perf cpumap: Add new map type for aggregation
[linux-2.6-microblaze.git] / fs / btrfs / compression.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 /*
3  * Copyright (C) 2008 Oracle.  All rights reserved.
4  */
5
6 #include <linux/kernel.h>
7 #include <linux/bio.h>
8 #include <linux/file.h>
9 #include <linux/fs.h>
10 #include <linux/pagemap.h>
11 #include <linux/highmem.h>
12 #include <linux/time.h>
13 #include <linux/init.h>
14 #include <linux/string.h>
15 #include <linux/backing-dev.h>
16 #include <linux/writeback.h>
17 #include <linux/slab.h>
18 #include <linux/sched/mm.h>
19 #include <linux/log2.h>
20 #include <crypto/hash.h>
21 #include "misc.h"
22 #include "ctree.h"
23 #include "disk-io.h"
24 #include "transaction.h"
25 #include "btrfs_inode.h"
26 #include "volumes.h"
27 #include "ordered-data.h"
28 #include "compression.h"
29 #include "extent_io.h"
30 #include "extent_map.h"
31
32 static const char* const btrfs_compress_types[] = { "", "zlib", "lzo", "zstd" };
33
34 const char* btrfs_compress_type2str(enum btrfs_compression_type type)
35 {
36         switch (type) {
37         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
38         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
39         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
40         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
41                 return btrfs_compress_types[type];
42         default:
43                 break;
44         }
45
46         return NULL;
47 }
48
49 bool btrfs_compress_is_valid_type(const char *str, size_t len)
50 {
51         int i;
52
53         for (i = 1; i < ARRAY_SIZE(btrfs_compress_types); i++) {
54                 size_t comp_len = strlen(btrfs_compress_types[i]);
55
56                 if (len < comp_len)
57                         continue;
58
59                 if (!strncmp(btrfs_compress_types[i], str, comp_len))
60                         return true;
61         }
62         return false;
63 }
64
65 static int compression_compress_pages(int type, struct list_head *ws,
66                struct address_space *mapping, u64 start, struct page **pages,
67                unsigned long *out_pages, unsigned long *total_in,
68                unsigned long *total_out)
69 {
70         switch (type) {
71         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB:
72                 return zlib_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
73                                 out_pages, total_in, total_out);
74         case BTRFS_COMPRESS_LZO:
75                 return lzo_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
76                                 out_pages, total_in, total_out);
77         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD:
78                 return zstd_compress_pages(ws, mapping, start, pages,
79                                 out_pages, total_in, total_out);
80         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
81         default:
82                 /*
83                  * This can't happen, the type is validated several times
84                  * before we get here. As a sane fallback, return what the
85                  * callers will understand as 'no compression happened'.
86                  */
87                 return -E2BIG;
88         }
89 }
90
91 static int compression_decompress_bio(int type, struct list_head *ws,
92                 struct compressed_bio *cb)
93 {
94         switch (type) {
95         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress_bio(ws, cb);
96         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress_bio(ws, cb);
97         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress_bio(ws, cb);
98         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
99         default:
100                 /*
101                  * This can't happen, the type is validated several times
102                  * before we get here.
103                  */
104                 BUG();
105         }
106 }
107
108 static int compression_decompress(int type, struct list_head *ws,
109                unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
110                unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
111 {
112         switch (type) {
113         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_decompress(ws, data_in, dest_page,
114                                                 start_byte, srclen, destlen);
115         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_decompress(ws, data_in, dest_page,
116                                                 start_byte, srclen, destlen);
117         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_decompress(ws, data_in, dest_page,
118                                                 start_byte, srclen, destlen);
119         case BTRFS_COMPRESS_NONE:
120         default:
121                 /*
122                  * This can't happen, the type is validated several times
123                  * before we get here.
124                  */
125                 BUG();
126         }
127 }
128
129 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb);
130
131 static inline int compressed_bio_size(struct btrfs_fs_info *fs_info,
132                                       unsigned long disk_size)
133 {
134         return sizeof(struct compressed_bio) +
135                 (DIV_ROUND_UP(disk_size, fs_info->sectorsize)) * fs_info->csum_size;
136 }
137
138 static int check_compressed_csum(struct btrfs_inode *inode, struct bio *bio,
139                                  u64 disk_start)
140 {
141         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
142         SHASH_DESC_ON_STACK(shash, fs_info->csum_shash);
143         const u32 csum_size = fs_info->csum_size;
144         struct page *page;
145         unsigned long i;
146         char *kaddr;
147         u8 csum[BTRFS_CSUM_SIZE];
148         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
149         u8 *cb_sum = cb->sums;
150
151         if (!fs_info->csum_root || (inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM))
152                 return 0;
153
154         shash->tfm = fs_info->csum_shash;
155
156         for (i = 0; i < cb->nr_pages; i++) {
157                 page = cb->compressed_pages[i];
158
159                 kaddr = kmap_atomic(page);
160                 crypto_shash_digest(shash, kaddr, PAGE_SIZE, csum);
161                 kunmap_atomic(kaddr);
162
163                 if (memcmp(&csum, cb_sum, csum_size)) {
164                         btrfs_print_data_csum_error(inode, disk_start,
165                                         csum, cb_sum, cb->mirror_num);
166                         if (btrfs_io_bio(bio)->device)
167                                 btrfs_dev_stat_inc_and_print(
168                                         btrfs_io_bio(bio)->device,
169                                         BTRFS_DEV_STAT_CORRUPTION_ERRS);
170                         return -EIO;
171                 }
172                 cb_sum += csum_size;
173         }
174         return 0;
175 }
176
177 /* when we finish reading compressed pages from the disk, we
178  * decompress them and then run the bio end_io routines on the
179  * decompressed pages (in the inode address space).
180  *
181  * This allows the checksumming and other IO error handling routines
182  * to work normally
183  *
184  * The compressed pages are freed here, and it must be run
185  * in process context
186  */
187 static void end_compressed_bio_read(struct bio *bio)
188 {
189         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
190         struct inode *inode;
191         struct page *page;
192         unsigned long index;
193         unsigned int mirror = btrfs_io_bio(bio)->mirror_num;
194         int ret = 0;
195
196         if (bio->bi_status)
197                 cb->errors = 1;
198
199         /* if there are more bios still pending for this compressed
200          * extent, just exit
201          */
202         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
203                 goto out;
204
205         /*
206          * Record the correct mirror_num in cb->orig_bio so that
207          * read-repair can work properly.
208          */
209         btrfs_io_bio(cb->orig_bio)->mirror_num = mirror;
210         cb->mirror_num = mirror;
211
212         /*
213          * Some IO in this cb have failed, just skip checksum as there
214          * is no way it could be correct.
215          */
216         if (cb->errors == 1)
217                 goto csum_failed;
218
219         inode = cb->inode;
220         ret = check_compressed_csum(BTRFS_I(inode), bio,
221                                     bio->bi_iter.bi_sector << 9);
222         if (ret)
223                 goto csum_failed;
224
225         /* ok, we're the last bio for this extent, lets start
226          * the decompression.
227          */
228         ret = btrfs_decompress_bio(cb);
229
230 csum_failed:
231         if (ret)
232                 cb->errors = 1;
233
234         /* release the compressed pages */
235         index = 0;
236         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
237                 page = cb->compressed_pages[index];
238                 page->mapping = NULL;
239                 put_page(page);
240         }
241
242         /* do io completion on the original bio */
243         if (cb->errors) {
244                 bio_io_error(cb->orig_bio);
245         } else {
246                 struct bio_vec *bvec;
247                 struct bvec_iter_all iter_all;
248
249                 /*
250                  * we have verified the checksum already, set page
251                  * checked so the end_io handlers know about it
252                  */
253                 ASSERT(!bio_flagged(bio, BIO_CLONED));
254                 bio_for_each_segment_all(bvec, cb->orig_bio, iter_all)
255                         SetPageChecked(bvec->bv_page);
256
257                 bio_endio(cb->orig_bio);
258         }
259
260         /* finally free the cb struct */
261         kfree(cb->compressed_pages);
262         kfree(cb);
263 out:
264         bio_put(bio);
265 }
266
267 /*
268  * Clear the writeback bits on all of the file
269  * pages for a compressed write
270  */
271 static noinline void end_compressed_writeback(struct inode *inode,
272                                               const struct compressed_bio *cb)
273 {
274         unsigned long index = cb->start >> PAGE_SHIFT;
275         unsigned long end_index = (cb->start + cb->len - 1) >> PAGE_SHIFT;
276         struct page *pages[16];
277         unsigned long nr_pages = end_index - index + 1;
278         int i;
279         int ret;
280
281         if (cb->errors)
282                 mapping_set_error(inode->i_mapping, -EIO);
283
284         while (nr_pages > 0) {
285                 ret = find_get_pages_contig(inode->i_mapping, index,
286                                      min_t(unsigned long,
287                                      nr_pages, ARRAY_SIZE(pages)), pages);
288                 if (ret == 0) {
289                         nr_pages -= 1;
290                         index += 1;
291                         continue;
292                 }
293                 for (i = 0; i < ret; i++) {
294                         if (cb->errors)
295                                 SetPageError(pages[i]);
296                         end_page_writeback(pages[i]);
297                         put_page(pages[i]);
298                 }
299                 nr_pages -= ret;
300                 index += ret;
301         }
302         /* the inode may be gone now */
303 }
304
305 /*
306  * do the cleanup once all the compressed pages hit the disk.
307  * This will clear writeback on the file pages and free the compressed
308  * pages.
309  *
310  * This also calls the writeback end hooks for the file pages so that
311  * metadata and checksums can be updated in the file.
312  */
313 static void end_compressed_bio_write(struct bio *bio)
314 {
315         struct compressed_bio *cb = bio->bi_private;
316         struct inode *inode;
317         struct page *page;
318         unsigned long index;
319
320         if (bio->bi_status)
321                 cb->errors = 1;
322
323         /* if there are more bios still pending for this compressed
324          * extent, just exit
325          */
326         if (!refcount_dec_and_test(&cb->pending_bios))
327                 goto out;
328
329         /* ok, we're the last bio for this extent, step one is to
330          * call back into the FS and do all the end_io operations
331          */
332         inode = cb->inode;
333         cb->compressed_pages[0]->mapping = cb->inode->i_mapping;
334         btrfs_writepage_endio_finish_ordered(cb->compressed_pages[0],
335                         cb->start, cb->start + cb->len - 1,
336                         bio->bi_status == BLK_STS_OK);
337         cb->compressed_pages[0]->mapping = NULL;
338
339         end_compressed_writeback(inode, cb);
340         /* note, our inode could be gone now */
341
342         /*
343          * release the compressed pages, these came from alloc_page and
344          * are not attached to the inode at all
345          */
346         index = 0;
347         for (index = 0; index < cb->nr_pages; index++) {
348                 page = cb->compressed_pages[index];
349                 page->mapping = NULL;
350                 put_page(page);
351         }
352
353         /* finally free the cb struct */
354         kfree(cb->compressed_pages);
355         kfree(cb);
356 out:
357         bio_put(bio);
358 }
359
360 /*
361  * worker function to build and submit bios for previously compressed pages.
362  * The corresponding pages in the inode should be marked for writeback
363  * and the compressed pages should have a reference on them for dropping
364  * when the IO is complete.
365  *
366  * This also checksums the file bytes and gets things ready for
367  * the end io hooks.
368  */
369 blk_status_t btrfs_submit_compressed_write(struct btrfs_inode *inode, u64 start,
370                                  unsigned long len, u64 disk_start,
371                                  unsigned long compressed_len,
372                                  struct page **compressed_pages,
373                                  unsigned long nr_pages,
374                                  unsigned int write_flags,
375                                  struct cgroup_subsys_state *blkcg_css)
376 {
377         struct btrfs_fs_info *fs_info = inode->root->fs_info;
378         struct bio *bio = NULL;
379         struct compressed_bio *cb;
380         unsigned long bytes_left;
381         int pg_index = 0;
382         struct page *page;
383         u64 first_byte = disk_start;
384         blk_status_t ret;
385         int skip_sum = inode->flags & BTRFS_INODE_NODATASUM;
386
387         WARN_ON(!PAGE_ALIGNED(start));
388         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
389         if (!cb)
390                 return BLK_STS_RESOURCE;
391         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
392         cb->errors = 0;
393         cb->inode = &inode->vfs_inode;
394         cb->start = start;
395         cb->len = len;
396         cb->mirror_num = 0;
397         cb->compressed_pages = compressed_pages;
398         cb->compressed_len = compressed_len;
399         cb->orig_bio = NULL;
400         cb->nr_pages = nr_pages;
401
402         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
403         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
404         bio->bi_private = cb;
405         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
406
407         if (blkcg_css) {
408                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
409                 kthread_associate_blkcg(blkcg_css);
410         }
411         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
412
413         /* create and submit bios for the compressed pages */
414         bytes_left = compressed_len;
415         for (pg_index = 0; pg_index < cb->nr_pages; pg_index++) {
416                 int submit = 0;
417
418                 page = compressed_pages[pg_index];
419                 page->mapping = inode->vfs_inode.i_mapping;
420                 if (bio->bi_iter.bi_size)
421                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, PAGE_SIZE, bio,
422                                                           0);
423
424                 page->mapping = NULL;
425                 if (submit || bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0) <
426                     PAGE_SIZE) {
427                         /*
428                          * inc the count before we submit the bio so
429                          * we know the end IO handler won't happen before
430                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
431                          * freed before we're done setting it up
432                          */
433                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
434                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio,
435                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
436                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
437
438                         if (!skip_sum) {
439                                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
440                                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
441                         }
442
443                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
444                         if (ret) {
445                                 bio->bi_status = ret;
446                                 bio_endio(bio);
447                         }
448
449                         bio = btrfs_bio_alloc(first_byte);
450                         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | write_flags;
451                         bio->bi_private = cb;
452                         bio->bi_end_io = end_compressed_bio_write;
453                         if (blkcg_css)
454                                 bio->bi_opf |= REQ_CGROUP_PUNT;
455                         bio_add_page(bio, page, PAGE_SIZE, 0);
456                 }
457                 if (bytes_left < PAGE_SIZE) {
458                         btrfs_info(fs_info,
459                                         "bytes left %lu compress len %lu nr %lu",
460                                bytes_left, cb->compressed_len, cb->nr_pages);
461                 }
462                 bytes_left -= PAGE_SIZE;
463                 first_byte += PAGE_SIZE;
464                 cond_resched();
465         }
466
467         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
468         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
469
470         if (!skip_sum) {
471                 ret = btrfs_csum_one_bio(inode, bio, start, 1);
472                 BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
473         }
474
475         ret = btrfs_map_bio(fs_info, bio, 0);
476         if (ret) {
477                 bio->bi_status = ret;
478                 bio_endio(bio);
479         }
480
481         if (blkcg_css)
482                 kthread_associate_blkcg(NULL);
483
484         return 0;
485 }
486
487 static u64 bio_end_offset(struct bio *bio)
488 {
489         struct bio_vec *last = bio_last_bvec_all(bio);
490
491         return page_offset(last->bv_page) + last->bv_len + last->bv_offset;
492 }
493
494 static noinline int add_ra_bio_pages(struct inode *inode,
495                                      u64 compressed_end,
496                                      struct compressed_bio *cb)
497 {
498         unsigned long end_index;
499         unsigned long pg_index;
500         u64 last_offset;
501         u64 isize = i_size_read(inode);
502         int ret;
503         struct page *page;
504         unsigned long nr_pages = 0;
505         struct extent_map *em;
506         struct address_space *mapping = inode->i_mapping;
507         struct extent_map_tree *em_tree;
508         struct extent_io_tree *tree;
509         u64 end;
510         int misses = 0;
511
512         last_offset = bio_end_offset(cb->orig_bio);
513         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
514         tree = &BTRFS_I(inode)->io_tree;
515
516         if (isize == 0)
517                 return 0;
518
519         end_index = (i_size_read(inode) - 1) >> PAGE_SHIFT;
520
521         while (last_offset < compressed_end) {
522                 pg_index = last_offset >> PAGE_SHIFT;
523
524                 if (pg_index > end_index)
525                         break;
526
527                 page = xa_load(&mapping->i_pages, pg_index);
528                 if (page && !xa_is_value(page)) {
529                         misses++;
530                         if (misses > 4)
531                                 break;
532                         goto next;
533                 }
534
535                 page = __page_cache_alloc(mapping_gfp_constraint(mapping,
536                                                                  ~__GFP_FS));
537                 if (!page)
538                         break;
539
540                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, pg_index, GFP_NOFS)) {
541                         put_page(page);
542                         goto next;
543                 }
544
545                 end = last_offset + PAGE_SIZE - 1;
546                 /*
547                  * at this point, we have a locked page in the page cache
548                  * for these bytes in the file.  But, we have to make
549                  * sure they map to this compressed extent on disk.
550                  */
551                 set_page_extent_mapped(page);
552                 lock_extent(tree, last_offset, end);
553                 read_lock(&em_tree->lock);
554                 em = lookup_extent_mapping(em_tree, last_offset,
555                                            PAGE_SIZE);
556                 read_unlock(&em_tree->lock);
557
558                 if (!em || last_offset < em->start ||
559                     (last_offset + PAGE_SIZE > extent_map_end(em)) ||
560                     (em->block_start >> 9) != cb->orig_bio->bi_iter.bi_sector) {
561                         free_extent_map(em);
562                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
563                         unlock_page(page);
564                         put_page(page);
565                         break;
566                 }
567                 free_extent_map(em);
568
569                 if (page->index == end_index) {
570                         char *userpage;
571                         size_t zero_offset = offset_in_page(isize);
572
573                         if (zero_offset) {
574                                 int zeros;
575                                 zeros = PAGE_SIZE - zero_offset;
576                                 userpage = kmap_atomic(page);
577                                 memset(userpage + zero_offset, 0, zeros);
578                                 flush_dcache_page(page);
579                                 kunmap_atomic(userpage);
580                         }
581                 }
582
583                 ret = bio_add_page(cb->orig_bio, page,
584                                    PAGE_SIZE, 0);
585
586                 if (ret == PAGE_SIZE) {
587                         nr_pages++;
588                         put_page(page);
589                 } else {
590                         unlock_extent(tree, last_offset, end);
591                         unlock_page(page);
592                         put_page(page);
593                         break;
594                 }
595 next:
596                 last_offset += PAGE_SIZE;
597         }
598         return 0;
599 }
600
601 /*
602  * for a compressed read, the bio we get passed has all the inode pages
603  * in it.  We don't actually do IO on those pages but allocate new ones
604  * to hold the compressed pages on disk.
605  *
606  * bio->bi_iter.bi_sector points to the compressed extent on disk
607  * bio->bi_io_vec points to all of the inode pages
608  *
609  * After the compressed pages are read, we copy the bytes into the
610  * bio we were passed and then call the bio end_io calls
611  */
612 blk_status_t btrfs_submit_compressed_read(struct inode *inode, struct bio *bio,
613                                  int mirror_num, unsigned long bio_flags)
614 {
615         struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(inode->i_sb);
616         struct extent_map_tree *em_tree;
617         struct compressed_bio *cb;
618         unsigned long compressed_len;
619         unsigned long nr_pages;
620         unsigned long pg_index;
621         struct page *page;
622         struct bio *comp_bio;
623         u64 cur_disk_byte = bio->bi_iter.bi_sector << 9;
624         u64 em_len;
625         u64 em_start;
626         struct extent_map *em;
627         blk_status_t ret = BLK_STS_RESOURCE;
628         int faili = 0;
629         u8 *sums;
630
631         em_tree = &BTRFS_I(inode)->extent_tree;
632
633         /* we need the actual starting offset of this extent in the file */
634         read_lock(&em_tree->lock);
635         em = lookup_extent_mapping(em_tree,
636                                    page_offset(bio_first_page_all(bio)),
637                                    PAGE_SIZE);
638         read_unlock(&em_tree->lock);
639         if (!em)
640                 return BLK_STS_IOERR;
641
642         compressed_len = em->block_len;
643         cb = kmalloc(compressed_bio_size(fs_info, compressed_len), GFP_NOFS);
644         if (!cb)
645                 goto out;
646
647         refcount_set(&cb->pending_bios, 0);
648         cb->errors = 0;
649         cb->inode = inode;
650         cb->mirror_num = mirror_num;
651         sums = cb->sums;
652
653         cb->start = em->orig_start;
654         em_len = em->len;
655         em_start = em->start;
656
657         free_extent_map(em);
658         em = NULL;
659
660         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
661         cb->compressed_len = compressed_len;
662         cb->compress_type = extent_compress_type(bio_flags);
663         cb->orig_bio = bio;
664
665         nr_pages = DIV_ROUND_UP(compressed_len, PAGE_SIZE);
666         cb->compressed_pages = kcalloc(nr_pages, sizeof(struct page *),
667                                        GFP_NOFS);
668         if (!cb->compressed_pages)
669                 goto fail1;
670
671         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
672                 cb->compressed_pages[pg_index] = alloc_page(GFP_NOFS |
673                                                               __GFP_HIGHMEM);
674                 if (!cb->compressed_pages[pg_index]) {
675                         faili = pg_index - 1;
676                         ret = BLK_STS_RESOURCE;
677                         goto fail2;
678                 }
679         }
680         faili = nr_pages - 1;
681         cb->nr_pages = nr_pages;
682
683         add_ra_bio_pages(inode, em_start + em_len, cb);
684
685         /* include any pages we added in add_ra-bio_pages */
686         cb->len = bio->bi_iter.bi_size;
687
688         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
689         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
690         comp_bio->bi_private = cb;
691         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
692         refcount_set(&cb->pending_bios, 1);
693
694         for (pg_index = 0; pg_index < nr_pages; pg_index++) {
695                 int submit = 0;
696
697                 page = cb->compressed_pages[pg_index];
698                 page->mapping = inode->i_mapping;
699                 page->index = em_start >> PAGE_SHIFT;
700
701                 if (comp_bio->bi_iter.bi_size)
702                         submit = btrfs_bio_fits_in_stripe(page, PAGE_SIZE,
703                                                           comp_bio, 0);
704
705                 page->mapping = NULL;
706                 if (submit || bio_add_page(comp_bio, page, PAGE_SIZE, 0) <
707                     PAGE_SIZE) {
708                         unsigned int nr_sectors;
709
710                         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio,
711                                                   BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
712                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
713
714                         /*
715                          * inc the count before we submit the bio so
716                          * we know the end IO handler won't happen before
717                          * we inc the count.  Otherwise, the cb might get
718                          * freed before we're done setting it up
719                          */
720                         refcount_inc(&cb->pending_bios);
721
722                         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
723                         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
724
725                         nr_sectors = DIV_ROUND_UP(comp_bio->bi_iter.bi_size,
726                                                   fs_info->sectorsize);
727                         sums += fs_info->csum_size * nr_sectors;
728
729                         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
730                         if (ret) {
731                                 comp_bio->bi_status = ret;
732                                 bio_endio(comp_bio);
733                         }
734
735                         comp_bio = btrfs_bio_alloc(cur_disk_byte);
736                         comp_bio->bi_opf = REQ_OP_READ;
737                         comp_bio->bi_private = cb;
738                         comp_bio->bi_end_io = end_compressed_bio_read;
739
740                         bio_add_page(comp_bio, page, PAGE_SIZE, 0);
741                 }
742                 cur_disk_byte += PAGE_SIZE;
743         }
744
745         ret = btrfs_bio_wq_end_io(fs_info, comp_bio, BTRFS_WQ_ENDIO_DATA);
746         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
747
748         ret = btrfs_lookup_bio_sums(inode, comp_bio, sums);
749         BUG_ON(ret); /* -ENOMEM */
750
751         ret = btrfs_map_bio(fs_info, comp_bio, mirror_num);
752         if (ret) {
753                 comp_bio->bi_status = ret;
754                 bio_endio(comp_bio);
755         }
756
757         return 0;
758
759 fail2:
760         while (faili >= 0) {
761                 __free_page(cb->compressed_pages[faili]);
762                 faili--;
763         }
764
765         kfree(cb->compressed_pages);
766 fail1:
767         kfree(cb);
768 out:
769         free_extent_map(em);
770         return ret;
771 }
772
773 /*
774  * Heuristic uses systematic sampling to collect data from the input data
775  * range, the logic can be tuned by the following constants:
776  *
777  * @SAMPLING_READ_SIZE - how many bytes will be copied from for each sample
778  * @SAMPLING_INTERVAL  - range from which the sampled data can be collected
779  */
780 #define SAMPLING_READ_SIZE      (16)
781 #define SAMPLING_INTERVAL       (256)
782
783 /*
784  * For statistical analysis of the input data we consider bytes that form a
785  * Galois Field of 256 objects. Each object has an attribute count, ie. how
786  * many times the object appeared in the sample.
787  */
788 #define BUCKET_SIZE             (256)
789
790 /*
791  * The size of the sample is based on a statistical sampling rule of thumb.
792  * The common way is to perform sampling tests as long as the number of
793  * elements in each cell is at least 5.
794  *
795  * Instead of 5, we choose 32 to obtain more accurate results.
796  * If the data contain the maximum number of symbols, which is 256, we obtain a
797  * sample size bound by 8192.
798  *
799  * For a sample of at most 8KB of data per data range: 16 consecutive bytes
800  * from up to 512 locations.
801  */
802 #define MAX_SAMPLE_SIZE         (BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED *               \
803                                  SAMPLING_READ_SIZE / SAMPLING_INTERVAL)
804
805 struct bucket_item {
806         u32 count;
807 };
808
809 struct heuristic_ws {
810         /* Partial copy of input data */
811         u8 *sample;
812         u32 sample_size;
813         /* Buckets store counters for each byte value */
814         struct bucket_item *bucket;
815         /* Sorting buffer */
816         struct bucket_item *bucket_b;
817         struct list_head list;
818 };
819
820 static struct workspace_manager heuristic_wsm;
821
822 static void free_heuristic_ws(struct list_head *ws)
823 {
824         struct heuristic_ws *workspace;
825
826         workspace = list_entry(ws, struct heuristic_ws, list);
827
828         kvfree(workspace->sample);
829         kfree(workspace->bucket);
830         kfree(workspace->bucket_b);
831         kfree(workspace);
832 }
833
834 static struct list_head *alloc_heuristic_ws(unsigned int level)
835 {
836         struct heuristic_ws *ws;
837
838         ws = kzalloc(sizeof(*ws), GFP_KERNEL);
839         if (!ws)
840                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
841
842         ws->sample = kvmalloc(MAX_SAMPLE_SIZE, GFP_KERNEL);
843         if (!ws->sample)
844                 goto fail;
845
846         ws->bucket = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket), GFP_KERNEL);
847         if (!ws->bucket)
848                 goto fail;
849
850         ws->bucket_b = kcalloc(BUCKET_SIZE, sizeof(*ws->bucket_b), GFP_KERNEL);
851         if (!ws->bucket_b)
852                 goto fail;
853
854         INIT_LIST_HEAD(&ws->list);
855         return &ws->list;
856 fail:
857         free_heuristic_ws(&ws->list);
858         return ERR_PTR(-ENOMEM);
859 }
860
861 const struct btrfs_compress_op btrfs_heuristic_compress = {
862         .workspace_manager = &heuristic_wsm,
863 };
864
865 static const struct btrfs_compress_op * const btrfs_compress_op[] = {
866         /* The heuristic is represented as compression type 0 */
867         &btrfs_heuristic_compress,
868         &btrfs_zlib_compress,
869         &btrfs_lzo_compress,
870         &btrfs_zstd_compress,
871 };
872
873 static struct list_head *alloc_workspace(int type, unsigned int level)
874 {
875         switch (type) {
876         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return alloc_heuristic_ws(level);
877         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_alloc_workspace(level);
878         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_alloc_workspace(level);
879         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_alloc_workspace(level);
880         default:
881                 /*
882                  * This can't happen, the type is validated several times
883                  * before we get here.
884                  */
885                 BUG();
886         }
887 }
888
889 static void free_workspace(int type, struct list_head *ws)
890 {
891         switch (type) {
892         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return free_heuristic_ws(ws);
893         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_free_workspace(ws);
894         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return lzo_free_workspace(ws);
895         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_free_workspace(ws);
896         default:
897                 /*
898                  * This can't happen, the type is validated several times
899                  * before we get here.
900                  */
901                 BUG();
902         }
903 }
904
905 static void btrfs_init_workspace_manager(int type)
906 {
907         struct workspace_manager *wsm;
908         struct list_head *workspace;
909
910         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
911         INIT_LIST_HEAD(&wsm->idle_ws);
912         spin_lock_init(&wsm->ws_lock);
913         atomic_set(&wsm->total_ws, 0);
914         init_waitqueue_head(&wsm->ws_wait);
915
916         /*
917          * Preallocate one workspace for each compression type so we can
918          * guarantee forward progress in the worst case
919          */
920         workspace = alloc_workspace(type, 0);
921         if (IS_ERR(workspace)) {
922                 pr_warn(
923         "BTRFS: cannot preallocate compression workspace, will try later\n");
924         } else {
925                 atomic_set(&wsm->total_ws, 1);
926                 wsm->free_ws = 1;
927                 list_add(workspace, &wsm->idle_ws);
928         }
929 }
930
931 static void btrfs_cleanup_workspace_manager(int type)
932 {
933         struct workspace_manager *wsman;
934         struct list_head *ws;
935
936         wsman = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
937         while (!list_empty(&wsman->idle_ws)) {
938                 ws = wsman->idle_ws.next;
939                 list_del(ws);
940                 free_workspace(type, ws);
941                 atomic_dec(&wsman->total_ws);
942         }
943 }
944
945 /*
946  * This finds an available workspace or allocates a new one.
947  * If it's not possible to allocate a new one, waits until there's one.
948  * Preallocation makes a forward progress guarantees and we do not return
949  * errors.
950  */
951 struct list_head *btrfs_get_workspace(int type, unsigned int level)
952 {
953         struct workspace_manager *wsm;
954         struct list_head *workspace;
955         int cpus = num_online_cpus();
956         unsigned nofs_flag;
957         struct list_head *idle_ws;
958         spinlock_t *ws_lock;
959         atomic_t *total_ws;
960         wait_queue_head_t *ws_wait;
961         int *free_ws;
962
963         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
964         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
965         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
966         total_ws = &wsm->total_ws;
967         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
968         free_ws  = &wsm->free_ws;
969
970 again:
971         spin_lock(ws_lock);
972         if (!list_empty(idle_ws)) {
973                 workspace = idle_ws->next;
974                 list_del(workspace);
975                 (*free_ws)--;
976                 spin_unlock(ws_lock);
977                 return workspace;
978
979         }
980         if (atomic_read(total_ws) > cpus) {
981                 DEFINE_WAIT(wait);
982
983                 spin_unlock(ws_lock);
984                 prepare_to_wait(ws_wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
985                 if (atomic_read(total_ws) > cpus && !*free_ws)
986                         schedule();
987                 finish_wait(ws_wait, &wait);
988                 goto again;
989         }
990         atomic_inc(total_ws);
991         spin_unlock(ws_lock);
992
993         /*
994          * Allocation helpers call vmalloc that can't use GFP_NOFS, so we have
995          * to turn it off here because we might get called from the restricted
996          * context of btrfs_compress_bio/btrfs_compress_pages
997          */
998         nofs_flag = memalloc_nofs_save();
999         workspace = alloc_workspace(type, level);
1000         memalloc_nofs_restore(nofs_flag);
1001
1002         if (IS_ERR(workspace)) {
1003                 atomic_dec(total_ws);
1004                 wake_up(ws_wait);
1005
1006                 /*
1007                  * Do not return the error but go back to waiting. There's a
1008                  * workspace preallocated for each type and the compression
1009                  * time is bounded so we get to a workspace eventually. This
1010                  * makes our caller's life easier.
1011                  *
1012                  * To prevent silent and low-probability deadlocks (when the
1013                  * initial preallocation fails), check if there are any
1014                  * workspaces at all.
1015                  */
1016                 if (atomic_read(total_ws) == 0) {
1017                         static DEFINE_RATELIMIT_STATE(_rs,
1018                                         /* once per minute */ 60 * HZ,
1019                                         /* no burst */ 1);
1020
1021                         if (__ratelimit(&_rs)) {
1022                                 pr_warn("BTRFS: no compression workspaces, low memory, retrying\n");
1023                         }
1024                 }
1025                 goto again;
1026         }
1027         return workspace;
1028 }
1029
1030 static struct list_head *get_workspace(int type, int level)
1031 {
1032         switch (type) {
1033         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_get_workspace(type, level);
1034         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return zlib_get_workspace(level);
1035         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_get_workspace(type, level);
1036         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_get_workspace(level);
1037         default:
1038                 /*
1039                  * This can't happen, the type is validated several times
1040                  * before we get here.
1041                  */
1042                 BUG();
1043         }
1044 }
1045
1046 /*
1047  * put a workspace struct back on the list or free it if we have enough
1048  * idle ones sitting around
1049  */
1050 void btrfs_put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1051 {
1052         struct workspace_manager *wsm;
1053         struct list_head *idle_ws;
1054         spinlock_t *ws_lock;
1055         atomic_t *total_ws;
1056         wait_queue_head_t *ws_wait;
1057         int *free_ws;
1058
1059         wsm = btrfs_compress_op[type]->workspace_manager;
1060         idle_ws  = &wsm->idle_ws;
1061         ws_lock  = &wsm->ws_lock;
1062         total_ws = &wsm->total_ws;
1063         ws_wait  = &wsm->ws_wait;
1064         free_ws  = &wsm->free_ws;
1065
1066         spin_lock(ws_lock);
1067         if (*free_ws <= num_online_cpus()) {
1068                 list_add(ws, idle_ws);
1069                 (*free_ws)++;
1070                 spin_unlock(ws_lock);
1071                 goto wake;
1072         }
1073         spin_unlock(ws_lock);
1074
1075         free_workspace(type, ws);
1076         atomic_dec(total_ws);
1077 wake:
1078         cond_wake_up(ws_wait);
1079 }
1080
1081 static void put_workspace(int type, struct list_head *ws)
1082 {
1083         switch (type) {
1084         case BTRFS_COMPRESS_NONE: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1085         case BTRFS_COMPRESS_ZLIB: return btrfs_put_workspace(type, ws);
1086         case BTRFS_COMPRESS_LZO:  return btrfs_put_workspace(type, ws);
1087         case BTRFS_COMPRESS_ZSTD: return zstd_put_workspace(ws);
1088         default:
1089                 /*
1090                  * This can't happen, the type is validated several times
1091                  * before we get here.
1092                  */
1093                 BUG();
1094         }
1095 }
1096
1097 /*
1098  * Adjust @level according to the limits of the compression algorithm or
1099  * fallback to default
1100  */
1101 static unsigned int btrfs_compress_set_level(int type, unsigned level)
1102 {
1103         const struct btrfs_compress_op *ops = btrfs_compress_op[type];
1104
1105         if (level == 0)
1106                 level = ops->default_level;
1107         else
1108                 level = min(level, ops->max_level);
1109
1110         return level;
1111 }
1112
1113 /*
1114  * Given an address space and start and length, compress the bytes into @pages
1115  * that are allocated on demand.
1116  *
1117  * @type_level is encoded algorithm and level, where level 0 means whatever
1118  * default the algorithm chooses and is opaque here;
1119  * - compression algo are 0-3
1120  * - the level are bits 4-7
1121  *
1122  * @out_pages is an in/out parameter, holds maximum number of pages to allocate
1123  * and returns number of actually allocated pages
1124  *
1125  * @total_in is used to return the number of bytes actually read.  It
1126  * may be smaller than the input length if we had to exit early because we
1127  * ran out of room in the pages array or because we cross the
1128  * max_out threshold.
1129  *
1130  * @total_out is an in/out parameter, must be set to the input length and will
1131  * be also used to return the total number of compressed bytes
1132  *
1133  * @max_out tells us the max number of bytes that we're allowed to
1134  * stuff into pages
1135  */
1136 int btrfs_compress_pages(unsigned int type_level, struct address_space *mapping,
1137                          u64 start, struct page **pages,
1138                          unsigned long *out_pages,
1139                          unsigned long *total_in,
1140                          unsigned long *total_out)
1141 {
1142         int type = btrfs_compress_type(type_level);
1143         int level = btrfs_compress_level(type_level);
1144         struct list_head *workspace;
1145         int ret;
1146
1147         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1148         workspace = get_workspace(type, level);
1149         ret = compression_compress_pages(type, workspace, mapping, start, pages,
1150                                          out_pages, total_in, total_out);
1151         put_workspace(type, workspace);
1152         return ret;
1153 }
1154
1155 /*
1156  * pages_in is an array of pages with compressed data.
1157  *
1158  * disk_start is the starting logical offset of this array in the file
1159  *
1160  * orig_bio contains the pages from the file that we want to decompress into
1161  *
1162  * srclen is the number of bytes in pages_in
1163  *
1164  * The basic idea is that we have a bio that was created by readpages.
1165  * The pages in the bio are for the uncompressed data, and they may not
1166  * be contiguous.  They all correspond to the range of bytes covered by
1167  * the compressed extent.
1168  */
1169 static int btrfs_decompress_bio(struct compressed_bio *cb)
1170 {
1171         struct list_head *workspace;
1172         int ret;
1173         int type = cb->compress_type;
1174
1175         workspace = get_workspace(type, 0);
1176         ret = compression_decompress_bio(type, workspace, cb);
1177         put_workspace(type, workspace);
1178
1179         return ret;
1180 }
1181
1182 /*
1183  * a less complex decompression routine.  Our compressed data fits in a
1184  * single page, and we want to read a single page out of it.
1185  * start_byte tells us the offset into the compressed data we're interested in
1186  */
1187 int btrfs_decompress(int type, unsigned char *data_in, struct page *dest_page,
1188                      unsigned long start_byte, size_t srclen, size_t destlen)
1189 {
1190         struct list_head *workspace;
1191         int ret;
1192
1193         workspace = get_workspace(type, 0);
1194         ret = compression_decompress(type, workspace, data_in, dest_page,
1195                                      start_byte, srclen, destlen);
1196         put_workspace(type, workspace);
1197
1198         return ret;
1199 }
1200
1201 void __init btrfs_init_compress(void)
1202 {
1203         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1204         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1205         btrfs_init_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1206         zstd_init_workspace_manager();
1207 }
1208
1209 void __cold btrfs_exit_compress(void)
1210 {
1211         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_NONE);
1212         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_ZLIB);
1213         btrfs_cleanup_workspace_manager(BTRFS_COMPRESS_LZO);
1214         zstd_cleanup_workspace_manager();
1215 }
1216
1217 /*
1218  * Copy uncompressed data from working buffer to pages.
1219  *
1220  * buf_start is the byte offset we're of the start of our workspace buffer.
1221  *
1222  * total_out is the last byte of the buffer
1223  */
1224 int btrfs_decompress_buf2page(const char *buf, unsigned long buf_start,
1225                               unsigned long total_out, u64 disk_start,
1226                               struct bio *bio)
1227 {
1228         unsigned long buf_offset;
1229         unsigned long current_buf_start;
1230         unsigned long start_byte;
1231         unsigned long prev_start_byte;
1232         unsigned long working_bytes = total_out - buf_start;
1233         unsigned long bytes;
1234         char *kaddr;
1235         struct bio_vec bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1236
1237         /*
1238          * start byte is the first byte of the page we're currently
1239          * copying into relative to the start of the compressed data.
1240          */
1241         start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1242
1243         /* we haven't yet hit data corresponding to this page */
1244         if (total_out <= start_byte)
1245                 return 1;
1246
1247         /*
1248          * the start of the data we care about is offset into
1249          * the middle of our working buffer
1250          */
1251         if (total_out > start_byte && buf_start < start_byte) {
1252                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1253                 working_bytes -= buf_offset;
1254         } else {
1255                 buf_offset = 0;
1256         }
1257         current_buf_start = buf_start;
1258
1259         /* copy bytes from the working buffer into the pages */
1260         while (working_bytes > 0) {
1261                 bytes = min_t(unsigned long, bvec.bv_len,
1262                                 PAGE_SIZE - (buf_offset % PAGE_SIZE));
1263                 bytes = min(bytes, working_bytes);
1264
1265                 kaddr = kmap_atomic(bvec.bv_page);
1266                 memcpy(kaddr + bvec.bv_offset, buf + buf_offset, bytes);
1267                 kunmap_atomic(kaddr);
1268                 flush_dcache_page(bvec.bv_page);
1269
1270                 buf_offset += bytes;
1271                 working_bytes -= bytes;
1272                 current_buf_start += bytes;
1273
1274                 /* check if we need to pick another page */
1275                 bio_advance(bio, bytes);
1276                 if (!bio->bi_iter.bi_size)
1277                         return 0;
1278                 bvec = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
1279                 prev_start_byte = start_byte;
1280                 start_byte = page_offset(bvec.bv_page) - disk_start;
1281
1282                 /*
1283                  * We need to make sure we're only adjusting
1284                  * our offset into compression working buffer when
1285                  * we're switching pages.  Otherwise we can incorrectly
1286                  * keep copying when we were actually done.
1287                  */
1288                 if (start_byte != prev_start_byte) {
1289                         /*
1290                          * make sure our new page is covered by this
1291                          * working buffer
1292                          */
1293                         if (total_out <= start_byte)
1294                                 return 1;
1295
1296                         /*
1297                          * the next page in the biovec might not be adjacent
1298                          * to the last page, but it might still be found
1299                          * inside this working buffer. bump our offset pointer
1300                          */
1301                         if (total_out > start_byte &&
1302                             current_buf_start < start_byte) {
1303                                 buf_offset = start_byte - buf_start;
1304                                 working_bytes = total_out - start_byte;
1305                                 current_buf_start = buf_start + buf_offset;
1306                         }
1307                 }
1308         }
1309
1310         return 1;
1311 }
1312
1313 /*
1314  * Shannon Entropy calculation
1315  *
1316  * Pure byte distribution analysis fails to determine compressibility of data.
1317  * Try calculating entropy to estimate the average minimum number of bits
1318  * needed to encode the sampled data.
1319  *
1320  * For convenience, return the percentage of needed bits, instead of amount of
1321  * bits directly.
1322  *
1323  * @ENTROPY_LVL_ACEPTABLE - below that threshold, sample has low byte entropy
1324  *                          and can be compressible with high probability
1325  *
1326  * @ENTROPY_LVL_HIGH - data are not compressible with high probability
1327  *
1328  * Use of ilog2() decreases precision, we lower the LVL to 5 to compensate.
1329  */
1330 #define ENTROPY_LVL_ACEPTABLE           (65)
1331 #define ENTROPY_LVL_HIGH                (80)
1332
1333 /*
1334  * For increasead precision in shannon_entropy calculation,
1335  * let's do pow(n, M) to save more digits after comma:
1336  *
1337  * - maximum int bit length is 64
1338  * - ilog2(MAX_SAMPLE_SIZE)     -> 13
1339  * - 13 * 4 = 52 < 64           -> M = 4
1340  *
1341  * So use pow(n, 4).
1342  */
1343 static inline u32 ilog2_w(u64 n)
1344 {
1345         return ilog2(n * n * n * n);
1346 }
1347
1348 static u32 shannon_entropy(struct heuristic_ws *ws)
1349 {
1350         const u32 entropy_max = 8 * ilog2_w(2);
1351         u32 entropy_sum = 0;
1352         u32 p, p_base, sz_base;
1353         u32 i;
1354
1355         sz_base = ilog2_w(ws->sample_size);
1356         for (i = 0; i < BUCKET_SIZE && ws->bucket[i].count > 0; i++) {
1357                 p = ws->bucket[i].count;
1358                 p_base = ilog2_w(p);
1359                 entropy_sum += p * (sz_base - p_base);
1360         }
1361
1362         entropy_sum /= ws->sample_size;
1363         return entropy_sum * 100 / entropy_max;
1364 }
1365
1366 #define RADIX_BASE              4U
1367 #define COUNTERS_SIZE           (1U << RADIX_BASE)
1368
1369 static u8 get4bits(u64 num, int shift) {
1370         u8 low4bits;
1371
1372         num >>= shift;
1373         /* Reverse order */
1374         low4bits = (COUNTERS_SIZE - 1) - (num % COUNTERS_SIZE);
1375         return low4bits;
1376 }
1377
1378 /*
1379  * Use 4 bits as radix base
1380  * Use 16 u32 counters for calculating new position in buf array
1381  *
1382  * @array     - array that will be sorted
1383  * @array_buf - buffer array to store sorting results
1384  *              must be equal in size to @array
1385  * @num       - array size
1386  */
1387 static void radix_sort(struct bucket_item *array, struct bucket_item *array_buf,
1388                        int num)
1389 {
1390         u64 max_num;
1391         u64 buf_num;
1392         u32 counters[COUNTERS_SIZE];
1393         u32 new_addr;
1394         u32 addr;
1395         int bitlen;
1396         int shift;
1397         int i;
1398
1399         /*
1400          * Try avoid useless loop iterations for small numbers stored in big
1401          * counters.  Example: 48 33 4 ... in 64bit array
1402          */
1403         max_num = array[0].count;
1404         for (i = 1; i < num; i++) {
1405                 buf_num = array[i].count;
1406                 if (buf_num > max_num)
1407                         max_num = buf_num;
1408         }
1409
1410         buf_num = ilog2(max_num);
1411         bitlen = ALIGN(buf_num, RADIX_BASE * 2);
1412
1413         shift = 0;
1414         while (shift < bitlen) {
1415                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1416
1417                 for (i = 0; i < num; i++) {
1418                         buf_num = array[i].count;
1419                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1420                         counters[addr]++;
1421                 }
1422
1423                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1424                         counters[i] += counters[i - 1];
1425
1426                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1427                         buf_num = array[i].count;
1428                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1429                         counters[addr]--;
1430                         new_addr = counters[addr];
1431                         array_buf[new_addr] = array[i];
1432                 }
1433
1434                 shift += RADIX_BASE;
1435
1436                 /*
1437                  * Normal radix expects to move data from a temporary array, to
1438                  * the main one.  But that requires some CPU time. Avoid that
1439                  * by doing another sort iteration to original array instead of
1440                  * memcpy()
1441                  */
1442                 memset(counters, 0, sizeof(counters));
1443
1444                 for (i = 0; i < num; i ++) {
1445                         buf_num = array_buf[i].count;
1446                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1447                         counters[addr]++;
1448                 }
1449
1450                 for (i = 1; i < COUNTERS_SIZE; i++)
1451                         counters[i] += counters[i - 1];
1452
1453                 for (i = num - 1; i >= 0; i--) {
1454                         buf_num = array_buf[i].count;
1455                         addr = get4bits(buf_num, shift);
1456                         counters[addr]--;
1457                         new_addr = counters[addr];
1458                         array[new_addr] = array_buf[i];
1459                 }
1460
1461                 shift += RADIX_BASE;
1462         }
1463 }
1464
1465 /*
1466  * Size of the core byte set - how many bytes cover 90% of the sample
1467  *
1468  * There are several types of structured binary data that use nearly all byte
1469  * values. The distribution can be uniform and counts in all buckets will be
1470  * nearly the same (eg. encrypted data). Unlikely to be compressible.
1471  *
1472  * Other possibility is normal (Gaussian) distribution, where the data could
1473  * be potentially compressible, but we have to take a few more steps to decide
1474  * how much.
1475  *
1476  * @BYTE_CORE_SET_LOW  - main part of byte values repeated frequently,
1477  *                       compression algo can easy fix that
1478  * @BYTE_CORE_SET_HIGH - data have uniform distribution and with high
1479  *                       probability is not compressible
1480  */
1481 #define BYTE_CORE_SET_LOW               (64)
1482 #define BYTE_CORE_SET_HIGH              (200)
1483
1484 static int byte_core_set_size(struct heuristic_ws *ws)
1485 {
1486         u32 i;
1487         u32 coreset_sum = 0;
1488         const u32 core_set_threshold = ws->sample_size * 90 / 100;
1489         struct bucket_item *bucket = ws->bucket;
1490
1491         /* Sort in reverse order */
1492         radix_sort(ws->bucket, ws->bucket_b, BUCKET_SIZE);
1493
1494         for (i = 0; i < BYTE_CORE_SET_LOW; i++)
1495                 coreset_sum += bucket[i].count;
1496
1497         if (coreset_sum > core_set_threshold)
1498                 return i;
1499
1500         for (; i < BYTE_CORE_SET_HIGH && bucket[i].count > 0; i++) {
1501                 coreset_sum += bucket[i].count;
1502                 if (coreset_sum > core_set_threshold)
1503                         break;
1504         }
1505
1506         return i;
1507 }
1508
1509 /*
1510  * Count byte values in buckets.
1511  * This heuristic can detect textual data (configs, xml, json, html, etc).
1512  * Because in most text-like data byte set is restricted to limited number of
1513  * possible characters, and that restriction in most cases makes data easy to
1514  * compress.
1515  *
1516  * @BYTE_SET_THRESHOLD - consider all data within this byte set size:
1517  *      less - compressible
1518  *      more - need additional analysis
1519  */
1520 #define BYTE_SET_THRESHOLD              (64)
1521
1522 static u32 byte_set_size(const struct heuristic_ws *ws)
1523 {
1524         u32 i;
1525         u32 byte_set_size = 0;
1526
1527         for (i = 0; i < BYTE_SET_THRESHOLD; i++) {
1528                 if (ws->bucket[i].count > 0)
1529                         byte_set_size++;
1530         }
1531
1532         /*
1533          * Continue collecting count of byte values in buckets.  If the byte
1534          * set size is bigger then the threshold, it's pointless to continue,
1535          * the detection technique would fail for this type of data.
1536          */
1537         for (; i < BUCKET_SIZE; i++) {
1538                 if (ws->bucket[i].count > 0) {
1539                         byte_set_size++;
1540                         if (byte_set_size > BYTE_SET_THRESHOLD)
1541                                 return byte_set_size;
1542                 }
1543         }
1544
1545         return byte_set_size;
1546 }
1547
1548 static bool sample_repeated_patterns(struct heuristic_ws *ws)
1549 {
1550         const u32 half_of_sample = ws->sample_size / 2;
1551         const u8 *data = ws->sample;
1552
1553         return memcmp(&data[0], &data[half_of_sample], half_of_sample) == 0;
1554 }
1555
1556 static void heuristic_collect_sample(struct inode *inode, u64 start, u64 end,
1557                                      struct heuristic_ws *ws)
1558 {
1559         struct page *page;
1560         u64 index, index_end;
1561         u32 i, curr_sample_pos;
1562         u8 *in_data;
1563
1564         /*
1565          * Compression handles the input data by chunks of 128KiB
1566          * (defined by BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1567          *
1568          * We do the same for the heuristic and loop over the whole range.
1569          *
1570          * MAX_SAMPLE_SIZE - calculated under assumption that heuristic will
1571          * process no more than BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED at a time.
1572          */
1573         if (end - start > BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED)
1574                 end = start + BTRFS_MAX_UNCOMPRESSED;
1575
1576         index = start >> PAGE_SHIFT;
1577         index_end = end >> PAGE_SHIFT;
1578
1579         /* Don't miss unaligned end */
1580         if (!IS_ALIGNED(end, PAGE_SIZE))
1581                 index_end++;
1582
1583         curr_sample_pos = 0;
1584         while (index < index_end) {
1585                 page = find_get_page(inode->i_mapping, index);
1586                 in_data = kmap(page);
1587                 /* Handle case where the start is not aligned to PAGE_SIZE */
1588                 i = start % PAGE_SIZE;
1589                 while (i < PAGE_SIZE - SAMPLING_READ_SIZE) {
1590                         /* Don't sample any garbage from the last page */
1591                         if (start > end - SAMPLING_READ_SIZE)
1592                                 break;
1593                         memcpy(&ws->sample[curr_sample_pos], &in_data[i],
1594                                         SAMPLING_READ_SIZE);
1595                         i += SAMPLING_INTERVAL;
1596                         start += SAMPLING_INTERVAL;
1597                         curr_sample_pos += SAMPLING_READ_SIZE;
1598                 }
1599                 kunmap(page);
1600                 put_page(page);
1601
1602                 index++;
1603         }
1604
1605         ws->sample_size = curr_sample_pos;
1606 }
1607
1608 /*
1609  * Compression heuristic.
1610  *
1611  * For now is's a naive and optimistic 'return true', we'll extend the logic to
1612  * quickly (compared to direct compression) detect data characteristics
1613  * (compressible/uncompressible) to avoid wasting CPU time on uncompressible
1614  * data.
1615  *
1616  * The following types of analysis can be performed:
1617  * - detect mostly zero data
1618  * - detect data with low "byte set" size (text, etc)
1619  * - detect data with low/high "core byte" set
1620  *
1621  * Return non-zero if the compression should be done, 0 otherwise.
1622  */
1623 int btrfs_compress_heuristic(struct inode *inode, u64 start, u64 end)
1624 {
1625         struct list_head *ws_list = get_workspace(0, 0);
1626         struct heuristic_ws *ws;
1627         u32 i;
1628         u8 byte;
1629         int ret = 0;
1630
1631         ws = list_entry(ws_list, struct heuristic_ws, list);
1632
1633         heuristic_collect_sample(inode, start, end, ws);
1634
1635         if (sample_repeated_patterns(ws)) {
1636                 ret = 1;
1637                 goto out;
1638         }
1639
1640         memset(ws->bucket, 0, sizeof(*ws->bucket)*BUCKET_SIZE);
1641
1642         for (i = 0; i < ws->sample_size; i++) {
1643                 byte = ws->sample[i];
1644                 ws->bucket[byte].count++;
1645         }
1646
1647         i = byte_set_size(ws);
1648         if (i < BYTE_SET_THRESHOLD) {
1649                 ret = 2;
1650                 goto out;
1651         }
1652
1653         i = byte_core_set_size(ws);
1654         if (i <= BYTE_CORE_SET_LOW) {
1655                 ret = 3;
1656                 goto out;
1657         }
1658
1659         if (i >= BYTE_CORE_SET_HIGH) {
1660                 ret = 0;
1661                 goto out;
1662         }
1663
1664         i = shannon_entropy(ws);
1665         if (i <= ENTROPY_LVL_ACEPTABLE) {
1666                 ret = 4;
1667                 goto out;
1668         }
1669
1670         /*
1671          * For the levels below ENTROPY_LVL_HIGH, additional analysis would be
1672          * needed to give green light to compression.
1673          *
1674          * For now just assume that compression at that level is not worth the
1675          * resources because:
1676          *
1677          * 1. it is possible to defrag the data later
1678          *
1679          * 2. the data would turn out to be hardly compressible, eg. 150 byte
1680          * values, every bucket has counter at level ~54. The heuristic would
1681          * be confused. This can happen when data have some internal repeated
1682          * patterns like "abbacbbc...". This can be detected by analyzing
1683          * pairs of bytes, which is too costly.
1684          */
1685         if (i < ENTROPY_LVL_HIGH) {
1686                 ret = 5;
1687                 goto out;
1688         } else {
1689                 ret = 0;
1690                 goto out;
1691         }
1692
1693 out:
1694         put_workspace(0, ws_list);
1695         return ret;
1696 }
1697
1698 /*
1699  * Convert the compression suffix (eg. after "zlib" starting with ":") to
1700  * level, unrecognized string will set the default level
1701  */
1702 unsigned int btrfs_compress_str2level(unsigned int type, const char *str)
1703 {
1704         unsigned int level = 0;
1705         int ret;
1706
1707         if (!type)
1708                 return 0;
1709
1710         if (str[0] == ':') {
1711                 ret = kstrtouint(str + 1, 10, &level);
1712                 if (ret)
1713                         level = 0;
1714         }
1715
1716         level = btrfs_compress_set_level(type, level);
1717
1718         return level;
1719 }