bfqq belongs to
1301          * a different group than the burst group, then the current
1302          * burst is finished, and related data structures must be
1303          * reset.
1304          *
1305          * In this respect, consider the special case where bfqq is
1306          * the very first queue created after BFQ is selected for this
1307          * device. In this case, last_ins_in_burst and
1308          * burst_parent_entity are not yet significant when we get
1309          * here. But it is easy to verify that, whether or not the
1310          * following condition is true, bfqq will end up being
1311          * inserted into the burst list. In particular the list will
1312          * happen to contain only bfqq. And this is exactly what has
1313          * to happen, as bfqq may be the first queue of the first
1314          * burst.
1315          */
1316         if (time_is_before_jiffies(bfqd->last_ins_in_burst +
1317             bfqd->bfq_burst_interval) ||
1318             bfqq->entity.parent != bfqd->burst_parent_entity) {
1319                 bfqd->large_burst = false;
1320                 bfq_reset_burst_list(bfqd, bfqq);
1321                 goto end;
1322         }
1323
1324         /*
1325          * If we get here, then bfqq is being activated shortly after the
1326          * last queue. So, if the current burst is also large, we can mark
1327          * bfqq as belonging to this large burst immediately.
1328          */
1329         if (bfqd->large_burst) {
1330                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1331                 goto end;
1332         }
1333
1334         /*
1335          * If we get here, then a large-burst state has not yet been
1336          * reached, but bfqq is being activated shortly after the last
1337          * queue. Then we add bfqq to the burst.
1338          */
1339         bfq_add_to_burst(bfqd, bfqq);
1340 end:
1341         /*
1342          * At this point, bfqq either has been added to the current
1343          * burst or has caused the current burst to terminate and a
1344          * possible new burst to start. In particular, in the second
1345          * case, bfqq has become the first queue in the possible new
1346          * burst.  In both cases last_ins_in_burst needs to be moved
1347          * forward.
1348          */
1349         bfqd->last_ins_in_burst = jiffies;
1350 }
1351
1352 static int bfq_bfqq_budget_left(struct bfq_queue *bfqq)
1353 {
1354         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1355
1356         return entity->budget - entity->service;
1357 }
1358
1359 /*
1360  * If enough samples have been computed, return the current max budget
1361  * stored in bfqd, which is dynamically updated according to the
1362  * estimated disk peak rate; otherwise return the default max budget
1363  */
1364 static int bfq_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
1365 {
1366         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1367                 return bfq_default_max_budget;
1368         else
1369                 return bfqd->bfq_max_budget;
1370 }
1371
1372 /*
1373  * Return min budget, which is a fraction of the current or default
1374  * max budget (trying with 1/32)
1375  */
1376 static int bfq_min_budget(struct bfq_data *bfqd)
1377 {
1378         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1379                 return bfq_default_max_budget / 32;
1380         else
1381                 return bfqd->bfq_max_budget / 32;
1382 }
1383
1384 /*
1385  * The next function, invoked after the input queue bfqq switches from
1386  * idle to busy, updates the budget of bfqq. The function also tells
1387  * whether the in-service queue should be expired, by returning
1388  * true. The purpose of expiring the in-service queue is to give bfqq
1389  * the chance to possibly preempt the in-service queue, and the reason
1390  * for preempting the in-service queue is to achieve one of the two
1391  * goals below.
1392  *
1393  * 1. Guarantee to bfqq its reserved bandwidth even if bfqq has
1394  * expired because it has remained idle. In particular, bfqq may have
1395  * expired for one of the following two reasons:
1396  *
1397  * - BFQQE_NO_MORE_REQUESTS bfqq did not enjoy any device idling
1398  *   and did not make it to issue a new request before its last
1399  *   request was served;
1400  *
1401  * - BFQQE_TOO_IDLE bfqq did enjoy device idling, but did not issue
1402  *   a new request before the expiration of the idling-time.
1403  *
1404  * Even if bfqq has expired for one of the above reasons, the process
1405  * associated with the queue may be however issuing requests greedily,
1406  * and thus be sensitive to the bandwidth it receives (bfqq may have
1407  * remained idle for other reasons: CPU high load, bfqq not enjoying
1408  * idling, I/O throttling somewhere in the path from the process to
1409  * the I/O scheduler, ...). But if, after every expiration for one of
1410  * the above two reasons, bfqq has to wait for the service of at least
1411  * one full budget of another queue before being served again, then
1412  * bfqq is likely to get a much lower bandwidth or resource time than
1413  * its reserved ones. To address this issue, two countermeasures need
1414  * to be taken.
1415  *
1416  * First, the budget and the timestamps of bfqq need to be updated in
1417  * a special way on bfqq reactivation: they need to be updated as if
1418  * bfqq did not remain idle and did not expire. In fact, if they are
1419  * computed as if bfqq expired and remained idle until reactivation,
1420  * then the process associated with bfqq is treated as if, instead of
1421  * being greedy, it stopped issuing requests when bfqq remained idle,
1422  * and restarts issuing requests only on this reactivation. In other
1423  * words, the scheduler does not help the process recover the "service
1424  * hole" between bfqq expiration and reactivation. As a consequence,
1425  * the process receives a lower bandwidth than its reserved one. In
1426  * contrast, to recover this hole, the budget must be updated as if
1427  * bfqq was not expired at all before this reactivation, i.e., it must
1428  * be set to the value of the remaining budget when bfqq was
1429  * expired. Along the same line, timestamps need to be assigned the
1430  * value they had the last time bfqq was selected for service, i.e.,
1431  * before last expiration. Thus timestamps need to be back-shifted
1432  * with respect to their normal computation (see [1] for more details
1433  * on this tricky aspect).
1434  *
1435  * Secondly, to allow the process to recover the hole, the in-service
1436  * queue must be expired too, to give bfqq the chance to preempt it
1437  * immediately. In fact, if bfqq has to wait for a full budget of the
1438  * in-service queue to be completed, then it may become impossible to
1439  * let the process recover the hole, even if the back-shifted
1440  * timestamps of bfqq are lower than those of the in-service queue. If
1441  * this happens for most or all of the holes, then the process may not
1442  * receive its reserved bandwidth. In this respect, it is worth noting
1443  * that, being the service of outstanding requests unpreemptible, a
1444  * little fraction of the holes may however be unrecoverable, thereby
1445  * causing a little loss of bandwidth.
1446  *
1447  * The last important point is detecting whether bfqq does need this
1448  * bandwidth recovery. In this respect, the next function deems the
1449  * process associated with bfqq greedy, and thus allows it to recover
1450  * the hole, if: 1) the process is waiting for the arrival of a new
1451  * request (which implies that bfqq expired for one of the above two
1452  * reasons), and 2) such a request has arrived soon. The first
1453  * condition is controlled through the flag non_blocking_wait_rq,
1454  * while the second through the flag arrived_in_time. If both
1455  * conditions hold, then the function computes the budget in the
1456  * above-described special way, and signals that the in-service queue
1457  * should be expired. Timestamp back-shifting is done later in
1458  * __bfq_activate_entity.
1459  *
1460  * 2. Reduce latency. Even if timestamps are not backshifted to let
1461  * the process associated with bfqq recover a service hole, bfqq may
1462  * however happen to have, after being (re)activated, a lower finish
1463  * timestamp than the in-service queue.  That is, the next budget of
1464  * bfqq may have to be completed before the one of the in-service
1465  * queue. If this is the case, then preempting the in-service queue
1466  * allows this goal to be achieved, apart from the unpreemptible,
1467  * outstanding requests mentioned above.
1468  *
1469  * Unfortunately, regardless of which of the above two goals one wants
1470  * to achieve, service trees need first to be updated to know whether
1471  * the in-service queue must be preempted. To have service trees
1472  * correctly updated, the in-service queue must be expired and
1473  * rescheduled, and bfqq must be scheduled too. This is one of the
1474  * most costly operations (in future versions, the scheduling
1475  * mechanism may be re-designed in such a way to make it possible to
1476  * know whether preemption is needed without needing to update service
1477  * trees). In addition, queue preemptions almost always cause random
1478  * I/O, which may in turn cause loss of throughput. Finally, there may
1479  * even be no in-service queue when the next function is invoked (so,
1480  * no queue to compare timestamps with). Because of these facts, the
1481  * next function adopts the following simple scheme to avoid costly
1482  * operations, too frequent preemptions and too many dependencies on
1483  * the state of the scheduler: it requests the expiration of the
1484  * in-service queue (unconditionally) only for queues that need to
1485  * recover a hole. Then it delegates to other parts of the code the
1486  * responsibility of handling the above case 2.
1487  */
1488 static bool bfq_bfqq_update_budg_for_activation(struct bfq_data *bfqd,
1489                                                 struct bfq_queue *bfqq,
1490                                                 bool arrived_in_time)
1491 {
1492         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1493
1494         /*
1495          * In the next compound condition, we check also whether there
1496          * is some budget left, because otherwise there is no point in
1497          * trying to go on serving bfqq with this same budget: bfqq
1498          * would be expired immediately after being selected for
1499          * service. This would only cause useless overhead.
1500          */
1501         if (bfq_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq) && arrived_in_time &&
1502             bfq_bfqq_budget_left(bfqq) > 0) {
1503                 /*
1504                  * We do not clear the flag non_blocking_wait_rq here, as
1505                  * the latter is used in bfq_activate_bfqq to signal
1506                  * that timestamps need to be back-shifted (and is
1507                  * cleared right after).
1508                  */
1509
1510                 /*
1511                  * In next assignment we rely on that either
1512                  * entity->service or entity->budget are not updated
1513                  * on expiration if bfqq is empty (see
1514                  * __bfq_bfqq_recalc_budget). Thus both quantities
1515                  * remain unchanged after such an expiration, and the
1516                  * following statement therefore assigns to
1517                  * entity->budget the remaining budget on such an
1518                  * expiration.
1519                  */
1520                 entity->budget = min_t(unsigned long,
1521                                        bfq_bfqq_budget_left(bfqq),
1522                                        bfqq->max_budget);
1523
1524                 /*
1525                  * At this point, we have used entity->service to get
1526                  * the budget left (needed for updating
1527                  * entity->budget). Thus we finally can, and have to,
1528                  * reset entity->service. The latter must be reset
1529                  * because bfqq would otherwise be charged again for
1530                  * the service it has received during its previous
1531                  * service slot(s).
1532                  */
1533                 entity->service = 0;
1534
1535                 return true;
1536         }
1537
1538         /*
1539          * We can finally complete expiration, by setting service to 0.
1540          */
1541         entity->service = 0;
1542         entity->budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
1543                                bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq));
1544         bfq_clear_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
1545         return false;
1546 }
1547
1548 /*
1549  * Return the farthest past time instant according to jiffies
1550  * macros.
1551  */
1552 static unsigned long bfq_smallest_from_now(void)
1553 {
1554         return jiffies - MAX_JIFFY_OFFSET;
1555 }
1556
1557 static void bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(struct bfq_data *bfqd,
1558                                              struct bfq_queue *bfqq,
1559                                              unsigned int old_wr_coeff,
1560                                              bool wr_or_deserves_wr,
1561                                              bool interactive,
1562                                              bool in_burst,
1563                                              bool soft_rt)
1564 {
1565         if (old_wr_coeff == 1 && wr_or_deserves_wr) {
1566                 /* start a weight-raising period */
1567                 if (interactive) {
1568                         bfqq->service_from_wr = 0;
1569                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1570                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1571                 } else {
1572                         /*
1573                          * No interactive weight raising in progress
1574                          * here: assign minus infinity to
1575                          * wr_start_at_switch_to_srt, to make sure
1576                          * that, at the end of the soft-real-time
1577                          * weight raising periods that is starting
1578                          * now, no interactive weight-raising period
1579                          * may be wrongly considered as still in
1580                          * progress (and thus actually started by
1581                          * mistake).
1582                          */
1583                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1584                                 bfq_smallest_from_now();
1585                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1586                                 BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1587                         bfqq->wr_cur_max_time =
1588                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1589                 }
1590
1591                 /*
1592                  * If needed, further reduce budget to make sure it is
1593                  * close to bfqq's backlog, so as to reduce the
1594                  * scheduling-error component due to a too large
1595                  * budget. Do not care about throughput consequences,
1596                  * but only about latency. Finally, do not assign a
1597                  * too small budget either, to avoid increasing
1598                  * latency by causing too frequent expirations.
1599                  */
1600                 bfqq->entity.budget = min_t(unsigned long,
1601                                             bfqq->entity.budget,
1602                                             2 * bfq_min_budget(bfqd));
1603         } else if (old_wr_coeff > 1) {
1604                 if (interactive) { /* update wr coeff and duration */
1605                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1606                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1607                 } else if (in_burst)
1608                         bfqq->wr_coeff = 1;
1609                 else if (soft_rt) {
1610                         /*
1611                          * The application is now or still meeting the
1612                          * requirements for being deemed soft rt.  We
1613                          * can then correctly and safely (re)charge
1614                          * the weight-raising duration for the
1615                          * application with the weight-raising
1616                          * duration for soft rt applications.
1617                          *
1618                          * In particular, doing this recharge now, i.e.,
1619                          * before the weight-raising period for the
1620                          * application finishes, reduces the probability
1621                          * of the following negative scenario:
1622                          * 1) the weight of a soft rt application is
1623                          *    raised at startup (as for any newly
1624                          *    created application),
1625                          * 2) since the application is not interactive,
1626                          *    at a certain time weight-raising is
1627                          *    stopped for the application,
1628                          * 3) at that time the application happens to
1629                          *    still have pending requests, and hence
1630                          *    is destined to not have a chance to be
1631                          *    deemed soft rt before these requests are
1632                          *    completed (see the comments to the
1633                          *    function bfq_bfqq_softrt_next_start()
1634                          *    for details on soft rt detection),
1635                          * 4) these pending requests experience a high
1636                          *    latency because the application is not
1637                          *    weight-raised while they are pending.
1638                          */
1639                         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
1640                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time) {
1641                                 bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1642                                         bfqq->last_wr_start_finish;
1643
1644                                 bfqq->wr_cur_max_time =
1645                                         bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1646                                 bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1647                                         BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1648                         }
1649                         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1650                 }
1651         }
1652 }
1653
1654 static bool bfq_bfqq_idle_for_long_time(struct bfq_data *bfqd,
1655                                         struct bfq_queue *bfqq)
1656 {
1657         return bfqq->dispatched == 0 &&
1658                 time_is_before_jiffies(
1659                         bfqq->budget_timeout +
1660                         bfqd->bfq_wr_min_idle_time);
1661 }
1662
1663
1664 /*
1665  * Return true if bfqq is in a higher priority class, or has a higher
1666  * weight than the in-service queue.
1667  */
1668 static bool bfq_bfqq_higher_class_or_weight(struct bfq_queue *bfqq,
1669                                             struct bfq_queue *in_serv_bfqq)
1670 {
1671         int bfqq_weight, in_serv_weight;
1672
1673         if (bfqq->ioprio_class < in_serv_bfqq->ioprio_class)
1674                 return true;
1675
1676         if (in_serv_bfqq->entity.parent == bfqq->entity.parent) {
1677                 bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1678                 in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1679         } else {
1680                 if (bfqq->entity.parent)
1681                         bfqq_weight = bfqq->entity.parent->weight;
1682                 else
1683                         bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1684                 if (in_serv_bfqq->entity.parent)
1685                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.parent->weight;
1686                 else
1687                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1688         }
1689
1690         return bfqq_weight > in_serv_weight;
1691 }
1692
1693 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq);
1694
1695 static void bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(struct bfq_data *bfqd,
1696                                              struct bfq_queue *bfqq,
1697                                              int old_wr_coeff,
1698                                              struct request *rq,
1699                                              bool *interactive)
1700 {
1701         bool soft_rt, in_burst, wr_or_deserves_wr,
1702                 bfqq_wants_to_preempt,
1703                 idle_for_long_time = bfq_bfqq_idle_for_long_time(bfqd, bfqq),
1704                 /*
1705                  * See the comments on
1706                  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation for
1707                  * details on the usage of the next variable.
1708                  */
1709                 arrived_in_time =  ktime_get_ns() <=
1710                         bfqq->ttime.last_end_request +
1711                         bfqd->bfq_slice_idle * 3;
1712
1713
1714         /*
1715          * bfqq deserves to be weight-raised if:
1716          * - it is sync,
1717          * - it does not belong to a large burst,
1718          * - it has been idle for enough time or is soft real-time,
1719          * - is linked to a bfq_io_cq (it is not shared in any sense),
1720          * - has a default weight (otherwise we assume the user wanted
1721          *   to control its weight explicitly)
1722          */
1723         in_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1724         soft_rt = bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
1725                 !BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq) &&
1726                 !in_burst &&
1727                 time_is_before_jiffies(bfqq->soft_rt_next_start) &&
1728                 bfqq->dispatched == 0 &&
1729                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1730         *interactive = !in_burst && idle_for_long_time &&
1731                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1732         wr_or_deserves_wr = bfqd->low_latency &&
1733                 (bfqq->wr_coeff > 1 ||
1734                  (bfq_bfqq_sync(bfqq) &&
1735                   bfqq->bic && (*interactive || soft_rt)));
1736
1737         /*
1738          * Using the last flag, update budget and check whether bfqq
1739          * may want to preempt the in-service queue.
1740          */
1741         bfqq_wants_to_preempt =
1742                 bfq_bfqq_update_budg_for_activation(bfqd, bfqq,
1743                                                     arrived_in_time);
1744
1745         /*
1746          * If bfqq happened to be activated in a burst, but has been
1747          * idle for much more than an interactive queue, then we
1748          * assume that, in the overall I/O initiated in the burst, the
1749          * I/O associated with bfqq is finished. So bfqq does not need
1750          * to be treated as a queue belonging to a burst
1751          * anymore. Accordingly, we reset bfqq's in_large_burst flag
1752          * if set, and remove bfqq from the burst list if it's
1753          * there. We do not decrement burst_size, because the fact
1754          * that bfqq does not need to belong to the burst list any
1755          * more does not invalidate the fact that bfqq was created in
1756          * a burst.
1757          */
1758         if (likely(!bfq_bfqq_just_created(bfqq)) &&
1759             idle_for_long_time &&
1760             time_is_before_jiffies(
1761                     bfqq->budget_timeout +
1762                     msecs_to_jiffies(10000))) {
1763                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
1764                 bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1765         }
1766
1767         bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
1768
1769         if (bfqd->low_latency) {
1770                 if (unlikely(time_is_after_jiffies(bfqq->split_time)))
1771                         /* wraparound */
1772                         bfqq->split_time =
1773                                 jiffies - bfqd->bfq_wr_min_idle_time - 1;
1774
1775                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
1776                                            bfqd->bfq_wr_min_idle_time)) {
1777                         bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(bfqd, bfqq,
1778                                                          old_wr_coeff,
1779                                                          wr_or_deserves_wr,
1780                                                          *interactive,
1781                                                          in_burst,
1782                                                          soft_rt);
1783
1784                         if (old_wr_coeff != bfqq->wr_coeff)
1785                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
1786                 }
1787         }
1788
1789         bfqq->last_idle_bklogged = jiffies;
1790         bfqq->service_from_backlogged = 0;
1791         bfq_clear_bfqq_softrt_update(bfqq);
1792
1793         bfq_add_bfqq_busy(bfqd, bfqq);
1794
1795         /*
1796          * Expire in-service queue if preemption may be needed for
1797          * guarantees or throughput. As for guarantees, we care
1798          * explicitly about two cases. The first is that bfqq has to
1799          * recover a service hole, as explained in the comments on
1800          * bfq_bfqq_update_budg_for_activation(), i.e., that
1801          * bfqq_wants_to_preempt is true. However, if bfqq does not
1802          * carry time-critical I/O, then bfqq's bandwidth is less
1803          * important than that of queues that carry time-critical I/O.
1804          * So, as a further constraint, we consider this case only if
1805          * bfqq is at least as weight-raised, i.e., at least as time
1806          * critical, as the in-service queue.
1807          *
1808          * The second case is that bfqq is in a higher priority class,
1809          * or has a higher weight than the in-service queue. If this
1810          * condition does not hold, we don't care because, even if
1811          * bfqq does not start to be served immediately, the resulting
1812          * delay for bfqq's I/O is however lower or much lower than
1813          * the ideal completion time to be guaranteed to bfqq's I/O.
1814          *
1815          * In both cases, preemption is needed only if, according to
1816          * the timestamps of both bfqq and of the in-service queue,
1817          * bfqq actually is the next queue to serve. So, to reduce
1818          * useless preemptions, the return value of
1819          * next_queue_may_preempt() is considered in the next compound
1820          * condition too. Yet next_queue_may_preempt() just checks a
1821          * simple, necessary condition for bfqq to be the next queue
1822          * to serve. In fact, to evaluate a sufficient condition, the
1823          * timestamps of the in-service queue would need to be
1824          * updated, and this operation is quite costly (see the
1825          * comments on bfq_bfqq_update_budg_for_activation()).
1826          *
1827          * As for throughput, we ask bfq_better_to_idle() whether we
1828          * still need to plug I/O dispatching. If bfq_better_to_idle()
1829          * says no, then plugging is not needed any longer, either to
1830          * boost throughput or to perserve service guarantees. Then
1831          * the best option is to stop plugging I/O, as not doing so
1832          * would certainly lower throughput. We may end up in this
1833          * case if: (1) upon a dispatch attempt, we detected that it
1834          * was better to plug I/O dispatch, and to wait for a new
1835          * request to arrive for the currently in-service queue, but
1836          * (2) this switch of bfqq to busy changes the scenario.
1837          */
1838         if (bfqd->in_service_queue &&
1839             ((bfqq_wants_to_preempt &&
1840               bfqq->wr_coeff >= bfqd->in_service_queue->wr_coeff) ||
1841              bfq_bfqq_higher_class_or_weight(bfqq, bfqd->in_service_queue) ||
1842              !bfq_better_to_idle(bfqd->in_service_queue)) &&
1843             next_queue_may_preempt(bfqd))
1844                 bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqd->in_service_queue,
1845                                 false, BFQQE_PREEMPTED);
1846 }
1847
1848 static void bfq_reset_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
1849                                    struct bfq_queue *bfqq)
1850 {
1851         /* invalidate baseline total service time */
1852         bfqq->last_serv_time_ns = 0;
1853
1854         /*
1855          * Reset pointer in case we are waiting for
1856          * some request completion.
1857          */
1858         bfqd->waited_rq = NULL;
1859
1860         /*
1861          * If bfqq has a short think time, then start by setting the
1862          * inject limit to 0 prudentially, because the service time of
1863          * an injected I/O request may be higher than the think time
1864          * of bfqq, and therefore, if one request was injected when
1865          * bfqq remains empty, this injected request might delay the
1866          * service of the next I/O request for bfqq significantly. In
1867          * case bfqq can actually tolerate some injection, then the
1868          * adaptive update will however raise the limit soon. This
1869          * lucky circumstance holds exactly because bfqq has a short
1870          * think time, and thus, after remaining empty, is likely to
1871          * get new I/O enqueued---and then completed---before being
1872          * expired. This is the very pattern that gives the
1873          * limit-update algorithm the chance to measure the effect of
1874          * injection on request service times, and then to update the
1875          * limit accordingly.
1876          *
1877          * However, in the following special case, the inject limit is
1878          * left to 1 even if the think time is short: bfqq's I/O is
1879          * synchronized with that of some other queue, i.e., bfqq may
1880          * receive new I/O only after the I/O of the other queue is
1881          * completed. Keeping the inject limit to 1 allows the
1882          * blocking I/O to be served while bfqq is in service. And
1883          * this is very convenient both for bfqq and for overall
1884          * throughput, as explained in detail in the comments in
1885          * bfq_update_has_short_ttime().
1886          *
1887          * On the opposite end, if bfqq has a long think time, then
1888          * start directly by 1, because:
1889          * a) on the bright side, keeping at most one request in
1890          * service in the drive is unlikely to cause any harm to the
1891          * latency of bfqq's requests, as the service time of a single
1892          * request is likely to be lower than the think time of bfqq;
1893          * b) on the downside, after becoming empty, bfqq is likely to
1894          * expire before getting its next request. With this request
1895          * arrival pattern, it is very hard to sample total service
1896          * times and update the inject limit accordingly (see comments
1897          * on bfq_update_inject_limit()). So the limit is likely to be
1898          * never, or at least seldom, updated.  As a consequence, by
1899          * setting the limit to 1, we avoid that no injection ever
1900          * occurs with bfqq. On the downside, this proactive step
1901          * further reduces chances to actually compute the baseline
1902          * total service time. Thus it reduces chances to execute the
1903          * limit-update algorithm and possibly raise the limit to more
1904          * than 1.
1905          */
1906         if (bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq))
1907                 bfqq->inject_limit = 0;
1908         else
1909                 bfqq->inject_limit = 1;
1910
1911         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
1912 }
1913
1914 static void bfq_update_io_intensity(struct bfq_queue *bfqq, u64 now_ns)
1915 {
1916         u64 tot_io_time = now_ns - bfqq->io_start_time;
1917
1918         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfqq->dispatched == 0)
1919                 bfqq->tot_idle_time +=
1920                         now_ns - bfqq->ttime.last_end_request;
1921
1922         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq)))
1923                 return;
1924
1925         /*
1926          * Must be busy for at least about 80% of the time to be
1927          * considered I/O bound.
1928          */
1929         if (bfqq->tot_idle_time * 5 > tot_io_time)
1930                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1931         else
1932                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1933
1934         /*
1935          * Keep an observation window of at most 200 ms in the past
1936          * from now.
1937          */
1938         if (tot_io_time > 200 * NSEC_PER_MSEC) {
1939                 bfqq->io_start_time = now_ns - (tot_io_time>>1);
1940                 bfqq->tot_idle_time >>= 1;
1941         }
1942 }
1943
1944 /*
1945  * Detect whether bfqq's I/O seems synchronized with that of some
1946  * other queue, i.e., whether bfqq, after remaining empty, happens to
1947  * receive new I/O only right after some I/O request of the other
1948  * queue has been completed. We call waker queue the other queue, and
1949  * we assume, for simplicity, that bfqq may have at most one waker
1950  * queue.
1951  *
1952  * A remarkable throughput boost can be reached by unconditionally
1953  * injecting the I/O of the waker queue, every time a new
1954  * bfq_dispatch_request happens to be invoked while I/O is being
1955  * plugged for bfqq.  In addition to boosting throughput, this
1956  * unblocks bfqq's I/O, thereby improving bandwidth and latency for
1957  * bfqq. Note that these same results may be achieved with the general
1958  * injection mechanism, but less effectively. For details on this
1959  * aspect, see the comments on the choice of the queue for injection
1960  * in bfq_select_queue().
1961  *
1962  * Turning back to the detection of a waker queue, a queue Q is deemed
1963  * as a waker queue for bfqq if, for three consecutive times, bfqq
1964  * happens to become non empty right after a request of Q has been
1965  * completed. In particular, on the first time, Q is tentatively set
1966  * as a candidate waker queue, while on the third consecutive time
1967  * that Q is detected, the field waker_bfqq is set to Q, to confirm
1968  * that Q is a waker queue for bfqq. These detection steps are
1969  * performed only if bfqq has a long think time, so as to make it more
1970  * likely that bfqq's I/O is actually being blocked by a
1971  * synchronization. This last filter, plus the above three-times
1972  * requirement, make false positives less likely.
1973  *
1974  * NOTE
1975  *
1976  * The sooner a waker queue is detected, the sooner throughput can be
1977  * boosted by injecting I/O from the waker queue. Fortunately,
1978  * detection is likely to be actually fast, for the following
1979  * reasons. While blocked by synchronization, bfqq has a long think
1980  * time. This implies that bfqq's inject limit is at least equal to 1
1981  * (see the comments in bfq_update_inject_limit()). So, thanks to
1982  * injection, the waker queue is likely to be served during the very
1983  * first I/O-plugging time interval for bfqq. This triggers the first
1984  * step of the detection mechanism. Thanks again to injection, the
1985  * candidate waker queue is then likely to be confirmed no later than
1986  * during the next I/O-plugging interval for bfqq.
1987  *
1988  * ISSUE
1989  *
1990  * On queue merging all waker information is lost.
1991  */
1992 static void bfq_check_waker(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
1993                             u64 now_ns)
1994 {
1995         if (!bfqd->last_completed_rq_bfqq ||
1996             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq ||
1997             bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) ||
1998             now_ns - bfqd->last_completion >= 4 * NSEC_PER_MSEC ||
1999             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq->waker_bfqq)
2000                 return;
2001
2002         if (bfqd->last_completed_rq_bfqq !=
2003             bfqq->tentative_waker_bfqq) {
2004                 /*
2005                  * First synchronization detected with a
2006                  * candidate waker queue, or with a different
2007                  * candidate waker queue from the current one.
2008                  */
2009                 bfqq->tentative_waker_bfqq =
2010                         bfqd->last_completed_rq_bfqq;
2011                 bfqq->num_waker_detections = 1;
2012         } else /* Same tentative waker queue detected again */
2013                 bfqq->num_waker_detections++;
2014
2015         if (bfqq->num_waker_detections == 3) {
2016                 bfqq->waker_bfqq = bfqd->last_completed_rq_bfqq;
2017                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2018
2019                 /*
2020                  * If the waker queue disappears, then
2021                  * bfqq->waker_bfqq must be reset. To
2022                  * this goal, we maintain in each
2023                  * waker queue a list, woken_list, of
2024                  * all the queues that reference the
2025                  * waker queue through their
2026                  * waker_bfqq pointer. When the waker
2027                  * queue exits, the waker_bfqq pointer
2028                  * of all the queues in the woken_list
2029                  * is reset.
2030                  *
2031                  * In addition, if bfqq is already in
2032                  * the woken_list of a waker queue,
2033                  * then, before being inserted into
2034                  * the woken_list of a new waker
2035                  * queue, bfqq must be removed from
2036                  * the woken_list of the old waker
2037                  * queue.
2038                  */
2039                 if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
2040                         hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
2041                 hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
2042                                &bfqd->last_completed_rq_bfqq->woken_list);
2043         }
2044 }
2045
2046 static void bfq_add_request(struct request *rq)
2047 {
2048         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2049         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2050         struct request *next_rq, *prev;
2051         unsigned int old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2052         bool interactive = false;
2053         u64 now_ns = ktime_get_ns();
2054
2055         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "add_request %d", rq_is_sync(rq));
2056         bfqq->queued[rq_is_sync(rq)]++;
2057         bfqd->queued++;
2058
2059         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
2060                 bfq_check_waker(bfqd, bfqq, now_ns);
2061
2062                 /*
2063                  * Periodically reset inject limit, to make sure that
2064                  * the latter eventually drops in case workload
2065                  * changes, see step (3) in the comments on
2066                  * bfq_update_inject_limit().
2067                  */
2068                 if (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2069                                              msecs_to_jiffies(1000)))
2070                         bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
2071
2072                 /*
2073                  * The following conditions must hold to setup a new
2074                  * sampling of total service time, and then a new
2075                  * update of the inject limit:
2076                  * - bfqq is in service, because the total service
2077                  *   time is evaluated only for the I/O requests of
2078                  *   the queues in service;
2079                  * - this is the right occasion to compute or to
2080                  *   lower the baseline total service time, because
2081                  *   there are actually no requests in the drive,
2082                  *   or
2083                  *   the baseline total service time is available, and
2084                  *   this is the right occasion to compute the other
2085                  *   quantity needed to update the inject limit, i.e.,
2086                  *   the total service time caused by the amount of
2087                  *   injection allowed by the current value of the
2088                  *   limit. It is the right occasion because injection
2089                  *   has actually been performed during the service
2090                  *   hole, and there are still in-flight requests,
2091                  *   which are very likely to be exactly the injected
2092                  *   requests, or part of them;
2093                  * - the minimum interval for sampling the total
2094                  *   service time and updating the inject limit has
2095                  *   elapsed.
2096                  */
2097                 if (bfqq == bfqd->in_service_queue &&
2098                     (bfqd->rq_in_driver == 0 ||
2099                      (bfqq->last_serv_time_ns > 0 &&
2100                       bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver > 0)) &&
2101                     time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2102                                               msecs_to_jiffies(10))) {
2103                         bfqd->last_empty_occupied_ns = ktime_get_ns();
2104                         /*
2105                          * Start the state machine for measuring the
2106                          * total service time of rq: setting
2107                          * wait_dispatch will cause bfqd->waited_rq to
2108                          * be set when rq will be dispatched.
2109                          */
2110                         bfqd->wait_dispatch = true;
2111                         /*
2112                          * If there is no I/O in service in the drive,
2113                          * then possible injection occurred before the
2114                          * arrival of rq will not affect the total
2115                          * service time of rq. So the injection limit
2116                          * must not be updated as a function of such
2117                          * total service time, unless new injection
2118                          * occurs before rq is completed. To have the
2119                          * injection limit updated only in the latter
2120                          * case, reset rqs_injected here (rqs_injected
2121                          * will be set in case injection is performed
2122                          * on bfqq before rq is completed).
2123                          */
2124                         if (bfqd->rq_in_driver == 0)
2125                                 bfqd->rqs_injected = false;
2126                 }
2127         }
2128
2129         if (bfq_bfqq_sync(bfqq))
2130                 bfq_update_io_intensity(bfqq, now_ns);
2131
2132         elv_rb_add(&bfqq->sort_list, rq);
2133
2134         /*
2135          * Check if this request is a better next-serve candidate.
2136          */
2137         prev = bfqq->next_rq;
2138         next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, rq, bfqd->last_position);
2139         bfqq->next_rq = next_rq;
2140
2141         /*
2142          * Adjust priority tree position, if next_rq changes.
2143          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
2144          */
2145         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing && prev != bfqq->next_rq))
2146                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2147
2148         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq)) /* switching to busy ... */
2149                 bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(bfqd, bfqq, old_wr_coeff,
2150                                                  rq, &interactive);
2151         else {
2152                 if (bfqd->low_latency && old_wr_coeff == 1 && !rq_is_sync(rq) &&
2153                     time_is_before_jiffies(
2154                                 bfqq->last_wr_start_finish +
2155                                 bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async)) {
2156                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
2157                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
2158
2159                         bfqd->wr_busy_queues++;
2160                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2161                 }
2162                 if (prev != bfqq->next_rq)
2163                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2164         }
2165
2166         /*
2167          * Assign jiffies to last_wr_start_finish in the following
2168          * cases:
2169          *
2170          * . if bfqq is not going to be weight-raised, because, for
2171          *   non weight-raised queues, last_wr_start_finish stores the
2172          *   arrival time of the last request; as of now, this piece
2173          *   of information is used only for deciding whether to
2174          *   weight-raise async queues
2175          *
2176          * . if bfqq is not weight-raised, because, if bfqq is now
2177          *   switching to weight-raised, then last_wr_start_finish
2178          *   stores the time when weight-raising starts
2179          *
2180          * . if bfqq is interactive, because, regardless of whether
2181          *   bfqq is currently weight-raised, the weight-raising
2182          *   period must start or restart (this case is considered
2183          *   separately because it is not detected by the above
2184          *   conditions, if bfqq is already weight-raised)
2185          *
2186          * last_wr_start_finish has to be updated also if bfqq is soft
2187          * real-time, because the weight-raising period is constantly
2188          * restarted on idle-to-busy transitions for these queues, but
2189          * this is already done in bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch if
2190          * needed.
2191          */
2192         if (bfqd->low_latency &&
2193                 (old_wr_coeff == 1 || bfqq->wr_coeff == 1 || interactive))
2194                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2195 }
2196
2197 static struct request *bfq_find_rq_fmerge(struct bfq_data *bfqd,
2198                                           struct bio *bio,
2199                                           struct request_queue *q)
2200 {
2201         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq;
2202
2203
2204         if (bfqq)
2205                 return elv_rb_find(&bfqq->sort_list, bio_end_sector(bio));
2206
2207         return NULL;
2208 }
2209
2210 static sector_t get_sdist(sector_t last_pos, struct request *rq)
2211 {
2212         if (last_pos)
2213                 return abs(blk_rq_pos(rq) - last_pos);
2214
2215         return 0;
2216 }
2217
2218 #if 0 /* Still not clear if we can do without next two functions */
2219 static void bfq_activate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2220 {
2221         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2222
2223         bfqd->rq_in_driver++;
2224 }
2225
2226 static void bfq_deactivate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2227 {
2228         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2229
2230         bfqd->rq_in_driver--;
2231 }
2232 #endif
2233
2234 static void bfq_remove_request(struct request_queue *q,
2235                                struct request *rq)
2236 {
2237         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2238         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2239         const int sync = rq_is_sync(rq);
2240
2241         if (bfqq->next_rq == rq) {
2242                 bfqq->next_rq = bfq_find_next_rq(bfqd, bfqq, rq);
2243                 bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2244         }
2245
2246         if (rq->queuelist.prev != &rq->queuelist)
2247                 list_del_init(&rq->queuelist);
2248         bfqq->queued[sync]--;
2249         bfqd->queued--;
2250         elv_rb_del(&bfqq->sort_list, rq);
2251
2252         elv_rqhash_del(q, rq);
2253         if (q->last_merge == rq)
2254                 q->last_merge = NULL;
2255
2256         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
2257                 bfqq->next_rq = NULL;
2258
2259                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && bfqq != bfqd->in_service_queue) {
2260                         bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2261                         /*
2262                          * bfqq emptied. In normal operation, when
2263                          * bfqq is empty, bfqq->entity.service and
2264                          * bfqq->entity.budget must contain,
2265                          * respectively, the service received and the
2266                          * budget used last time bfqq emptied. These
2267                          * facts do not hold in this case, as at least
2268                          * this last removal occurred while bfqq is
2269                          * not in service. To avoid inconsistencies,
2270                          * reset both bfqq->entity.service and
2271                          * bfqq->entity.budget, if bfqq has still a
2272                          * process that may issue I/O requests to it.
2273                          */
2274                         bfqq->entity.budget = bfqq->entity.service = 0;
2275                 }
2276
2277                 /*
2278                  * Remove queue from request-position tree as it is empty.
2279                  */
2280                 if (bfqq->pos_root) {
2281                         rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
2282                         bfqq->pos_root = NULL;
2283                 }
2284         } else {
2285                 /* see comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely() */
2286                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2287                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2288         }
2289
2290         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
2291                 bfqq->meta_pending--;
2292
2293 }
2294
2295 static bool bfq_bio_merge(struct request_queue *q, struct bio *bio,
2296                 unsigned int nr_segs)
2297 {
2298         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2299         struct request *free = NULL;
2300         /*
2301          * bfq_bic_lookup grabs the queue_lock: invoke it now and
2302          * store its return value for later use, to avoid nesting
2303          * queue_lock inside the bfqd->lock. We assume that the bic
2304          * returned by bfq_bic_lookup does not go away before
2305          * bfqd->lock is taken.
2306          */
2307         struct bfq_io_cq *bic = bfq_bic_lookup(bfqd, current->io_context, q);
2308         bool ret;
2309
2310         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2311
2312         if (bic)
2313                 bfqd->bio_bfqq = bic_to_bfqq(bic, op_is_sync(bio->bi_opf));
2314         else
2315                 bfqd->bio_bfqq = NULL;
2316         bfqd->bio_bic = bic;
2317
2318         ret = blk_mq_sched_try_merge(q, bio, nr_segs, &free);
2319
2320         if (free)
2321                 blk_mq_free_request(free);
2322         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2323
2324         return ret;
2325 }
2326
2327 static int bfq_request_merge(struct request_queue *q, struct request **req,
2328                              struct bio *bio)
2329 {
2330         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2331         struct request *__rq;
2332
2333         __rq = bfq_find_rq_fmerge(bfqd, bio, q);
2334         if (__rq && elv_bio_merge_ok(__rq, bio)) {
2335                 *req = __rq;
2336                 return ELEVATOR_FRONT_MERGE;
2337         }
2338
2339         return ELEVATOR_NO_MERGE;
2340 }
2341
2342 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq);
2343
2344 static void bfq_request_merged(struct request_queue *q, struct request *req,
2345                                enum elv_merge type)
2346 {
2347         if (type == ELEVATOR_FRONT_MERGE &&
2348             rb_prev(&req->rb_node) &&
2349             blk_rq_pos(req) <
2350             blk_rq_pos(container_of(rb_prev(&req->rb_node),
2351                                     struct request, rb_node))) {
2352                 struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(req);
2353                 struct bfq_data *bfqd;
2354                 struct request *prev, *next_rq;
2355
2356                 if (!bfqq)
2357                         return;
2358
2359                 bfqd = bfqq->bfqd;
2360
2361                 /* Reposition request in its sort_list */
2362                 elv_rb_del(&bfqq->sort_list, req);
2363                 elv_rb_add(&bfqq->sort_list, req);
2364
2365                 /* Choose next request to be served for bfqq */
2366                 prev = bfqq->next_rq;
2367                 next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, req,
2368                                          bfqd->last_position);
2369                 bfqq->next_rq = next_rq;
2370                 /*
2371                  * If next_rq changes, update both the queue's budget to
2372                  * fit the new request and the queue's position in its
2373                  * rq_pos_tree.
2374                  */
2375                 if (prev != bfqq->next_rq) {
2376                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2377                         /*
2378                          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for
2379                          * the unlikely().
2380                          */
2381                         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2382                                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2383                 }
2384         }
2385 }
2386
2387 /*
2388  * This function is called to notify the scheduler that the requests
2389  * rq and 'next' have been merged, with 'next' going away.  BFQ
2390  * exploits this hook to address the following issue: if 'next' has a
2391  * fifo_time lower that rq, then the fifo_time of rq must be set to
2392  * the value of 'next', to not forget the greater age of 'next'.
2393  *
2394  * NOTE: in this function we assume that rq is in a bfq_queue, basing
2395  * on that rq is picked from the hash table q->elevator->hash, which,
2396  * in its turn, is filled only with I/O requests present in
2397  * bfq_queues, while BFQ is in use for the request queue q. In fact,
2398  * the function that fills this hash table (elv_rqhash_add) is called
2399  * only by bfq_insert_request.
2400  */
2401 static void bfq_requests_merged(struct request_queue *q, struct request *rq,
2402                                 struct request *next)
2403 {
2404         struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(rq),
2405                 *next_bfqq = bfq_init_rq(next);
2406
2407         if (!bfqq)
2408                 return;
2409
2410         /*
2411          * If next and rq belong to the same bfq_queue and next is older
2412          * than rq, then reposition rq in the fifo (by substituting next
2413          * with rq). Otherwise, if next and rq belong to different
2414          * bfq_queues, never reposition rq: in fact, we would have to
2415          * reposition it with respect to next's position in its own fifo,
2416          * which would most certainly be too expensive with respect to
2417          * the benefits.
2418          */
2419         if (bfqq == next_bfqq &&
2420             !list_empty(&rq->queuelist) && !list_empty(&next->queuelist) &&
2421             next->fifo_time < rq->fifo_time) {
2422                 list_del_init(&rq->queuelist);
2423                 list_replace_init(&next->queuelist, &rq->queuelist);
2424                 rq->fifo_time = next->fifo_time;
2425         }
2426
2427         if (bfqq->next_rq == next)
2428                 bfqq->next_rq = rq;
2429
2430         bfqg_stats_update_io_merged(bfqq_group(bfqq), next->cmd_flags);
2431 }
2432
2433 /* Must be called with bfqq != NULL */
2434 static void bfq_bfqq_end_wr(struct bfq_queue *bfqq)
2435 {
2436         /*
2437          * If bfqq has been enjoying interactive weight-raising, then
2438          * reset soft_rt_next_start. We do it for the following
2439          * reason. bfqq may have been conveying the I/O needed to load
2440          * a soft real-time application. Such an application actually
2441          * exhibits a soft real-time I/O pattern after it finishes
2442          * loading, and finally starts doing its job. But, if bfqq has
2443          * been receiving a lot of bandwidth so far (likely to happen
2444          * on a fast device), then soft_rt_next_start now contains a
2445          * high value that. So, without this reset, bfqq would be
2446          * prevented from being possibly considered as soft_rt for a
2447          * very long time.
2448          */
2449
2450         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
2451             bfqq->bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
2452                 bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
2453
2454         if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2455                 bfqq->bfqd->wr_busy_queues--;
2456         bfqq->wr_coeff = 1;
2457         bfqq->wr_cur_max_time = 0;
2458         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2459         /*
2460          * Trigger a weight change on the next invocation of
2461          * __bfq_entity_update_weight_prio.
2462          */
2463         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2464 }
2465
2466 void bfq_end_wr_async_queues(struct bfq_data *bfqd,
2467                              struct bfq_group *bfqg)
2468 {
2469         int i, j;
2470
2471         for (i = 0; i < 2; i++)
2472                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
2473                         if (bfqg->async_bfqq[i][j])
2474                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_bfqq[i][j]);
2475         if (bfqg->async_idle_bfqq)
2476                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_idle_bfqq);
2477 }
2478
2479 static void bfq_end_wr(struct bfq_data *bfqd)
2480 {
2481         struct bfq_queue *bfqq;
2482
2483         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2484
2485         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
2486                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2487         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
2488                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2489         bfq_end_wr_async(bfqd);
2490
2491         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2492 }
2493
2494 static sector_t bfq_io_struct_pos(void *io_struct, bool request)
2495 {
2496         if (request)
2497                 return blk_rq_pos(io_struct);
2498         else
2499                 return ((struct bio *)io_struct)->bi_iter.bi_sector;
2500 }
2501
2502 static int bfq_rq_close_to_sector(void *io_struct, bool request,
2503                                   sector_t sector)
2504 {
2505         return abs(bfq_io_struct_pos(io_struct, request) - sector) <=
2506                BFQQ_CLOSE_THR;
2507 }
2508
2509 static struct bfq_queue *bfqq_find_close(struct bfq_data *bfqd,
2510                                          struct bfq_queue *bfqq,
2511                                          sector_t sector)
2512 {
2513         struct rb_root *root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
2514         struct rb_node *parent, *node;
2515         struct bfq_queue *__bfqq;
2516
2517         if (RB_EMPTY_ROOT(root))
2518                 return NULL;
2519
2520         /*
2521          * First, if we find a request starting at the end of the last
2522          * request, choose it.
2523          */
2524         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, root, sector, &parent, NULL);
2525         if (__bfqq)
2526                 return __bfqq;
2527
2528         /*
2529          * If the exact sector wasn't found, the parent of the NULL leaf
2530          * will contain the closest sector (rq_pos_tree sorted by
2531          * next_request position).
2532          */
2533         __bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
2534         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2535                 return __bfqq;
2536
2537         if (blk_rq_pos(__bfqq->next_rq) < sector)
2538                 node = rb_next(&__bfqq->pos_node);
2539         else
2540                 node = rb_prev(&__bfqq->pos_node);
2541         if (!node)
2542                 return NULL;
2543
2544         __bfqq = rb_entry(node, struct bfq_queue, pos_node);
2545         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2546                 return __bfqq;
2547
2548         return NULL;
2549 }
2550
2551 static struct bfq_queue *bfq_find_close_cooperator(struct bfq_data *bfqd,
2552                                                    struct bfq_queue *cur_bfqq,
2553                                                    sector_t sector)
2554 {
2555         struct bfq_queue *bfqq;
2556
2557         /*
2558          * We shall notice if some of the queues are cooperating,
2559          * e.g., working closely on the same area of the device. In
2560          * that case, we can group them together and: 1) don't waste
2561          * time idling, and 2) serve the union of their requests in
2562          * the best possible order for throughput.
2563          */
2564         bfqq = bfqq_find_close(bfqd, cur_bfqq, sector);
2565         if (!bfqq || bfqq == cur_bfqq)
2566                 return NULL;
2567
2568         return bfqq;
2569 }
2570
2571 static struct bfq_queue *
2572 bfq_setup_merge(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2573 {
2574         int process_refs, new_process_refs;
2575         struct bfq_queue *__bfqq;
2576
2577         /*
2578          * If there are no process references on the new_bfqq, then it is
2579          * unsafe to follow the ->new_bfqq chain as other bfqq's in the chain
2580          * may have dropped their last reference (not just their last process
2581          * reference).
2582          */
2583         if (!bfqq_process_refs(new_bfqq))
2584                 return NULL;
2585
2586         /* Avoid a circular list and skip interim queue merges. */
2587         while ((__bfqq = new_bfqq->new_bfqq)) {
2588                 if (__bfqq == bfqq)
2589                         return NULL;
2590                 new_bfqq = __bfqq;
2591         }
2592
2593         process_refs = bfqq_process_refs(bfqq);
2594         new_process_refs = bfqq_process_refs(new_bfqq);
2595         /*
2596          * If the process for the bfqq has gone away, there is no
2597          * sense in merging the queues.
2598          */
2599         if (process_refs == 0 || new_process_refs == 0)
2600                 return NULL;
2601
2602         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "scheduling merge with queue %d",
2603                 new_bfqq->pid);
2604
2605         /*
2606          * Merging is just a redirection: the requests of the process
2607          * owning one of the two queues are redirected to the other queue.
2608          * The latter queue, in its turn, is set as shared if this is the
2609          * first time that the requests of some process are redirected to
2610          * it.
2611          *
2612          * We redirect bfqq to new_bfqq and not the opposite, because
2613          * we are in the context of the process owning bfqq, thus we
2614          * have the io_cq of this process. So we can immediately
2615          * configure this io_cq to redirect the requests of the
2616          * process to new_bfqq. In contrast, the io_cq of new_bfqq is
2617          * not available any more (new_bfqq->bic == NULL).
2618          *
2619          * Anyway, even in case new_bfqq coincides with the in-service
2620          * queue, redirecting requests the in-service queue is the
2621          * best option, as we feed the in-service queue with new
2622          * requests close to the last request served and, by doing so,
2623          * are likely to increase the throughput.
2624          */
2625         bfqq->new_bfqq = new_bfqq;
2626         new_bfqq->ref += process_refs;
2627         return new_bfqq;
2628 }
2629
2630 static bool bfq_may_be_close_cooperator(struct bfq_queue *bfqq,
2631                                         struct bfq_queue *new_bfqq)
2632 {
2633         if (bfq_too_late_for_merging(new_bfqq))
2634                 return false;
2635
2636         if (bfq_class_idle(bfqq) || bfq_class_idle(new_bfqq) ||
2637             (bfqq->ioprio_class != new_bfqq->ioprio_class))
2638                 return false;
2639
2640         /*
2641          * If either of the queues has already been detected as seeky,
2642          * then merging it with the other queue is unlikely to lead to
2643          * sequential I/O.
2644          */
2645         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) || BFQQ_SEEKY(new_bfqq))
2646                 return false;
2647
2648         /*
2649          * Interleaved I/O is known to be done by (some) applications
2650          * only for reads, so it does not make sense to merge async
2651          * queues.
2652          */
2653         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || !bfq_bfqq_sync(new_bfqq))
2654                 return false;
2655
2656         return true;
2657 }
2658
2659 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
2660                                              struct bfq_queue *bfqq);
2661
2662 /*
2663  * Attempt to schedule a merge of bfqq with the currently in-service
2664  * queue or with a close queue among the scheduled queues.  Return
2665  * NULL if no merge was scheduled, a pointer to the shared bfq_queue
2666  * structure otherwise.
2667  *
2668  * The OOM queue is not allowed to participate to cooperation: in fact, since
2669  * the requests temporarily redirected to the OOM queue could be redirected
2670  * again to dedicated queues at any time, the state needed to correctly
2671  * handle merging with the OOM queue would be quite complex and expensive
2672  * to maintain. Besides, in such a critical condition as an out of memory,
2673  * the benefits of queue merging may be little relevant, or even negligible.
2674  *
2675  * WARNING: queue merging may impair fairness among non-weight raised
2676  * queues, for at least two reasons: 1) the original weight of a
2677  * merged queue may change during the merged state, 2) even being the
2678  * weight the same, a merged queue may be bloated with many more
2679  * requests than the ones produced by its originally-associated
2680  * process.
2681  */
2682 static struct bfq_queue *
2683 bfq_setup_cooperator(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
2684                      void *io_struct, bool request, struct bfq_io_cq *bic)
2685 {
2686         struct bfq_queue *in_service_bfqq, *new_bfqq;
2687
2688         /*
2689          * Check delayed stable merge for rotational or non-queueing
2690          * devs. For this branch to be executed, bfqq must not be
2691          * currently merged with some other queue (i.e., bfqq->bic
2692          * must be non null). If we considered also merged queues,
2693          * then we should also check whether bfqq has already been
2694          * merged with bic->stable_merge_bfqq. But this would be
2695          * costly and complicated.
2696          */
2697         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing)) {
2698                 if (bic->stable_merge_bfqq &&
2699                     !bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2700                     time_is_after_jiffies(bfqq->split_time +
2701                                           msecs_to_jiffies(200))) {
2702                         struct bfq_queue *stable_merge_bfqq =
2703                                 bic->stable_merge_bfqq;
2704                         int proc_ref = min(bfqq_process_refs(bfqq),
2705                                            bfqq_process_refs(stable_merge_bfqq));
2706
2707                         /* deschedule stable merge, because done or aborted here */
2708                         bfq_put_stable_ref(stable_merge_bfqq);
2709
2710                         bic->stable_merge_bfqq = NULL;
2711
2712                         if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
2713                             proc_ref > 0) {
2714                                 /* next function will take at least one ref */
2715                                 struct bfq_queue *new_bfqq =
2716                                         bfq_setup_merge(bfqq, stable_merge_bfqq);
2717
2718                                 bic->stably_merged = true;
2719                                 if (new_bfqq && new_bfqq->bic)
2720                                         new_bfqq->bic->stably_merged = true;
2721                                 return new_bfqq;
2722                         } else
2723                                 return NULL;
2724                 }
2725         }
2726
2727         /*
2728          * Do not perform queue merging if the device is non
2729          * rotational and performs internal queueing. In fact, such a
2730          * device reaches a high speed through internal parallelism
2731          * and pipelining. This means that, to reach a high
2732          * throughput, it must have many requests enqueued at the same
2733          * time. But, in this configuration, the internal scheduling
2734          * algorithm of the device does exactly the job of queue
2735          * merging: it reorders requests so as to obtain as much as
2736          * possible a sequential I/O pattern. As a consequence, with
2737          * the workload generated by processes doing interleaved I/O,
2738          * the throughput reached by the device is likely to be the
2739          * same, with and without queue merging.
2740          *
2741          * Disabling merging also provides a remarkable benefit in
2742          * terms of throughput. Merging tends to make many workloads
2743          * artificially more uneven, because of shared queues
2744          * remaining non empty for incomparably more time than
2745          * non-merged queues. This may accentuate workload
2746          * asymmetries. For example, if one of the queues in a set of
2747          * merged queues has a higher weight than a normal queue, then
2748          * the shared queue may inherit such a high weight and, by
2749          * staying almost always active, may force BFQ to perform I/O
2750          * plugging most of the time. This evidently makes it harder
2751          * for BFQ to let the device reach a high throughput.
2752          *
2753          * Finally, the likely() macro below is not used because one
2754          * of the two branches is more likely than the other, but to
2755          * have the code path after the following if() executed as
2756          * fast as possible for the case of a non rotational device
2757          * with queueing. We want it because this is the fastest kind
2758          * of device. On the opposite end, the likely() may lengthen
2759          * the execution time of BFQ for the case of slower devices
2760          * (rotational or at least without queueing). But in this case
2761          * the execution time of BFQ matters very little, if not at
2762          * all.
2763          */
2764         if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
2765                 return NULL;
2766
2767         /*
2768          * Prevent bfqq from being merged if it has been created too
2769          * long ago. The idea is that true cooperating processes, and
2770          * thus their associated bfq_queues, are supposed to be
2771          * created shortly after each other. This is the case, e.g.,
2772          * for KVM/QEMU and dump I/O threads. Basing on this
2773          * assumption, the following filtering greatly reduces the
2774          * probability that two non-cooperating processes, which just
2775          * happen to do close I/O for some short time interval, have
2776          * their queues merged by mistake.
2777          */
2778         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
2779                 return NULL;
2780
2781         if (bfqq->new_bfqq)
2782                 return bfqq->new_bfqq;
2783
2784         if (!io_struct || unlikely(bfqq == &bfqd->oom_bfqq))
2785                 return NULL;
2786
2787         /* If there is only one backlogged queue, don't search. */
2788         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1)
2789                 return NULL;
2790
2791         in_service_bfqq = bfqd->in_service_queue;
2792
2793         if (in_service_bfqq && in_service_bfqq != bfqq &&
2794             likely(in_service_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2795             bfq_rq_close_to_sector(io_struct, request,
2796                                    bfqd->in_serv_last_pos) &&
2797             bfqq->entity.parent == in_service_bfqq->entity.parent &&
2798             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, in_service_bfqq)) {
2799                 new_bfqq = bfq_setup_merge(bfqq, in_service_bfqq);
2800                 if (new_bfqq)
2801                         return new_bfqq;
2802         }
2803         /*
2804          * Check whether there is a cooperator among currently scheduled
2805          * queues. The only thing we need is that the bio/request is not
2806          * NULL, as we need it to establish whether a cooperator exists.
2807          */
2808         new_bfqq = bfq_find_close_cooperator(bfqd, bfqq,
2809                         bfq_io_struct_pos(io_struct, request));
2810
2811         if (new_bfqq && likely(new_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2812             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, new_bfqq))
2813                 return bfq_setup_merge(bfqq, new_bfqq);
2814
2815         return NULL;
2816 }
2817
2818 static void bfq_bfqq_save_state(struct bfq_queue *bfqq)
2819 {
2820         struct bfq_io_cq *bic = bfqq->bic;
2821
2822         /*
2823          * If !bfqq->bic, the queue is already shared or its requests
2824          * have already been redirected to a shared queue; both idle window
2825          * and weight raising state have already been saved. Do nothing.
2826          */
2827         if (!bic)
2828                 return;
2829
2830         bic->saved_last_serv_time_ns = bfqq->last_serv_time_ns;
2831         bic->saved_inject_limit = bfqq->inject_limit;
2832         bic->saved_decrease_time_jif = bfqq->decrease_time_jif;
2833
2834         bic->saved_weight = bfqq->entity.orig_weight;
2835         bic->saved_ttime = bfqq->ttime;
2836         bic->saved_has_short_ttime = bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
2837         bic->saved_IO_bound = bfq_bfqq_IO_bound(bfqq);
2838         bic->saved_io_start_time = bfqq->io_start_time;
2839         bic->saved_tot_idle_time = bfqq->tot_idle_time;
2840         bic->saved_in_large_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
2841         bic->was_in_burst_list = !hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node);
2842         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2843                      !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
2844                      bfqq->bfqd->low_latency)) {
2845                 /*
2846                  * bfqq being merged right after being created: bfqq
2847                  * would have deserved interactive weight raising, but
2848                  * did not make it to be set in a weight-raised state,
2849                  * because of this early merge. Store directly the
2850                  * weight-raising state that would have been assigned
2851                  * to bfqq, so that to avoid that bfqq unjustly fails
2852                  * to enjoy weight raising if split soon.
2853                  */
2854                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->bfqd->bfq_wr_coeff;
2855                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
2856                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqq->bfqd);
2857                 bic->saved_last_wr_start_finish = jiffies;
2858         } else {
2859                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2860                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt =
2861                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2862                 bic->saved_service_from_wr = bfqq->service_from_wr;
2863                 bic->saved_last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2864                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2865         }
2866 }
2867
2868
2869 static void
2870 bfq_reassign_last_bfqq(struct bfq_queue *cur_bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2871 {
2872         if (cur_bfqq->entity.parent &&
2873             cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2874                 cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created = new_bfqq;
2875         else if (cur_bfqq->bfqd && cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2876                 cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created = new_bfqq;
2877 }
2878
2879 void bfq_release_process_ref(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
2880 {
2881         /*
2882          * To prevent bfqq's service guarantees from being violated,
2883          * bfqq may be left busy, i.e., queued for service, even if
2884          * empty (see comments in __bfq_bfqq_expire() for
2885          * details). But, if no process will send requests to bfqq any
2886          * longer, then there is no point in keeping bfqq queued for
2887          * service. In addition, keeping bfqq queued for service, but
2888          * with no process ref any longer, may have caused bfqq to be
2889          * freed when dequeued from service. But this is assumed to
2890          * never happen.
2891          */
2892         if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
2893             bfqq != bfqd->in_service_queue)
2894                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2895
2896         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, NULL);
2897
2898         bfq_put_queue(bfqq);
2899 }
2900
2901 static void
2902 bfq_merge_bfqqs(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_io_cq *bic,
2903                 struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2904 {
2905         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "merging with queue %lu",
2906                 (unsigned long)new_bfqq->pid);
2907         /* Save weight raising and idle window of the merged queues */
2908         bfq_bfqq_save_state(bfqq);
2909         bfq_bfqq_save_state(new_bfqq);
2910         if (bfq_bfqq_IO_bound(bfqq))
2911                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(new_bfqq);
2912         bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
2913
2914         /*
2915          * The processes associated with bfqq are cooperators of the
2916          * processes associated with new_bfqq. So, if bfqq has a
2917          * waker, then assume that all these processes will be happy
2918          * to let bfqq's waker freely inject I/O when they have no
2919          * I/O.
2920          */
2921         if (bfqq->waker_bfqq && !new_bfqq->waker_bfqq &&
2922             bfqq->waker_bfqq != new_bfqq) {
2923                 new_bfqq->waker_bfqq = bfqq->waker_bfqq;
2924                 new_bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2925
2926                 /*
2927                  * If the waker queue disappears, then
2928                  * new_bfqq->waker_bfqq must be reset. So insert
2929                  * new_bfqq into the woken_list of the waker. See
2930                  * bfq_check_waker for details.
2931                  */
2932                 hlist_add_head(&new_bfqq->woken_list_node,
2933                                &new_bfqq->waker_bfqq->woken_list);
2934
2935         }
2936
2937         /*
2938          * If bfqq is weight-raised, then let new_bfqq inherit
2939          * weight-raising. To reduce false positives, neglect the case
2940          * where bfqq has just been created, but has not yet made it
2941          * to be weight-raised (which may happen because EQM may merge
2942          * bfqq even before bfq_add_request is executed for the first
2943          * time for bfqq). Handling this case would however be very
2944          * easy, thanks to the flag just_created.
2945          */
2946         if (new_bfqq->wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1) {
2947                 new_bfqq->wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2948                 new_bfqq->wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2949                 new_bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2950                 new_bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
2951                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2952                 if (bfq_bfqq_busy(new_bfqq))
2953                         bfqd->wr_busy_queues++;
2954                 new_bfqq->entity.prio_changed = 1;
2955         }
2956
2957         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* bfqq has given its wr to new_bfqq */
2958                 bfqq->wr_coeff = 1;
2959                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
2960                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2961                         bfqd->wr_busy_queues--;
2962         }
2963
2964         bfq_log_bfqq(bfqd, new_bfqq, "merge_bfqqs: wr_busy %d",
2965                      bfqd->wr_busy_queues);
2966
2967         /*
2968          * Merge queues (that is, let bic redirect its requests to new_bfqq)
2969          */
2970         bic_set_bfqq(bic, new_bfqq, 1);
2971         bfq_mark_bfqq_coop(new_bfqq);
2972         /*
2973          * new_bfqq now belongs to at least two bics (it is a shared queue):
2974          * set new_bfqq->bic to NULL. bfqq either:
2975          * - does not belong to any bic any more, and hence bfqq->bic must
2976          *   be set to NULL, or
2977          * - is a queue whose owning bics have already been redirected to a
2978          *   different queue, hence the queue is destined to not belong to
2979          *   any bic soon and bfqq->bic is already NULL (therefore the next
2980          *   assignment causes no harm).
2981          */
2982         new_bfqq->bic = NULL;
2983         /*
2984          * If the queue is shared, the pid is the pid of one of the associated
2985          * processes. Which pid depends on the exact sequence of merge events
2986          * the queue underwent. So printing such a pid is useless and confusing
2987          * because it reports a random pid between those of the associated
2988          * processes.
2989          * We mark such a queue with a pid -1, and then print SHARED instead of
2990          * a pid in logging messages.
2991          */
2992         new_bfqq->pid = -1;
2993         bfqq->bic = NULL;
2994
2995         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, new_bfqq);
2996
2997         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
2998 }
2999
3000 static bool bfq_allow_bio_merge(struct request_queue *q, struct request *rq,
3001                                 struct bio *bio)
3002 {
3003         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
3004         bool is_sync = op_is_sync(bio->bi_opf);
3005         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq, *new_bfqq;
3006
3007         /*
3008          * Disallow merge of a sync bio into an async request.
3009          */
3010         if (is_sync && !rq_is_sync(rq))
3011                 return false;
3012
3013         /*
3014          * Lookup the bfqq that this bio will be queued with. Allow
3015          * merge only if rq is queued there.
3016          */
3017         if (!bfqq)
3018                 return false;
3019
3020         /*
3021          * We take advantage of this function to perform an early merge
3022          * of the queues of possible cooperating processes.
3023          */
3024         new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, bio, false, bfqd->bio_bic);
3025         if (new_bfqq) {
3026                 /*
3027                  * bic still points to bfqq, then it has not yet been
3028                  * redirected to some other bfq_queue, and a queue
3029                  * merge between bfqq and new_bfqq can be safely
3030                  * fulfilled, i.e., bic can be redirected to new_bfqq
3031                  * and bfqq can be put.
3032                  */
3033                 bfq_merge_bfqqs(bfqd, bfqd->bio_bic, bfqq,
3034                                 new_bfqq);
3035                 /*
3036                  * If we get here, bio will be queued into new_queue,
3037                  * so use new_bfqq to decide whether bio and rq can be
3038                  * merged.
3039                  */
3040                 bfqq = new_bfqq;
3041
3042                 /*
3043                  * Change also bqfd->bio_bfqq, as
3044                  * bfqd->bio_bic now points to new_bfqq, and
3045                  * this function may be invoked again (and then may
3046                  * use again bqfd->bio_bfqq).
3047                  */
3048                 bfqd->bio_bfqq = bfqq;
3049         }
3050
3051         return bfqq == RQ_BFQQ(rq);
3052 }
3053
3054 /*
3055  * Set the maximum time for the in-service queue to consume its
3056  * budget. This prevents seeky processes from lowering the throughput.
3057  * In practice, a time-slice service scheme is used with seeky
3058  * processes.
3059  */
3060 static void bfq_set_budget_timeout(struct bfq_data *bfqd,
3061                                    struct bfq_queue *bfqq)
3062 {
3063         unsigned int timeout_coeff;
3064
3065         if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
3066                 timeout_coeff = 1;
3067         else
3068                 timeout_coeff = bfqq->entity.weight / bfqq->entity.orig_weight;
3069
3070         bfqd->last_budget_start = ktime_get();
3071
3072         bfqq->budget_timeout = jiffies +
3073                 bfqd->bfq_timeout * timeout_coeff;
3074 }
3075
3076 static void __bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd,
3077                                        struct bfq_queue *bfqq)
3078 {
3079         if (bfqq) {
3080                 bfq_clear_bfqq_fifo_expire(bfqq);
3081
3082                 bfqd->budgets_assigned = (bfqd->budgets_assigned * 7 + 256) / 8;
3083
3084                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish) &&
3085                     bfqq->wr_coeff > 1 &&
3086                     bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
3087                     time_is_before_jiffies(bfqq->budget_timeout)) {
3088                         /*
3089                          * For soft real-time queues, move the start
3090                          * of the weight-raising period forward by the
3091                          * time the queue has not received any
3092                          * service. Otherwise, a relatively long
3093                          * service delay is likely to cause the
3094                          * weight-raising period of the queue to end,
3095                          * because of the short duration of the
3096                          * weight-raising period of a soft real-time
3097                          * queue.  It is worth noting that this move
3098                          * is not so dangerous for the other queues,
3099                          * because soft real-time queues are not
3100                          * greedy.
3101                          *
3102                          * To not add a further variable, we use the
3103                          * overloaded field budget_timeout to
3104                          * determine for how long the queue has not
3105                          * received service, i.e., how much time has
3106                          * elapsed since the queue expired. However,
3107                          * this is a little imprecise, because
3108                          * budget_timeout is set to jiffies if bfqq
3109                          * not only expires, but also remains with no
3110                          * request.
3111                          */
3112                         if (time_after(bfqq->budget_timeout,
3113                                        bfqq->last_wr_start_finish))
3114                                 bfqq->last_wr_start_finish +=
3115                                         jiffies - bfqq->budget_timeout;
3116                         else
3117                                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
3118                 }
3119
3120                 bfq_set_budget_timeout(bfqd, bfqq);
3121                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
3122                              "set_in_service_queue, cur-budget = %d",
3123                              bfqq->entity.budget);
3124         }
3125
3126         bfqd->in_service_queue = bfqq;
3127         bfqd->in_serv_last_pos = 0;
3128 }
3129
3130 /*
3131  * Get and set a new queue for service.
3132  */
3133 static struct bfq_queue *bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd)
3134 {
3135         struct bfq_queue *bfqq = bfq_get_next_queue(bfqd);
3136
3137         __bfq_set_in_service_queue(bfqd, bfqq);
3138         return bfqq;
3139 }
3140
3141 static void bfq_arm_slice_timer(struct bfq_data *bfqd)
3142 {
3143         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
3144         u32 sl;
3145
3146         bfq_mark_bfqq_wait_request(bfqq);
3147
3148         /*
3149          * We don't want to idle for seeks, but we do want to allow
3150          * fair distribution of slice time for a process doing back-to-back
3151          * seeks. So allow a little bit of time for him to submit a new rq.
3152          */
3153         sl = bfqd->bfq_slice_idle;
3154         /*
3155          * Unless the queue is being weight-raised or the scenario is
3156          * asymmetric, grant only minimum idle time if the queue
3157          * is seeky. A long idling is preserved for a weight-raised
3158          * queue, or, more in general, in an asymmetric scenario,
3159          * because a long idling is needed for guaranteeing to a queue
3160          * its reserved share of the throughput (in particular, it is
3161          * needed if the queue has a higher weight than some other
3162          * queue).
3163          */
3164         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1 &&
3165             !bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq))
3166                 sl = min_t(u64, sl, BFQ_MIN_TT);
3167         else if (bfqq->wr_coeff > 1)
3168                 sl = max_t(u32, sl, 20ULL * NSEC_PER_MSEC);
3169
3170         bfqd->last_idling_start = ktime_get();
3171         bfqd->last_idling_start_jiffies = jiffies;
3172
3173         hrtimer_start(&bfqd->idle_slice_timer, ns_to_ktime(sl),
3174                       HRTIMER_MODE_REL);
3175         bfqg_stats_set_start_idle_time(bfqq_group(bfqq));
3176 }
3177
3178 /*
3179  * In autotuning mode, max_budget is dynamically recomputed as the
3180  * amount of sectors transferred in timeout at the estimated peak
3181  * rate. This enables BFQ to utilize a full timeslice with a full
3182  * budget, even if the in-service queue is served at peak rate. And
3183  * this maximises throughput with sequential workloads.
3184  */
3185 static unsigned long bfq_calc_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
3186 {
3187         return (u64)bfqd->peak_rate * USEC_PER_MSEC *
3188                 jiffies_to_msecs(bfqd->bfq_timeout)>>BFQ_RATE_SHIFT;
3189 }
3190
3191 /*
3192  * Update parameters related to throughput and responsiveness, as a
3193  * function of the estimated peak rate. See comments on
3194  * bfq_calc_max_budget(), and on the ref_wr_duration array.
3195  */
3196 static void update_thr_responsiveness_params(struct bfq_data *bfqd)
3197 {
3198         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0) {
3199                 bfqd->bfq_max_budget =
3200                         bfq_calc_max_budget(bfqd);
3201                 bfq_log(bfqd, "new max_budget = %d", bfqd->bfq_max_budget);
3202         }
3203 }
3204
3205 static void bfq_reset_rate_computation(struct bfq_data *bfqd,
3206                                        struct request *rq)
3207 {
3208         if (rq != NULL) { /* new rq dispatch now, reset accordingly */
3209                 bfqd->last_dispatch = bfqd->first_dispatch = ktime_get_ns();
3210                 bfqd->peak_rate_samples = 1;
3211                 bfqd->sequential_samples = 0;
3212                 bfqd->tot_sectors_dispatched = bfqd->last_rq_max_size =
3213                         blk_rq_sectors(rq);
3214         } else /* no new rq dispatched, just reset the number of samples */
3215                 bfqd->peak_rate_samples = 0; /* full re-init on next disp. */
3216
3217         bfq_log(bfqd,
3218                 "reset_rate_computation at end, sample %u/%u tot_sects %llu",
3219                 bfqd->peak_rate_samples, bfqd->sequential_samples,
3220                 bfqd->tot_sectors_dispatched);
3221 }
3222
3223 static void bfq_update_rate_reset(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3224 {
3225         u32 rate, weight, divisor;
3226
3227         /*
3228          * For the convergence property to hold (see comments on
3229          * bfq_update_peak_rate()) and for the assessment to be
3230          * reliable, a minimum number of samples must be present, and
3231          * a minimum amount of time must have elapsed. If not so, do
3232          * not compute new rate. Just reset parameters, to get ready
3233          * for a new evaluation attempt.
3234          */
3235         if (bfqd->peak_rate_samples < BFQ_RATE_MIN_SAMPLES ||
3236             bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_MIN_INTERVAL)
3237                 goto reset_computation;
3238
3239         /*
3240          * If a new request completion has occurred after last
3241          * dispatch, then, to approximate the rate at which requests
3242          * have been served by the device, it is more precise to
3243          * extend the observation interval to the last completion.
3244          */
3245         bfqd->delta_from_first =
3246                 max_t(u64, bfqd->delta_from_first,
3247                       bfqd->last_completion - bfqd->first_dispatch);
3248
3249         /*
3250          * Rate computed in sects/usec, and not sects/nsec, for
3251          * precision issues.
3252          */
3253         rate = div64_ul(bfqd->tot_sectors_dispatched<<BFQ_RATE_SHIFT,
3254                         div_u64(bfqd->delta_from_first, NSEC_PER_USEC));
3255
3256         /*
3257          * Peak rate not updated if:
3258          * - the percentage of sequential dispatches is below 3/4 of the
3259          *   total, and rate is below the current estimated peak rate
3260          * - rate is unreasonably high (> 20M sectors/sec)
3261          */
3262         if ((bfqd->sequential_samples < (3 * bfqd->peak_rate_samples)>>2 &&
3263              rate <= bfqd->peak_rate) ||
3264                 rate > 20<<BFQ_RATE_SHIFT)
3265                 goto reset_computation;
3266
3267         /*
3268          * We have to update the peak rate, at last! To this purpose,
3269          * we use a low-pass filter. We compute the smoothing constant
3270          * of the filter as a function of the 'weight' of the new
3271          * measured rate.
3272          *
3273          * As can be seen in next formulas, we define this weight as a
3274          * quantity proportional to how sequential the workload is,
3275          * and to how long the observation time interval is.
3276          *
3277          * The weight runs from 0 to 8. The maximum value of the
3278          * weight, 8, yields the minimum value for the smoothing
3279          * constant. At this minimum value for the smoothing constant,
3280          * the measured rate contributes for half of the next value of
3281          * the estimated peak rate.
3282          *
3283          * So, the first step is to compute the weight as a function
3284          * of how sequential the workload is. Note that the weight
3285          * cannot reach 9, because bfqd->sequential_samples cannot
3286          * become equal to bfqd->peak_rate_samples, which, in its
3287          * turn, holds true because bfqd->sequential_samples is not
3288          * incremented for the first sample.
3289          */
3290         weight = (9 * bfqd->sequential_samples) / bfqd->peak_rate_samples;
3291
3292         /*
3293          * Second step: further refine the weight as a function of the
3294          * duration of the observation interval.
3295          */
3296         weight = min_t(u32, 8,
3297                        div_u64(weight * bfqd->delta_from_first,
3298                                BFQ_RATE_REF_INTERVAL));
3299
3300         /*
3301          * Divisor ranging from 10, for minimum weight, to 2, for
3302          * maximum weight.
3303          */
3304         divisor = 10 - weight;
3305
3306         /*
3307          * Finally, update peak rate:
3308          *
3309          * peak_rate = peak_rate * (divisor-1) / divisor  +  rate / divisor
3310          */
3311         bfqd->peak_rate *= divisor-1;
3312         bfqd->peak_rate /= divisor;
3313         rate /= divisor; /* smoothing constant alpha = 1/divisor */
3314
3315         bfqd->peak_rate += rate;
3316
3317         /*
3318          * For a very slow device, bfqd->peak_rate can reach 0 (see
3319          * the minimum representable values reported in the comments
3320          * on BFQ_RATE_SHIFT). Push to 1 if this happens, to avoid
3321          * divisions by zero where bfqd->peak_rate is used as a
3322          * divisor.
3323          */
3324         bfqd->peak_rate = max_t(u32, 1, bfqd->peak_rate);
3325
3326         update_thr_responsiveness_params(bfqd);
3327
3328 reset_computation:
3329         bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3330 }
3331
3332 /*
3333  * Update the read/write peak rate (the main quantity used for
3334  * auto-tuning, see update_thr_responsiveness_params()).
3335  *
3336  * It is not trivial to estimate the peak rate (correctly): because of
3337  * the presence of sw and hw queues between the scheduler and the
3338  * device components that finally serve I/O requests, it is hard to
3339  * say exactly when a given dispatched request is served inside the
3340  * device, and for how long. As a consequence, it is hard to know
3341  * precisely at what rate a given set of requests is actually served
3342  * by the device.
3343  *
3344  * On the opposite end, the dispatch time of any request is trivially
3345  * available, and, from this piece of information, the "dispatch rate"
3346  * of requests can be immediately computed. So, the idea in the next
3347  * function is to use what is known, namely request dispatch times
3348  * (plus, when useful, request completion times), to estimate what is
3349  * unknown, namely in-device request service rate.
3350  *
3351  * The main issue is that, because of the above facts, the rate at
3352  * which a certain set of requests is dispatched over a certain time
3353  * interval can vary greatly with respect to the rate at which the
3354  * same requests are then served. But, since the size of any
3355  * intermediate queue is limited, and the service scheme is lossless
3356  * (no request is silently dropped), the following obvious convergence
3357  * property holds: the number of requests dispatched MUST become
3358  * closer and closer to the number of requests completed as the
3359  * observation interval grows. This is the key property used in
3360  * the next function to estimate the peak service rate as a function
3361  * of the observed dispatch rate. The function assumes to be invoked
3362  * on every request dispatch.
3363  */
3364 static void bfq_update_peak_rate(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3365 {
3366         u64 now_ns = ktime_get_ns();
3367
3368         if (bfqd->peak_rate_samples == 0) { /* first dispatch */
3369                 bfq_log(bfqd, "update_peak_rate: goto reset, samples %d",
3370                         bfqd->peak_rate_samples);
3371                 bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3372                 goto update_last_values; /* will add one sample */
3373         }
3374
3375         /*
3376          * Device idle for very long: the observation interval lasting
3377          * up to this dispatch cannot be a valid observation interval
3378          * for computing a new peak rate (similarly to the late-
3379          * completion event in bfq_completed_request()). Go to
3380          * update_rate_and_reset to have the following three steps
3381          * taken:
3382          * - close the observation interval at the last (previous)
3383          *   request dispatch or completion
3384          * - compute rate, if possible, for that observation interval
3385          * - start a new observation interval with this dispatch
3386          */
3387         if (now_ns - bfqd->last_dispatch > 100*NSEC_PER_MSEC &&
3388             bfqd->rq_in_driver == 0)
3389                 goto update_rate_and_reset;
3390
3391         /* Update sampling information */
3392         bfqd->peak_rate_samples++;
3393
3394         if ((bfqd->rq_in_driver > 0 ||
3395                 now_ns - bfqd->last_completion < BFQ_MIN_TT)
3396             && !BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqd->last_position, rq))
3397                 bfqd->sequential_samples++;
3398
3399         bfqd->tot_sectors_dispatched += blk_rq_sectors(rq);
3400
3401         /* Reset max observed rq size every 32 dispatches */
3402         if (likely(bfqd->peak_rate_samples % 32))
3403                 bfqd->last_rq_max_size =
3404                         max_t(u32, blk_rq_sectors(rq), bfqd->last_rq_max_size);
3405         else
3406                 bfqd->last_rq_max_size = blk_rq_sectors(rq);
3407
3408         bfqd->delta_from_first = now_ns - bfqd->first_dispatch;
3409
3410         /* Target observation interval not yet reached, go on sampling */
3411         if (bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_REF_INTERVAL)
3412                 goto update_last_values;
3413
3414 update_rate_and_reset:
3415         bfq_update_rate_reset(bfqd, rq);
3416 update_last_values:
3417         bfqd->last_position = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
3418         if (RQ_BFQQ(rq) == bfqd->in_service_queue)
3419                 bfqd->in_serv_last_pos = bfqd->last_position;
3420         bfqd->last_dispatch = now_ns;
3421 }
3422
3423 /*
3424  * Remove request from internal lists.
3425  */
3426 static void bfq_dispatch_remove(struct request_queue *q, struct request *rq)
3427 {
3428         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
3429
3430         /*
3431          * For consistency, the next instruction should have been
3432          * executed after removing the request from the queue and
3433          * dispatching it.  We execute instead this instruction before
3434          * bfq_remove_request() (and hence introduce a temporary
3435          * inconsistency), for efficiency.  In fact, should this
3436          * dispatch occur for a non in-service bfqq, this anticipated
3437          * increment prevents two counters related to bfqq->dispatched
3438          * from risking to be, first, uselessly decremented, and then
3439          * incremented again when the (new) value of bfqq->dispatched
3440          * happens to be taken into account.
3441          */
3442         bfqq->dispatched++;
3443         bfq_update_peak_rate(q->elevator->elevator_data, rq);
3444
3445         bfq_remove_request(q, rq);
3446 }
3447
3448 /*
3449  * There is a case where idling does not have to be performed for
3450  * throughput concerns, but to preserve the throughput share of
3451  * the process associated with bfqq.
3452  *
3453  * To introduce this case, we can note that allowing the drive
3454  * to enqueue more than one request at a time, and hence
3455  * delegating de facto final scheduling decisions to the
3456  * drive's internal scheduler, entails loss of control on the
3457  * actual request service order. In particular, the critical
3458  * situation is when requests from different processes happen
3459  * to be present, at the same time, in the internal queue(s)
3460  * of the drive. In such a situation, the drive, by deciding
3461  * the service order of the internally-queued requests, does
3462  * determine also the actual throughput distribution among
3463  * these processes. But the drive typically has no notion or
3464  * concern about per-process throughput distribution, and
3465  * makes its decisions only on a per-request basis. Therefore,
3466  * the service distribution enforced by the drive's internal
3467  * scheduler is likely to coincide with the desired throughput
3468  * distribution only in a completely symmetric, or favorably
3469  * skewed scenario where:
3470  * (i-a) each of these processes must get the same throughput as
3471  *       the others,
3472  * (i-b) in case (i-a) does not hold, it holds that the process
3473  *       associated with bfqq must receive a lower or equal
3474  *       throughput than any of the other processes;
3475  * (ii)  the I/O of each process has the same properties, in
3476  *       terms of locality (sequential or random), direction
3477  *       (reads or writes), request sizes, greediness
3478  *       (from I/O-bound to sporadic), and so on;
3479
3480  * In fact, in such a scenario, the drive tends to treat the requests
3481  * of each process in about the same way as the requests of the
3482  * others, and thus to provide each of these processes with about the
3483  * same throughput.  This is exactly the desired throughput
3484  * distribution if (i-a) holds, or, if (i-b) holds instead, this is an
3485  * even more convenient distribution for (the process associated with)
3486  * bfqq.
3487  *
3488  * In contrast, in any asymmetric or unfavorable scenario, device
3489  * idling (I/O-dispatch plugging) is certainly needed to guarantee
3490  * that bfqq receives its assigned fraction of the device throughput
3491  * (see [1] for details).
3492  *
3493  * The problem is that idling may significantly reduce throughput with
3494  * certain combinations of types of I/O and devices. An important
3495  * example is sync random I/O on flash storage with command
3496  * queueing. So, unless bfqq falls in cases where idling also boosts
3497  * throughput, it is important to check conditions (i-a), i(-b) and
3498  * (ii) accurately, so as to avoid idling when not strictly needed for
3499  * service guarantees.
3500  *
3501  * Unfortunately, it is extremely difficult to thoroughly check
3502  * condition (ii). And, in case there are active groups, it becomes
3503  * very difficult to check conditions (i-a) and (i-b) too.  In fact,
3504  * if there are active groups, then, for conditions (i-a) or (i-b) to
3505  * become false 'indirectly', it is enough that an active group
3506  * contains more active processes or sub-groups than some other active
3507  * group. More precisely, for conditions (i-a) or (i-b) to become
3508  * false because of such a group, it is not even necessary that the
3509  * group is (still) active: it is sufficient that, even if the group
3510  * has become inactive, some of its descendant processes still have
3511  * some request already dispatched but still waiting for
3512  * completion. In fact, requests have still to be guaranteed their
3513  * share of the throughput even after being dispatched. In this
3514  * respect, it is easy to show that, if a group frequently becomes
3515  * inactive while still having in-flight requests, and if, when this
3516  * happens, the group is not considered in the calculation of whether
3517  * the scenario is asymmetric, then the group may fail to be
3518  * guaranteed its fair share of the throughput (basically because
3519  * idling may not be performed for the descendant processes of the
3520  * group, but it had to be).  We address this issue with the following
3521  * bi-modal behavior, implemented in the function
3522  * bfq_asymmetric_scenario().
3523  *
3524  * If there are groups with requests waiting for completion
3525  * (as commented above, some of these groups may even be
3526  * already inactive), then the scenario is tagged as
3527  * asymmetric, conservatively, without checking any of the
3528  * conditions (i-a), (i-b) or (ii). So the device is idled for bfqq.
3529  * This behavior matches also the fact that groups are created
3530  * exactly if controlling I/O is a primary concern (to
3531  * preserve bandwidth and latency guarantees).
3532  *
3533  * On the opposite end, if there are no groups with requests waiting
3534  * for completion, then only conditions (i-a) and (i-b) are actually
3535  * controlled, i.e., provided that conditions (i-a) or (i-b) holds,
3536  * idling is not performed, regardless of whether condition (ii)
3537  * holds.  In other words, only if conditions (i-a) and (i-b) do not
3538  * hold, then idling is allowed, and the device tends to be prevented
3539  * from queueing many requests, possibly of several processes. Since
3540  * there are no groups with requests waiting for completion, then, to
3541  * control conditions (i-a) and (i-b) it is enough to check just
3542  * whether all the queues with requests waiting for completion also
3543  * have the same weight.
3544  *
3545  * Not checking condition (ii) evidently exposes bfqq to the
3546  * risk of getting less throughput than its fair share.
3547  * However, for queues with the same weight, a further
3548  * mechanism, preemption, mitigates or even eliminates this
3549  * problem. And it does so without consequences on overall
3550  * throughput. This mechanism and its benefits are explained
3551  * in the next three paragraphs.
3552  *
3553  * Even if a queue, say Q, is expired when it remains idle, Q
3554  * can still preempt the new in-service queue if the next
3555  * request of Q arrives soon (see the comments on
3556  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation). If all queues and
3557  * groups have the same weight, this form of preemption,
3558  * combined with the hole-recovery heuristic described in the
3559  * comments on function bfq_bfqq_update_budg_for_activation,
3560  * are enough to preserve a correct bandwidth distribution in
3561  * the mid term, even without idling. In fact, even if not
3562  * idling allows the internal queues of the device to contain
3563  * many requests, and thus to reorder requests, we can rather
3564  * safely assume that the internal scheduler still preserves a
3565  * minimum of mid-term fairness.
3566  *
3567  * More precisely, this preemption-based, idleless approach
3568  * provides fairness in terms of IOPS, and not sectors per
3569  * second. This can be seen with a simple example. Suppose
3570  * that there are two queues with the same weight, but that
3571  * the first queue receives requests of 8 sectors, while the
3572  * second queue receives requests of 1024 sectors. In
3573  * addition, suppose that each of the two queues contains at
3574  * most one request at a time, which implies that each queue
3575  * always remains idle after it is served. Finally, after
3576  * remaining idle, each queue receives very quickly a new
3577  * request. It follows that the two queues are served
3578  * alternatively, preempting each other if needed. This
3579  * implies that, although both queues have the same weight,
3580  * the queue with large requests receives a service that is
3581  * 1024/8 times as high as the service received by the other
3582  * queue.
3583  *
3584  * The motivation for using preemption instead of idling (for
3585  * queues with the same weight) is that, by not idling,
3586  * service guarantees are preserved (completely or at least in
3587  * part) without minimally sacrificing throughput. And, if
3588  * there is no active group, then the primary expectation for
3589  * this device is probably a high throughput.
3590  *
3591  * We are now left only with explaining the two sub-conditions in the
3592  * additional compound condition that is checked below for deciding
3593  * whether the scenario is asymmetric. To explain the first
3594  * sub-condition, we need to add that the function
3595  * bfq_asymmetric_scenario checks the weights of only
3596  * non-weight-raised queues, for efficiency reasons (see comments on
3597  * bfq_weights_tree_add()). Then the fact that bfqq is weight-raised
3598  * is checked explicitly here. More precisely, the compound condition
3599  * below takes into account also the fact that, even if bfqq is being
3600  * weight-raised, the scenario is still symmetric if all queues with
3601  * requests waiting for completion happen to be
3602  * weight-raised. Actually, we should be even more precise here, and
3603  * differentiate between interactive weight raising and soft real-time
3604  * weight raising.
3605  *
3606  * The second sub-condition checked in the compound condition is
3607  * whether there is a fair amount of already in-flight I/O not
3608  * belonging to bfqq. If so, I/O dispatching is to be plugged, for the
3609  * following reason. The drive may decide to serve in-flight
3610  * non-bfqq's I/O requests before bfqq's ones, thereby delaying the
3611  * arrival of new I/O requests for bfqq (recall that bfqq is sync). If
3612  * I/O-dispatching is not plugged, then, while bfqq remains empty, a
3613  * basically uncontrolled amount of I/O from other queues may be
3614  * dispatched too, possibly causing the service of bfqq's I/O to be
3615  * delayed even longer in the drive. This problem gets more and more
3616  * serious as the speed and the queue depth of the drive grow,
3617  * because, as these two quantities grow, the probability to find no
3618  * queue busy but many requests in flight grows too. By contrast,
3619  * plugging I/O dispatching minimizes the delay induced by already
3620  * in-flight I/O, and enables bfqq to recover the bandwidth it may
3621  * lose because of this delay.
3622  *
3623  * As a side note, it is worth considering that the above
3624  * device-idling countermeasures may however fail in the following
3625  * unlucky scenario: if I/O-dispatch plugging is (correctly) disabled
3626  * in a time period during which all symmetry sub-conditions hold, and
3627  * therefore the device is allowed to enqueue many requests, but at
3628  * some later point in time some sub-condition stops to hold, then it
3629  * may become impossible to make requests be served in the desired
3630  * order until all the requests already queued in the device have been
3631  * served. The last sub-condition commented above somewhat mitigates
3632  * this problem for weight-raised queues.
3633  *
3634  * However, as an additional mitigation for this problem, we preserve
3635  * plugging for a special symmetric case that may suddenly turn into
3636  * asymmetric: the case where only bfqq is busy. In this case, not
3637  * expiring bfqq does not cause any harm to any other queues in terms
3638  * of service guarantees. In contrast, it avoids the following unlucky
3639  * sequence of events: (1) bfqq is expired, (2) a new queue with a
3640  * lower weight than bfqq becomes busy (or more queues), (3) the new
3641  * queue is served until a new request arrives for bfqq, (4) when bfqq
3642  * is finally served, there are so many requests of the new queue in
3643  * the drive that the pending requests for bfqq take a lot of time to
3644  * be served. In particular, event (2) may case even already
3645  * dispatched requests of bfqq to be delayed, inside the drive. So, to
3646  * avoid this series of events, the scenario is preventively declared
3647  * as asymmetric also if bfqq is the only busy queues
3648  */
3649 static bool idling_needed_for_service_guarantees(struct bfq_data *bfqd,
3650                                                  struct bfq_queue *bfqq)
3651 {
3652         int tot_busy_queues = bfq_tot_busy_queues(bfqd);
3653
3654         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
3655         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
3656                 return false;
3657
3658         return (bfqq->wr_coeff > 1 &&
3659                 (bfqd->wr_busy_queues <
3660                  tot_busy_queues ||
3661                  bfqd->rq_in_driver >=
3662                  bfqq->dispatched + 4)) ||
3663                 bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq) ||
3664                 tot_busy_queues == 1;
3665 }
3666
3667 static bool __bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3668                               enum bfqq_expiration reason)
3669 {
3670         /*
3671          * If this bfqq is shared between multiple processes, check
3672          * to make sure that those processes are still issuing I/Os
3673          * within the mean seek distance. If not, it may be time to
3674          * break the queues apart again.
3675          */
3676         if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && BFQQ_SEEKY(bfqq))
3677                 bfq_mark_bfqq_split_coop(bfqq);
3678
3679         /*
3680          * Consider queues with a higher finish virtual time than
3681          * bfqq. If idling_needed_for_service_guarantees(bfqq) returns
3682          * true, then bfqq's bandwidth would be violated if an
3683          * uncontrolled amount of I/O from these queues were
3684          * dispatched while bfqq is waiting for its new I/O to
3685          * arrive. This is exactly what may happen if this is a forced
3686          * expiration caused by a preemption attempt, and if bfqq is
3687          * not re-scheduled. To prevent this from happening, re-queue
3688          * bfqq if it needs I/O-dispatch plugging, even if it is
3689          * empty. By doing so, bfqq is granted to be served before the
3690          * above queues (provided that bfqq is of course eligible).
3691          */
3692         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
3693             !(reason == BFQQE_PREEMPTED &&
3694               idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq))) {
3695                 if (bfqq->dispatched == 0)
3696                         /*
3697                          * Overloading budget_timeout field to store
3698                          * the time at which the queue remains with no
3699                          * backlog and no outstanding request; used by
3700                          * the weight-raising mechanism.
3701                          */
3702                         bfqq->budget_timeout = jiffies;
3703
3704                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, true);
3705         } else {
3706                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, true);
3707                 /*
3708                  * Resort priority tree of potential close cooperators.
3709                  * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
3710                  */
3711                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing &&
3712                              !RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)))
3713                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
3714         }
3715
3716         /*
3717          * All in-service entities must have been properly deactivated
3718          * or requeued before executing the next function, which
3719          * resets all in-service entities as no more in service. This
3720          * may cause bfqq to be freed. If this happens, the next
3721          * function returns true.
3722          */
3723         return __bfq_bfqd_reset_in_service(bfqd);
3724 }
3725
3726 /**
3727  * __bfq_bfqq_recalc_budget - try to adapt the budget to the @bfqq behavior.
3728  * @bfqd: device data.
3729  * @bfqq: queue to update.
3730  * @reason: reason for expiration.
3731  *
3732  * Handle the feedback on @bfqq budget at queue expiration.
3733  * See the body for detailed comments.
3734  */
3735 static void __bfq_bfqq_recalc_budget(struct bfq_data *bfqd,
3736                                      struct bfq_queue *bfqq,
3737                                      enum bfqq_expiration reason)
3738 {
3739         struct request *next_rq;
3740         int budget, min_budget;
3741
3742         min_budget = bfq_min_budget(bfqd);
3743
3744         if (bfqq->wr_coeff == 1)
3745                 budget = bfqq->max_budget;
3746         else /*
3747               * Use a constant, low budget for weight-raised queues,
3748               * to help achieve a low latency. Keep it slightly higher
3749               * than the minimum possible budget, to cause a little
3750               * bit fewer expirations.
3751               */
3752                 budget = 2 * min_budget;
3753
3754         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last budg %d, budg left %d",
3755                 bfqq->entity.budget, bfq_bfqq_budget_left(bfqq));
3756         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last max_budg %d, min budg %d",
3757                 budget, bfq_min_budget(bfqd));
3758         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: sync %d, seeky %d",
3759                 bfq_bfqq_sync(bfqq), BFQQ_SEEKY(bfqd->in_service_queue));
3760
3761         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1) {
3762                 switch (reason) {
3763                 /*
3764                  * Caveat: in all the following cases we trade latency
3765                  * for throughput.
3766                  */
3767                 case BFQQE_TOO_IDLE:
3768                         /*
3769                          * This is the only case where we may reduce
3770                          * the budget: if there is no request of the
3771                          * process still waiting for completion, then
3772                          * we assume (tentatively) that the timer has
3773                          * expired because the batch of requests of
3774                          * the process could have been served with a
3775                          * smaller budget.  Hence, betting that
3776                          * process will behave in the same way when it
3777                          * becomes backlogged again, we reduce its
3778                          * next budget.  As long as we guess right,
3779                          * this budget cut reduces the latency
3780                          * experienced by the process.
3781                          *
3782                          * However, if there are still outstanding
3783                          * requests, then the process may have not yet
3784                          * issued its next request just because it is
3785                          * still waiting for the completion of some of
3786                          * the still outstanding ones.  So in this
3787                          * subcase we do not reduce its budget, on the
3788                          * contrary we increase it to possibly boost
3789                          * the throughput, as discussed in the
3790                          * comments to the BUDGET_TIMEOUT case.
3791                          */
3792                         if (bfqq->dispatched > 0) /* still outstanding reqs */
3793                                 budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3794                         else {
3795                                 if (budget > 5 * min_budget)
3796                                         budget -= 4 * min_budget;
3797                                 else
3798                                         budget = min_budget;
3799                         }
3800                         break;
3801                 case BFQQE_BUDGET_TIMEOUT:
3802                         /*
3803                          * We double the budget here because it gives
3804                          * the chance to boost the throughput if this
3805                          * is not a seeky process (and has bumped into
3806                          * this timeout because of, e.g., ZBR).
3807                          */
3808                         budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3809                         break;
3810                 case BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED:
3811                         /*
3812                          * The process still has backlog, and did not
3813                          * let either the budget timeout or the disk
3814                          * idling timeout expire. Hence it is not
3815                          * seeky, has a short thinktime and may be
3816                          * happy with a higher budget too. So
3817                          * definitely increase the budget of this good
3818                          * candidate to boost the disk throughput.
3819                          */
3820                         budget = min(budget * 4, bfqd->bfq_max_budget);
3821                         break;
3822                 case BFQQE_NO_MORE_REQUESTS:
3823                         /*
3824                          * For queues that expire for this reason, it
3825                          * is particularly important to keep the
3826                          * budget close to the actual service they
3827                          * need. Doing so reduces the timestamp
3828                          * misalignment problem described in the
3829                          * comments in the body of
3830                          * __bfq_activate_entity. In fact, suppose
3831                          * that a queue systematically expires for
3832                          * BFQQE_NO_MORE_REQUESTS and presents a
3833                          * new request in time to enjoy timestamp
3834                          * back-shifting. The larger the budget of the
3835                          * queue is with respect to the service the
3836                          * queue actually requests in each service
3837                          * slot, the more times the queue can be
3838                          * reactivated with the same virtual finish
3839                          * time. It follows that, even if this finish
3840                          * time is pushed to the system virtual time
3841                          * to reduce the consequent timestamp
3842                          * misalignment, the queue unjustly enjoys for
3843                          * many re-activations a lower finish time
3844                          * than all newly activated queues.
3845                          *
3846                          * The service needed by bfqq is measured
3847                          * quite precisely by bfqq->entity.service.
3848                          * Since bfqq does not enjoy device idling,
3849                          * bfqq->entity.service is equal to the number
3850                          * of sectors that the process associated with
3851                          * bfqq requested to read/write before waiting
3852                          * for request completions, or blocking for
3853                          * other reasons.
3854                          */
3855                         budget = max_t(int, bfqq->entity.service, min_budget);
3856                         break;
3857                 default:
3858                         return;
3859                 }
3860         } else if (!bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
3861                 /*
3862                  * Async queues get always the maximum possible
3863                  * budget, as for them we do not care about latency
3864                  * (in addition, their ability to dispatch is limited
3865                  * by the charging factor).
3866                  */
3867                 budget = bfqd->bfq_max_budget;
3868         }
3869
3870         bfqq->max_budget = budget;
3871
3872         if (bfqd->budgets_assigned >= bfq_stats_min_budgets &&
3873             !bfqd->bfq_user_max_budget)
3874                 bfqq->max_budget = min(bfqq->max_budget, bfqd->bfq_max_budget);
3875
3876         /*
3877          * If there is still backlog, then assign a new budget, making
3878          * sure that it is large enough for the next request.  Since
3879          * the finish time of bfqq must be kept in sync with the
3880          * budget, be sure to call __bfq_bfqq_expire() *after* this
3881          * update.
3882          *
3883          * If there is no backlog, then no need to update the budget;
3884          * it will be updated on the arrival of a new request.
3885          */
3886         next_rq = bfqq->next_rq;
3887         if (next_rq)
3888                 bfqq->entity.budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
3889                                             bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq));
3890
3891         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "head sect: %u, new budget %d",
3892                         next_rq ? blk_rq_sectors(next_rq) : 0,
3893                         bfqq->entity.budget);
3894 }
3895
3896 /*
3897  * Return true if the process associated with bfqq is "slow". The slow
3898  * flag is used, in addition to the budget timeout, to reduce the
3899  * amount of service provided to seeky processes, and thus reduce
3900  * their chances to lower the throughput. More details in the comments
3901  * on the function bfq_bfqq_expire().
3902  *
3903  * An important observation is in order: as discussed in the comments
3904  * on the function bfq_update_peak_rate(), with devices with internal
3905  * queues, it is hard if ever possible to know when and for how long
3906  * an I/O request is processed by the device (apart from the trivial
3907  * I/O pattern where a new request is dispatched only after the
3908  * previous one has been completed). This makes it hard to evaluate
3909  * the real rate at which the I/O requests of each bfq_queue are
3910  * served.  In fact, for an I/O scheduler like BFQ, serving a
3911  * bfq_queue means just dispatching its requests during its service
3912  * slot (i.e., until the budget of the queue is exhausted, or the
3913  * queue remains idle, or, finally, a timeout fires). But, during the
3914  * service slot of a bfq_queue, around 100 ms at most, the device may
3915  * be even still processing requests of bfq_queues served in previous
3916  * service slots. On the opposite end, the requests of the in-service
3917  * bfq_queue may be completed after the service slot of the queue
3918  * finishes.
3919  *
3920  * Anyway, unless more sophisticated solutions are used
3921  * (where possible), the sum of the sizes of the requests dispatched
3922  * during the service slot of a bfq_queue is probably the only
3923  * approximation available for the service received by the bfq_queue
3924  * during its service slot. And this sum is the quantity used in this
3925  * function to evaluate the I/O speed of a process.
3926  */
3927 static bool bfq_bfqq_is_slow(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3928                                  bool compensate, enum bfqq_expiration reason,
3929                                  unsigned long *delta_ms)
3930 {
3931         ktime_t delta_ktime;
3932         u32 delta_usecs;
3933         bool slow = BFQQ_SEEKY(bfqq); /* if delta too short, use seekyness */
3934
3935         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq))
3936                 return false;
3937
3938         if (compensate)
3939                 delta_ktime = bfqd->last_idling_start;
3940         else
3941                 delta_ktime = ktime_get();
3942         delta_ktime = ktime_sub(delta_ktime, bfqd->last_budget_start);
3943         delta_usecs = ktime_to_us(delta_ktime);
3944
3945         /* don't use too short time intervals */
3946         if (delta_usecs < 1000) {
3947                 if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue))
3948                          /*
3949                           * give same worst-case guarantees as idling
3950                           * for seeky
3951                           */
3952                         *delta_ms = BFQ_MIN_TT / NSEC_PER_MSEC;
3953                 else /* charge at least one seek */
3954                         *delta_ms = bfq_slice_idle / NSEC_PER_MSEC;
3955
3956                 return slow;
3957         }
3958
3959         *delta_ms = delta_usecs / USEC_PER_MSEC;
3960
3961         /*
3962          * Use only long (> 20ms) intervals to filter out excessive
3963          * spikes in service rate estimation.
3964          */
3965         if (delta_usecs > 20000) {
3966                 /*
3967                  * Caveat for rotational devices: processes doing I/O
3968                  * in the slower disk zones tend to be slow(er) even
3969                  * if not seeky. In this respect, the estimated peak
3970                  * rate is likely to be an average over the disk
3971                  * surface. Accordingly, to not be too harsh with
3972                  * unlucky processes, a process is deemed slow only if
3973                  * its rate has been lower than half of the estimated
3974                  * peak rate.
3975                  */
3976                 slow = bfqq->entity.service < bfqd->bfq_max_budget / 2;
3977         }
3978
3979         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "bfq_bfqq_is_slow: slow %d", slow);
3980
3981         return slow;
3982 }
3983
3984 /*
3985  * To be deemed as soft real-time, an application must meet two
3986  * requirements. First, the application must not require an average
3987  * bandwidth higher than the approximate bandwidth required to playback or
3988  * record a compressed high-definition video.
3989  * The next function is invoked on the completion of the last request of a
3990  * batch, to compute the next-start time instant, soft_rt_next_start, such
3991  * that, if the next request of the application does not arrive before
3992  * soft_rt_next_start, then the above requirement on the bandwidth is met.
3993  *
3994  * The second requirement is that the request pattern of the application is
3995  * isochronous, i.e., that, after issuing a request or a batch of requests,
3996  * the application stops issuing new requests until all its pending requests
3997  * have been completed. After that, the application may issue a new batch,
3998  * and so on.
3999  * For this reason the next function is invoked to compute
4000  * soft_rt_next_start only for applications that meet this requirement,
4001  * whereas soft_rt_next_start is set to infinity for applications that do
4002  * not.
4003  *
4004  * Unfortunately, even a greedy (i.e., I/O-bound) application may
4005  * happen to meet, occasionally or systematically, both the above
4006  * bandwidth and isochrony requirements. This may happen at least in
4007  * the following circumstances. First, if the CPU load is high. The
4008  * application may stop issuing requests while the CPUs are busy
4009  * serving other processes, then restart, then stop again for a while,
4010  * and so on. The other circumstances are related to the storage
4011  * device: the storage device is highly loaded or reaches a low-enough
4012  * throughput with the I/O of the application (e.g., because the I/O
4013  * is random and/or the device is slow). In all these cases, the
4014  * I/O of the application may be simply slowed down enough to meet
4015  * the bandwidth and isochrony requirements. To reduce the probability
4016  * that greedy applications are deemed as soft real-time in these
4017  * corner cases, a further rule is used in the computation of
4018  * soft_rt_next_start: the return value of this function is forced to
4019  * be higher than the maximum between the following two quantities.
4020  *
4021  * (a) Current time plus: (1) the maximum time for which the arrival
4022  *     of a request is waited for when a sync queue becomes idle,
4023  *     namely bfqd->bfq_slice_idle, and (2) a few extra jiffies. We
4024  *     postpone for a moment the reason for adding a few extra
4025  *     jiffies; we get back to it after next item (b).  Lower-bounding
4026  *     the return value of this function with the current time plus
4027  *     bfqd->bfq_slice_idle tends to filter out greedy applications,
4028  *     because the latter issue their next request as soon as possible
4029  *     after the last one has been completed. In contrast, a soft
4030  *     real-time application spends some time processing data, after a
4031  *     batch of its requests has been completed.
4032  *
4033  * (b) Current value of bfqq->soft_rt_next_start. As pointed out
4034  *     above, greedy applications may happen to meet both the
4035  *     bandwidth and isochrony requirements under heavy CPU or
4036  *     storage-device load. In more detail, in these scenarios, these
4037  *     applications happen, only for limited time periods, to do I/O
4038  *     slowly enough to meet all the requirements described so far,
4039  *     including the filtering in above item (a). These slow-speed
4040  *     time intervals are usually interspersed between other time
4041  *     intervals during which these applications do I/O at a very high
4042  *     speed. Fortunately, exactly because of the high speed of the
4043  *     I/O in the high-speed intervals, the values returned by this
4044  *     function happen to be so high, near the end of any such
4045  *     high-speed interval, to be likely to fall *after* the end of
4046  *     the low-speed time interval that follows. These high values are
4047  *     stored in bfqq->soft_rt_next_start after each invocation of
4048  *     this function. As a consequence, if the last value of
4049  *     bfqq->soft_rt_next_start is constantly used to lower-bound the
4050  *     next value that this function may return, then, from the very
4051  *     beginning of a low-speed interval, bfqq->soft_rt_next_start is
4052  *     likely to be constantly kept so high that any I/O request
4053  *     issued during the low-speed interval is considered as arriving
4054  *     to soon for the application to be deemed as soft
4055  *     real-time. Then, in the high-speed interval that follows, the
4056  *     application will not be deemed as soft real-time, just because
4057  *     it will do I/O at a high speed. And so on.
4058  *
4059  * Getting back to the filtering in item (a), in the following two
4060  * cases this filtering might be easily passed by a greedy
4061  * application, if the reference quantity was just
4062  * bfqd->bfq_slice_idle:
4063  * 1) HZ is so low that the duration of a jiffy is comparable to or
4064  *    higher than bfqd->bfq_slice_idle. This happens, e.g., on slow
4065  *    devices with HZ=100. The time granularity may be so coarse
4066  *    that the approximation, in jiffies, of bfqd->bfq_slice_idle
4067  *    is rather lower than the exact value.
4068  * 2) jiffies, instead of increasing at a constant rate, may stop increasing
4069  *    for a while, then suddenly 'jump' by several units to recover the lost
4070  *    increments. This seems to happen, e.g., inside virtual machines.
4071  * To address this issue, in the filtering in (a) we do not use as a
4072  * reference time interval just bfqd->bfq_slice_idle, but
4073  * bfqd->bfq_slice_idle plus a few jiffies. In particular, we add the
4074  * minimum number of jiffies for which the filter seems to be quite
4075  * precise also in embedded systems and KVM/QEMU virtual machines.
4076  */
4077 static unsigned long bfq_bfqq_softrt_next_start(struct bfq_data *bfqd,
4078                                                 struct bfq_queue *bfqq)
4079 {
4080         return max3(bfqq->soft_rt_next_start,
4081                     bfqq->last_idle_bklogged +
4082                     HZ * bfqq->service_from_backlogged /
4083                     bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate,
4084                     jiffies + nsecs_to_jiffies(bfqq->bfqd->bfq_slice_idle) + 4);
4085 }
4086
4087 /**
4088  * bfq_bfqq_expire - expire a queue.
4089  * @bfqd: device owning the queue.
4090  * @bfqq: the queue to expire.
4091  * @compensate: if true, compensate for the time spent idling.
4092  * @reason: the reason causing the expiration.
4093  *
4094  * If the process associated with bfqq does slow I/O (e.g., because it
4095  * issues random requests), we charge bfqq with the time it has been
4096  * in service instead of the service it has received (see
4097  * bfq_bfqq_charge_time for details on how this goal is achieved). As
4098  * a consequence, bfqq will typically get higher timestamps upon
4099  * reactivation, and hence it will be rescheduled as if it had
4100  * received more service than what it has actually received. In the
4101  * end, bfqq receives less service in proportion to how slowly its
4102  * associated process consumes its budgets (and hence how seriously it
4103  * tends to lower the throughput). In addition, this time-charging
4104  * strategy guarantees time fairness among slow processes. In
4105  * contrast, if the process associated with bfqq is not slow, we
4106  * charge bfqq exactly with the service it has received.
4107  *
4108  * Charging time to the first type of queues and the exact service to
4109  * the other has the effect of using the WF2Q+ policy to schedule the
4110  * former on a timeslice basis, without violating service domain
4111  * guarantees among the latter.
4112  */
4113 void bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd,
4114                      struct bfq_queue *bfqq,
4115                      bool compensate,
4116                      enum bfqq_expiration reason)
4117 {
4118         bool slow;
4119         unsigned long delta = 0;
4120         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4121
4122         /*
4123          * Check whether the process is slow (see bfq_bfqq_is_slow).
4124          */
4125         slow = bfq_bfqq_is_slow(bfqd, bfqq, compensate, reason, &delta);
4126
4127         /*
4128          * As above explained, charge slow (typically seeky) and
4129          * timed-out queues with the time and not the service
4130          * received, to favor sequential workloads.
4131          *
4132          * Processes doing I/O in the slower disk zones will tend to
4133          * be slow(er) even if not seeky. Therefore, since the
4134          * estimated peak rate is actually an average over the disk
4135          * surface, these processes may timeout just for bad luck. To
4136          * avoid punishing them, do not charge time to processes that
4137          * succeeded in consuming at least 2/3 of their budget. This
4138          * allows BFQ to preserve enough elasticity to still perform
4139          * bandwidth, and not time, distribution with little unlucky
4140          * or quasi-sequential processes.
4141          */
4142         if (bfqq->wr_coeff == 1 &&
4143             (slow ||
4144              (reason == BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4145               bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  entity->budget / 3)))
4146                 bfq_bfqq_charge_time(bfqd, bfqq, delta);
4147
4148         if (bfqd->low_latency && bfqq->wr_coeff == 1)
4149                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
4150
4151         if (bfqd->low_latency && bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
4152             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
4153                 /*
4154                  * If we get here, and there are no outstanding
4155                  * requests, then the request pattern is isochronous
4156                  * (see the comments on the function
4157                  * bfq_bfqq_softrt_next_start()). Therefore we can
4158                  * compute soft_rt_next_start.
4159                  *
4160                  * If, instead, the queue still has outstanding
4161                  * requests, then we have to wait for the completion
4162                  * of all the outstanding requests to discover whether
4163                  * the request pattern is actually isochronous.
4164                  */
4165                 if (bfqq->dispatched == 0)
4166                         bfqq->soft_rt_next_start =
4167                                 bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
4168                 else if (bfqq->dispatched > 0) {
4169                         /*
4170                          * Schedule an update of soft_rt_next_start to when
4171                          * the task may be discovered to be isochronous.
4172                          */
4173                         bfq_mark_bfqq_softrt_update(bfqq);
4174                 }
4175         }
4176
4177         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4178                 "expire (%d, slow %d, num_disp %d, short_ttime %d)", reason,
4179                 slow, bfqq->dispatched, bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq));
4180
4181         /*
4182          * bfqq expired, so no total service time needs to be computed
4183          * any longer: reset state machine for measuring total service
4184          * times.
4185          */
4186         bfqd->rqs_injected = bfqd->wait_dispatch = false;
4187         bfqd->waited_rq = NULL;
4188
4189         /*
4190          * Increase, decrease or leave budget unchanged according to
4191          * reason.
4192          */
4193         __bfq_bfqq_recalc_budget(bfqd, bfqq, reason);
4194         if (__bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, reason))
4195                 /* bfqq is gone, no more actions on it */
4196                 return;
4197
4198         /* mark bfqq as waiting a request only if a bic still points to it */
4199         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
4200             reason != BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4201             reason != BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED) {
4202                 bfq_mark_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
4203                 /*
4204                  * Not setting service to 0, because, if the next rq
4205                  * arrives in time, the queue will go on receiving
4206                  * service with this same budget (as if it never expired)
4207                  */
4208         } else
4209                 entity->service = 0;
4210
4211         /*
4212          * Reset the received-service counter for every parent entity.
4213          * Differently from what happens with bfqq->entity.service,
4214          * the resetting of this counter never needs to be postponed
4215          * for parent entities. In fact, in case bfqq may have a
4216          * chance to go on being served using the last, partially
4217          * consumed budget, bfqq->entity.service needs to be kept,
4218          * because if bfqq then actually goes on being served using
4219          * the same budget, the last value of bfqq->entity.service is
4220          * needed to properly decrement bfqq->entity.budget by the
4221          * portion already consumed. In contrast, it is not necessary
4222          * to keep entity->service for parent entities too, because
4223          * the bubble up of the new value of bfqq->entity.budget will
4224          * make sure that the budgets of parent entities are correct,
4225          * even in case bfqq and thus parent entities go on receiving
4226          * service with the same budget.
4227          */
4228         entity = entity->parent;
4229         for_each_entity(entity)
4230                 entity->service = 0;
4231 }
4232
4233 /*
4234  * Budget timeout is not implemented through a dedicated timer, but
4235  * just checked on request arrivals and completions, as well as on
4236  * idle timer expirations.
4237  */
4238 static bool bfq_bfqq_budget_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4239 {
4240         return time_is_before_eq_jiffies(bfqq->budget_timeout);
4241 }
4242
4243 /*
4244  * If we expire a queue that is actively waiting (i.e., with the
4245  * device idled) for the arrival of a new request, then we may incur
4246  * the timestamp misalignment problem described in the body of the
4247  * function __bfq_activate_entity. Hence we return true only if this
4248  * condition does not hold, or if the queue is slow enough to deserve
4249  * only to be kicked off for preserving a high throughput.
4250  */
4251 static bool bfq_may_expire_for_budg_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4252 {
4253         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
4254                 "may_budget_timeout: wait_request %d left %d timeout %d",
4255                 bfq_bfqq_wait_request(bfqq),
4256                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3,
4257                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq));
4258
4259         return (!bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4260                 bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3)
4261                 &&
4262                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
4263 }
4264
4265 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
4266                                              struct bfq_queue *bfqq)
4267 {
4268         bool rot_without_queueing =
4269                 !blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && !bfqd->hw_tag,
4270                 bfqq_sequential_and_IO_bound,
4271                 idling_boosts_thr;
4272
4273         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4274         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4275                 return false;
4276
4277         bfqq_sequential_and_IO_bound = !BFQQ_SEEKY(bfqq) &&
4278                 bfq_bfqq_IO_bound(bfqq) && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4279
4280         /*
4281          * The next variable takes into account the cases where idling
4282          * boosts the throughput.
4283          *
4284          * The value of the variable is computed considering, first, that
4285          * idling is virtually always beneficial for the throughput if:
4286          * (a) the device is not NCQ-capable and rotational, or
4287          * (b) regardless of the presence of NCQ, the device is rotational and
4288          *     the request pattern for bfqq is I/O-bound and sequential, or
4289          * (c) regardless of whether it is rotational, the device is
4290          *     not NCQ-capable and the request pattern for bfqq is
4291          *     I/O-bound and sequential.
4292          *
4293          * Secondly, and in contrast to the above item (b), idling an
4294          * NCQ-capable flash-based device would not boost the
4295          * throughput even with sequential I/O; rather it would lower
4296          * the throughput in proportion to how fast the device
4297          * is. Accordingly, the next variable is true if any of the
4298          * above conditions (a), (b) or (c) is true, and, in
4299          * particular, happens to be false if bfqd is an NCQ-capable
4300          * flash-based device.
4301          */
4302         idling_boosts_thr = rot_without_queueing ||
4303                 ((!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) || !bfqd->hw_tag) &&
4304                  bfqq_sequential_and_IO_bound);
4305
4306         /*
4307          * The return value of this function is equal to that of
4308          * idling_boosts_thr, unless a special case holds. In this
4309          * special case, described below, idling may cause problems to
4310          * weight-raised queues.
4311          *
4312          * When the request pool is saturated (e.g., in the presence
4313          * of write hogs), if the processes associated with
4314          * non-weight-raised queues ask for requests at a lower rate,
4315          * then processes associated with weight-raised queues have a
4316          * higher probability to get a request from the pool
4317          * immediately (or at least soon) when they need one. Thus
4318          * they have a higher probability to actually get a fraction
4319          * of the device throughput proportional to their high
4320          * weight. This is especially true with NCQ-capable drives,
4321          * which enqueue several requests in advance, and further
4322          * reorder internally-queued requests.
4323          *
4324          * For this reason, we force to false the return value if
4325          * there are weight-raised busy queues. In this case, and if
4326          * bfqq is not weight-raised, this guarantees that the device
4327          * is not idled for bfqq (if, instead, bfqq is weight-raised,
4328          * then idling will be guaranteed by another variable, see
4329          * below). Combined with the timestamping rules of BFQ (see
4330          * [1] for details), this behavior causes bfqq, and hence any
4331          * sync non-weight-raised queue, to get a lower number of
4332          * requests served, and thus to ask for a lower number of
4333          * requests from the request pool, before the busy
4334          * weight-raised queues get served again. This often mitigates
4335          * starvation problems in the presence of heavy write
4336          * workloads and NCQ, thereby guaranteeing a higher
4337          * application and system responsiveness in these hostile
4338          * scenarios.
4339          */
4340         return idling_boosts_thr &&
4341                 bfqd->wr_busy_queues == 0;
4342 }
4343
4344 /*
4345  * For a queue that becomes empty, device idling is allowed only if
4346  * this function returns true for that queue. As a consequence, since
4347  * device idling plays a critical role for both throughput boosting
4348  * and service guarantees, the return value of this function plays a
4349  * critical role as well.
4350  *
4351  * In a nutshell, this function returns true only if idling is
4352  * beneficial for throughput or, even if detrimental for throughput,
4353  * idling is however necessary to preserve service guarantees (low
4354  * latency, desired throughput distribution, ...). In particular, on
4355  * NCQ-capable devices, this function tries to return false, so as to
4356  * help keep the drives' internal queues full, whenever this helps the
4357  * device boost the throughput without causing any service-guarantee
4358  * issue.
4359  *
4360  * Most of the issues taken into account to get the return value of
4361  * this function are not trivial. We discuss these issues in the two
4362  * functions providing the main pieces of information needed by this
4363  * function.
4364  */
4365 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4366 {
4367         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
4368         bool idling_boosts_thr_with_no_issue, idling_needed_for_service_guar;
4369
4370         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4371         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4372                 return false;
4373
4374         if (unlikely(bfqd->strict_guarantees))
4375                 return true;
4376
4377         /*
4378          * Idling is performed only if slice_idle > 0. In addition, we
4379          * do not idle if
4380          * (a) bfqq is async
4381          * (b) bfqq is in the idle io prio class: in this case we do
4382          * not idle because we want to minimize the bandwidth that
4383          * queues in this class can steal to higher-priority queues
4384          */
4385         if (bfqd->bfq_slice_idle == 0 || !bfq_bfqq_sync(bfqq) ||
4386            bfq_class_idle(bfqq))
4387                 return false;
4388
4389         idling_boosts_thr_with_no_issue =
4390                 idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq);
4391
4392         idling_needed_for_service_guar =
4393                 idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq);
4394
4395         /*
4396          * We have now the two components we need to compute the
4397          * return value of the function, which is true only if idling
4398          * either boosts the throughput (without issues), or is
4399          * necessary to preserve service guarantees.
4400          */
4401         return idling_boosts_thr_with_no_issue ||
4402                 idling_needed_for_service_guar;
4403 }
4404
4405 /*
4406  * If the in-service queue is empty but the function bfq_better_to_idle
4407  * returns true, then:
4408  * 1) the queue must remain in service and cannot be expired, and
4409  * 2) the device must be idled to wait for the possible arrival of a new
4410  *    request for the queue.
4411  * See the comments on the function bfq_better_to_idle for the reasons
4412  * why performing device idling is the best choice to boost the throughput
4413  * and preserve service guarantees when bfq_better_to_idle itself
4414  * returns true.
4415  */
4416 static bool bfq_bfqq_must_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4417 {
4418         return RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_better_to_idle(bfqq);
4419 }
4420
4421 /*
4422  * This function chooses the queue from which to pick the next extra
4423  * I/O request to inject, if it finds a compatible queue. See the
4424  * comments on bfq_update_inject_limit() for details on the injection
4425  * mechanism, and for the definitions of the quantities mentioned
4426  * below.
4427  */
4428 static struct bfq_queue *
4429 bfq_choose_bfqq_for_injection(struct bfq_data *bfqd)
4430 {
4431         struct bfq_queue *bfqq, *in_serv_bfqq = bfqd->in_service_queue;
4432         unsigned int limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4433         /*
4434          * If
4435          * - bfqq is not weight-raised and therefore does not carry
4436          *   time-critical I/O,
4437          * or
4438          * - regardless of whether bfqq is weight-raised, bfqq has
4439          *   however a long think time, during which it can absorb the
4440          *   effect of an appropriate number of extra I/O requests
4441          *   from other queues (see bfq_update_inject_limit for
4442          *   details on the computation of this number);
4443          * then injection can be performed without restrictions.
4444          */
4445         bool in_serv_always_inject = in_serv_bfqq->wr_coeff == 1 ||
4446                 !bfq_bfqq_has_short_ttime(in_serv_bfqq);
4447
4448         /*
4449          * If
4450          * - the baseline total service time could not be sampled yet,
4451          *   so the inject limit happens to be still 0, and
4452          * - a lot of time has elapsed since the plugging of I/O
4453          *   dispatching started, so drive speed is being wasted
4454          *   significantly;
4455          * then temporarily raise inject limit to one request.
4456          */
4457         if (limit == 0 && in_serv_bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
4458             bfq_bfqq_wait_request(in_serv_bfqq) &&
4459             time_is_before_eq_jiffies(bfqd->last_idling_start_jiffies +
4460                                       bfqd->bfq_slice_idle)
4461                 )
4462                 limit = 1;
4463
4464         if (bfqd->rq_in_driver >= limit)
4465                 return NULL;
4466
4467         /*
4468          * Linear search of the source queue for injection; but, with
4469          * a high probability, very few steps are needed to find a
4470          * candidate queue, i.e., a queue with enough budget left for
4471          * its next request. In fact:
4472          * - BFQ dynamically updates the budget of every queue so as
4473          *   to accommodate the expected backlog of the queue;
4474          * - if a queue gets all its requests dispatched as injected
4475          *   service, then the queue is removed from the active list
4476          *   (and re-added only if it gets new requests, but then it
4477          *   is assigned again enough budget for its new backlog).
4478          */
4479         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
4480                 if (!RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
4481                     (in_serv_always_inject || bfqq->wr_coeff > 1) &&
4482                     bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq) <=
4483                     bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4484                         /*
4485                          * Allow for only one large in-flight request
4486                          * on non-rotational devices, for the
4487                          * following reason. On non-rotationl drives,
4488                          * large requests take much longer than
4489                          * smaller requests to be served. In addition,
4490                          * the drive prefers to serve large requests
4491                          * w.r.t. to small ones, if it can choose. So,
4492                          * having more than one large requests queued
4493                          * in the drive may easily make the next first
4494                          * request of the in-service queue wait for so
4495                          * long to break bfqq's service guarantees. On
4496                          * the bright side, large requests let the
4497                          * drive reach a very high throughput, even if
4498                          * there is only one in-flight large request
4499                          * at a time.
4500                          */
4501                         if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue) &&
4502                             blk_rq_sectors(bfqq->next_rq) >=
4503                             BFQQ_SECT_THR_NONROT)
4504                                 limit = min_t(unsigned int, 1, limit);
4505                         else
4506                                 limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4507
4508                         if (bfqd->rq_in_driver < limit) {
4509                                 bfqd->rqs_injected = true;
4510                                 return bfqq;
4511                         }
4512                 }
4513
4514         return NULL;
4515 }
4516
4517 /*
4518  * Select a queue for service.  If we have a current queue in service,
4519  * check whether to continue servicing it, or retrieve and set a new one.
4520  */
4521 static struct bfq_queue *bfq_select_queue(struct bfq_data *bfqd)
4522 {
4523         struct bfq_queue *bfqq;
4524         struct request *next_rq;
4525         enum bfqq_expiration reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
4526
4527         bfqq = bfqd->in_service_queue;
4528         if (!bfqq)
4529                 goto new_queue;
4530
4531         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: already in-service queue");
4532
4533         /*
4534          * Do not expire bfqq for budget timeout if bfqq may be about
4535          * to enjoy device idling. The reason why, in this case, we
4536          * prevent bfqq from expiring is the same as in the comments
4537          * on the case where bfq_bfqq_must_idle() returns true, in
4538          * bfq_completed_request().
4539          */
4540         if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq) &&
4541             !bfq_bfqq_must_idle(bfqq))
4542                 goto expire;
4543
4544 check_queue:
4545         /*
4546          * This loop is rarely executed more than once. Even when it
4547          * happens, it is much more convenient to re-execute this loop
4548          * than to return NULL and trigger a new dispatch to get a
4549          * request served.
4550          */
4551         next_rq = bfqq->next_rq;
4552         /*
4553          * If bfqq has requests queued and it has enough budget left to
4554          * serve them, keep the queue, otherwise expire it.
4555          */
4556         if (next_rq) {
4557                 if (bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq) >
4558                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4559                         /*
4560                          * Expire the queue for budget exhaustion,
4561                          * which makes sure that the next budget is
4562                          * enough to serve the next request, even if
4563                          * it comes from the fifo expired path.
4564                          */
4565                         reason = BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED;
4566                         goto expire;
4567                 } else {
4568                         /*
4569                          * The idle timer may be pending because we may
4570                          * not disable disk idling even when a new request
4571                          * arrives.
4572                          */
4573                         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
4574                                 /*
4575                                  * If we get here: 1) at least a new request
4576                                  * has arrived but we have not disabled the
4577                                  * timer because the request was too small,
4578                                  * 2) then the block layer has unplugged
4579                                  * the device, causing the dispatch to be
4580                                  * invoked.
4581                                  *
4582                                  * Since the device is unplugged, now the
4583                                  * requests are probably large enough to
4584                                  * provide a reasonable throughput.
4585                                  * So we disable idling.
4586                                  */
4587                                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
4588                                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
4589                         }
4590                         goto keep_queue;
4591                 }
4592         }
4593
4594         /*
4595          * No requests pending. However, if the in-service queue is idling
4596          * for a new request, or has requests waiting for a completion and
4597          * may idle after their completion, then keep it anyway.
4598          *
4599          * Yet, inject service from other queues if it boosts
4600          * throughput and is possible.
4601          */
4602         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4603             (bfqq->dispatched != 0 && bfq_better_to_idle(bfqq))) {
4604                 struct bfq_queue *async_bfqq =
4605                         bfqq->bic && bfqq->bic->bfqq[0] &&
4606                         bfq_bfqq_busy(bfqq->bic->bfqq[0]) &&
4607                         bfqq->bic->bfqq[0]->next_rq ?
4608                         bfqq->bic->bfqq[0] : NULL;
4609                 struct bfq_queue *blocked_bfqq =
4610                         !hlist_empty(&bfqq->woken_list) ?
4611                         container_of(bfqq->woken_list.first,
4612                                      struct bfq_queue,
4613                                      woken_list_node)
4614                         : NULL;
4615
4616                 /*
4617                  * The next four mutually-exclusive ifs decide
4618                  * whether to try injection, and choose the queue to
4619                  * pick an I/O request from.
4620                  *
4621                  * The first if checks whether the process associated
4622                  * with bfqq has also async I/O pending. If so, it
4623                  * injects such I/O unconditionally. Injecting async
4624                  * I/O from the same process can cause no harm to the
4625                  * process. On the contrary, it can only increase
4626                  * bandwidth and reduce latency for the process.
4627                  *
4628                  * The second if checks whether there happens to be a
4629                  * non-empty waker queue for bfqq, i.e., a queue whose
4630                  * I/O needs to be completed for bfqq to receive new
4631                  * I/O. This happens, e.g., if bfqq is associated with
4632                  * a process that does some sync. A sync generates
4633                  * extra blocking I/O, which must be completed before
4634                  * the process associated with bfqq can go on with its
4635                  * I/O. If the I/O of the waker queue is not served,
4636                  * then bfqq remains empty, and no I/O is dispatched,
4637                  * until the idle timeout fires for bfqq. This is
4638                  * likely to result in lower bandwidth and higher
4639                  * latencies for bfqq, and in a severe loss of total
4640                  * throughput. The best action to take is therefore to
4641                  * serve the waker queue as soon as possible. So do it
4642                  * (without relying on the third alternative below for
4643                  * eventually serving waker_bfqq's I/O; see the last
4644                  * paragraph for further details). This systematic
4645                  * injection of I/O from the waker queue does not
4646                  * cause any delay to bfqq's I/O. On the contrary,
4647                  * next bfqq's I/O is brought forward dramatically,
4648                  * for it is not blocked for milliseconds.
4649                  *
4650                  * The third if checks whether there is a queue woken
4651                  * by bfqq, and currently with pending I/O. Such a
4652                  * woken queue does not steal bandwidth from bfqq,
4653                  * because it remains soon without I/O if bfqq is not
4654                  * served. So there is virtually no risk of loss of
4655                  * bandwidth for bfqq if this woken queue has I/O
4656                  * dispatched while bfqq is waiting for new I/O.
4657                  *
4658                  * The fourth if checks whether bfqq is a queue for
4659                  * which it is better to avoid injection. It is so if
4660                  * bfqq delivers more throughput when served without
4661                  * any further I/O from other queues in the middle, or
4662                  * if the service times of bfqq's I/O requests both
4663                  * count more than overall throughput, and may be
4664                  * easily increased by injection (this happens if bfqq
4665                  * has a short think time). If none of these
4666                  * conditions holds, then a candidate queue for
4667                  * injection is looked for through
4668                  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). Note that the
4669                  * latter may return NULL (for example if the inject
4670                  * limit for bfqq is currently 0).
4671                  *
4672                  * NOTE: motivation for the second alternative
4673                  *
4674                  * Thanks to the way the inject limit is updated in
4675                  * bfq_update_has_short_ttime(), it is rather likely
4676                  * that, if I/O is being plugged for bfqq and the
4677                  * waker queue has pending I/O requests that are
4678                  * blocking bfqq's I/O, then the fourth alternative
4679                  * above lets the waker queue get served before the
4680                  * I/O-plugging timeout fires. So one may deem the
4681                  * second alternative superfluous. It is not, because
4682                  * the fourth alternative may be way less effective in
4683                  * case of a synchronization. For two main
4684                  * reasons. First, throughput may be low because the
4685                  * inject limit may be too low to guarantee the same
4686                  * amount of injected I/O, from the waker queue or
4687                  * other queues, that the second alternative
4688                  * guarantees (the second alternative unconditionally
4689                  * injects a pending I/O request of the waker queue
4690                  * for each bfq_dispatch_request()). Second, with the
4691                  * fourth alternative, the duration of the plugging,
4692                  * i.e., the time before bfqq finally receives new I/O,
4693                  * may not be minimized, because the waker queue may
4694                  * happen to be served only after other queues.
4695                  */
4696                 if (async_bfqq &&
4697                     icq_to_bic(async_bfqq->next_rq->elv.icq) == bfqq->bic &&
4698                     bfq_serv_to_charge(async_bfqq->next_rq, async_bfqq) <=
4699                     bfq_bfqq_budget_left(async_bfqq))
4700                         bfqq = bfqq->bic->bfqq[0];
4701                 else if (bfqq->waker_bfqq &&
4702                            bfq_bfqq_busy(bfqq->waker_bfqq) &&
4703                            bfqq->waker_bfqq->next_rq &&
4704                            bfq_serv_to_charge(bfqq->waker_bfqq->next_rq,
4705                                               bfqq->waker_bfqq) <=
4706                            bfq_bfqq_budget_left(bfqq->waker_bfqq)
4707                         )
4708                         bfqq = bfqq->waker_bfqq;
4709                 else if (blocked_bfqq &&
4710                            bfq_bfqq_busy(blocked_bfqq) &&
4711                            blocked_bfqq->next_rq &&
4712                            bfq_serv_to_charge(blocked_bfqq->next_rq,
4713                                               blocked_bfqq) <=
4714                            bfq_bfqq_budget_left(blocked_bfqq)
4715                         )
4716                         bfqq = blocked_bfqq;
4717                 else if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
4718                          (bfqq->wr_coeff == 1 || bfqd->wr_busy_queues > 1 ||
4719                           !bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq)))
4720                         bfqq = bfq_choose_bfqq_for_injection(bfqd);
4721                 else
4722                         bfqq = NULL;
4723
4724                 goto keep_queue;
4725         }
4726
4727         reason = BFQQE_NO_MORE_REQUESTS;
4728 expire:
4729         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, reason);
4730 new_queue:
4731         bfqq = bfq_set_in_service_queue(bfqd);
4732         if (bfqq) {
4733                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: checking new queue");
4734                 goto check_queue;
4735         }
4736 keep_queue:
4737         if (bfqq)
4738                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: returned this queue");
4739         else
4740                 bfq_log(bfqd, "select_queue: no queue returned");
4741
4742         return bfqq;
4743 }
4744
4745 static void bfq_update_wr_data(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
4746 {
4747         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4748
4749         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* queue is being weight-raised */
4750                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4751                         "raising period dur %u/%u msec, old coeff %u, w %d(%d)",
4752                         jiffies_to_msecs(jiffies - bfqq->last_wr_start_finish),
4753                         jiffies_to_msecs(bfqq->wr_cur_max_time),
4754                         bfqq->wr_coeff,
4755                         bfqq->entity.weight, bfqq->entity.orig_weight);
4756
4757                 if (entity->prio_changed)
4758                         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "WARN: pending prio change");
4759
4760                 /*
4761                  * If the queue was activated in a burst, or too much
4762                  * time has elapsed from the beginning of this
4763                  * weight-raising period, then end weight raising.
4764                  */
4765                 if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
4766                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4767                 else if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
4768                                                 bfqq->wr_cur_max_time)) {
4769                         if (bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time ||
4770                         time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
4771                                                bfq_wr_duration(bfqd))) {
4772                                 /*
4773                                  * Either in interactive weight
4774                                  * raising, or in soft_rt weight
4775                                  * raising with the
4776                                  * interactive-weight-raising period
4777                                  * elapsed (so no switch back to
4778                                  * interactive weight raising).
4779                                  */
4780                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4781                         } else { /*
4782                                   * soft_rt finishing while still in
4783                                   * interactive period, switch back to
4784                                   * interactive weight raising
4785                                   */
4786                                 switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
4787                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
4788                         }
4789                 }
4790                 if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
4791                     bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
4792                     bfqq->service_from_wr > max_service_from_wr) {
4793                         /* see comments on max_service_from_wr */
4794                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4795                 }
4796         }
4797         /*
4798          * To improve latency (for this or other queues), immediately
4799          * update weight both if it must be raised and if it must be
4800          * lowered. Since, entity may be on some active tree here, and
4801          * might have a pending change of its ioprio class, invoke
4802          * next function with the last parameter unset (see the
4803          * comments on the function).
4804          */
4805         if ((entity->weight > entity->orig_weight) != (bfqq->wr_coeff > 1))
4806                 __bfq_entity_update_weight_prio(bfq_entity_service_tree(entity),
4807                                                 entity, false);
4808 }
4809
4810 /*
4811  * Dispatch next request from bfqq.
4812  */
4813 static struct request *bfq_dispatch_rq_from_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
4814                                                  struct bfq_queue *bfqq)
4815 {
4816         struct request *rq = bfqq->next_rq;
4817         unsigned long service_to_charge;
4818
4819         service_to_charge = bfq_serv_to_charge(rq, bfqq);
4820
4821         bfq_bfqq_served(bfqq, service_to_charge);
4822
4823         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfqd->wait_dispatch) {
4824                 bfqd->wait_dispatch = false;
4825                 bfqd->waited_rq = rq;
4826         }
4827
4828         bfq_dispatch_remove(bfqd->queue, rq);
4829
4830         if (bfqq != bfqd->in_service_queue)
4831                 goto return_rq;
4832
4833         /*
4834          * If weight raising has to terminate for bfqq, then next
4835          * function causes an immediate update of bfqq's weight,
4836          * without waiting for next activation. As a consequence, on
4837          * expiration, bfqq will be timestamped as if has never been
4838          * weight-raised during this service slot, even if it has
4839          * received part or even most of the service as a
4840          * weight-raised queue. This inflates bfqq's timestamps, which
4841          * is beneficial, as bfqq is then more willing to leave the
4842          * device immediately to possible other weight-raised queues.
4843          */
4844         bfq_update_wr_data(bfqd, bfqq);
4845
4846         /*
4847          * Expire bfqq, pretending that its budget expired, if bfqq
4848          * belongs to CLASS_IDLE and other queues are waiting for
4849          * service.
4850          */
4851         if (!(bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 1 && bfq_class_idle(bfqq)))
4852                 goto return_rq;
4853
4854         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED);
4855
4856 return_rq:
4857         return rq;
4858 }
4859
4860 static bool bfq_has_work(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4861 {
4862         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4863
4864         /*
4865          * Avoiding lock: a race on bfqd->busy_queues should cause at
4866          * most a call to dispatch for nothing
4867          */
4868         return !list_empty_careful(&bfqd->dispatch) ||
4869                 bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 0;
4870 }
4871
4872 static struct request *__bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4873 {
4874         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4875         struct request *rq = NULL;
4876         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
4877
4878         if (!list_empty(&bfqd->dispatch)) {
4879                 rq = list_first_entry(&bfqd->dispatch, struct request,
4880                                       queuelist);
4881                 list_del_init(&rq->queuelist);
4882
4883                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
4884
4885                 if (bfqq) {
4886                         /*
4887                          * Increment counters here, because this
4888                          * dispatch does not follow the standard
4889                          * dispatch flow (where counters are
4890                          * incremented)
4891                          */
4892                         bfqq->dispatched++;
4893
4894                         goto inc_in_driver_start_rq;
4895                 }
4896
4897                 /*
4898                  * We exploit the bfq_finish_requeue_request hook to
4899                  * decrement rq_in_driver, but
4900                  * bfq_finish_requeue_request will not be invoked on
4901                  * this request. So, to avoid unbalance, just start
4902                  * this request, without incrementing rq_in_driver. As
4903                  * a negative consequence, rq_in_driver is deceptively
4904                  * lower than it should be while this request is in
4905                  * service. This may cause bfq_schedule_dispatch to be
4906                  * invoked uselessly.
4907                  *
4908                  * As for implementing an exact solution, the
4909                  * bfq_finish_requeue_request hook, if defined, is
4910                  * probably invoked also on this request. So, by
4911                  * exploiting this hook, we could 1) increment
4912                  * rq_in_driver here, and 2) decrement it in
4913                  * bfq_finish_requeue_request. Such a solution would
4914                  * let the value of the counter be always accurate,
4915                  * but it would entail using an extra interface
4916                  * function. This cost seems higher than the benefit,
4917                  * being the frequency of non-elevator-private
4918                  * requests very low.
4919                  */
4920                 goto start_rq;
4921         }
4922
4923         bfq_log(bfqd, "dispatch requests: %d busy queues",
4924                 bfq_tot_busy_queues(bfqd));
4925
4926         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)
4927                 goto exit;
4928
4929         /*
4930          * Force device to serve one request at a time if
4931          * strict_guarantees is true. Forcing this service scheme is
4932          * currently the ONLY way to guarantee that the request
4933          * service order enforced by the scheduler is respected by a
4934          * queueing device. Otherwise the device is free even to make
4935          * some unlucky request wait for as long as the device
4936          * wishes.
4937          *
4938          * Of course, serving one request at a time may cause loss of
4939          * throughput.
4940          */
4941         if (bfqd->strict_guarantees && bfqd->rq_in_driver > 0)
4942                 goto exit;
4943
4944         bfqq = bfq_select_queue(bfqd);
4945         if (!bfqq)
4946                 goto exit;
4947
4948         rq = bfq_dispatch_rq_from_bfqq(bfqd, bfqq);
4949
4950         if (rq) {
4951 inc_in_driver_start_rq:
4952                 bfqd->rq_in_driver++;
4953 start_rq:
4954                 rq->rq_flags |= RQF_STARTED;
4955         }
4956 exit:
4957         return rq;
4958 }
4959
4960 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
4961 static void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
4962                                       struct request *rq,
4963                                       struct bfq_queue *in_serv_queue,
4964                                       bool idle_timer_disabled)
4965 {
4966         struct bfq_queue *bfqq = rq ? RQ_BFQQ(rq) : NULL;
4967
4968         if (!idle_timer_disabled && !bfqq)
4969                 return;
4970
4971         /*
4972          * rq and bfqq are guaranteed to exist until this function
4973          * ends, for the following reasons. First, rq can be
4974          * dispatched to the device, and then can be completed and
4975          * freed, only after this function ends. Second, rq cannot be
4976          * merged (and thus freed because of a merge) any longer,
4977          * because it has already started. Thus rq cannot be freed
4978          * before this function ends, and, since rq has a reference to
4979          * bfqq, the same guarantee holds for bfqq too.
4980          *
4981          * In addition, the following queue lock guarantees that
4982          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
4983          */
4984         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
4985         if (idle_timer_disabled)
4986                 /*
4987                  * Since the idle timer has been disabled,
4988                  * in_serv_queue contained some request when
4989                  * __bfq_dispatch_request was invoked above, which
4990                  * implies that rq was picked exactly from
4991                  * in_serv_queue. Thus in_serv_queue == bfqq, and is
4992                  * therefore guaranteed to exist because of the above
4993                  * arguments.
4994                  */
4995                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(in_serv_queue));
4996         if (bfqq) {
4997                 struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
4998
4999                 bfqg_stats_update_avg_queue_size(bfqg);
5000                 bfqg_stats_set_start_empty_time(bfqg);
5001                 bfqg_stats_update_io_remove(bfqg, rq->cmd_flags);
5002         }
5003         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5004 }
5005 #else
5006 static inline void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
5007                                              struct request *rq,
5008                                              struct bfq_queue *in_serv_queue,
5009                                              bool idle_timer_disabled) {}
5010 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5011
5012 static struct request *bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
5013 {
5014         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
5015         struct request *rq;
5016         struct bfq_queue *in_serv_queue;
5017         bool waiting_rq, idle_timer_disabled;
5018
5019         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5020
5021         in_serv_queue = bfqd->in_service_queue;
5022         waiting_rq = in_serv_queue && bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5023
5024         rq = __bfq_dispatch_request(hctx);
5025
5026         idle_timer_disabled =
5027                 waiting_rq && !bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5028
5029         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5030
5031         bfq_update_dispatch_stats(hctx->queue, rq, in_serv_queue,
5032                                   idle_timer_disabled);
5033
5034         return rq;
5035 }
5036
5037 /*
5038  * Task holds one reference to the queue, dropped when task exits.  Each rq
5039  * in-flight on this queue also holds a reference, dropped when rq is freed.
5040  *
5041  * Scheduler lock must be held here. Recall not to use bfqq after calling
5042  * this function on it.
5043  */
5044 void bfq_put_queue(struct bfq_queue *bfqq)
5045 {
5046         struct bfq_queue *item;
5047         struct hlist_node *n;
5048         struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
5049
5050         if (bfqq->bfqd)
5051                 bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "put_queue: %p %d",
5052                              bfqq, bfqq->ref);
5053
5054         bfqq->ref--;
5055         if (bfqq->ref)
5056                 return;
5057
5058         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node)) {
5059                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
5060                 /*
5061                  * Decrement also burst size after the removal, if the
5062                  * process associated with bfqq is exiting, and thus
5063                  * does not contribute to the burst any longer. This
5064                  * decrement helps filter out false positives of large
5065                  * bursts, when some short-lived process (often due to
5066                  * the execution of commands by some service) happens
5067                  * to start and exit while a complex application is
5068                  * starting, and thus spawning several processes that
5069                  * do I/O (and that *must not* be treated as a large
5070                  * burst, see comments on bfq_handle_burst).
5071                  *
5072                  * In particular, the decrement is performed only if:
5073                  * 1) bfqq is not a merged queue, because, if it is,
5074                  * then this free of bfqq is not triggered by the exit
5075                  * of the process bfqq is associated with, but exactly
5076                  * by the fact that bfqq has just been merged.
5077                  * 2) burst_size is greater than 0, to handle
5078                  * unbalanced decrements. Unbalanced decrements may
5079                  * happen in te following case: bfqq is inserted into
5080                  * the current burst list--without incrementing
5081                  * bust_size--because of a split, but the current
5082                  * burst list is not the burst list bfqq belonged to
5083                  * (see comments on the case of a split in
5084                  * bfq_set_request).
5085                  */
5086                 if (bfqq->bic && bfqq->bfqd->burst_size > 0)
5087                         bfqq->bfqd->burst_size--;
5088         }
5089
5090         /*
5091          * bfqq does not exist any longer, so it cannot be woken by
5092          * any other queue, and cannot wake any other queue. Then bfqq
5093          * must be removed from the woken list of its possible waker
5094          * queue, and all queues in the woken list of bfqq must stop
5095          * having a waker queue. Strictly speaking, these updates
5096          * should be performed when bfqq remains with no I/O source
5097          * attached to it, which happens before bfqq gets freed. In
5098          * particular, this happens when the last process associated
5099          * with bfqq exits or gets associated with a different
5100          * queue. However, both events lead to bfqq being freed soon,
5101          * and dangling references would come out only after bfqq gets
5102          * freed. So these updates are done here, as a simple and safe
5103          * way to handle all cases.
5104          */
5105         /* remove bfqq from woken list */
5106         if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
5107                 hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
5108
5109         /* reset waker for all queues in woken list */
5110         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqq->woken_list,
5111                                   woken_list_node) {
5112                 item->waker_bfqq = NULL;
5113                 hlist_del_init(&item->woken_list_node);
5114         }
5115
5116         if (bfqq->bfqd && bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq)
5117                 bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq = NULL;
5118
5119         kmem_cache_free(bfq_pool, bfqq);
5120         bfqg_and_blkg_put(bfqg);
5121 }
5122
5123 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq)
5124 {
5125         bfqq->stable_ref--;
5126         bfq_put_queue(bfqq);
5127 }
5128
5129 static void bfq_put_cooperator(struct bfq_queue *bfqq)
5130 {
5131         struct bfq_queue *__bfqq, *next;
5132
5133         /*
5134          * If this queue was scheduled to merge with another queue, be
5135          * sure to drop the reference taken on that queue (and others in
5136          * the merge chain). See bfq_setup_merge and bfq_merge_bfqqs.
5137          */
5138         __bfqq = bfqq->new_bfqq;
5139         while (__bfqq) {
5140                 if (__bfqq == bfqq)
5141                         break;
5142                 next = __bfqq->new_bfqq;
5143                 bfq_put_queue(__bfqq);
5144                 __bfqq = next;
5145         }
5146 }
5147
5148 static void bfq_exit_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
5149 {
5150         if (bfqq == bfqd->in_service_queue) {
5151                 __bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5152                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
5153         }
5154
5155         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "exit_bfqq: %p, %d", bfqq, bfqq->ref);
5156
5157         bfq_put_cooperator(bfqq);
5158
5159         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5160 }
5161
5162 static void bfq_exit_icq_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
5163 {
5164         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
5165         struct bfq_data *bfqd;
5166
5167         if (bfqq)
5168                 bfqd = bfqq->bfqd; /* NULL if scheduler already exited */
5169
5170         if (bfqq && bfqd) {
5171                 unsigned long flags;
5172
5173                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5174                 bfqq->bic = NULL;
5175                 bfq_exit_bfqq(bfqd, bfqq);
5176                 bic_set_bfqq(bic, NULL, is_sync);
5177                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5178         }
5179 }
5180
5181 static void bfq_exit_icq(struct io_cq *icq)
5182 {
5183         struct bfq_io_cq *bic = icq_to_bic(icq);
5184
5185         if (bic->stable_merge_bfqq) {
5186                 struct bfq_data *bfqd = bic->stable_merge_bfqq->bfqd;
5187
5188                 /*
5189                  * bfqd is NULL if scheduler already exited, and in
5190                  * that case this is the last time bfqq is accessed.
5191                  */
5192                 if (bfqd) {
5193                         unsigned long flags;
5194
5195                         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5196                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5197                         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5198                 } else {
5199                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5200                 }
5201         }
5202
5203         bfq_exit_icq_bfqq(bic, true);
5204         bfq_exit_icq_bfqq(bic, false);
5205 }
5206
5207 /*
5208  * Update the entity prio values; note that the new values will not
5209  * be used until the next (re)activation.
5210  */
5211 static void
5212 bfq_set_next_ioprio_data(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_io_cq *bic)
5213 {
5214         struct task_struct *tsk = current;
5215         int ioprio_class;
5216         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
5217
5218         if (!bfqd)
5219                 return;
5220
5221         ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5222         switch (ioprio_class) {
5223         default:
5224                 pr_err("bdi %s: bfq: bad prio class %d\n",
5225                                 bdi_dev_name(bfqq->bfqd->queue->backing_dev_info),
5226                                 ioprio_class);
5227                 fallthrough;
5228         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5229                 /*
5230                  * No prio set, inherit CPU scheduling settings.
5231                  */
5232                 bfqq->new_ioprio = task_nice_ioprio(tsk);
5233                 bfqq->new_ioprio_class = task_nice_ioclass(tsk);
5234                 break;
5235         case IOPRIO_CLASS_RT:
5236                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5237                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_RT;
5238                 break;
5239         case IOPRIO_CLASS_BE:
5240                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5241                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
5242                 break;
5243         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5244                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_IDLE;
5245                 bfqq->new_ioprio = 7;
5246                 break;
5247         }
5248
5249         if (bfqq->new_ioprio >= IOPRIO_BE_NR) {
5250                 pr_crit("bfq_set_next_ioprio_data: new_ioprio %d\n",
5251                         bfqq->new_ioprio);
5252                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_BE_NR;
5253         }
5254
5255         bfqq->entity.new_weight = bfq_ioprio_to_weight(bfqq->new_ioprio);
5256         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "new_ioprio %d new_weight %d",
5257                      bfqq->new_ioprio, bfqq->entity.new_weight);
5258         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5259 }
5260
5261 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5262                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5263                                        struct bfq_io_cq *bic,
5264                                        bool respawn);
5265
5266 static void bfq_check_ioprio_change(struct bfq_io_cq *bic, struct bio *bio)
5267 {
5268         struct bfq_data *bfqd = bic_to_bfqd(bic);
5269         struct bfq_queue *bfqq;
5270         int ioprio = bic->icq.ioc->ioprio;
5271
5272         /*
5273          * This condition may trigger on a newly created bic, be sure to
5274          * drop the lock before returning.
5275          */
5276         if (unlikely(!bfqd) || likely(bic->ioprio == ioprio))
5277                 return;
5278
5279         bic->ioprio = ioprio;
5280
5281         bfqq = bic_to_bfqq(bic, false);
5282         if (bfqq) {
5283                 bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5284                 bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, BLK_RW_ASYNC, bic, true);
5285                 bic_set_bfqq(bic, bfqq, false);
5286         }
5287
5288         bfqq = bic_to_bfqq(bic, true);
5289         if (bfqq)
5290                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5291 }
5292
5293 static void bfq_init_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5294                           struct bfq_io_cq *bic, pid_t pid, int is_sync)
5295 {
5296         u64 now_ns = ktime_get_ns();
5297
5298         RB_CLEAR_NODE(&bfqq->entity.rb_node);
5299         INIT_LIST_HEAD(&bfqq->fifo);
5300         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->burst_list_node);
5301         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->woken_list_node);
5302         INIT_HLIST_HEAD(&bfqq->woken_list);
5303
5304         bfqq->ref = 0;
5305         bfqq->bfqd = bfqd;
5306
5307         if (bic)
5308                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5309
5310         if (is_sync) {
5311                 /*
5312                  * No need to mark as has_short_ttime if in
5313                  * idle_class, because no device idling is performed
5314                  * for queues in idle class
5315                  */
5316                 if (!bfq_class_idle(bfqq))
5317                         /* tentatively mark as has_short_ttime */
5318                         bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5319                 bfq_mark_bfqq_sync(bfqq);
5320                 bfq_mark_bfqq_just_created(bfqq);
5321         } else
5322                 bfq_clear_bfqq_sync(bfqq);
5323
5324         /* set end request to minus infinity from now */
5325         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns + 1;
5326
5327         bfqq->creation_time = jiffies;
5328
5329         bfqq->io_start_time = now_ns;
5330
5331         bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
5332
5333         bfqq->pid = pid;
5334
5335         /* Tentative initial value to trade off between thr and lat */
5336         bfqq->max_budget = (2 * bfq_max_budget(bfqd)) / 3;
5337         bfqq->budget_timeout = bfq_smallest_from_now();
5338
5339         bfqq->wr_coeff = 1;
5340         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
5341         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
5342         bfqq->split_time = bfq_smallest_from_now();
5343
5344         /*
5345          * To not forget the possibly high bandwidth consumed by a
5346          * process/queue in the recent past,
5347          * bfq_bfqq_softrt_next_start() returns a value at least equal
5348          * to the current value of bfqq->soft_rt_next_start (see
5349          * comments on bfq_bfqq_softrt_next_start).  Set
5350          * soft_rt_next_start to now, to mean that bfqq has consumed
5351          * no bandwidth so far.
5352          */
5353         bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
5354
5355         /* first request is almost certainly seeky */
5356         bfqq->seek_history = 1;
5357 }
5358
5359 static struct bfq_queue **bfq_async_queue_prio(struct bfq_data *bfqd,
5360                                                struct bfq_group *bfqg,
5361                                                int ioprio_class, int ioprio)
5362 {
5363         switch (ioprio_class) {
5364         case IOPRIO_CLASS_RT:
5365                 return &bfqg->async_bfqq[0][ioprio];
5366         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5367                 ioprio = IOPRIO_NORM;
5368                 fallthrough;
5369         case IOPRIO_CLASS_BE:
5370                 return &bfqg->async_bfqq[1][ioprio];
5371         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5372                 return &bfqg->async_idle_bfqq;
5373         default:
5374                 return NULL;
5375         }
5376 }
5377
5378 static struct bfq_queue *
5379 bfq_do_early_stable_merge(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5380                           struct bfq_io_cq *bic,
5381                           struct bfq_queue *last_bfqq_created)
5382 {
5383         struct bfq_queue *new_bfqq =
5384                 bfq_setup_merge(bfqq, last_bfqq_created);
5385
5386         if (!new_bfqq)
5387                 return bfqq;
5388
5389         if (new_bfqq->bic)
5390                 new_bfqq->bic->stably_merged = true;
5391         bic->stably_merged = true;
5392
5393         /*
5394          * Reusing merge functions. This implies that
5395          * bfqq->bic must be set too, for
5396          * bfq_merge_bfqqs to correctly save bfqq's
5397          * state before killing it.
5398          */
5399         bfqq->bic = bic;
5400         bfq_merge_bfqqs(bfqd, bic, bfqq, new_bfqq);
5401
5402         return new_bfqq;
5403 }
5404
5405 /*
5406  * Many throughput-sensitive workloads are made of several parallel
5407  * I/O flows, with all flows generated by the same application, or
5408  * more generically by the same task (e.g., system boot). The most
5409  * counterproductive action with these workloads is plugging I/O
5410  * dispatch when one of the bfq_queues associated with these flows
5411  * remains temporarily empty.
5412  *
5413  * To avoid this plugging, BFQ has been using a burst-handling
5414  * mechanism for years now. This mechanism has proven effective for
5415  * throughput, and not detrimental for service guarantees. The
5416  * following function pushes this mechanism a little bit further,
5417  * basing on the following two facts.
5418  *
5419  * First, all the I/O flows of a the same application or task
5420  * contribute to the execution/completion of that common application
5421  * or task. So the performance figures that matter are total
5422  * throughput of the flows and task-wide I/O latency.  In particular,
5423  * these flows do not need to be protected from each other, in terms
5424  * of individual bandwidth or latency.
5425  *
5426  * Second, the above fact holds regardless of the number of flows.
5427  *
5428  * Putting these two facts together, this commits merges stably the
5429  * bfq_queues associated with these I/O flows, i.e., with the
5430  * processes that generate these IO/ flows, regardless of how many the
5431  * involved processes are.
5432  *
5433  * To decide whether a set of bfq_queues is actually associated with
5434  * the I/O flows of a common application or task, and to merge these
5435  * queues stably, this function operates as follows: given a bfq_queue,
5436  * say Q2, currently being created, and the last bfq_queue, say Q1,
5437  * created before Q2, Q2 is merged stably with Q1 if
5438  * - very little time has elapsed since when Q1 was created
5439  * - Q2 has the same ioprio as Q1
5440  * - Q2 belongs to the same group as Q1
5441  *
5442  * Merging bfq_queues also reduces scheduling overhead. A fio test
5443  * with ten random readers on /dev/nullb shows a throughput boost of
5444  * 40%, with a quadcore. Since BFQ's execution time amounts to ~50% of
5445  * the total per-request processing time, the above throughput boost
5446  * implies that BFQ's overhead is reduced by more than 50%.
5447  *
5448  * This new mechanism most certainly obsoletes the current
5449  * burst-handling heuristics. We keep those heuristics for the moment.
5450  */
5451 static struct bfq_queue *bfq_do_or_sched_stable_merge(struct bfq_data *bfqd,
5452                                                       struct bfq_queue *bfqq,
5453                                                       struct bfq_io_cq *bic)
5454 {
5455         struct bfq_queue **source_bfqq = bfqq->entity.parent ?
5456                 &bfqq->entity.parent->last_bfqq_created :
5457                 &bfqd->last_bfqq_created;
5458
5459         struct bfq_queue *last_bfqq_created = *source_bfqq;
5460
5461         /*
5462          * If last_bfqq_created has not been set yet, then init it. If
5463          * it has been set already, but too long ago, then move it
5464          * forward to bfqq. Finally, move also if bfqq belongs to a
5465          * different group than last_bfqq_created, or if bfqq has a
5466          * different ioprio or ioprio_class. If none of these
5467          * conditions holds true, then try an early stable merge or
5468          * schedule a delayed stable merge.
5469          *
5470          * A delayed merge is scheduled (instead of performing an
5471          * early merge), in case bfqq might soon prove to be more
5472          * throughput-beneficial if not merged. Currently this is
5473          * possible only if bfqd is rotational with no queueing. For
5474          * such a drive, not merging bfqq is better for throughput if
5475          * bfqq happens to contain sequential I/O. So, we wait a
5476          * little bit for enough I/O to flow through bfqq. After that,
5477          * if such an I/O is sequential, then the merge is
5478          * canceled. Otherwise the merge is finally performed.
5479          */
5480         if (!last_bfqq_created ||
5481             time_before(last_bfqq_created->creation_time +
5482                         bfqd->bfq_burst_interval,
5483                         bfqq->creation_time) ||
5484                 bfqq->entity.parent != last_bfqq_created->entity.parent ||
5485                 bfqq->ioprio != last_bfqq_created->ioprio ||
5486                 bfqq->ioprio_class != last_bfqq_created->ioprio_class)
5487                 *source_bfqq = bfqq;
5488         else if (time_after_eq(last_bfqq_created->creation_time +
5489                                  bfqd->bfq_burst_interval,
5490                                  bfqq->creation_time)) {
5491                 if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
5492                         /*
5493                          * With this type of drive, leaving
5494                          * bfqq alone may provide no
5495                          * throughput benefits compared with
5496                          * merging bfqq. So merge bfqq now.
5497                          */
5498                         bfqq = bfq_do_early_stable_merge(bfqd, bfqq,
5499                                                          bic,
5500                                                          last_bfqq_created);
5501                 else { /* schedule tentative stable merge */
5502                         /*
5503                          * get reference on last_bfqq_created,
5504                          * to prevent it from being freed,
5505                          * until we decide whether to merge
5506                          */
5507                         last_bfqq_created->ref++;
5508                         /*
5509                          * need to keep track of stable refs, to
5510                          * compute process refs correctly
5511                          */
5512                         last_bfqq_created->stable_ref++;
5513                         /*
5514                          * Record the bfqq to merge to.
5515                          */
5516                         bic->stable_merge_bfqq = last_bfqq_created;
5517                 }
5518         }
5519
5520         return bfqq;
5521 }
5522
5523
5524 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5525                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5526                                        struct bfq_io_cq *bic,
5527                                        bool respawn)
5528 {
5529         const int ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5530         const int ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5531         struct bfq_queue **async_bfqq = NULL;
5532         struct bfq_queue *bfqq;
5533         struct bfq_group *bfqg;
5534
5535         rcu_read_lock();
5536
5537         bfqg = bfq_find_set_group(bfqd, __bio_blkcg(bio));
5538         if (!bfqg) {
5539                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5540                 goto out;
5541         }
5542
5543         if (!is_sync) {
5544                 async_bfqq = bfq_async_queue_prio(bfqd, bfqg, ioprio_class,
5545                                                   ioprio);
5546                 bfqq = *async_bfqq;
5547                 if (bfqq)
5548                         goto out;
5549         }
5550
5551         bfqq = kmem_cache_alloc_node(bfq_pool,
5552                                      GFP_NOWAIT | __GFP_ZERO | __GFP_NOWARN,
5553                                      bfqd->queue->node);
5554
5555         if (bfqq) {
5556                 bfq_init_bfqq(bfqd, bfqq, bic, current->pid,
5557                               is_sync);
5558                 bfq_init_entity(&bfqq->entity, bfqg);
5559                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "allocated");
5560         } else {
5561                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5562                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "using oom bfqq");
5563                 goto out;
5564         }
5565
5566         /*
5567          * Pin the queue now that it's allocated, scheduler exit will
5568          * prune it.
5569          */
5570         if (async_bfqq) {
5571                 bfqq->ref++; /*
5572                               * Extra group reference, w.r.t. sync
5573                               * queue. This extra reference is removed
5574                               * only if bfqq->bfqg disappears, to
5575                               * guarantee that this queue is not freed
5576                               * until its group goes away.
5577                               */
5578                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_queue, bfqq not in async: %p, %d",
5579                              bfqq, bfqq->ref);
5580                 *async_bfqq = bfqq;
5581         }
5582
5583 out:
5584         bfqq->ref++; /* get a process reference to this queue */
5585
5586         if (bfqq != &bfqd->oom_bfqq && is_sync && !respawn)
5587                 bfqq = bfq_do_or_sched_stable_merge(bfqd, bfqq, bic);
5588
5589         rcu_read_unlock();
5590         return bfqq;
5591 }
5592
5593 static void bfq_update_io_thinktime(struct bfq_data *bfqd,
5594                                     struct bfq_queue *bfqq)
5595 {
5596         struct bfq_ttime *ttime = &bfqq->ttime;
5597         u64 elapsed;
5598
5599         /*
5600          * We are really interested in how long it takes for the queue to
5601          * become busy when there is no outstanding IO for this queue. So
5602          * ignore cases when the bfq queue has already IO queued.
5603          */
5604         if (bfqq->dispatched || bfq_bfqq_busy(bfqq))
5605                 return;
5606         elapsed = ktime_get_ns() - bfqq->ttime.last_end_request;
5607         elapsed = min_t(u64, elapsed, 2ULL * bfqd->bfq_slice_idle);
5608
5609         ttime->ttime_samples = (7*ttime->ttime_samples + 256) / 8;
5610         ttime->ttime_total = div_u64(7*ttime->ttime_total + 256*elapsed,  8);
5611         ttime->ttime_mean = div64_ul(ttime->ttime_total + 128,
5612                                      ttime->ttime_samples);
5613 }
5614
5615 static void
5616 bfq_update_io_seektime(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5617                        struct request *rq)
5618 {
5619         bfqq->seek_history <<= 1;
5620         bfqq->seek_history |= BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqq->last_request_pos, rq);
5621
5622         if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
5623             bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
5624             BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)) {
5625                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
5626                                            bfq_wr_duration(bfqd))) {
5627                         /*
5628                          * In soft_rt weight raising with the
5629                          * interactive-weight-raising period
5630                          * elapsed (so no switch back to
5631                          * interactive weight raising).
5632                          */
5633                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
5634                 } else { /*
5635                           * stopping soft_rt weight raising
5636                           * while still in interactive period,
5637                           * switch back to interactive weight
5638                           * raising
5639                           */
5640                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
5641                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5642                 }
5643         }
5644 }
5645
5646 static void bfq_update_has_short_ttime(struct bfq_data *bfqd,
5647                                        struct bfq_queue *bfqq,
5648                                        struct bfq_io_cq *bic)
5649 {
5650         bool has_short_ttime = true, state_changed;
5651
5652         /*
5653          * No need to update has_short_ttime if bfqq is async or in
5654          * idle io prio class, or if bfq_slice_idle is zero, because
5655          * no device idling is performed for bfqq in this case.
5656          */
5657         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfq_class_idle(bfqq) ||
5658             bfqd->bfq_slice_idle == 0)
5659                 return;
5660
5661         /* Idle window just restored, statistics are meaningless. */
5662         if (time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
5663                                      bfqd->bfq_wr_min_idle_time))
5664                 return;
5665
5666         /* Think time is infinite if no process is linked to
5667          * bfqq. Otherwise check average think time to decide whether
5668          * to mark as has_short_ttime. To this goal, compare average
5669          * think time with half the I/O-plugging timeout.
5670          */
5671         if (atomic_read(&bic->icq.ioc->active_ref) == 0 ||
5672             (bfq_sample_valid(bfqq->ttime.ttime_samples) &&
5673              bfqq->ttime.ttime_mean > bfqd->bfq_slice_idle>>1))
5674                 has_short_ttime = false;
5675
5676         state_changed = has_short_ttime != bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5677
5678         if (has_short_ttime)
5679                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5680         else
5681                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5682
5683         /*
5684          * Until the base value for the total service time gets
5685          * finally computed for bfqq, the inject limit does depend on
5686          * the think-time state (short|long). In particular, the limit
5687          * is 0 or 1 if the think time is deemed, respectively, as
5688          * short or long (details in the comments in
5689          * bfq_update_inject_limit()). Accordingly, the next
5690          * instructions reset the inject limit if the think-time state
5691          * has changed and the above base value is still to be
5692          * computed.
5693          *
5694          * However, the reset is performed only if more than 100 ms
5695          * have elapsed since the last update of the inject limit, or
5696          * (inclusive) if the change is from short to long think
5697          * time. The reason for this waiting is as follows.
5698          *
5699          * bfqq may have a long think time because of a
5700          * synchronization with some other queue, i.e., because the
5701          * I/O of some other queue may need to be completed for bfqq
5702          * to receive new I/O. Details in the comments on the choice
5703          * of the queue for injection in bfq_select_queue().
5704          *
5705          * As stressed in those comments, if such a synchronization is
5706          * actually in place, then, without injection on bfqq, the
5707          * blocking I/O cannot happen to served while bfqq is in
5708          * service. As a consequence, if bfqq is granted
5709          * I/O-dispatch-plugging, then bfqq remains empty, and no I/O
5710          * is dispatched, until the idle timeout fires. This is likely
5711          * to result in lower bandwidth and higher latencies for bfqq,
5712          * and in a severe loss of total throughput.
5713          *
5714          * On the opposite end, a non-zero inject limit may allow the
5715          * I/O that blocks bfqq to be executed soon, and therefore
5716          * bfqq to receive new I/O soon.
5717          *
5718          * But, if the blocking gets actually eliminated, then the
5719          * next think-time sample for bfqq may be very low. This in
5720          * turn may cause bfqq's think time to be deemed
5721          * short. Without the 100 ms barrier, this new state change
5722          * would cause the body of the next if to be executed
5723          * immediately. But this would set to 0 the inject
5724          * limit. Without injection, the blocking I/O would cause the
5725          * think time of bfqq to become long again, and therefore the
5726          * inject limit to be raised again, and so on. The only effect
5727          * of such a steady oscillation between the two think-time
5728          * states would be to prevent effective injection on bfqq.
5729          *
5730          * In contrast, if the inject limit is not reset during such a
5731          * long time interval as 100 ms, then the number of short
5732          * think time samples can grow significantly before the reset
5733          * is performed. As a consequence, the think time state can
5734          * become stable before the reset. Therefore there will be no
5735          * state change when the 100 ms elapse, and no reset of the
5736          * inject limit. The inject limit remains steadily equal to 1
5737          * both during and after the 100 ms. So injection can be
5738          * performed at all times, and throughput gets boosted.
5739          *
5740          * An inject limit equal to 1 is however in conflict, in
5741          * general, with the fact that the think time of bfqq is
5742          * short, because injection may be likely to delay bfqq's I/O
5743          * (as explained in the comments in
5744          * bfq_update_inject_limit()). But this does not happen in
5745          * this special case, because bfqq's low think time is due to
5746          * an effective handling of a synchronization, through
5747          * injection. In this special case, bfqq's I/O does not get
5748          * delayed by injection; on the contrary, bfqq's I/O is
5749          * brought forward, because it is not blocked for
5750          * milliseconds.
5751          *
5752          * In addition, serving the blocking I/O much sooner, and much
5753          * more frequently than once per I/O-plugging timeout, makes
5754          * it much quicker to detect a waker queue (the concept of
5755          * waker queue is defined in the comments in
5756          * bfq_add_request()). This makes it possible to start sooner
5757          * to boost throughput more effectively, by injecting the I/O
5758          * of the waker queue unconditionally on every
5759          * bfq_dispatch_request().
5760          *
5761          * One last, important benefit of not resetting the inject
5762          * limit before 100 ms is that, during this time interval, the
5763          * base value for the total service time is likely to get
5764          * finally computed for bfqq, freeing the inject limit from
5765          * its relation with the think time.
5766          */
5767         if (state_changed && bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
5768             (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
5769                                       msecs_to_jiffies(100)) ||
5770              !has_short_ttime))
5771                 bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
5772 }
5773
5774 /*
5775  * Called when a new fs request (rq) is added to bfqq.  Check if there's
5776  * something we should do about it.
5777  */
5778 static void bfq_rq_enqueued(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5779                             struct request *rq)
5780 {
5781         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
5782                 bfqq->meta_pending++;
5783
5784         bfqq->last_request_pos = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
5785
5786         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
5787                 bool small_req = bfqq->queued[rq_is_sync(rq)] == 1 &&
5788                                  blk_rq_sectors(rq) < 32;
5789                 bool budget_timeout = bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
5790
5791                 /*
5792                  * There is just this request queued: if
5793                  * - the request is small, and
5794                  * - we are idling to boost throughput, and
5795                  * - the queue is not to be expired,
5796                  * then just exit.
5797                  *
5798                  * In this way, if the device is being idled to wait
5799                  * for a new request from the in-service queue, we
5800                  * avoid unplugging the device and committing the
5801                  * device to serve just a small request. In contrast
5802                  * we wait for the block layer to decide when to
5803                  * unplug the device: hopefully, new requests will be
5804                  * merged to this one quickly, then the device will be
5805                  * unplugged and larger requests will be dispatched.
5806                  */
5807                 if (small_req && idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
5808                     !budget_timeout)
5809                         return;
5810
5811                 /*
5812                  * A large enough request arrived, or idling is being
5813                  * performed to preserve service guarantees, or
5814                  * finally the queue is to be expired: in all these
5815                  * cases disk idling is to be stopped, so clear
5816                  * wait_request flag and reset timer.
5817                  */
5818                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
5819                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
5820
5821                 /*
5822                  * The queue is not empty, because a new request just
5823                  * arrived. Hence we can safely expire the queue, in
5824                  * case of budget timeout, without risking that the
5825                  * timestamps of the queue are not updated correctly.
5826                  * See [1] for more details.
5827                  */
5828                 if (budget_timeout)
5829                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
5830                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5831         }
5832 }
5833
5834 /* returns true if it causes the idle timer to be disabled */
5835 static bool __bfq_insert_request(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
5836 {
5837         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq),
5838                 *new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, rq, true,
5839                                                  RQ_BIC(rq));
5840         bool waiting, idle_timer_disabled = false;
5841
5842         if (new_bfqq) {
5843                 /*
5844                  * Release the request's reference to the old bfqq
5845                  * and make sure one is taken to the shared queue.
5846                  */
5847                 new_bfqq->allocated++;
5848                 bfqq->allocated--;
5849                 new_bfqq->ref++;
5850                 /*
5851                  * If the bic associated with the process
5852                  * issuing this request still points to bfqq
5853                  * (and thus has not been already redirected
5854                  * to new_bfqq or even some other bfq_queue),
5855                  * then complete the merge and redirect it to
5856                  * new_bfqq.
5857                  */
5858                 if (bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1) == bfqq)
5859                         bfq_merge_bfqqs(bfqd, RQ_BIC(rq),
5860                                         bfqq, new_bfqq);
5861
5862                 bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
5863                 /*
5864                  * rq is about to be enqueued into new_bfqq,
5865                  * release rq reference on bfqq
5866                  */
5867                 bfq_put_queue(bfqq);
5868                 rq->elv.priv[1] = new_bfqq;
5869                 bfqq = new_bfqq;
5870         }
5871
5872         bfq_update_io_thinktime(bfqd, bfqq);
5873         bfq_update_has_short_ttime(bfqd, bfqq, RQ_BIC(rq));
5874         bfq_update_io_seektime(bfqd, bfqq, rq);
5875
5876         waiting = bfqq && bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5877         bfq_add_request(rq);
5878         idle_timer_disabled = waiting && !bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5879
5880         rq->fifo_time = ktime_get_ns() + bfqd->bfq_fifo_expire[rq_is_sync(rq)];
5881         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqq->fifo);
5882
5883         bfq_rq_enqueued(bfqd, bfqq, rq);
5884
5885         return idle_timer_disabled;
5886 }
5887
5888 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
5889 static void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5890                                     struct bfq_queue *bfqq,
5891                                     bool idle_timer_disabled,
5892                                     unsigned int cmd_flags)
5893 {
5894         if (!bfqq)
5895                 return;
5896
5897         /*
5898          * bfqq still exists, because it can disappear only after
5899          * either it is merged with another queue, or the process it
5900          * is associated with exits. But both actions must be taken by
5901          * the same process currently executing this flow of
5902          * instructions.
5903          *
5904          * In addition, the following queue lock guarantees that
5905          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
5906          */
5907         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
5908         bfqg_stats_update_io_add(bfqq_group(bfqq), bfqq, cmd_flags);
5909         if (idle_timer_disabled)
5910                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(bfqq));
5911         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5912 }
5913 #else
5914 static inline void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5915                                            struct bfq_queue *bfqq,
5916                                            bool idle_timer_disabled,
5917                                            unsigned int cmd_flags) {}
5918 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5919
5920 static void bfq_insert_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct request *rq,
5921                                bool at_head)
5922 {
5923         struct request_queue *q = hctx->queue;
5924         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
5925         struct bfq_queue *bfqq;
5926         bool idle_timer_disabled = false;
5927         unsigned int cmd_flags;
5928
5929 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5930         if (!cgroup_subsys_on_dfl(io_cgrp_subsys) && rq->bio)
5931                 bfqg_stats_update_legacy_io(q, rq);
5932 #endif
5933         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5934         if (blk_mq_sched_try_insert_merge(q, rq)) {
5935                 spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5936                 return;
5937         }
5938
5939         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5940
5941         trace_block_rq_insert(rq);
5942
5943         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5944         bfqq = bfq_init_rq(rq);
5945
5946         /*
5947          * Reqs with at_head or passthrough flags set are to be put
5948          * directly into dispatch list. Additional case for putting rq
5949          * directly into the dispatch queue: the only active
5950          * bfq_queues are bfqq and either its waker bfq_queue or one
5951          * of its woken bfq_queues. The rationale behind this
5952          * additional condition is as follows:
5953          * - consider a bfq_queue, say Q1, detected as a waker of
5954          *   another bfq_queue, say Q2
5955          * - by definition of a waker, Q1 blocks the I/O of Q2, i.e.,
5956          *   some I/O of Q1 needs to be completed for new I/O of Q2
5957          *   to arrive.  A notable example of waker is journald
5958          * - so, Q1 and Q2 are in any respect the queues of two
5959          *   cooperating processes (or of two cooperating sets of
5960          *   processes): the goal of Q1's I/O is doing what needs to
5961          *   be done so that new Q2's I/O can finally be
5962          *   issued. Therefore, if the service of Q1's I/O is delayed,
5963          *   then Q2's I/O is delayed too.  Conversely, if Q2's I/O is
5964          *   delayed, the goal of Q1's I/O is hindered.
5965          * - as a consequence, if some I/O of Q1/Q2 arrives while
5966          *   Q2/Q1 is the only queue in service, there is absolutely
5967          *   no point in delaying the service of such an I/O. The
5968          *   only possible result is a throughput loss
5969          * - so, when the above condition holds, the best option is to
5970          *   have the new I/O dispatched as soon as possible
5971          * - the most effective and efficient way to attain the above
5972          *   goal is to put the new I/O directly in the dispatch
5973          *   list
5974          * - as an additional restriction, Q1 and Q2 must be the only
5975          *   busy queues for this commit to put the I/O of Q2/Q1 in
5976          *   the dispatch list.  This is necessary, because, if also
5977          *   other queues are waiting for service, then putting new
5978          *   I/O directly in the dispatch list may evidently cause a
5979          *   violation of service guarantees for the other queues
5980          */
5981         if (!bfqq ||
5982             (bfqq != bfqd->in_service_queue &&
5983              bfqd->in_service_queue != NULL &&
5984              bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1 + bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
5985              (bfqq->waker_bfqq == bfqd->in_service_queue ||
5986               bfqd->in_service_queue->waker_bfqq == bfqq)) || at_head) {
5987                 if (at_head)
5988                         list_add(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5989                 else
5990                         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5991         } else {
5992                 idle_timer_disabled = __bfq_insert_request(bfqd, rq);
5993                 /*
5994                  * Update bfqq, because, if a queue merge has occurred
5995                  * in __bfq_insert_request, then rq has been
5996                  * redirected into a new queue.
5997                  */
5998                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
5999
6000                 if (rq_mergeable(rq)) {
6001                         elv_rqhash_add(q, rq);
6002                         if (!q->last_merge)
6003                                 q->last_merge = rq;
6004                 }
6005         }
6006
6007         /*
6008          * Cache cmd_flags before releasing scheduler lock, because rq
6009          * may disappear afterwards (for example, because of a request
6010          * merge).
6011          */
6012         cmd_flags = rq->cmd_flags;
6013
6014         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6015
6016         bfq_update_insert_stats(q, bfqq, idle_timer_disabled,
6017                                 cmd_flags);
6018 }
6019
6020 static void bfq_insert_requests(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
6021                                 struct list_head *list, bool at_head)
6022 {
6023         while (!list_empty(list)) {
6024                 struct request *rq;
6025
6026                 rq = list_first_entry(list, struct request, queuelist);
6027                 list_del_init(&rq->queuelist);
6028                 bfq_insert_request(hctx, rq, at_head);
6029         }
6030 }
6031
6032 static void bfq_update_hw_tag(struct bfq_data *bfqd)
6033 {
6034         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6035
6036         bfqd->max_rq_in_driver = max_t(int, bfqd->max_rq_in_driver,
6037                                        bfqd->rq_in_driver);
6038
6039         if (bfqd->hw_tag == 1)
6040                 return;
6041
6042         /*
6043          * This sample is valid if the number of outstanding requests
6044          * is large enough to allow a queueing behavior.  Note that the
6045          * sum is not exact, as it's not taking into account deactivated
6046          * requests.
6047          */
6048         if (bfqd->rq_in_driver + bfqd->queued <= BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6049                 return;
6050
6051         /*
6052          * If active queue hasn't enough requests and can idle, bfq might not
6053          * dispatch sufficient requests to hardware. Don't zero hw_tag in this
6054          * case
6055          */
6056         if (bfqq && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) &&
6057             bfqq->dispatched + bfqq->queued[0] + bfqq->queued[1] <
6058             BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD &&
6059             bfqd->rq_in_driver < BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6060                 return;
6061
6062         if (bfqd->hw_tag_samples++ < BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES)
6063                 return;
6064
6065         bfqd->hw_tag = bfqd->max_rq_in_driver > BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD;
6066         bfqd->max_rq_in_driver = 0;
6067         bfqd->hw_tag_samples = 0;
6068
6069         bfqd->nonrot_with_queueing =
6070                 blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && bfqd->hw_tag;
6071 }
6072
6073 static void bfq_completed_request(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd)
6074 {
6075         u64 now_ns;
6076         u32 delta_us;
6077
6078         bfq_update_hw_tag(bfqd);
6079
6080         bfqd->rq_in_driver--;
6081         bfqq->dispatched--;
6082
6083         if (!bfqq->dispatched && !bfq_bfqq_busy(bfqq)) {
6084                 /*
6085                  * Set budget_timeout (which we overload to store the
6086                  * time at which the queue remains with no backlog and
6087                  * no outstanding request; used by the weight-raising
6088                  * mechanism).
6089                  */
6090                 bfqq->budget_timeout = jiffies;
6091
6092                 bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq);
6093         }
6094
6095         now_ns = ktime_get_ns();
6096
6097         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns;
6098
6099         /*
6100          * Using us instead of ns, to get a reasonable precision in
6101          * computing rate in next check.
6102          */
6103         delta_us = div_u64(now_ns - bfqd->last_completion, NSEC_PER_USEC);
6104
6105         /*
6106          * If the request took rather long to complete, and, according
6107          * to the maximum request size recorded, this completion latency
6108          * implies that the request was certainly served at a very low
6109          * rate (less than 1M sectors/sec), then the whole observation
6110          * interval that lasts up to this time instant cannot be a
6111          * valid time interval for computing a new peak rate.  Invoke
6112          * bfq_update_rate_reset to have the following three steps
6113          * taken:
6114          * - close the observation interval at the last (previous)
6115          *   request dispatch or completion
6116          * - compute rate, if possible, for that observation interval
6117          * - reset to zero samples, which will trigger a proper
6118          *   re-initialization of the observation interval on next
6119          *   dispatch
6120          */
6121         if (delta_us > BFQ_MIN_TT/NSEC_PER_USEC &&
6122            (bfqd->last_rq_max_size<<BFQ_RATE_SHIFT)/delta_us <
6123                         1UL<<(BFQ_RATE_SHIFT - 10))
6124                 bfq_update_rate_reset(bfqd, NULL);
6125         bfqd->last_completion = now_ns;
6126         /*
6127          * Shared queues are likely to receive I/O at a high
6128          * rate. This may deceptively let them be considered as wakers
6129          * of other queues. But a false waker will unjustly steal
6130          * bandwidth to its supposedly woken queue. So considering
6131          * also shared queues in the waking mechanism may cause more
6132          * control troubles than throughput benefits. Then do not set
6133          * last_completed_rq_bfqq to bfqq if bfqq is a shared queue.
6134          */
6135         if (!bfq_bfqq_coop(bfqq))
6136                 bfqd->last_completed_rq_bfqq = bfqq;
6137
6138         /*
6139          * If we are waiting to discover whether the request pattern
6140          * of the task associated with the queue is actually
6141          * isochronous, and both requisites for this condition to hold
6142          * are now satisfied, then compute soft_rt_next_start (see the
6143          * comments on the function bfq_bfqq_softrt_next_start()). We
6144          * do not compute soft_rt_next_start if bfqq is in interactive
6145          * weight raising (see the comments in bfq_bfqq_expire() for
6146          * an explanation). We schedule this delayed update when bfqq
6147          * expires, if it still has in-flight requests.
6148          */
6149         if (bfq_bfqq_softrt_update(bfqq) && bfqq->dispatched == 0 &&
6150             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6151             bfqq->wr_coeff != bfqd->bfq_wr_coeff)
6152                 bfqq->soft_rt_next_start =
6153                         bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
6154
6155         /*
6156          * If this is the in-service queue, check if it needs to be expired,
6157          * or if we want to idle in case it has no pending requests.
6158          */
6159         if (bfqd->in_service_queue == bfqq) {
6160                 if (bfq_bfqq_must_idle(bfqq)) {
6161                         if (bfqq->dispatched == 0)
6162                                 bfq_arm_slice_timer(bfqd);
6163                         /*
6164                          * If we get here, we do not expire bfqq, even
6165                          * if bfqq was in budget timeout or had no
6166                          * more requests (as controlled in the next
6167                          * conditional instructions). The reason for
6168                          * not expiring bfqq is as follows.
6169                          *
6170                          * Here bfqq->dispatched > 0 holds, but
6171                          * bfq_bfqq_must_idle() returned true. This
6172                          * implies that, even if no request arrives
6173                          * for bfqq before bfqq->dispatched reaches 0,
6174                          * bfqq will, however, not be expired on the
6175                          * completion event that causes bfqq->dispatch
6176                          * to reach zero. In contrast, on this event,
6177                          * bfqq will start enjoying device idling
6178                          * (I/O-dispatch plugging).
6179                          *
6180                          * But, if we expired bfqq here, bfqq would
6181                          * not have the chance to enjoy device idling
6182                          * when bfqq->dispatched finally reaches
6183                          * zero. This would expose bfqq to violation
6184                          * of its reserved service guarantees.
6185                          */
6186                         return;
6187                 } else if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq))
6188                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6189                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
6190                 else if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6191                          (bfqq->dispatched == 0 ||
6192                           !bfq_better_to_idle(bfqq)))
6193                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6194                                         BFQQE_NO_MORE_REQUESTS);
6195         }
6196
6197         if (!bfqd->rq_in_driver)
6198                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6199 }
6200
6201 static void bfq_finish_requeue_request_body(struct bfq_queue *bfqq)
6202 {
6203         bfqq->allocated--;
6204
6205         bfq_put_queue(bfqq);
6206 }
6207
6208 /*
6209  * The processes associated with bfqq may happen to generate their
6210  * cumulative I/O at a lower rate than the rate at which the device
6211  * could serve the same I/O. This is rather probable, e.g., if only
6212  * one process is associated with bfqq and the device is an SSD. It
6213  * results in bfqq becoming often empty while in service. In this
6214  * respect, if BFQ is allowed to switch to another queue when bfqq
6215  * remains empty, then the device goes on being fed with I/O requests,
6216  * and the throughput is not affected. In contrast, if BFQ is not
6217  * allowed to switch to another queue---because bfqq is sync and
6218  * I/O-dispatch needs to be plugged while bfqq is temporarily
6219  * empty---then, during the service of bfqq, there will be frequent
6220  * "service holes", i.e., time intervals during which bfqq gets empty
6221  * and the device can only consume the I/O already queued in its
6222  * hardware queues. During service holes, the device may even get to
6223  * remaining idle. In the end, during the service of bfqq, the device
6224  * is driven at a lower speed than the one it can reach with the kind
6225  * of I/O flowing through bfqq.
6226  *
6227  * To counter this loss of throughput, BFQ implements a "request
6228  * injection mechanism", which tries to fill the above service holes
6229  * with I/O requests taken from other queues. The hard part in this
6230  * mechanism is finding the right amount of I/O to inject, so as to
6231  * both boost throughput and not break bfqq's bandwidth and latency
6232  * guarantees. In this respect, the mechanism maintains a per-queue
6233  * inject limit, computed as below. While bfqq is empty, the injection
6234  * mechanism dispatches extra I/O requests only until the total number
6235  * of I/O requests in flight---i.e., already dispatched but not yet
6236  * completed---remains lower than this limit.
6237  *
6238  * A first definition comes in handy to introduce the algorithm by
6239  * which the inject limit is computed.  We define as first request for
6240  * bfqq, an I/O request for bfqq that arrives while bfqq is in
6241  * service, and causes bfqq to switch from empty to non-empty. The
6242  * algorithm updates the limit as a function of the effect of
6243  * injection on the service times of only the first requests of
6244  * bfqq. The reason for this restriction is that these are the
6245  * requests whose service time is affected most, because they are the
6246  * first to arrive after injection possibly occurred.
6247  *
6248  * To evaluate the effect of injection, the algorithm measures the
6249  * "total service time" of first requests. We define as total service
6250  * time of an I/O request, the time that elapses since when the
6251  * request is enqueued into bfqq, to when it is completed. This
6252  * quantity allows the whole effect of injection to be measured. It is
6253  * easy to see why. Suppose that some requests of other queues are
6254  * actually injected while bfqq is empty, and that a new request R
6255  * then arrives for bfqq. If the device does start to serve all or
6256  * part of the injected requests during the service hole, then,
6257  * because of this extra service, it may delay the next invocation of
6258  * the dispatch hook of BFQ. Then, even after R gets eventually
6259  * dispatched, the device may delay the actual service of R if it is
6260  * still busy serving the extra requests, or if it decides to serve,
6261  * before R, some extra request still present in its queues. As a
6262  * conclusion, the cumulative extra delay caused by injection can be
6263  * easily evaluated by just comparing the total service time of first
6264  * requests with and without injection.
6265  *
6266  * The limit-update algorithm works as follows. On the arrival of a
6267  * first request of bfqq, the algorithm measures the total time of the
6268  * request only if one of the three cases below holds, and, for each
6269  * case, it updates the limit as described below:
6270  *
6271  * (1) If there is no in-flight request. This gives a baseline for the
6272  *     total service time of the requests of bfqq. If the baseline has
6273  *     not been computed yet, then, after computing it, the limit is
6274  *     set to 1, to start boosting throughput, and to prepare the
6275  *     ground for the next case. If the baseline has already been
6276  *     computed, then it is updated, in case it results to be lower
6277  *     than the previous value.
6278  *
6279  * (2) If the limit is higher than 0 and there are in-flight
6280  *     requests. By comparing the total service time in this case with
6281  *     the above baseline, it is possible to know at which extent the
6282  *     current value of the limit is inflating the total service
6283  *     time. If the inflation is below a certain threshold, then bfqq
6284  *     is assumed to be suffering from no perceivable loss of its
6285  *     service guarantees, and the limit is even tentatively
6286  *     increased. If the inflation is above the threshold, then the
6287  *     limit is decreased. Due to the lack of any hysteresis, this
6288  *     logic makes the limit oscillate even in steady workload
6289  *     conditions. Yet we opted for it, because it is fast in reaching
6290  *     the best value for the limit, as a function of the current I/O
6291  *     workload. To reduce oscillations, this step is disabled for a
6292  *     short time interval after the limit happens to be decreased.
6293  *
6294  * (3) Periodically, after resetting the limit, to make sure that the
6295  *     limit eventually drops in case the workload changes. This is
6296  *     needed because, after the limit has gone safely up for a
6297  *     certain workload, it is impossible to guess whether the
6298  *     baseline total service time may have changed, without measuring
6299  *     it again without injection. A more effective version of this
6300  *     step might be to just sample the baseline, by interrupting
6301  *     injection only once, and then to reset/lower the limit only if
6302  *     the total service time with the current limit does happen to be
6303  *     too large.
6304  *
6305  * More details on each step are provided in the comments on the
6306  * pieces of code that implement these steps: the branch handling the
6307  * transition from empty to non empty in bfq_add_request(), the branch
6308  * handling injection in bfq_select_queue(), and the function
6309  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). These comments also explain some
6310  * exceptions, made by the injection mechanism in some special cases.
6311  */
6312 static void bfq_update_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
6313                                     struct bfq_queue *bfqq)
6314 {
6315         u64 tot_time_ns = ktime_get_ns() - bfqd->last_empty_occupied_ns;
6316         unsigned int old_limit = bfqq->inject_limit;
6317
6318         if (bfqq->last_serv_time_ns > 0 && bfqd->rqs_injected) {
6319                 u64 threshold = (bfqq->last_serv_time_ns * 3)>>1;
6320
6321                 if (tot_time_ns >= threshold && old_limit > 0) {
6322                         bfqq->inject_limit--;
6323                         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
6324                 } else if (tot_time_ns < threshold &&
6325                            old_limit <= bfqd->max_rq_in_driver)
6326                         bfqq->inject_limit++;
6327         }
6328
6329         /*
6330          * Either we still have to compute the base value for the
6331          * total service time, and there seem to be the right
6332          * conditions to do it, or we can lower the last base value
6333          * computed.
6334          *
6335          * NOTE: (bfqd->rq_in_driver == 1) means that there is no I/O
6336          * request in flight, because this function is in the code
6337          * path that handles the completion of a request of bfqq, and,
6338          * in particular, this function is executed before
6339          * bfqd->rq_in_driver is decremented in such a code path.
6340          */
6341         if ((bfqq->last_serv_time_ns == 0 && bfqd->rq_in_driver == 1) ||
6342             tot_time_ns < bfqq->last_serv_time_ns) {
6343                 if (bfqq->last_serv_time_ns == 0) {
6344                         /*
6345                          * Now we certainly have a base value: make sure we
6346                          * start trying injection.
6347                          */
6348                         bfqq->inject_limit = max_t(unsigned int, 1, old_limit);
6349                 }
6350                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6351         } else if (!bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver == 1)
6352                 /*
6353                  * No I/O injected and no request still in service in
6354                  * the drive: these are the exact conditions for
6355                  * computing the base value of the total service time
6356                  * for bfqq. So let's update this value, because it is
6357                  * rather variable. For example, it varies if the size
6358                  * or the spatial locality of the I/O requests in bfqq
6359                  * change.
6360                  */
6361                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6362
6363
6364         /* update complete, not waiting for any request completion any longer */
6365         bfqd->waited_rq = NULL;
6366         bfqd->rqs_injected = false;
6367 }
6368
6369 /*
6370  * Handle either a requeue or a finish for rq. The things to do are
6371  * the same in both cases: all references to rq are to be dropped. In
6372  * particular, rq is considered completed from the point of view of
6373  * the scheduler.
6374  */
6375 static void bfq_finish_requeue_request(struct request *rq)
6376 {
6377         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
6378         struct bfq_data *bfqd;
6379
6380         /*
6381          * rq either is not associated with any icq, or is an already
6382          * requeued request that has not (yet) been re-inserted into
6383          * a bfq_queue.
6384          */
6385         if (!rq->elv.icq || !bfqq)
6386                 return;
6387
6388         bfqd = bfqq->bfqd;
6389
6390         if (rq->rq_flags & RQF_STARTED)
6391                 bfqg_stats_update_completion(bfqq_group(bfqq),
6392                                              rq->start_time_ns,
6393                                              rq->io_start_time_ns,
6394                                              rq->cmd_flags);
6395
6396         if (likely(rq->rq_flags & RQF_STARTED)) {
6397                 unsigned long flags;
6398
6399                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6400
6401                 if (rq == bfqd->waited_rq)
6402                         bfq_update_inject_limit(bfqd, bfqq);
6403
6404                 bfq_completed_request(bfqq, bfqd);
6405                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6406
6407                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6408         } else {
6409                 /*
6410                  * Request rq may be still/already in the scheduler,
6411                  * in which case we need to remove it (this should
6412                  * never happen in case of requeue). And we cannot
6413                  * defer such a check and removal, to avoid
6414                  * inconsistencies in the time interval from the end
6415                  * of this function to the start of the deferred work.
6416                  * This situation seems to occur only in process
6417                  * context, as a consequence of a merge. In the
6418                  * current version of the code, this implies that the
6419                  * lock is held.
6420                  */
6421
6422                 if (!RB_EMPTY_NODE(&rq->rb_node)) {
6423                         bfq_remove_request(rq->q, rq);
6424                         bfqg_stats_update_io_remove(bfqq_group(bfqq),
6425                                                     rq->cmd_flags);
6426                 }
6427                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6428         }
6429
6430         /*
6431          * Reset private fields. In case of a requeue, this allows
6432          * this function to correctly do nothing if it is spuriously
6433          * invoked again on this same request (see the check at the
6434          * beginning of the function). Probably, a better general
6435          * design would be to prevent blk-mq from invoking the requeue
6436          * or finish hooks of an elevator, for a request that is not
6437          * referred by that elevator.
6438          *
6439          * Resetting the following fields would break the
6440          * request-insertion logic if rq is re-inserted into a bfq
6441          * internal queue, without a re-preparation. Here we assume
6442          * that re-insertions of requeued requests, without
6443          * re-preparation, can happen only for pass_through or at_head
6444          * requests (which are not re-inserted into bfq internal
6445          * queues).
6446          */
6447         rq->elv.priv[0] = NULL;
6448         rq->elv.priv[1] = NULL;
6449 }
6450
6451 /*
6452  * Removes the association between the current task and bfqq, assuming
6453  * that bic points to the bfq iocontext of the task.
6454  * Returns NULL if a new bfqq should be allocated, or the old bfqq if this
6455  * was the last process referring to that bfqq.
6456  */
6457 static struct bfq_queue *
6458 bfq_split_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq)
6459 {
6460         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "splitting queue");
6461
6462         if (bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6463                 bfqq->pid = current->pid;
6464                 bfq_clear_bfqq_coop(bfqq);
6465                 bfq_clear_bfqq_split_coop(bfqq);
6466                 return bfqq;
6467         }
6468
6469         bic_set_bfqq(bic, NULL, 1);
6470
6471         bfq_put_cooperator(bfqq);
6472
6473         bfq_release_process_ref(bfqq->bfqd, bfqq);
6474         return NULL;
6475 }
6476
6477 static struct bfq_queue *bfq_get_bfqq_handle_split(struct bfq_data *bfqd,
6478                                                    struct bfq_io_cq *bic,
6479                                                    struct bio *bio,
6480                                                    bool split, bool is_sync,
6481                                                    bool *new_queue)
6482 {
6483         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
6484
6485         if (likely(bfqq && bfqq != &bfqd->oom_bfqq))
6486                 return bfqq;
6487
6488         if (new_queue)
6489                 *new_queue = true;
6490
6491         if (bfqq)
6492                 bfq_put_queue(bfqq);
6493         bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, is_sync, bic, split);
6494
6495         bic_set_bfqq(bic, bfqq, is_sync);
6496         if (split && is_sync) {
6497                 if ((bic->was_in_burst_list && bfqd->large_burst) ||
6498                     bic->saved_in_large_burst)
6499                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6500                 else {
6501                         bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6502                         if (bic->was_in_burst_list)
6503                                 /*
6504                                  * If bfqq was in the current
6505                                  * burst list before being
6506                                  * merged, then we have to add
6507                                  * it back. And we do not need
6508                                  * to increase burst_size, as
6509                                  * we did not decrement
6510                                  * burst_size when we removed
6511                                  * bfqq from the burst list as
6512                                  * a consequence of a merge
6513                                  * (see comments in
6514                                  * bfq_put_queue). In this
6515                                  * respect, it would be rather
6516                                  * costly to know whether the
6517                                  * current burst list is still
6518                                  * the same burst list from
6519                                  * which bfqq was removed on
6520                                  * the merge. To avoid this
6521                                  * cost, if bfqq was in a
6522                                  * burst list, then we add
6523                                  * bfqq to the current burst
6524                                  * list without any further
6525                                  * check. This can cause
6526                                  * inappropriate insertions,
6527                                  * but rarely enough to not
6528                                  * harm the detection of large
6529                                  * bursts significantly.
6530                                  */
6531                                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node,
6532                                                &bfqd->burst_list);
6533                 }
6534                 bfqq->split_time = jiffies;
6535         }
6536
6537         return bfqq;
6538 }
6539
6540 /*
6541  * Only reset private fields. The actual request preparation will be
6542  * performed by bfq_init_rq, when rq is either inserted or merged. See
6543  * comments on bfq_init_rq for the reason behind this delayed
6544  * preparation.
6545  */
6546 static void bfq_prepare_request(struct request *rq)
6547 {
6548         /*
6549          * Regardless of whether we have an icq attached, we have to
6550          * clear the scheduler pointers, as they might point to
6551          * previously allocated bic/bfqq structs.
6552          */
6553         rq->elv.priv[0] = rq->elv.priv[1] = NULL;
6554 }
6555
6556 /*
6557  * If needed, init rq, allocate bfq data structures associated with
6558  * rq, and increment reference counters in the destination bfq_queue
6559  * for rq. Return the destination bfq_queue for rq, or NULL is rq is
6560  * not associated with any bfq_queue.
6561  *
6562  * This function is invoked by the functions that perform rq insertion
6563  * or merging. One may have expected the above preparation operations
6564  * to be performed in bfq_prepare_request, and not delayed to when rq
6565  * is inserted or merged. The rationale behind this delayed
6566  * preparation is that, after the prepare_request hook is invoked for
6567  * rq, rq may still be transformed into a request with no icq, i.e., a
6568  * request not associated with any queue. No bfq hook is invoked to
6569  * signal this transformation. As a consequence, should these
6570  * preparation operations be performed when the prepare_request hook
6571  * is invoked, and should rq be transformed one moment later, bfq
6572  * would end up in an inconsistent state, because it would have
6573  * incremented some queue counters for an rq destined to
6574  * transformation, without any chance to correctly lower these
6575  * counters back. In contrast, no transformation can still happen for
6576  * rq after rq has been inserted or merged. So, it is safe to execute
6577  * these preparation operations when rq is finally inserted or merged.
6578  */
6579 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq)
6580 {
6581         struct request_queue *q = rq->q;
6582         struct bio *bio = rq->bio;
6583         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
6584         struct bfq_io_cq *bic;
6585         const int is_sync = rq_is_sync(rq);
6586         struct bfq_queue *bfqq;
6587         bool new_queue = false;
6588         bool bfqq_already_existing = false, split = false;
6589
6590         if (unlikely(!rq->elv.icq))
6591                 return NULL;
6592
6593         /*
6594          * Assuming that elv.priv[1] is set only if everything is set
6595          * for this rq. This holds true, because this function is
6596          * invoked only for insertion or merging, and, after such
6597          * events, a request cannot be manipulated any longer before
6598          * being removed from bfq.
6599          */
6600         if (rq->elv.priv[1])
6601                 return rq->elv.priv[1];
6602
6603         bic = icq_to_bic(rq->elv.icq);
6604
6605         bfq_check_ioprio_change(bic, bio);
6606
6607         bfq_bic_update_cgroup(bic, bio);
6608
6609         bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio, false, is_sync,
6610                                          &new_queue);
6611
6612         if (likely(!new_queue)) {
6613                 /* If the queue was seeky for too long, break it apart. */
6614                 if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && bfq_bfqq_split_coop(bfqq) &&
6615                         !bic->stably_merged) {
6616                         struct bfq_queue *old_bfqq = bfqq;
6617
6618                         /* Update bic before losing reference to bfqq */
6619                         if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
6620                                 bic->saved_in_large_burst = true;
6621
6622                         bfqq = bfq_split_bfqq(bic, bfqq);
6623                         split = true;
6624
6625                         if (!bfqq) {
6626                                 bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio,
6627                                                                  true, is_sync,
6628                                                                  NULL);
6629                                 bfqq->waker_bfqq = old_bfqq->waker_bfqq;
6630                                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
6631
6632                                 /*
6633                                  * If the waker queue disappears, then
6634                                  * new_bfqq->waker_bfqq must be
6635                                  * reset. So insert new_bfqq into the
6636                                  * woken_list of the waker. See
6637                                  * bfq_check_waker for details.
6638                                  */
6639                                 if (bfqq->waker_bfqq)
6640                                         hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
6641                                                        &bfqq->waker_bfqq->woken_list);
6642                         } else
6643                                 bfqq_already_existing = true;
6644                 }
6645         }
6646
6647         bfqq->allocated++;
6648         bfqq->ref++;
6649         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_request %p: bfqq %p, %d",
6650                      rq, bfqq, bfqq->ref);
6651
6652         rq->elv.priv[0] = bic;
6653         rq->elv.priv[1] = bfqq;
6654
6655         /*
6656          * If a bfq_queue has only one process reference, it is owned
6657          * by only this bic: we can then set bfqq->bic = bic. in
6658          * addition, if the queue has also just been split, we have to
6659          * resume its state.
6660          */
6661         if (likely(bfqq != &bfqd->oom_bfqq) && bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6662                 bfqq->bic = bic;
6663                 if (split) {
6664                         /*
6665                          * The queue has just been split from a shared
6666                          * queue: restore the idle window and the
6667                          * possible weight raising period.
6668                          */
6669                         bfq_bfqq_resume_state(bfqq, bfqd, bic,
6670                                               bfqq_already_existing);
6671                 }
6672         }
6673
6674         /*
6675          * Consider bfqq as possibly belonging to a burst of newly
6676          * created queues only if:
6677          * 1) A burst is actually happening (bfqd->burst_size > 0)
6678          * or
6679          * 2) There is no other active queue. In fact, if, in
6680          *    contrast, there are active queues not belonging to the
6681          *    possible burst bfqq may belong to, then there is no gain
6682          *    in considering bfqq as belonging to a burst, and
6683          *    therefore in not weight-raising bfqq. See comments on
6684          *    bfq_handle_burst().
6685          *
6686          * This filtering also helps eliminating false positives,
6687          * occurring when bfqq does not belong to an actual large
6688          * burst, but some background task (e.g., a service) happens
6689          * to trigger the creation of new queues very close to when
6690          * bfqq and its possible companion queues are created. See
6691          * comments on bfq_handle_burst() for further details also on
6692          * this issue.
6693          */
6694         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
6695                      (bfqd->burst_size > 0 ||
6696                       bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)))
6697                 bfq_handle_burst(bfqd, bfqq);
6698
6699         return bfqq;
6700 }
6701
6702 static void
6703 bfq_idle_slice_timer_body(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
6704 {
6705         enum bfqq_expiration reason;
6706         unsigned long flags;
6707
6708         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6709
6710         /*
6711          * Considering that bfqq may be in race, we should firstly check
6712          * whether bfqq is in service before doing something on it. If
6713          * the bfqq in race is not in service, it has already been expired
6714          * through __bfq_bfqq_expire func and its wait_request flags has
6715          * been cleared in __bfq_bfqd_reset_in_service func.
6716          */
6717         if (bfqq != bfqd->in_service_queue) {
6718                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6719                 return;
6720         }
6721
6722         bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
6723
6724         if (bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq))
6725                 /*
6726                  * Also here the queue can be safely expired
6727                  * for budget timeout without wasting
6728                  * guarantees
6729                  */
6730                 reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
6731         else if (bfqq->queued[0] == 0 && bfqq->queued[1] == 0)
6732                 /*
6733                  * The queue may not be empty upon timer expiration,
6734                  * because we may not disable the timer when the
6735                  * first request of the in-service queue arrives
6736                  * during disk idling.
6737                  */
6738                 reason = BFQQE_TOO_IDLE;
6739         else
6740                 goto schedule_dispatch;
6741
6742         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, true, reason);
6743
6744 schedule_dispatch:
6745         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6746         bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6747 }
6748
6749 /*
6750  * Handler of the expiration of the timer running if the in-service queue
6751  * is idling inside its time slice.
6752  */
6753 static enum hrtimer_restart bfq_idle_slice_timer(struct hrtimer *timer)
6754 {
6755         struct bfq_data *bfqd = container_of(timer, struct bfq_data,
6756                                              idle_slice_timer);
6757         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6758
6759         /*
6760          * Theoretical race here: the in-service queue can be NULL or
6761          * different from the queue that was idling if a new request
6762          * arrives for the current queue and there is a full dispatch
6763          * cycle that changes the in-service queue.  This can hardly
6764          * happen, but in the worst case we just expire a queue too
6765          * early.
6766          */
6767         if (bfqq)
6768                 bfq_idle_slice_timer_body(bfqd, bfqq);
6769
6770         return HRTIMER_NORESTART;
6771 }
6772
6773 static void __bfq_put_async_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
6774                                  struct bfq_queue **bfqq_ptr)
6775 {
6776         struct bfq_queue *bfqq = *bfqq_ptr;
6777
6778         bfq_log(bfqd, "put_async_bfqq: %p", bfqq);
6779         if (bfqq) {
6780                 bfq_bfqq_move(bfqd, bfqq, bfqd->root_group);
6781
6782                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "put_async_bfqq: putting %p, %d",
6783                              bfqq, bfqq->ref);
6784                 bfq_put_queue(bfqq);
6785                 *bfqq_ptr = NULL;
6786         }
6787 }
6788
6789 /*
6790  * Release all the bfqg references to its async queues.  If we are
6791  * deallocating the group these queues may still contain requests, so
6792  * we reparent them to the root cgroup (i.e., the only one that will
6793  * exist for sure until all the requests on a device are gone).
6794  */
6795 void bfq_put_async_queues(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_group *bfqg)
6796 {
6797         int i, j;
6798
6799         for (i = 0; i < 2; i++)
6800                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
6801                         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_bfqq[i][j]);
6802
6803         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_idle_bfqq);
6804 }
6805
6806 /*
6807  * See the comments on bfq_limit_depth for the purpose of
6808  * the depths set in the function. Return minimum shallow depth we'll use.
6809  */
6810 static unsigned int bfq_update_depths(struct bfq_data *bfqd,
6811                                       struct sbitmap_queue *bt)
6812 {
6813         unsigned int i, j, min_shallow = UINT_MAX;
6814
6815         /*
6816          * In-word depths if no bfq_queue is being weight-raised:
6817          * leaving 25% of tags only for sync reads.
6818          *
6819          * In next formulas, right-shift the value
6820          * (1U<<bt->sb.shift), instead of computing directly
6821          * (1U<<(bt->sb.shift - something)), to be robust against
6822          * any possible value of bt->sb.shift, without having to
6823          * limit 'something'.
6824          */
6825         /* no more than 50% of tags for async I/O */
6826         bfqd->word_depths[0][0] = max((1U << bt->sb.shift) >> 1, 1U);
6827         /*
6828          * no more than 75% of tags for sync writes (25% extra tags
6829          * w.r.t. async I/O, to prevent async I/O from starving sync
6830          * writes)
6831          */
6832         bfqd->word_depths[0][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 2, 1U);
6833
6834         /*
6835          * In-word depths in case some bfq_queue is being weight-
6836          * raised: leaving ~63% of tags for sync reads. This is the
6837          * highest percentage for which, in our tests, application
6838          * start-up times didn't suffer from any regression due to tag
6839          * shortage.
6840          */
6841         /* no more than ~18% of tags for async I/O */
6842         bfqd->word_depths[1][0] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 4, 1U);
6843         /* no more than ~37% of tags for sync writes (~20% extra tags) */
6844         bfqd->word_depths[1][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 6) >> 4, 1U);
6845
6846         for (i = 0; i < 2; i++)
6847                 for (j = 0; j < 2; j++)
6848                         min_shallow = min(min_shallow, bfqd->word_depths[i][j]);
6849
6850         return min_shallow;
6851 }
6852
6853 static void bfq_depth_updated(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
6854 {
6855         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
6856         struct blk_mq_tags *tags = hctx->sched_tags;
6857         unsigned int min_shallow;
6858
6859         min_shallow = bfq_update_depths(bfqd, tags->bitmap_tags);
6860         sbitmap_queue_min_shallow_depth(tags->bitmap_tags, min_shallow);
6861 }
6862
6863 static int bfq_init_hctx(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, unsigned int index)
6864 {
6865         bfq_depth_updated(hctx);
6866         return 0;
6867 }
6868
6869 static void bfq_exit_queue(struct elevator_queue *e)
6870 {
6871         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
6872         struct bfq_queue *bfqq, *n;
6873
6874         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6875
6876         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6877         list_for_each_entry_safe(bfqq, n, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
6878                 bfq_deactivate_bfqq(bfqd, bfqq, false, false);
6879         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6880
6881         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6882
6883         /* release oom-queue reference to root group */
6884         bfqg_and_blkg_put(bfqd->root_group);
6885
6886 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6887         blkcg_deactivate_policy(bfqd->queue, &blkcg_policy_bfq);
6888 #else
6889         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6890         bfq_put_async_queues(bfqd, bfqd->root_group);
6891         kfree(bfqd->root_group);
6892         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6893 #endif
6894
6895         kfree(bfqd);
6896 }
6897
6898 static void bfq_init_root_group(struct bfq_group *root_group,
6899                                 struct bfq_data *bfqd)
6900 {
6901         int i;
6902
6903 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6904         root_group->entity.parent = NULL;
6905         root_group->my_entity = NULL;
6906         root_group->bfqd = bfqd;
6907 #endif
6908         root_group->rq_pos_tree = RB_ROOT;
6909         for (i = 0; i < BFQ_IOPRIO_CLASSES; i++)
6910                 root_group->sched_data.service_tree[i] = BFQ_SERVICE_TREE_INIT;
6911         root_group->sched_data.bfq_class_idle_last_service = jiffies;
6912 }
6913
6914 static int bfq_init_queue(struct request_queue *q, struct elevator_type *e)
6915 {
6916         struct bfq_data *bfqd;
6917         struct elevator_queue *eq;
6918
6919         eq = elevator_alloc(q, e);
6920         if (!eq)
6921                 return -ENOMEM;
6922
6923         bfqd = kzalloc_node(sizeof(*bfqd), GFP_KERNEL, q->node);
6924         if (!bfqd) {
6925                 kobject_put(&eq->kobj);
6926                 return -ENOMEM;
6927         }
6928         eq->elevator_data = bfqd;
6929
6930         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
6931         q->elevator = eq;
6932         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
6933
6934         /*
6935          * Our fallback bfqq if bfq_find_alloc_queue() runs into OOM issues.
6936          * Grab a permanent reference to it, so that the normal code flow
6937          * will not attempt to free it.
6938          */
6939         bfq_init_bfqq(bfqd, &bfqd->oom_bfqq, NULL, 1, 0);
6940         bfqd->oom_bfqq.ref++;
6941         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio = BFQ_DEFAULT_QUEUE_IOPRIO;
6942         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
6943         bfqd->oom_bfqq.entity.new_weight =
6944                 bfq_ioprio_to_weight(bfqd->oom_bfqq.new_ioprio);
6945
6946         /* oom_bfqq does not participate to bursts */
6947         bfq_clear_bfqq_just_created(&bfqd->oom_bfqq);
6948
6949         /*
6950          * Trigger weight initialization, according to ioprio, at the
6951          * oom_bfqq's first activation. The oom_bfqq's ioprio and ioprio
6952          * class won't be changed any more.
6953          */
6954         bfqd->oom_bfqq.entity.prio_changed = 1;
6955
6956         bfqd->queue = q;
6957
6958         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->dispatch);
6959
6960         hrtimer_init(&bfqd->idle_slice_timer, CLOCK_MONOTONIC,
6961                      HRTIMER_MODE_REL);
6962         bfqd->idle_slice_timer.function = bfq_idle_slice_timer;
6963
6964         bfqd->queue_weights_tree = RB_ROOT_CACHED;
6965         bfqd->num_groups_with_pending_reqs = 0;
6966
6967         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->active_list);
6968         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->idle_list);
6969         INIT_HLIST_HEAD(&bfqd->burst_list);
6970
6971         bfqd->hw_tag = -1;
6972         bfqd->nonrot_with_queueing = blk_queue_nonrot(bfqd->queue);
6973
6974         bfqd->bfq_max_budget = bfq_default_max_budget;
6975
6976         bfqd->bfq_fifo_expire[0] = bfq_fifo_expire[0];
6977         bfqd->bfq_fifo_expire[1] = bfq_fifo_expire[1];
6978         bfqd->bfq_back_max = bfq_back_max;
6979         bfqd->bfq_back_penalty = bfq_back_penalty;
6980         bfqd->bfq_slice_idle = bfq_slice_idle;
6981         bfqd->bfq_timeout = bfq_timeout;
6982
6983         bfqd->bfq_large_burst_thresh = 8;
6984         bfqd->bfq_burst_interval = msecs_to_jiffies(180);
6985
6986         bfqd->low_latency = true;
6987
6988         /*
6989          * Trade-off between responsiveness and fairness.
6990          */
6991         bfqd->bfq_wr_coeff = 30;
6992         bfqd->bfq_wr_rt_max_time = msecs_to_jiffies(300);
6993         bfqd->bfq_wr_max_time = 0;
6994         bfqd->bfq_wr_min_idle_time = msecs_to_jiffies(2000);
6995         bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async = msecs_to_jiffies(500);
6996         bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate = 7000; /*
6997                                               * Approximate rate required
6998                                               * to playback or record a
6999                                               * high-definition compressed
7000                                               * video.
7001                                               */
7002         bfqd->wr_busy_queues = 0;
7003
7004         /*
7005          * Begin by assuming, optimistically, that the device peak
7006          * rate is equal to 2/3 of the highest reference rate.
7007          */
7008         bfqd->rate_dur_prod = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] *
7009                 ref_wr_duration[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)];
7010         bfqd->peak_rate = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] * 2 / 3;
7011
7012         spin_lock_init(&bfqd->lock);
7013
7014         /*
7015          * The invocation of the next bfq_create_group_hierarchy
7016          * function is the head of a chain of function calls
7017          * (bfq_create_group_hierarchy->blkcg_activate_policy->
7018          * blk_mq_freeze_queue) that may lead to the invocation of the
7019          * has_work hook function. For this reason,
7020          * bfq_create_group_hierarchy is invoked only after all
7021          * scheduler data has been initialized, apart from the fields
7022          * that can be initialized only after invoking
7023          * bfq_create_group_hierarchy. This, in particular, enables
7024          * has_work to correctly return false. Of course, to avoid
7025          * other inconsistencies, the blk-mq stack must then refrain
7026          * from invoking further scheduler hooks before this init
7027          * function is finished.
7028          */
7029         bfqd->root_group = bfq_create_group_hierarchy(bfqd, q->node);
7030         if (!bfqd->root_group)
7031                 goto out_free;
7032         bfq_init_root_group(bfqd->root_group, bfqd);
7033         bfq_init_entity(&bfqd->oom_bfqq.entity, bfqd->root_group);
7034
7035         wbt_disable_default(q);
7036         return 0;
7037
7038 out_free:
7039         kfree(bfqd);
7040         kobject_put(&eq->kobj);
7041         return -ENOMEM;
7042 }
7043
7044 static void bfq_slab_kill(void)
7045 {
7046         kmem_cache_destroy(bfq_pool);
7047 }
7048
7049 static int __init bfq_slab_setup(void)
7050 {
7051         bfq_pool = KMEM_CACHE(bfq_queue, 0);
7052         if (!bfq_pool)
7053                 return -ENOMEM;
7054         return 0;
7055 }
7056
7057 static ssize_t bfq_var_show(unsigned int var, char *page)
7058 {
7059         return sprintf(page, "%u\n", var);
7060 }
7061
7062 static int bfq_var_store(unsigned long *var, const char *page)
7063 {
7064         unsigned long new_val;
7065         int ret = kstrtoul(page, 10, &new_val);
7066
7067         if (ret)
7068                 return ret;
7069         *var = new_val;
7070         return 0;
7071 }
7072
7073 #define SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR, __CONV)                            \
7074 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7075 {                                                                       \
7076         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7077         u64 __data = __VAR;                                             \
7078         if (__CONV == 1)                                                \
7079                 __data = jiffies_to_msecs(__data);                      \
7080         else if (__CONV == 2)                                           \
7081                 __data = div_u64(__data, NSEC_PER_MSEC);                \
7082         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7083 }
7084 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_show, bfqd->bfq_fifo_expire[1], 2);
7085 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_show, bfqd->bfq_fifo_expire[0], 2);
7086 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_max_show, bfqd->bfq_back_max, 0);
7087 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_show, bfqd->bfq_back_penalty, 0);
7088 SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_show, bfqd->bfq_slice_idle, 2);
7089 SHOW_FUNCTION(bfq_max_budget_show, bfqd->bfq_user_max_budget, 0);
7090 SHOW_FUNCTION(bfq_timeout_sync_show, bfqd->bfq_timeout, 1);
7091 SHOW_FUNCTION(bfq_strict_guarantees_show, bfqd->strict_guarantees, 0);
7092 SHOW_FUNCTION(bfq_low_latency_show, bfqd->low_latency, 0);
7093 #undef SHOW_FUNCTION
7094
7095 #define USEC_SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR)                               \
7096 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7097 {                                                                       \
7098         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7099         u64 __data = __VAR;                                             \
7100         __data = div_u64(__data, NSEC_PER_USEC);                        \
7101         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7102 }
7103 USEC_SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_show, bfqd->bfq_slice_idle);
7104 #undef USEC_SHOW_FUNCTION
7105
7106 #define STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX, __CONV)                 \
7107 static ssize_t                                                          \
7108 __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)        \
7109 {                                                                       \
7110         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7111         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7112         int ret;                                                        \
7113                                                                         \
7114         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7115         if (ret)                                                        \
7116                 return ret;                                             \
7117         if (__data < __min)                                             \
7118                 __data = __min;                                         \
7119         else if (__data > __max)                                        \
7120                 __data = __max;                                         \
7121         if (__CONV == 1)                                                \
7122                 *(__PTR) = msecs_to_jiffies(__data);                    \
7123         else if (__CONV == 2)                                           \
7124                 *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_MSEC;                 \
7125         else                                                            \
7126                 *(__PTR) = __data;                                      \
7127         return count;                                                   \
7128 }
7129 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[1], 1,
7130                 INT_MAX, 2);
7131 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[0], 1,
7132                 INT_MAX, 2);
7133 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_max_store, &bfqd->bfq_back_max, 0, INT_MAX, 0);
7134 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_store, &bfqd->bfq_back_penalty, 1,
7135                 INT_MAX, 0);
7136 STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0, INT_MAX, 2);
7137 #undef STORE_FUNCTION
7138
7139 #define USEC_STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX)                    \
7140 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)\
7141 {                                                                       \
7142         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7143         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7144         int ret;                                                        \
7145                                                                         \
7146         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7147         if (ret)                                                        \
7148                 return ret;                                             \
7149         if (__data < __min)                                             \
7150                 __data = __min;                                         \
7151         else if (__data > __max)                                        \
7152                 __data = __max;                                         \
7153         *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_USEC;                         \
7154         return count;                                                   \
7155 }
7156 USEC_STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0,
7157                     UINT_MAX);
7158 #undef USEC_STORE_FUNCTION
7159
7160 static ssize_t bfq_max_budget_store(struct elevator_queue *e,
7161                                     const char *page, size_t count)
7162 {
7163         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7164         unsigned long __data;
7165         int ret;
7166
7167         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7168         if (ret)
7169                 return ret;
7170
7171         if (__data == 0)
7172                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7173         else {
7174                 if (__data > INT_MAX)
7175                         __data = INT_MAX;
7176                 bfqd->bfq_max_budget = __data;
7177         }
7178
7179         bfqd->bfq_user_max_budget = __data;
7180
7181         return count;
7182 }
7183
7184 /*
7185  * Leaving this name to preserve name compatibility with cfq
7186  * parameters, but this timeout is used for both sync and async.
7187  */
7188 static ssize_t bfq_timeout_sync_store(struct elevator_queue *e,
7189                                       const char *page, size_t count)
7190 {
7191         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7192         unsigned long __data;
7193         int ret;
7194
7195         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7196         if (ret)
7197                 return ret;
7198
7199         if (__data < 1)
7200                 __data = 1;
7201         else if (__data > INT_MAX)
7202                 __data = INT_MAX;
7203
7204         bfqd->bfq_timeout = msecs_to_jiffies(__data);
7205         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0)
7206                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7207
7208         return count;
7209 }
7210
7211 static ssize_t bfq_strict_guarantees_store(struct elevator_queue *e,
7212                                      const char *page, size_t count)
7213 {
7214         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7215         unsigned long __data;
7216         int ret;
7217
7218         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7219         if (ret)
7220                 return ret;
7221
7222         if (__data > 1)
7223                 __data = 1;
7224         if (!bfqd->strict_guarantees && __data == 1
7225             && bfqd->bfq_slice_idle < 8 * NSEC_PER_MSEC)
7226                 bfqd->bfq_slice_idle = 8 * NSEC_PER_MSEC;
7227
7228         bfqd->strict_guarantees = __data;
7229
7230         return count;
7231 }
7232
7233 static ssize_t bfq_low_latency_store(struct elevator_queue *e,
7234                                      const char *page, size_t count)
7235 {
7236         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7237         unsigned long __data;
7238         int ret;
7239
7240         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7241         if (ret)
7242                 return ret;
7243
7244         if (__data > 1)
7245                 __data = 1;
7246         if (__data == 0 && bfqd->low_latency != 0)
7247                 bfq_end_wr(bfqd);
7248         bfqd->low_latency = __data;
7249
7250         return count;
7251 }
7252
7253 #define BFQ_ATTR(name) \
7254         __ATTR(name, 0644, bfq_##name##_show, bfq_##name##_store)
7255
7256 static struct elv_fs_entry bfq_attrs[] = {
7257         BFQ_ATTR(fifo_expire_sync),
7258         BFQ_ATTR(fifo_expire_async),
7259         BFQ_ATTR(back_seek_max),
7260         BFQ_ATTR(back_seek_penalty),
7261         BFQ_ATTR(slice_idle),
7262         BFQ_ATTR(slice_idle_us),
7263         BFQ_ATTR(max_budget),
7264         BFQ_ATTR(timeout_sync),
7265         BFQ_ATTR(strict_guarantees),
7266         BFQ_ATTR(low_latency),
7267         __ATTR_NULL
7268 };
7269
7270 static struct elevator_type iosched_bfq_mq = {
7271         .ops = {
7272                 .limit_depth            = bfq_limit_depth,
7273                 .prepare_request        = bfq_prepare_request,
7274                 .requeue_request        = bfq_finish_requeue_request,
7275                 .finish_request         = bfq_finish_requeue_request,
7276                 .exit_icq               = bfq_exit_icq,
7277                 .insert_requests        = bfq_insert_requests,
7278                 .dispatch_request       = bfq_dispatch_request,
7279                 .next_request           = elv_rb_latter_request,
7280                 .former_request         = elv_rb_former_request,
7281                 .allow_merge            = bfq_allow_bio_merge,
7282                 .bio_merge              = bfq_bio_merge,
7283                 .request_merge          = bfq_request_merge,
7284                 .requests_merged        = bfq_requests_merged,
7285                 .request_merged         = bfq_request_merged,
7286                 .has_work               = bfq_has_work,
7287                 .depth_updated          = bfq_depth_updated,
7288                 .init_hctx              = bfq_init_hctx,
7289                 .init_sched             = bfq_init_queue,
7290                 .exit_sched             = bfq_exit_queue,
7291         },
7292
7293         .icq_size =             sizeof(struct bfq_io_cq),
7294         .icq_align =            __alignof__(struct bfq_io_cq),
7295         .elevator_attrs =       bfq_attrs,
7296         .elevator_name =        "bfq",
7297         .elevator_owner =       THIS_MODULE,
7298 };
7299 MODULE_ALIAS("bfq-iosched");
7300
7301 static int __init bfq_init(void)
7302 {
7303         int ret;
7304
7305 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7306         ret = blkcg_policy_register(&blkcg_policy_bfq);
7307         if (ret)
7308                 return ret;
7309 #endif
7310
7311         ret = -ENOMEM;
7312         if (bfq_slab_setup())
7313                 goto err_pol_unreg;
7314
7315         /*
7316          * Times to load large popular applications for the typical
7317          * systems installed on the reference devices (see the
7318          * comments before the definition of the next
7319          * array). Actually, we use slightly lower values, as the
7320          * estimated peak rate tends to be smaller than the actual
7321          * peak rate.  The reason for this last fact is that estimates
7322          * are computed over much shorter time intervals than the long
7323          * intervals typically used for benchmarking. Why? First, to
7324          * adapt more quickly to variations. Second, because an I/O
7325          * scheduler cannot rely on a peak-rate-evaluation workload to
7326          * be run for a long time.
7327          */
7328         ref_wr_duration[0] = msecs_to_jiffies(7000); /* actually 8 sec */
7329         ref_wr_duration[1] = msecs_to_jiffies(2500); /* actually 3 sec */
7330
7331         ret = elv_register(&iosched_bfq_mq);
7332         if (ret)
7333                 goto slab_kill;
7334
7335         return 0;
7336
7337 slab_kill:
7338         bfq_slab_kill();
7339 err_pol_unreg:
7340 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7341         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7342 #endif
7343         return ret;
7344 }
7345
7346 static void __exit bfq_exit(void)
7347 {
7348         elv_unregister(&iosched_bfq_mq);
7349 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7350         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7351 #endif
7352         bfq_slab_kill();
7353 }
7354
7355 module_init(bfq_init);
7356 module_exit(bfq_exit);
7357
7358 MODULE_AUTHOR("Paolo Valente");
7359 MODULE_LICENSE("GPL");
7360 MODULE_DESCRIPTION("MQ Budget Fair Queueing I/O Scheduler");