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