]> git.sesse.net Git - bcachefs-tools-debian/blob - libbcache/bset.h
bcache in userspace; userspace fsck
[bcachefs-tools-debian] / libbcache / bset.h
1 #ifndef _BCACHE_BSET_H
2 #define _BCACHE_BSET_H
3
4 #include <linux/bcache.h>
5 #include <linux/kernel.h>
6 #include <linux/types.h>
7
8 #include "bkey.h"
9 #include "bkey_methods.h"
10 #include "btree_types.h"
11 #include "util.h" /* for time_stats */
12
13 /*
14  * BKEYS:
15  *
16  * A bkey contains a key, a size field, a variable number of pointers, and some
17  * ancillary flag bits.
18  *
19  * We use two different functions for validating bkeys, bkey_invalid and
20  * bkey_deleted().
21  *
22  * The one exception to the rule that ptr_invalid() filters out invalid keys is
23  * that it also filters out keys of size 0 - these are keys that have been
24  * completely overwritten. It'd be safe to delete these in memory while leaving
25  * them on disk, just unnecessary work - so we filter them out when resorting
26  * instead.
27  *
28  * We can't filter out stale keys when we're resorting, because garbage
29  * collection needs to find them to ensure bucket gens don't wrap around -
30  * unless we're rewriting the btree node those stale keys still exist on disk.
31  *
32  * We also implement functions here for removing some number of sectors from the
33  * front or the back of a bkey - this is mainly used for fixing overlapping
34  * extents, by removing the overlapping sectors from the older key.
35  *
36  * BSETS:
37  *
38  * A bset is an array of bkeys laid out contiguously in memory in sorted order,
39  * along with a header. A btree node is made up of a number of these, written at
40  * different times.
41  *
42  * There could be many of them on disk, but we never allow there to be more than
43  * 4 in memory - we lazily resort as needed.
44  *
45  * We implement code here for creating and maintaining auxiliary search trees
46  * (described below) for searching an individial bset, and on top of that we
47  * implement a btree iterator.
48  *
49  * BTREE ITERATOR:
50  *
51  * Most of the code in bcache doesn't care about an individual bset - it needs
52  * to search entire btree nodes and iterate over them in sorted order.
53  *
54  * The btree iterator code serves both functions; it iterates through the keys
55  * in a btree node in sorted order, starting from either keys after a specific
56  * point (if you pass it a search key) or the start of the btree node.
57  *
58  * AUXILIARY SEARCH TREES:
59  *
60  * Since keys are variable length, we can't use a binary search on a bset - we
61  * wouldn't be able to find the start of the next key. But binary searches are
62  * slow anyways, due to terrible cache behaviour; bcache originally used binary
63  * searches and that code topped out at under 50k lookups/second.
64  *
65  * So we need to construct some sort of lookup table. Since we only insert keys
66  * into the last (unwritten) set, most of the keys within a given btree node are
67  * usually in sets that are mostly constant. We use two different types of
68  * lookup tables to take advantage of this.
69  *
70  * Both lookup tables share in common that they don't index every key in the
71  * set; they index one key every BSET_CACHELINE bytes, and then a linear search
72  * is used for the rest.
73  *
74  * For sets that have been written to disk and are no longer being inserted
75  * into, we construct a binary search tree in an array - traversing a binary
76  * search tree in an array gives excellent locality of reference and is very
77  * fast, since both children of any node are adjacent to each other in memory
78  * (and their grandchildren, and great grandchildren...) - this means
79  * prefetching can be used to great effect.
80  *
81  * It's quite useful performance wise to keep these nodes small - not just
82  * because they're more likely to be in L2, but also because we can prefetch
83  * more nodes on a single cacheline and thus prefetch more iterations in advance
84  * when traversing this tree.
85  *
86  * Nodes in the auxiliary search tree must contain both a key to compare against
87  * (we don't want to fetch the key from the set, that would defeat the purpose),
88  * and a pointer to the key. We use a few tricks to compress both of these.
89  *
90  * To compress the pointer, we take advantage of the fact that one node in the
91  * search tree corresponds to precisely BSET_CACHELINE bytes in the set. We have
92  * a function (to_inorder()) that takes the index of a node in a binary tree and
93  * returns what its index would be in an inorder traversal, so we only have to
94  * store the low bits of the offset.
95  *
96  * The key is 84 bits (KEY_DEV + key->key, the offset on the device). To
97  * compress that,  we take advantage of the fact that when we're traversing the
98  * search tree at every iteration we know that both our search key and the key
99  * we're looking for lie within some range - bounded by our previous
100  * comparisons. (We special case the start of a search so that this is true even
101  * at the root of the tree).
102  *
103  * So we know the key we're looking for is between a and b, and a and b don't
104  * differ higher than bit 50, we don't need to check anything higher than bit
105  * 50.
106  *
107  * We don't usually need the rest of the bits, either; we only need enough bits
108  * to partition the key range we're currently checking.  Consider key n - the
109  * key our auxiliary search tree node corresponds to, and key p, the key
110  * immediately preceding n.  The lowest bit we need to store in the auxiliary
111  * search tree is the highest bit that differs between n and p.
112  *
113  * Note that this could be bit 0 - we might sometimes need all 80 bits to do the
114  * comparison. But we'd really like our nodes in the auxiliary search tree to be
115  * of fixed size.
116  *
117  * The solution is to make them fixed size, and when we're constructing a node
118  * check if p and n differed in the bits we needed them to. If they don't we
119  * flag that node, and when doing lookups we fallback to comparing against the
120  * real key. As long as this doesn't happen to often (and it seems to reliably
121  * happen a bit less than 1% of the time), we win - even on failures, that key
122  * is then more likely to be in cache than if we were doing binary searches all
123  * the way, since we're touching so much less memory.
124  *
125  * The keys in the auxiliary search tree are stored in (software) floating
126  * point, with an exponent and a mantissa. The exponent needs to be big enough
127  * to address all the bits in the original key, but the number of bits in the
128  * mantissa is somewhat arbitrary; more bits just gets us fewer failures.
129  *
130  * We need 7 bits for the exponent and 3 bits for the key's offset (since keys
131  * are 8 byte aligned); using 22 bits for the mantissa means a node is 4 bytes.
132  * We need one node per 128 bytes in the btree node, which means the auxiliary
133  * search trees take up 3% as much memory as the btree itself.
134  *
135  * Constructing these auxiliary search trees is moderately expensive, and we
136  * don't want to be constantly rebuilding the search tree for the last set
137  * whenever we insert another key into it. For the unwritten set, we use a much
138  * simpler lookup table - it's just a flat array, so index i in the lookup table
139  * corresponds to the i range of BSET_CACHELINE bytes in the set. Indexing
140  * within each byte range works the same as with the auxiliary search trees.
141  *
142  * These are much easier to keep up to date when we insert a key - we do it
143  * somewhat lazily; when we shift a key up we usually just increment the pointer
144  * to it, only when it would overflow do we go to the trouble of finding the
145  * first key in that range of bytes again.
146  */
147
148 struct btree_node_iter;
149 struct btree_node_iter_set;
150
151 enum bset_aux_tree_type {
152         BSET_NO_AUX_TREE,
153         BSET_RO_AUX_TREE,
154         BSET_RW_AUX_TREE,
155 };
156
157 #define BSET_TREE_NR_TYPES      3
158
159 #define BSET_NO_AUX_TREE_VAL    (U16_MAX)
160 #define BSET_RW_AUX_TREE_VAL    (U16_MAX - 1)
161
162 static inline enum bset_aux_tree_type bset_aux_tree_type(const struct bset_tree *t)
163 {
164         switch (t->extra) {
165         case BSET_NO_AUX_TREE_VAL:
166                 EBUG_ON(t->size);
167                 return BSET_NO_AUX_TREE;
168         case BSET_RW_AUX_TREE_VAL:
169                 EBUG_ON(!t->size);
170                 return BSET_RW_AUX_TREE;
171         default:
172                 EBUG_ON(!t->size);
173                 return BSET_RO_AUX_TREE;
174         }
175 }
176
177 typedef void (*compiled_unpack_fn)(struct bkey *, const struct bkey_packed *);
178
179 static inline struct bkey
180 bkey_unpack_key_format_checked(const struct btree *b,
181                                const struct bkey_packed *src)
182 {
183         struct bkey dst;
184
185 #ifdef HAVE_BCACHE_COMPILED_UNPACK
186         {
187                 compiled_unpack_fn unpack_fn = b->aux_data;
188                 unpack_fn(&dst, src);
189
190                 if (IS_ENABLED(CONFIG_BCACHE_DEBUG)) {
191                         struct bkey dst2 = __bkey_unpack_key(&b->format, src);
192
193                         BUG_ON(memcmp(&dst, &dst2, sizeof(dst)));
194                 }
195         }
196 #else
197         dst = __bkey_unpack_key(&b->format, src);
198 #endif
199         return dst;
200 }
201
202 /**
203  * bkey_unpack_key -- unpack just the key, not the value
204  */
205 static inline struct bkey bkey_unpack_key(const struct btree *b,
206                                           const struct bkey_packed *src)
207 {
208         return likely(bkey_packed(src))
209                 ? bkey_unpack_key_format_checked(b, src)
210                 : *packed_to_bkey_c(src);
211 }
212
213 static inline struct bpos
214 bkey_unpack_pos_format_checked(const struct btree *b,
215                                const struct bkey_packed *src)
216 {
217 #ifdef HAVE_BCACHE_COMPILED_UNPACK
218         return bkey_unpack_key_format_checked(b, src).p;
219 #else
220         return __bkey_unpack_pos(&b->format, src);
221 #endif
222 }
223
224 static inline struct bpos bkey_unpack_pos(const struct btree *b,
225                                           const struct bkey_packed *src)
226 {
227         return likely(bkey_packed(src))
228                 ? bkey_unpack_pos_format_checked(b, src)
229                 : packed_to_bkey_c(src)->p;
230 }
231
232 /* Disassembled bkeys */
233
234 static inline struct bkey_s_c bkey_disassemble(struct btree *b,
235                                                const struct bkey_packed *k,
236                                                struct bkey *u)
237 {
238         *u = bkey_unpack_key(b, k);
239
240         return (struct bkey_s_c) { u, bkeyp_val(&b->format, k), };
241 }
242
243 /* non const version: */
244 static inline struct bkey_s __bkey_disassemble(struct btree *b,
245                                                struct bkey_packed *k,
246                                                struct bkey *u)
247 {
248         *u = bkey_unpack_key(b, k);
249
250         return (struct bkey_s) { .k = u, .v = bkeyp_val(&b->format, k), };
251 }
252
253 #define for_each_bset(_b, _t)                                   \
254         for (_t = (_b)->set; _t < (_b)->set + (_b)->nsets; _t++)
255
256 extern bool bch_expensive_debug_checks;
257
258 static inline bool btree_keys_expensive_checks(struct btree *b)
259 {
260 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
261         return bch_expensive_debug_checks || *b->expensive_debug_checks;
262 #else
263         return false;
264 #endif
265 }
266
267 static inline bool bset_has_ro_aux_tree(struct bset_tree *t)
268 {
269         return bset_aux_tree_type(t) == BSET_RO_AUX_TREE;
270 }
271
272 static inline bool bset_has_rw_aux_tree(struct bset_tree *t)
273 {
274         return bset_aux_tree_type(t) == BSET_RW_AUX_TREE;
275 }
276
277 static inline void bch_bset_set_no_aux_tree(struct btree *b,
278                                             struct bset_tree *t)
279 {
280         BUG_ON(t < b->set);
281
282         for (; t < b->set + ARRAY_SIZE(b->set); t++) {
283                 t->size = 0;
284                 t->extra = BSET_NO_AUX_TREE_VAL;
285                 t->aux_data_offset = U16_MAX;
286         }
287 }
288
289 static inline void btree_node_set_format(struct btree *b,
290                                          struct bkey_format f)
291 {
292         int len;
293
294         b->format       = f;
295         b->nr_key_bits  = bkey_format_key_bits(&f);
296
297         len = bch_compile_bkey_format(&b->format, b->aux_data);
298         BUG_ON(len < 0 || len > U8_MAX);
299
300         b->unpack_fn_len = len;
301
302         bch_bset_set_no_aux_tree(b, b->set);
303 }
304
305 #define __set_bytes(_i, _u64s)  (sizeof(*(_i)) + (_u64s) * sizeof(u64))
306 #define set_bytes(_i)           __set_bytes(_i, (_i)->u64s)
307
308 #define __set_blocks(_i, _u64s, _block_bytes)                           \
309         DIV_ROUND_UP((size_t) __set_bytes((_i), (_u64s)), (_block_bytes))
310
311 #define set_blocks(_i, _block_bytes)                                    \
312         __set_blocks((_i), (_i)->u64s, (_block_bytes))
313
314 static inline struct bset *bset_next_set(struct btree *b,
315                                          unsigned block_bytes)
316 {
317         struct bset *i = btree_bset_last(b);
318
319         EBUG_ON(!is_power_of_2(block_bytes));
320
321         return ((void *) i) + round_up(set_bytes(i), block_bytes);
322 }
323
324 void bch_btree_keys_free(struct btree *);
325 int bch_btree_keys_alloc(struct btree *, unsigned, gfp_t);
326 void bch_btree_keys_init(struct btree *, bool *);
327
328 void bch_bset_init_first(struct btree *, struct bset *);
329 void bch_bset_init_next(struct btree *, struct bset *);
330 void bch_bset_build_aux_tree(struct btree *, struct bset_tree *, bool);
331 void bch_bset_fix_invalidated_key(struct btree *, struct bset_tree *,
332                                   struct bkey_packed *);
333
334 void bch_bset_insert(struct btree *, struct btree_node_iter *,
335                      struct bkey_packed *, struct bkey_i *, unsigned);
336 void bch_bset_delete(struct btree *, struct bkey_packed *, unsigned);
337
338 /* Bkey utility code */
339
340 /* packed or unpacked */
341 static inline int bkey_cmp_p_or_unp(const struct btree *b,
342                                     const struct bkey_packed *l,
343                                     const struct bkey_packed *r_packed,
344                                     struct bpos *r)
345 {
346         EBUG_ON(r_packed && !bkey_packed(r_packed));
347
348         if (unlikely(!bkey_packed(l)))
349                 return bkey_cmp(packed_to_bkey_c(l)->p, *r);
350
351         if (likely(r_packed))
352                 return __bkey_cmp_packed_format_checked(l, r_packed, b);
353
354         return __bkey_cmp_left_packed_format_checked(b, l, r);
355 }
356
357 /* Returns true if @k is after iterator position @pos */
358 static inline bool btree_iter_pos_cmp(struct bpos pos, const struct bkey *k,
359                                       bool strictly_greater)
360 {
361         int cmp = bkey_cmp(k->p, pos);
362
363         return cmp > 0 ||
364                 (cmp == 0 && !strictly_greater && !bkey_deleted(k));
365 }
366
367 static inline bool btree_iter_pos_cmp_packed(const struct btree *b,
368                                              struct bpos *pos,
369                                              const struct bkey_packed *k,
370                                              bool strictly_greater)
371 {
372         int cmp = bkey_cmp_left_packed(b, k, pos);
373
374         return cmp > 0 ||
375                 (cmp == 0 && !strictly_greater && !bkey_deleted(k));
376 }
377
378 static inline bool btree_iter_pos_cmp_p_or_unp(const struct btree *b,
379                                         struct bpos pos,
380                                         const struct bkey_packed *pos_packed,
381                                         const struct bkey_packed *k,
382                                         bool strictly_greater)
383 {
384         int cmp = bkey_cmp_p_or_unp(b, k, pos_packed, &pos);
385
386         return cmp > 0 ||
387                 (cmp == 0 && !strictly_greater && !bkey_deleted(k));
388 }
389
390 static inline struct bkey_packed *bset_bkey_idx(struct bset *i, unsigned idx)
391 {
392         return bkey_idx(i, idx);
393 }
394
395 struct bset_tree *bch_bkey_to_bset(struct btree *, struct bkey_packed *);
396 struct bkey_packed *bkey_prev_all(struct btree *, struct bset_tree *,
397                                   struct bkey_packed *);
398 struct bkey_packed *bkey_prev(struct btree *, struct bset_tree *,
399                               struct bkey_packed *);
400
401 enum bch_extent_overlap {
402         BCH_EXTENT_OVERLAP_ALL          = 0,
403         BCH_EXTENT_OVERLAP_BACK         = 1,
404         BCH_EXTENT_OVERLAP_FRONT        = 2,
405         BCH_EXTENT_OVERLAP_MIDDLE       = 3,
406 };
407
408 /* Returns how k overlaps with m */
409 static inline enum bch_extent_overlap bch_extent_overlap(const struct bkey *k,
410                                                          const struct bkey *m)
411 {
412         int cmp1 = bkey_cmp(k->p, m->p) < 0;
413         int cmp2 = bkey_cmp(bkey_start_pos(k),
414                             bkey_start_pos(m)) > 0;
415
416         return (cmp1 << 1) + cmp2;
417 }
418
419 /* Btree key iteration */
420
421 struct btree_node_iter {
422         u8              is_extents;
423         u16             used;
424
425         struct btree_node_iter_set {
426                 u16     k, end;
427         } data[MAX_BSETS];
428 };
429
430 static inline void __bch_btree_node_iter_init(struct btree_node_iter *iter,
431                                               bool is_extents)
432 {
433         iter->used = 0;
434         iter->is_extents = is_extents;
435 }
436
437 void bch_btree_node_iter_push(struct btree_node_iter *, struct btree *,
438                               const struct bkey_packed *,
439                               const struct bkey_packed *);
440 void bch_btree_node_iter_init(struct btree_node_iter *, struct btree *,
441                               struct bpos, bool, bool);
442 void bch_btree_node_iter_init_from_start(struct btree_node_iter *,
443                                          struct btree *, bool);
444 struct bkey_packed *bch_btree_node_iter_bset_pos(struct btree_node_iter *,
445                                                  struct btree *,
446                                                  struct bset_tree *);
447
448 void bch_btree_node_iter_sort(struct btree_node_iter *, struct btree *);
449 void bch_btree_node_iter_advance(struct btree_node_iter *, struct btree *);
450
451 #define btree_node_iter_for_each(_iter, _set)                   \
452         for (_set = (_iter)->data;                              \
453              _set < (_iter)->data + (_iter)->used;              \
454              _set++)
455
456 static inline bool bch_btree_node_iter_end(struct btree_node_iter *iter)
457 {
458         return !iter->used;
459 }
460
461 static inline int __btree_node_iter_cmp(bool is_extents,
462                                         struct btree *b,
463                                         struct bkey_packed *l,
464                                         struct bkey_packed *r)
465 {
466         /*
467          * For non extents, when keys compare equal the deleted keys have to
468          * come first - so that bch_btree_node_iter_next_check() can detect
469          * duplicate nondeleted keys (and possibly other reasons?)
470          *
471          * For extents, bkey_deleted() is used as a proxy for k->size == 0, so
472          * deleted keys have to sort last.
473          */
474         return bkey_cmp_packed(b, l, r) ?: is_extents
475                 ? (int) bkey_deleted(l) - (int) bkey_deleted(r)
476                 : (int) bkey_deleted(r) - (int) bkey_deleted(l);
477 }
478
479 static inline int btree_node_iter_cmp(struct btree_node_iter *iter,
480                                       struct btree *b,
481                                       struct btree_node_iter_set l,
482                                       struct btree_node_iter_set r)
483 {
484         return __btree_node_iter_cmp(iter->is_extents, b,
485                         __btree_node_offset_to_key(b, l.k),
486                         __btree_node_offset_to_key(b, r.k));
487 }
488
489 static inline void __bch_btree_node_iter_push(struct btree_node_iter *iter,
490                               struct btree *b,
491                               const struct bkey_packed *k,
492                               const struct bkey_packed *end)
493 {
494         if (k != end)
495                 iter->data[iter->used++] = (struct btree_node_iter_set) {
496                         __btree_node_key_to_offset(b, k),
497                         __btree_node_key_to_offset(b, end)
498                 };
499 }
500
501 static inline struct bkey_packed *
502 __bch_btree_node_iter_peek_all(struct btree_node_iter *iter,
503                                struct btree *b)
504 {
505         return __btree_node_offset_to_key(b, iter->data->k);
506 }
507
508 static inline struct bkey_packed *
509 bch_btree_node_iter_peek_all(struct btree_node_iter *iter,
510                              struct btree *b)
511 {
512         return bch_btree_node_iter_end(iter)
513                 ? NULL
514                 : __bch_btree_node_iter_peek_all(iter, b);
515 }
516
517 static inline struct bkey_packed *
518 bch_btree_node_iter_peek(struct btree_node_iter *iter, struct btree *b)
519 {
520         struct bkey_packed *ret;
521
522         while ((ret = bch_btree_node_iter_peek_all(iter, b)) &&
523                bkey_deleted(ret))
524                 bch_btree_node_iter_advance(iter, b);
525
526         return ret;
527 }
528
529 static inline struct bkey_packed *
530 bch_btree_node_iter_next_all(struct btree_node_iter *iter, struct btree *b)
531 {
532         struct bkey_packed *ret = bch_btree_node_iter_peek_all(iter, b);
533
534         if (ret)
535                 bch_btree_node_iter_advance(iter, b);
536
537         return ret;
538 }
539
540 struct bkey_packed *bch_btree_node_iter_prev_all(struct btree_node_iter *,
541                                                  struct btree *);
542 struct bkey_packed *bch_btree_node_iter_prev(struct btree_node_iter *,
543                                              struct btree *);
544
545 /*
546  * Iterates over all _live_ keys - skipping deleted (and potentially
547  * overlapping) keys
548  */
549 #define for_each_btree_node_key(b, k, iter, _is_extents)                \
550         for (bch_btree_node_iter_init_from_start((iter), (b), (_is_extents));\
551              ((k) = bch_btree_node_iter_peek(iter, b));                 \
552              bch_btree_node_iter_advance(iter, b))
553
554 struct bkey_s_c bch_btree_node_iter_peek_unpack(struct btree_node_iter *,
555                                                 struct btree *,
556                                                 struct bkey *);
557
558 #define for_each_btree_node_key_unpack(b, k, iter, _is_extents, unpacked)\
559         for (bch_btree_node_iter_init_from_start((iter), (b), (_is_extents));\
560              (k = bch_btree_node_iter_peek_unpack((iter), (b), (unpacked))).k;\
561              bch_btree_node_iter_advance(iter, b))
562
563 /* Accounting: */
564
565 static inline void btree_keys_account_key(struct btree_nr_keys *n,
566                                           unsigned bset,
567                                           struct bkey_packed *k,
568                                           int sign)
569 {
570         n->live_u64s            += k->u64s * sign;
571         n->bset_u64s[bset]      += k->u64s * sign;
572
573         if (bkey_packed(k))
574                 n->packed_keys  += sign;
575         else
576                 n->unpacked_keys += sign;
577 }
578
579 #define btree_keys_account_key_add(_nr, _bset_idx, _k)          \
580         btree_keys_account_key(_nr, _bset_idx, _k, 1)
581 #define btree_keys_account_key_drop(_nr, _bset_idx, _k) \
582         btree_keys_account_key(_nr, _bset_idx, _k, -1)
583
584 struct bset_stats {
585         struct {
586                 size_t nr, bytes;
587         } sets[BSET_TREE_NR_TYPES];
588
589         size_t floats;
590         size_t failed_unpacked;
591         size_t failed_prev;
592         size_t failed_overflow;
593 };
594
595 void bch_btree_keys_stats(struct btree *, struct bset_stats *);
596 int bch_bkey_print_bfloat(struct btree *, struct bkey_packed *,
597                           char *, size_t);
598
599 /* Debug stuff */
600
601 void bch_dump_bset(struct btree *, struct bset *, unsigned);
602 void bch_dump_btree_node(struct btree *);
603 void bch_dump_btree_node_iter(struct btree *, struct btree_node_iter *);
604
605 #ifdef CONFIG_BCACHE_DEBUG
606
607 void __bch_verify_btree_nr_keys(struct btree *);
608 void bch_btree_node_iter_verify(struct btree_node_iter *, struct btree *);
609 void bch_verify_key_order(struct btree *, struct btree_node_iter *,
610                           struct bkey_packed *);
611
612 #else
613
614 static inline void __bch_verify_btree_nr_keys(struct btree *b) {}
615 static inline void bch_btree_node_iter_verify(struct btree_node_iter *iter,
616                                               struct btree *b) {}
617 static inline void bch_verify_key_order(struct btree *b,
618                                         struct btree_node_iter *iter,
619                                         struct bkey_packed *where) {}
620 #endif
621
622 static inline void bch_verify_btree_nr_keys(struct btree *b)
623 {
624         if (btree_keys_expensive_checks(b))
625                 __bch_verify_btree_nr_keys(b);
626 }
627
628 #endif