drivers/block/brd.c

   1 /*
   2  * Ram backed block device driver.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2007 Nick Piggin
   5  * Copyright (C) 2007 Novell Inc.
   6  *
   7  * Parts derived from drivers/block/rd.c, and drivers/block/loop.c, copyright
   8  * of their respective owners.
   9  */
  10
  11 #include <linux/init.h>
  12 #include <linux/initrd.h>
  13 #include <linux/module.h>
  14 #include <linux/moduleparam.h>
  15 #include <linux/major.h>
  16 #include <linux/blkdev.h>
  17 #include <linux/bio.h>
  18 #include <linux/highmem.h>
  19 #include <linux/mutex.h>
  20 #include <linux/radix-tree.h>
  21 #include <linux/fs.h>
  22 #include <linux/slab.h>
  23 #include <linux/backing-dev.h>
  24
  25 #include <linux/uaccess.h>
  26
  27 #define PAGE_SECTORS_SHIFT      (PAGE_SHIFT - SECTOR_SHIFT)
  28 #define PAGE_SECTORS            (1 << PAGE_SECTORS_SHIFT)
  29
  30 /*
  31  * Each block ramdisk device has a radix_tree brd_pages of pages that stores
  32  * the pages containing the block device's contents. A brd page's ->index is
  33  * its offset in PAGE_SIZE units. This is similar to, but in no way connected
  34  * with, the kernel's pagecache or buffer cache (which sit above our block
  35  * device).
  36  */
  37 struct brd_device {
  38         int             brd_number;
  39
  40         struct request_queue    *brd_queue;
  41         struct gendisk          *brd_disk;
  42         struct list_head        brd_list;
  43
  44         /*
  45          * Backing store of pages and lock to protect it. This is the contents
  46          * of the block device.
  47          */
  48         spinlock_t              brd_lock;
  49         struct radix_tree_root  brd_pages;
  50 };
  51
  52 /*
  53  * Look up and return a brd's page for a given sector.
  54  */
  55 static struct page *brd_lookup_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
  56 {
  57         pgoff_t idx;
  58         struct page *page;
  59
  60         /*
  61          * The page lifetime is protected by the fact that we have opened the
  62          * device node -- brd pages will never be deleted under us, so we
  63          * don't need any further locking or refcounting.
  64          *
  65          * This is strictly true for the radix-tree nodes as well (ie. we
  66          * don't actually need the rcu_read_lock()), however that is not a
  67          * documented feature of the radix-tree API so it is better to be
  68          * safe here (we don't have total exclusion from radix tree updates
  69          * here, only deletes).
  70          */
  71         rcu_read_lock();
  72         idx = sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT; /* sector to page index */
  73         page = radix_tree_lookup(&brd->brd_pages, idx);
  74         rcu_read_unlock();
  75
  76         BUG_ON(page && page->index != idx);
  77
  78         return page;
  79 }
  80
  81 /*
  82  * Look up and return a brd's page for a given sector.
  83  * If one does not exist, allocate an empty page, and insert that. Then
  84  * return it.
  85  */
  86 static struct page *brd_insert_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
  87 {
  88         pgoff_t idx;
  89         struct page *page;
  90         gfp_t gfp_flags;
  91
  92         page = brd_lookup_page(brd, sector);
  93         if (page)
  94                 return page;
  95
  96         /*
  97          * Must use NOIO because we don't want to recurse back into the
  98          * block or filesystem layers from page reclaim.
  99          */
 100         gfp_flags = GFP_NOIO | __GFP_ZERO | __GFP_HIGHMEM;
 101         page = alloc_page(gfp_flags);
 102         if (!page)
 103                 return NULL;
 104
 105         if (radix_tree_preload(GFP_NOIO)) {
 106                 __free_page(page);
 107                 return NULL;
 108         }
 109
 110         spin_lock(&brd->brd_lock);
 111         idx = sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT;
 112         page->index = idx;
 113         if (radix_tree_insert(&brd->brd_pages, idx, page)) {
 114                 __free_page(page);
 115                 page = radix_tree_lookup(&brd->brd_pages, idx);
 116                 BUG_ON(!page);
 117                 BUG_ON(page->index != idx);
 118         }
 119         spin_unlock(&brd->brd_lock);
 120
 121         radix_tree_preload_end();
 122
 123         return page;
 124 }
 125
 126 /*
 127  * Free all backing store pages and radix tree. This must only be called when
 128  * there are no other users of the device.
 129  */
 130 #define FREE_BATCH 16
 131 static void brd_free_pages(struct brd_device *brd)
 132 {
 133         unsigned long pos = 0;
 134         struct page *pages[FREE_BATCH];
 135         int nr_pages;
 136
 137         do {
 138                 int i;
 139
 140                 nr_pages = radix_tree_gang_lookup(&brd->brd_pages,
 141                                 (void **)pages, pos, FREE_BATCH);
 142
 143                 for (i = 0; i < nr_pages; i++) {
 144                         void *ret;
 145
 146                         BUG_ON(pages[i]->index < pos);
 147                         pos = pages[i]->index;
 148                         ret = radix_tree_delete(&brd->brd_pages, pos);
 149                         BUG_ON(!ret || ret != pages[i]);
 150                         __free_page(pages[i]);
 151                 }
 152
 153                 pos++;
 154
 155                 /*
 156                  * It takes 3.4 seconds to remove 80GiB ramdisk.
 157                  * So, we need cond_resched to avoid stalling the CPU.
 158                  */
 159                 cond_resched();
 160
 161                 /*
 162                  * This assumes radix_tree_gang_lookup always returns as
 163                  * many pages as possible. If the radix-tree code changes,
 164                  * so will this have to.
 165                  */
 166         } while (nr_pages == FREE_BATCH);
 167 }
 168
 169 /*
 170  * copy_to_brd_setup must be called before copy_to_brd. It may sleep.
 171  */
 172 static int copy_to_brd_setup(struct brd_device *brd, sector_t sector, size_t n)
 173 {
 174         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 175         size_t copy;
 176
 177         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 178         if (!brd_insert_page(brd, sector))
 179                 return -ENOSPC;
 180         if (copy < n) {
 181                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 182                 if (!brd_insert_page(brd, sector))
 183                         return -ENOSPC;
 184         }
 185         return 0;
 186 }
 187
 188 /*
 189  * Copy n bytes from src to the brd starting at sector. Does not sleep.
 190  */
 191 static void copy_to_brd(struct brd_device *brd, const void *src,
 192                         sector_t sector, size_t n)
 193 {
 194         struct page *page;
 195         void *dst;
 196         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 197         size_t copy;
 198
 199         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 200         page = brd_lookup_page(brd, sector);
 201         BUG_ON(!page);
 202
 203         dst = kmap_atomic(page);
 204         memcpy(dst + offset, src, copy);
 205         kunmap_atomic(dst);
 206
 207         if (copy < n) {
 208                 src += copy;
 209                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 210                 copy = n - copy;
 211                 page = brd_lookup_page(brd, sector);
 212                 BUG_ON(!page);
 213
 214                 dst = kmap_atomic(page);
 215                 memcpy(dst, src, copy);
 216                 kunmap_atomic(dst);
 217         }
 218 }
 219
 220 /*
 221  * Copy n bytes to dst from the brd starting at sector. Does not sleep.
 222  */
 223 static void copy_from_brd(void *dst, struct brd_device *brd,
 224                         sector_t sector, size_t n)
 225 {
 226         struct page *page;
 227         void *src;
 228         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 229         size_t copy;
 230
 231         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 232         page = brd_lookup_page(brd, sector);
 233         if (page) {
 234                 src = kmap_atomic(page);
 235                 memcpy(dst, src + offset, copy);
 236                 kunmap_atomic(src);
 237         } else
 238                 memset(dst, 0, copy);
 239
 240         if (copy < n) {
 241                 dst += copy;
 242                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 243                 copy = n - copy;
 244                 page = brd_lookup_page(brd, sector);
 245                 if (page) {
 246                         src = kmap_atomic(page);
 247                         memcpy(dst, src, copy);
 248                         kunmap_atomic(src);
 249                 } else
 250                         memset(dst, 0, copy);
 251         }
 252 }
 253
 254 /*
 255  * Process a single bvec of a bio.
 256  */
 257 static int brd_do_bvec(struct brd_device *brd, struct page *page,
 258                         unsigned int len, unsigned int off, unsigned int op,
 259                         sector_t sector)
 260 {
 261         void *mem;
 262         int err = 0;
 263
 264         if (op_is_write(op)) {
 265                 err = copy_to_brd_setup(brd, sector, len);
 266                 if (err)
 267                         goto out;
 268         }
 269
 270         mem = kmap_atomic(page);
 271         if (!op_is_write(op)) {
 272                 copy_from_brd(mem + off, brd, sector, len);
 273                 flush_dcache_page(page);
 274         } else {
 275                 flush_dcache_page(page);
 276                 copy_to_brd(brd, mem + off, sector, len);
 277         }
 278         kunmap_atomic(mem);
 279
 280 out:
 281         return err;
 282 }
 283
 284 static blk_qc_t brd_make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio)
 285 {
 286         struct brd_device *brd = bio->bi_disk->private_data;
 287         struct bio_vec bvec;
 288         sector_t sector;
 289         struct bvec_iter iter;
 290
 291         sector = bio->bi_iter.bi_sector;
 292         if (bio_end_sector(bio) > get_capacity(bio->bi_disk))
 293                 goto io_error;
 294
 295         bio_for_each_segment(bvec, bio, iter) {
 296                 unsigned int len = bvec.bv_len;
 297                 int err;
 298
 299                 err = brd_do_bvec(brd, bvec.bv_page, len, bvec.bv_offset,
 300                                   bio_op(bio), sector);
 301                 if (err)
 302                         goto io_error;
 303                 sector += len >> SECTOR_SHIFT;
 304         }
 305
 306         bio_endio(bio);
 307         return BLK_QC_T_NONE;
 308 io_error:
 309         bio_io_error(bio);
 310         return BLK_QC_T_NONE;
 311 }
 312
 313 static int brd_rw_page(struct block_device *bdev, sector_t sector,
 314                        struct page *page, unsigned int op)
 315 {
 316         struct brd_device *brd = bdev->bd_disk->private_data;
 317         int err;
 318
 319         if (PageTransHuge(page))
 320                 return -ENOTSUPP;
 321         err = brd_do_bvec(brd, page, PAGE_SIZE, 0, op, sector);
 322         page_endio(page, op_is_write(op), err);
 323         return err;
 324 }
 325
 326 static const struct block_device_operations brd_fops = {
 327         .owner =                THIS_MODULE,
 328         .rw_page =              brd_rw_page,
 329 };
 330
 331 /*
 332  * And now the modules code and kernel interface.
 333  */
 334 static int rd_nr = CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT;
 335 module_param(rd_nr, int, 0444);
 336 MODULE_PARM_DESC(rd_nr, "Maximum number of brd devices");
 337
 338 unsigned long rd_size = CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE;
 339 module_param(rd_size, ulong, 0444);
 340 MODULE_PARM_DESC(rd_size, "Size of each RAM disk in kbytes.");
 341
 342 static int max_part = 1;
 343 module_param(max_part, int, 0444);
 344 MODULE_PARM_DESC(max_part, "Num Minors to reserve between devices");
 345
 346 MODULE_LICENSE("GPL");
 347 MODULE_ALIAS_BLOCKDEV_MAJOR(RAMDISK_MAJOR);
 348 MODULE_ALIAS("rd");
 349
 350 #ifndef MODULE
 351 /* Legacy boot options - nonmodular */
 352 static int __init ramdisk_size(char *str)
 353 {
 354         rd_size = simple_strtol(str, NULL, 0);
 355         return 1;
 356 }
 357 __setup("ramdisk_size=", ramdisk_size);
 358 #endif
 359
 360 /*
 361  * The device scheme is derived from loop.c. Keep them in synch where possible
 362  * (should share code eventually).
 363  */
 364 static LIST_HEAD(brd_devices);
 365 static DEFINE_MUTEX(brd_devices_mutex);
 366
 367 static struct brd_device *brd_alloc(int i)
 368 {
 369         struct brd_device *brd;
 370         struct gendisk *disk;
 371
 372         brd = kzalloc(sizeof(*brd), GFP_KERNEL);
 373         if (!brd)
 374                 goto out;
 375         brd->brd_number         = i;
 376         spin_lock_init(&brd->brd_lock);
 377         INIT_RADIX_TREE(&brd->brd_pages, GFP_ATOMIC);
 378
 379         brd->brd_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
 380         if (!brd->brd_queue)
 381                 goto out_free_dev;
 382
 383         blk_queue_make_request(brd->brd_queue, brd_make_request);
 384         blk_queue_max_hw_sectors(brd->brd_queue, 1024);
 385
 386         /* This is so fdisk will align partitions on 4k, because of
 387          * direct_access API needing 4k alignment, returning a PFN
 388          * (This is only a problem on very small devices <= 4M,
 389          *  otherwise fdisk will align on 1M. Regardless this call
 390          *  is harmless)
 391          */
 392         blk_queue_physical_block_size(brd->brd_queue, PAGE_SIZE);
 393         disk = brd->brd_disk = alloc_disk(max_part);
 394         if (!disk)
 395                 goto out_free_queue;
 396         disk->major             = RAMDISK_MAJOR;
 397         disk->first_minor       = i * max_part;
 398         disk->fops              = &brd_fops;
 399         disk->private_data      = brd;
 400         disk->flags             = GENHD_FL_EXT_DEVT;
 401         sprintf(disk->disk_name, "ram%d", i);
 402         set_capacity(disk, rd_size * 2);
 403         brd->brd_queue->backing_dev_info->capabilities |= BDI_CAP_SYNCHRONOUS_IO;
 404
 405         /* Tell the block layer that this is not a rotational device */
 406         blk_queue_flag_set(QUEUE_FLAG_NONROT, brd->brd_queue);
 407         blk_queue_flag_clear(QUEUE_FLAG_ADD_RANDOM, brd->brd_queue);
 408
 409         return brd;
 410
 411 out_free_queue:
 412         blk_cleanup_queue(brd->brd_queue);
 413 out_free_dev:
 414         kfree(brd);
 415 out:
 416         return NULL;
 417 }
 418
 419 static void brd_free(struct brd_device *brd)
 420 {
 421         put_disk(brd->brd_disk);
 422         blk_cleanup_queue(brd->brd_queue);
 423         brd_free_pages(brd);
 424         kfree(brd);
 425 }
 426
 427 static struct brd_device *brd_init_one(int i, bool *new)
 428 {
 429         struct brd_device *brd;
 430
 431         *new = false;
 432         list_for_each_entry(brd, &brd_devices, brd_list) {
 433                 if (brd->brd_number == i)
 434                         goto out;
 435         }
 436
 437         brd = brd_alloc(i);
 438         if (brd) {
 439                 brd->brd_disk->queue = brd->brd_queue;
 440                 add_disk(brd->brd_disk);
 441                 list_add_tail(&brd->brd_list, &brd_devices);
 442         }
 443         *new = true;
 444 out:
 445         return brd;
 446 }
 447
 448 static void brd_del_one(struct brd_device *brd)
 449 {
 450         list_del(&brd->brd_list);
 451         del_gendisk(brd->brd_disk);
 452         brd_free(brd);
 453 }
 454
 455 static struct kobject *brd_probe(dev_t dev, int *part, void *data)
 456 {
 457         struct brd_device *brd;
 458         struct kobject *kobj;
 459         bool new;
 460
 461         mutex_lock(&brd_devices_mutex);
 462         brd = brd_init_one(MINOR(dev) / max_part, &new);
 463         kobj = brd ? get_disk_and_module(brd->brd_disk) : NULL;
 464         mutex_unlock(&brd_devices_mutex);
 465
 466         if (new)
 467                 *part = 0;
 468
 469         return kobj;
 470 }
 471
 472 static int __init brd_init(void)
 473 {
 474         struct brd_device *brd, *next;
 475         int i;
 476
 477         /*
 478          * brd module now has a feature to instantiate underlying device
 479          * structure on-demand, provided that there is an access dev node.
 480          *
 481          * (1) if rd_nr is specified, create that many upfront. else
 482          *     it defaults to CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT
 483          * (2) User can further extend brd devices by create dev node themselves
 484          *     and have kernel automatically instantiate actual device
 485          *     on-demand. Example:
 486          *              mknod /path/devnod_name b 1 X   # 1 is the rd major
 487          *              fdisk -l /path/devnod_name
 488          *      If (X / max_part) was not already created it will be created
 489          *      dynamically.
 490          */
 491
 492         if (register_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk"))
 493                 return -EIO;
 494
 495         if (unlikely(!max_part))
 496                 max_part = 1;
 497
 498         for (i = 0; i < rd_nr; i++) {
 499                 brd = brd_alloc(i);
 500                 if (!brd)
 501                         goto out_free;
 502                 list_add_tail(&brd->brd_list, &brd_devices);
 503         }
 504
 505         /* point of no return */
 506
 507         list_for_each_entry(brd, &brd_devices, brd_list) {
 508                 /*
 509                  * associate with queue just before adding disk for
 510                  * avoiding to mess up failure path
 511                  */
 512                 brd->brd_disk->queue = brd->brd_queue;
 513                 add_disk(brd->brd_disk);
 514         }
 515
 516         blk_register_region(MKDEV(RAMDISK_MAJOR, 0), 1UL << MINORBITS,
 517                                   THIS_MODULE, brd_probe, NULL, NULL);
 518
 519         pr_info("brd: module loaded\n");
 520         return 0;
 521
 522 out_free:
 523         list_for_each_entry_safe(brd, next, &brd_devices, brd_list) {
 524                 list_del(&brd->brd_list);
 525                 brd_free(brd);
 526         }
 527         unregister_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk");
 528
 529         pr_info("brd: module NOT loaded !!!\n");
 530         return -ENOMEM;
 531 }
 532
 533 static void __exit brd_exit(void)
 534 {
 535         struct brd_device *brd, *next;
 536
 537         list_for_each_entry_safe(brd, next, &brd_devices, brd_list)
 538                 brd_del_one(brd);
 539
 540         blk_unregister_region(MKDEV(RAMDISK_MAJOR, 0), 1UL << MINORBITS);
 541         unregister_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk");
 542
 543         pr_info("brd: module unloaded\n");
 544 }
 545
 546 module_init(brd_init);
 547 module_exit(brd_exit);
 548