git.sesse.net Git - bcachefs-tools-debian/blob - libbcachefs/bcachefs.h

   1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
   2 #ifndef _BCACHEFS_H
   3 #define _BCACHEFS_H
   4
   5 /*
   6  * SOME HIGH LEVEL CODE DOCUMENTATION:
   7  *
   8  * Bcache mostly works with cache sets, cache devices, and backing devices.
   9  *
  10  * Support for multiple cache devices hasn't quite been finished off yet, but
  11  * it's about 95% plumbed through. A cache set and its cache devices is sort of
  12  * like a md raid array and its component devices. Most of the code doesn't care
  13  * about individual cache devices, the main abstraction is the cache set.
  14  *
  15  * Multiple cache devices is intended to give us the ability to mirror dirty
  16  * cached data and metadata, without mirroring clean cached data.
  17  *
  18  * Backing devices are different, in that they have a lifetime independent of a
  19  * cache set. When you register a newly formatted backing device it'll come up
  20  * in passthrough mode, and then you can attach and detach a backing device from
  21  * a cache set at runtime - while it's mounted and in use. Detaching implicitly
  22  * invalidates any cached data for that backing device.
  23  *
  24  * A cache set can have multiple (many) backing devices attached to it.
  25  *
  26  * There's also flash only volumes - this is the reason for the distinction
  27  * between struct cached_dev and struct bcache_device. A flash only volume
  28  * works much like a bcache device that has a backing device, except the
  29  * "cached" data is always dirty. The end result is that we get thin
  30  * provisioning with very little additional code.
  31  *
  32  * Flash only volumes work but they're not production ready because the moving
  33  * garbage collector needs more work. More on that later.
  34  *
  35  * BUCKETS/ALLOCATION:
  36  *
  37  * Bcache is primarily designed for caching, which means that in normal
  38  * operation all of our available space will be allocated. Thus, we need an
  39  * efficient way of deleting things from the cache so we can write new things to
  40  * it.
  41  *
  42  * To do this, we first divide the cache device up into buckets. A bucket is the
  43  * unit of allocation; they're typically around 1 mb - anywhere from 128k to 2M+
  44  * works efficiently.
  45  *
  46  * Each bucket has a 16 bit priority, and an 8 bit generation associated with
  47  * it. The gens and priorities for all the buckets are stored contiguously and
  48  * packed on disk (in a linked list of buckets - aside from the superblock, all
  49  * of bcache's metadata is stored in buckets).
  50  *
  51  * The priority is used to implement an LRU. We reset a bucket's priority when
  52  * we allocate it or on cache it, and every so often we decrement the priority
  53  * of each bucket. It could be used to implement something more sophisticated,
  54  * if anyone ever gets around to it.
  55  *
  56  * The generation is used for invalidating buckets. Each pointer also has an 8
  57  * bit generation embedded in it; for a pointer to be considered valid, its gen
  58  * must match the gen of the bucket it points into.  Thus, to reuse a bucket all
  59  * we have to do is increment its gen (and write its new gen to disk; we batch
  60  * this up).
  61  *
  62  * Bcache is entirely COW - we never write twice to a bucket, even buckets that
  63  * contain metadata (including btree nodes).
  64  *
  65  * THE BTREE:
  66  *
  67  * Bcache is in large part design around the btree.
  68  *
  69  * At a high level, the btree is just an index of key -> ptr tuples.
  70  *
  71  * Keys represent extents, and thus have a size field. Keys also have a variable
  72  * number of pointers attached to them (potentially zero, which is handy for
  73  * invalidating the cache).
  74  *
  75  * The key itself is an inode:offset pair. The inode number corresponds to a
  76  * backing device or a flash only volume. The offset is the ending offset of the
  77  * extent within the inode - not the starting offset; this makes lookups
  78  * slightly more convenient.
  79  *
  80  * Pointers contain the cache device id, the offset on that device, and an 8 bit
  81  * generation number. More on the gen later.
  82  *
  83  * Index lookups are not fully abstracted - cache lookups in particular are
  84  * still somewhat mixed in with the btree code, but things are headed in that
  85  * direction.
  86  *
  87  * Updates are fairly well abstracted, though. There are two different ways of
  88  * updating the btree; insert and replace.
  89  *
  90  * BTREE_INSERT will just take a list of keys and insert them into the btree -
  91  * overwriting (possibly only partially) any extents they overlap with. This is
  92  * used to update the index after a write.
  93  *
  94  * BTREE_REPLACE is really cmpxchg(); it inserts a key into the btree iff it is
  95  * overwriting a key that matches another given key. This is used for inserting
  96  * data into the cache after a cache miss, and for background writeback, and for
  97  * the moving garbage collector.
  98  *
  99  * There is no "delete" operation; deleting things from the index is
 100  * accomplished by either by invalidating pointers (by incrementing a bucket's
 101  * gen) or by inserting a key with 0 pointers - which will overwrite anything
 102  * previously present at that location in the index.
 103  *
 104  * This means that there are always stale/invalid keys in the btree. They're
 105  * filtered out by the code that iterates through a btree node, and removed when
 106  * a btree node is rewritten.
 107  *
 108  * BTREE NODES:
 109  *
 110  * Our unit of allocation is a bucket, and we can't arbitrarily allocate and
 111  * free smaller than a bucket - so, that's how big our btree nodes are.
 112  *
 113  * (If buckets are really big we'll only use part of the bucket for a btree node
 114  * - no less than 1/4th - but a bucket still contains no more than a single
 115  * btree node. I'd actually like to change this, but for now we rely on the
 116  * bucket's gen for deleting btree nodes when we rewrite/split a node.)
 117  *
 118  * Anyways, btree nodes are big - big enough to be inefficient with a textbook
 119  * btree implementation.
 120  *
 121  * The way this is solved is that btree nodes are internally log structured; we
 122  * can append new keys to an existing btree node without rewriting it. This
 123  * means each set of keys we write is sorted, but the node is not.
 124  *
 125  * We maintain this log structure in memory - keeping 1Mb of keys sorted would
 126  * be expensive, and we have to distinguish between the keys we have written and
 127  * the keys we haven't. So to do a lookup in a btree node, we have to search
 128  * each sorted set. But we do merge written sets together lazily, so the cost of
 129  * these extra searches is quite low (normally most of the keys in a btree node
 130  * will be in one big set, and then there'll be one or two sets that are much
 131  * smaller).
 132  *
 133  * This log structure makes bcache's btree more of a hybrid between a
 134  * conventional btree and a compacting data structure, with some of the
 135  * advantages of both.
 136  *
 137  * GARBAGE COLLECTION:
 138  *
 139  * We can't just invalidate any bucket - it might contain dirty data or
 140  * metadata. If it once contained dirty data, other writes might overwrite it
 141  * later, leaving no valid pointers into that bucket in the index.
 142  *
 143  * Thus, the primary purpose of garbage collection is to find buckets to reuse.
 144  * It also counts how much valid data it each bucket currently contains, so that
 145  * allocation can reuse buckets sooner when they've been mostly overwritten.
 146  *
 147  * It also does some things that are really internal to the btree
 148  * implementation. If a btree node contains pointers that are stale by more than
 149  * some threshold, it rewrites the btree node to avoid the bucket's generation
 150  * wrapping around. It also merges adjacent btree nodes if they're empty enough.
 151  *
 152  * THE JOURNAL:
 153  *
 154  * Bcache's journal is not necessary for consistency; we always strictly
 155  * order metadata writes so that the btree and everything else is consistent on
 156  * disk in the event of an unclean shutdown, and in fact bcache had writeback
 157  * caching (with recovery from unclean shutdown) before journalling was
 158  * implemented.
 159  *
 160  * Rather, the journal is purely a performance optimization; we can't complete a
 161  * write until we've updated the index on disk, otherwise the cache would be
 162  * inconsistent in the event of an unclean shutdown. This means that without the
 163  * journal, on random write workloads we constantly have to update all the leaf
 164  * nodes in the btree, and those writes will be mostly empty (appending at most
 165  * a few keys each) - highly inefficient in terms of amount of metadata writes,
 166  * and it puts more strain on the various btree resorting/compacting code.
 167  *
 168  * The journal is just a log of keys we've inserted; on startup we just reinsert
 169  * all the keys in the open journal entries. That means that when we're updating
 170  * a node in the btree, we can wait until a 4k block of keys fills up before
 171  * writing them out.
 172  *
 173  * For simplicity, we only journal updates to leaf nodes; updates to parent
 174  * nodes are rare enough (since our leaf nodes are huge) that it wasn't worth
 175  * the complexity to deal with journalling them (in particular, journal replay)
 176  * - updates to non leaf nodes just happen synchronously (see btree_split()).
 177  */
 178
 179 #undef pr_fmt
 180 #ifdef __KERNEL__
 181 #define pr_fmt(fmt) "bcachefs: %s() " fmt "\n", __func__
 182 #else
 183 #define pr_fmt(fmt) "%s() " fmt "\n", __func__
 184 #endif
 185
 186 #include <linux/backing-dev-defs.h>
 187 #include <linux/bug.h>
 188 #include <linux/bio.h>
 189 #include <linux/closure.h>
 190 #include <linux/kobject.h>
 191 #include <linux/list.h>
 192 #include <linux/math64.h>
 193 #include <linux/mutex.h>
 194 #include <linux/percpu-refcount.h>
 195 #include <linux/percpu-rwsem.h>
 196 #include <linux/rhashtable.h>
 197 #include <linux/rwsem.h>
 198 #include <linux/semaphore.h>
 199 #include <linux/seqlock.h>
 200 #include <linux/shrinker.h>
 201 #include <linux/srcu.h>
 202 #include <linux/types.h>
 203 #include <linux/workqueue.h>
 204 #include <linux/zstd.h>
 205
 206 #include "bcachefs_format.h"
 207 #include "errcode.h"
 208 #include "fifo.h"
 209 #include "nocow_locking_types.h"
 210 #include "opts.h"
 211 #include "recovery_types.h"
 212 #include "sb-errors_types.h"
 213 #include "seqmutex.h"
 214 #include "util.h"
 215
 216 #ifdef CONFIG_BCACHEFS_DEBUG
 217 #define BCH_WRITE_REF_DEBUG
 218 #endif
 219
 220 #ifndef dynamic_fault
 221 #define dynamic_fault(...)              0
 222 #endif
 223
 224 #define race_fault(...)                 dynamic_fault("bcachefs:race")
 225
 226 #define trace_and_count(_c, _name, ...)                                 \
 227 do {                                                                    \
 228         this_cpu_inc((_c)->counters[BCH_COUNTER_##_name]);              \
 229         trace_##_name(__VA_ARGS__);                                     \
 230 } while (0)
 231
 232 #define bch2_fs_init_fault(name)                                        \
 233         dynamic_fault("bcachefs:bch_fs_init:" name)
 234 #define bch2_meta_read_fault(name)                                      \
 235          dynamic_fault("bcachefs:meta:read:" name)
 236 #define bch2_meta_write_fault(name)                                     \
 237          dynamic_fault("bcachefs:meta:write:" name)
 238
 239 #ifdef __KERNEL__
 240 #define BCACHEFS_LOG_PREFIX
 241 #endif
 242
 243 #ifdef BCACHEFS_LOG_PREFIX
 244
 245 #define bch2_log_msg(_c, fmt)                   "bcachefs (%s): " fmt, ((_c)->name)
 246 #define bch2_fmt_dev(_ca, fmt)                  "bcachefs (%s): " fmt "\n", ((_ca)->name)
 247 #define bch2_fmt_dev_offset(_ca, _offset, fmt)  "bcachefs (%s sector %llu): " fmt "\n", ((_ca)->name), (_offset)
 248 #define bch2_fmt_inum(_c, _inum, fmt)           "bcachefs (%s inum %llu): " fmt "\n", ((_c)->name), (_inum)
 249 #define bch2_fmt_inum_offset(_c, _inum, _offset, fmt)                   \
 250          "bcachefs (%s inum %llu offset %llu): " fmt "\n", ((_c)->name), (_inum), (_offset)
 251
 252 #else
 253
 254 #define bch2_log_msg(_c, fmt)                   fmt
 255 #define bch2_fmt_dev(_ca, fmt)                  "%s: " fmt "\n", ((_ca)->name)
 256 #define bch2_fmt_dev_offset(_ca, _offset, fmt)  "%s sector %llu: " fmt "\n", ((_ca)->name), (_offset)
 257 #define bch2_fmt_inum(_c, _inum, fmt)           "inum %llu: " fmt "\n", (_inum)
 258 #define bch2_fmt_inum_offset(_c, _inum, _offset, fmt)                           \
 259          "inum %llu offset %llu: " fmt "\n", (_inum), (_offset)
 260
 261 #endif
 262
 263 #define bch2_fmt(_c, fmt)               bch2_log_msg(_c, fmt "\n")
 264
 265 #define bch_info(c, fmt, ...) \
 266         printk(KERN_INFO bch2_fmt(c, fmt), ##__VA_ARGS__)
 267 #define bch_notice(c, fmt, ...) \
 268         printk(KERN_NOTICE bch2_fmt(c, fmt), ##__VA_ARGS__)
 269 #define bch_warn(c, fmt, ...) \
 270         printk(KERN_WARNING bch2_fmt(c, fmt), ##__VA_ARGS__)
 271 #define bch_warn_ratelimited(c, fmt, ...) \
 272         printk_ratelimited(KERN_WARNING bch2_fmt(c, fmt), ##__VA_ARGS__)
 273
 274 #define bch_err(c, fmt, ...) \
 275         printk(KERN_ERR bch2_fmt(c, fmt), ##__VA_ARGS__)
 276 #define bch_err_dev(ca, fmt, ...) \
 277         printk(KERN_ERR bch2_fmt_dev(ca, fmt), ##__VA_ARGS__)
 278 #define bch_err_dev_offset(ca, _offset, fmt, ...) \
 279         printk(KERN_ERR bch2_fmt_dev_offset(ca, _offset, fmt), ##__VA_ARGS__)
 280 #define bch_err_inum(c, _inum, fmt, ...) \
 281         printk(KERN_ERR bch2_fmt_inum(c, _inum, fmt), ##__VA_ARGS__)
 282 #define bch_err_inum_offset(c, _inum, _offset, fmt, ...) \
 283         printk(KERN_ERR bch2_fmt_inum_offset(c, _inum, _offset, fmt), ##__VA_ARGS__)
 284
 285 #define bch_err_ratelimited(c, fmt, ...) \
 286         printk_ratelimited(KERN_ERR bch2_fmt(c, fmt), ##__VA_ARGS__)
 287 #define bch_err_dev_ratelimited(ca, fmt, ...) \
 288         printk_ratelimited(KERN_ERR bch2_fmt_dev(ca, fmt), ##__VA_ARGS__)
 289 #define bch_err_dev_offset_ratelimited(ca, _offset, fmt, ...) \
 290         printk_ratelimited(KERN_ERR bch2_fmt_dev_offset(ca, _offset, fmt), ##__VA_ARGS__)
 291 #define bch_err_inum_ratelimited(c, _inum, fmt, ...) \
 292         printk_ratelimited(KERN_ERR bch2_fmt_inum(c, _inum, fmt), ##__VA_ARGS__)
 293 #define bch_err_inum_offset_ratelimited(c, _inum, _offset, fmt, ...) \
 294         printk_ratelimited(KERN_ERR bch2_fmt_inum_offset(c, _inum, _offset, fmt), ##__VA_ARGS__)
 295
 296 #define bch_err_fn(_c, _ret)                                            \
 297 do {                                                                    \
 298         if (_ret && !bch2_err_matches(_ret, BCH_ERR_transaction_restart))\
 299                 bch_err(_c, "%s(): error %s", __func__, bch2_err_str(_ret));\
 300 } while (0)
 301
 302 #define bch_err_msg(_c, _ret, _msg, ...)                                \
 303 do {                                                                    \
 304         if (_ret && !bch2_err_matches(_ret, BCH_ERR_transaction_restart))\
 305                 bch_err(_c, "%s(): error " _msg " %s", __func__,        \
 306                         ##__VA_ARGS__, bch2_err_str(_ret));             \
 307 } while (0)
 308
 309 #define bch_verbose(c, fmt, ...)                                        \
 310 do {                                                                    \
 311         if ((c)->opts.verbose)                                          \
 312                 bch_info(c, fmt, ##__VA_ARGS__);                        \
 313 } while (0)
 314
 315 #define pr_verbose_init(opts, fmt, ...)                                 \
 316 do {                                                                    \
 317         if (opt_get(opts, verbose))                                     \
 318                 pr_info(fmt, ##__VA_ARGS__);                            \
 319 } while (0)
 320
 321 /* Parameters that are useful for debugging, but should always be compiled in: */
 322 #define BCH_DEBUG_PARAMS_ALWAYS()                                       \
 323         BCH_DEBUG_PARAM(key_merging_disabled,                           \
 324                 "Disables merging of extents")                          \
 325         BCH_DEBUG_PARAM(btree_gc_always_rewrite,                        \
 326                 "Causes mark and sweep to compact and rewrite every "   \
 327                 "btree node it traverses")                              \
 328         BCH_DEBUG_PARAM(btree_gc_rewrite_disabled,                      \
 329                 "Disables rewriting of btree nodes during mark and sweep")\
 330         BCH_DEBUG_PARAM(btree_shrinker_disabled,                        \
 331                 "Disables the shrinker callback for the btree node cache")\
 332         BCH_DEBUG_PARAM(verify_btree_ondisk,                            \
 333                 "Reread btree nodes at various points to verify the "   \
 334                 "mergesort in the read path against modifications "     \
 335                 "done in memory")                                       \
 336         BCH_DEBUG_PARAM(verify_all_btree_replicas,                      \
 337                 "When reading btree nodes, read all replicas and "      \
 338                 "compare them")                                         \
 339         BCH_DEBUG_PARAM(backpointers_no_use_write_buffer,               \
 340                 "Don't use the write buffer for backpointers, enabling "\
 341                 "extra runtime checks")
 342
 343 /* Parameters that should only be compiled in debug mode: */
 344 #define BCH_DEBUG_PARAMS_DEBUG()                                        \
 345         BCH_DEBUG_PARAM(expensive_debug_checks,                         \
 346                 "Enables various runtime debugging checks that "        \
 347                 "significantly affect performance")                     \
 348         BCH_DEBUG_PARAM(debug_check_iterators,                          \
 349                 "Enables extra verification for btree iterators")       \
 350         BCH_DEBUG_PARAM(debug_check_btree_accounting,                   \
 351                 "Verify btree accounting for keys within a node")       \
 352         BCH_DEBUG_PARAM(journal_seq_verify,                             \
 353                 "Store the journal sequence number in the version "     \
 354                 "number of every btree key, and verify that btree "     \
 355                 "update ordering is preserved during recovery")         \
 356         BCH_DEBUG_PARAM(inject_invalid_keys,                            \
 357                 "Store the journal sequence number in the version "     \
 358                 "number of every btree key, and verify that btree "     \
 359                 "update ordering is preserved during recovery")         \
 360         BCH_DEBUG_PARAM(test_alloc_startup,                             \
 361                 "Force allocator startup to use the slowpath where it"  \
 362                 "can't find enough free buckets without invalidating"   \
 363                 "cached data")                                          \
 364         BCH_DEBUG_PARAM(force_reconstruct_read,                         \
 365                 "Force reads to use the reconstruct path, when reading" \
 366                 "from erasure coded extents")                           \
 367         BCH_DEBUG_PARAM(test_restart_gc,                                \
 368                 "Test restarting mark and sweep gc when bucket gens change")
 369
 370 #define BCH_DEBUG_PARAMS_ALL() BCH_DEBUG_PARAMS_ALWAYS() BCH_DEBUG_PARAMS_DEBUG()
 371
 372 #ifdef CONFIG_BCACHEFS_DEBUG
 373 #define BCH_DEBUG_PARAMS() BCH_DEBUG_PARAMS_ALL()
 374 #else
 375 #define BCH_DEBUG_PARAMS() BCH_DEBUG_PARAMS_ALWAYS()
 376 #endif
 377
 378 #define BCH_DEBUG_PARAM(name, description) extern bool bch2_##name;
 379 BCH_DEBUG_PARAMS()
 380 #undef BCH_DEBUG_PARAM
 381
 382 #ifndef CONFIG_BCACHEFS_DEBUG
 383 #define BCH_DEBUG_PARAM(name, description) static const __maybe_unused bool bch2_##name;
 384 BCH_DEBUG_PARAMS_DEBUG()
 385 #undef BCH_DEBUG_PARAM
 386 #endif
 387
 388 #define BCH_TIME_STATS()                        \
 389         x(btree_node_mem_alloc)                 \
 390         x(btree_node_split)                     \
 391         x(btree_node_compact)                   \
 392         x(btree_node_merge)                     \
 393         x(btree_node_sort)                      \
 394         x(btree_node_read)                      \
 395         x(btree_interior_update_foreground)     \
 396         x(btree_interior_update_total)          \
 397         x(btree_gc)                             \
 398         x(data_write)                           \
 399         x(data_read)                            \
 400         x(data_promote)                         \
 401         x(journal_flush_write)                  \
 402         x(journal_noflush_write)                \
 403         x(journal_flush_seq)                    \
 404         x(blocked_journal_low_on_space)         \
 405         x(blocked_journal_low_on_pin)           \
 406         x(blocked_journal_max_in_flight)        \
 407         x(blocked_allocate)                     \
 408         x(blocked_allocate_open_bucket)         \
 409         x(nocow_lock_contended)
 410
 411 enum bch_time_stats {
 412 #define x(name) BCH_TIME_##name,
 413         BCH_TIME_STATS()
 414 #undef x
 415         BCH_TIME_STAT_NR
 416 };
 417
 418 #include "alloc_types.h"
 419 #include "btree_types.h"
 420 #include "btree_write_buffer_types.h"
 421 #include "buckets_types.h"
 422 #include "buckets_waiting_for_journal_types.h"
 423 #include "clock_types.h"
 424 #include "disk_groups_types.h"
 425 #include "ec_types.h"
 426 #include "journal_types.h"
 427 #include "keylist_types.h"
 428 #include "quota_types.h"
 429 #include "rebalance_types.h"
 430 #include "replicas_types.h"
 431 #include "subvolume_types.h"
 432 #include "super_types.h"
 433
 434 /* Number of nodes btree coalesce will try to coalesce at once */
 435 #define GC_MERGE_NODES          4U
 436
 437 /* Maximum number of nodes we might need to allocate atomically: */
 438 #define BTREE_RESERVE_MAX       (BTREE_MAX_DEPTH + (BTREE_MAX_DEPTH - 1))
 439
 440 /* Size of the freelist we allocate btree nodes from: */
 441 #define BTREE_NODE_RESERVE      (BTREE_RESERVE_MAX * 4)
 442
 443 #define BTREE_NODE_OPEN_BUCKET_RESERVE  (BTREE_RESERVE_MAX * BCH_REPLICAS_MAX)
 444
 445 struct btree;
 446
 447 enum gc_phase {
 448         GC_PHASE_NOT_RUNNING,
 449         GC_PHASE_START,
 450         GC_PHASE_SB,
 451
 452         GC_PHASE_BTREE_stripes,
 453         GC_PHASE_BTREE_extents,
 454         GC_PHASE_BTREE_inodes,
 455         GC_PHASE_BTREE_dirents,
 456         GC_PHASE_BTREE_xattrs,
 457         GC_PHASE_BTREE_alloc,
 458         GC_PHASE_BTREE_quotas,
 459         GC_PHASE_BTREE_reflink,
 460         GC_PHASE_BTREE_subvolumes,
 461         GC_PHASE_BTREE_snapshots,
 462         GC_PHASE_BTREE_lru,
 463         GC_PHASE_BTREE_freespace,
 464         GC_PHASE_BTREE_need_discard,
 465         GC_PHASE_BTREE_backpointers,
 466         GC_PHASE_BTREE_bucket_gens,
 467         GC_PHASE_BTREE_snapshot_trees,
 468         GC_PHASE_BTREE_deleted_inodes,
 469         GC_PHASE_BTREE_logged_ops,
 470         GC_PHASE_BTREE_rebalance_work,
 471
 472         GC_PHASE_PENDING_DELETE,
 473 };
 474
 475 struct gc_pos {
 476         enum gc_phase           phase;
 477         struct bpos             pos;
 478         unsigned                level;
 479 };
 480
 481 struct reflink_gc {
 482         u64             offset;
 483         u32             size;
 484         u32             refcount;
 485 };
 486
 487 typedef GENRADIX(struct reflink_gc) reflink_gc_table;
 488
 489 struct io_count {
 490         u64                     sectors[2][BCH_DATA_NR];
 491 };
 492
 493 struct bch_dev {
 494         struct kobject          kobj;
 495         struct percpu_ref       ref;
 496         struct completion       ref_completion;
 497         struct percpu_ref       io_ref;
 498         struct completion       io_ref_completion;
 499
 500         struct bch_fs           *fs;
 501
 502         u8                      dev_idx;
 503         /*
 504          * Cached version of this device's member info from superblock
 505          * Committed by bch2_write_super() -> bch_fs_mi_update()
 506          */
 507         struct bch_member_cpu   mi;
 508         atomic64_t              errors[BCH_MEMBER_ERROR_NR];
 509
 510         __uuid_t                uuid;
 511         char                    name[BDEVNAME_SIZE];
 512
 513         struct bch_sb_handle    disk_sb;
 514         struct bch_sb           *sb_read_scratch;
 515         int                     sb_write_error;
 516         dev_t                   dev;
 517         atomic_t                flush_seq;
 518
 519         struct bch_devs_mask    self;
 520
 521         /* biosets used in cloned bios for writing multiple replicas */
 522         struct bio_set          replica_set;
 523
 524         /*
 525          * Buckets:
 526          * Per-bucket arrays are protected by c->mark_lock, bucket_lock and
 527          * gc_lock, for device resize - holding any is sufficient for access:
 528          * Or rcu_read_lock(), but only for ptr_stale():
 529          */
 530         struct bucket_array __rcu *buckets_gc;
 531         struct bucket_gens __rcu *bucket_gens;
 532         u8                      *oldest_gen;
 533         unsigned long           *buckets_nouse;
 534         struct rw_semaphore     bucket_lock;
 535
 536         struct bch_dev_usage            *usage_base;
 537         struct bch_dev_usage __percpu   *usage[JOURNAL_BUF_NR];
 538         struct bch_dev_usage __percpu   *usage_gc;
 539
 540         /* Allocator: */
 541         u64                     new_fs_bucket_idx;
 542         u64                     alloc_cursor;
 543
 544         unsigned                nr_open_buckets;
 545         unsigned                nr_btree_reserve;
 546
 547         size_t                  inc_gen_needs_gc;
 548         size_t                  inc_gen_really_needs_gc;
 549         size_t                  buckets_waiting_on_journal;
 550
 551         atomic64_t              rebalance_work;
 552
 553         struct journal_device   journal;
 554         u64                     prev_journal_sector;
 555
 556         struct work_struct      io_error_work;
 557
 558         /* The rest of this all shows up in sysfs */
 559         atomic64_t              cur_latency[2];
 560         struct bch2_time_stats  io_latency[2];
 561
 562 #define CONGESTED_MAX           1024
 563         atomic_t                congested;
 564         u64                     congested_last;
 565
 566         struct io_count __percpu *io_done;
 567 };
 568
 569 enum {
 570         /* startup: */
 571         BCH_FS_STARTED,
 572         BCH_FS_MAY_GO_RW,
 573         BCH_FS_RW,
 574         BCH_FS_WAS_RW,
 575
 576         /* shutdown: */
 577         BCH_FS_STOPPING,
 578         BCH_FS_EMERGENCY_RO,
 579         BCH_FS_GOING_RO,
 580         BCH_FS_WRITE_DISABLE_COMPLETE,
 581         BCH_FS_CLEAN_SHUTDOWN,
 582
 583         /* fsck passes: */
 584         BCH_FS_FSCK_DONE,
 585         BCH_FS_INITIAL_GC_UNFIXED,      /* kill when we enumerate fsck errors */
 586         BCH_FS_NEED_ANOTHER_GC,
 587
 588         BCH_FS_NEED_DELETE_DEAD_SNAPSHOTS,
 589
 590         /* errors: */
 591         BCH_FS_ERROR,
 592         BCH_FS_TOPOLOGY_ERROR,
 593         BCH_FS_ERRORS_FIXED,
 594         BCH_FS_ERRORS_NOT_FIXED,
 595 };
 596
 597 struct btree_debug {
 598         unsigned                id;
 599 };
 600
 601 #define BCH_TRANSACTIONS_NR 128
 602
 603 struct btree_transaction_stats {
 604         struct bch2_time_stats  lock_hold_times;
 605         struct mutex            lock;
 606         unsigned                nr_max_paths;
 607         unsigned                wb_updates_size;
 608         unsigned                max_mem;
 609         char                    *max_paths_text;
 610 };
 611
 612 struct bch_fs_pcpu {
 613         u64                     sectors_available;
 614 };
 615
 616 struct journal_seq_blacklist_table {
 617         size_t                  nr;
 618         struct journal_seq_blacklist_table_entry {
 619                 u64             start;
 620                 u64             end;
 621                 bool            dirty;
 622         }                       entries[];
 623 };
 624
 625 struct journal_keys {
 626         struct journal_key {
 627                 u64             journal_seq;
 628                 u32             journal_offset;
 629                 enum btree_id   btree_id:8;
 630                 unsigned        level:8;
 631                 bool            allocated;
 632                 bool            overwritten;
 633                 struct bkey_i   *k;
 634         }                       *d;
 635         /*
 636          * Gap buffer: instead of all the empty space in the array being at the
 637          * end of the buffer - from @nr to @size - the empty space is at @gap.
 638          * This means that sequential insertions are O(n) instead of O(n^2).
 639          */
 640         size_t                  gap;
 641         size_t                  nr;
 642         size_t                  size;
 643 };
 644
 645 struct btree_trans_buf {
 646         struct btree_trans      *trans;
 647 };
 648
 649 #define REPLICAS_DELTA_LIST_MAX (1U << 16)
 650
 651 #define BCACHEFS_ROOT_SUBVOL_INUM                                       \
 652         ((subvol_inum) { BCACHEFS_ROOT_SUBVOL,  BCACHEFS_ROOT_INO })
 653
 654 #define BCH_WRITE_REFS()                                                \
 655         x(trans)                                                        \
 656         x(write)                                                        \
 657         x(promote)                                                      \
 658         x(node_rewrite)                                                 \
 659         x(stripe_create)                                                \
 660         x(stripe_delete)                                                \
 661         x(reflink)                                                      \
 662         x(fallocate)                                                    \
 663         x(discard)                                                      \
 664         x(invalidate)                                                   \
 665         x(delete_dead_snapshots)                                        \
 666         x(snapshot_delete_pagecache)                                    \
 667         x(sysfs)
 668
 669 enum bch_write_ref {
 670 #define x(n) BCH_WRITE_REF_##n,
 671         BCH_WRITE_REFS()
 672 #undef x
 673         BCH_WRITE_REF_NR,
 674 };
 675
 676 struct bch_fs {
 677         struct closure          cl;
 678
 679         struct list_head        list;
 680         struct kobject          kobj;
 681         struct kobject          counters_kobj;
 682         struct kobject          internal;
 683         struct kobject          opts_dir;
 684         struct kobject          time_stats;
 685         unsigned long           flags;
 686
 687         int                     minor;
 688         struct device           *chardev;
 689         struct super_block      *vfs_sb;
 690         dev_t                   dev;
 691         char                    name[40];
 692
 693         /* ro/rw, add/remove/resize devices: */
 694         struct rw_semaphore     state_lock;
 695
 696         /* Counts outstanding writes, for clean transition to read-only */
 697 #ifdef BCH_WRITE_REF_DEBUG
 698         atomic_long_t           writes[BCH_WRITE_REF_NR];
 699 #else
 700         struct percpu_ref       writes;
 701 #endif
 702         struct work_struct      read_only_work;
 703
 704         struct bch_dev __rcu    *devs[BCH_SB_MEMBERS_MAX];
 705
 706         struct bch_replicas_cpu replicas;
 707         struct bch_replicas_cpu replicas_gc;
 708         struct mutex            replicas_gc_lock;
 709         mempool_t               replicas_delta_pool;
 710
 711         struct journal_entry_res btree_root_journal_res;
 712         struct journal_entry_res replicas_journal_res;
 713         struct journal_entry_res clock_journal_res;
 714         struct journal_entry_res dev_usage_journal_res;
 715
 716         struct bch_disk_groups_cpu __rcu *disk_groups;
 717
 718         struct bch_opts         opts;
 719
 720         /* Updated by bch2_sb_update():*/
 721         struct {
 722                 __uuid_t        uuid;
 723                 __uuid_t        user_uuid;
 724
 725                 u16             version;
 726                 u16             version_min;
 727                 u16             version_upgrade_complete;
 728
 729                 u8              nr_devices;
 730                 u8              clean;
 731
 732                 u8              encryption_type;
 733
 734                 u64             time_base_lo;
 735                 u32             time_base_hi;
 736                 unsigned        time_units_per_sec;
 737                 unsigned        nsec_per_time_unit;
 738                 u64             features;
 739                 u64             compat;
 740         }                       sb;
 741
 742
 743         struct bch_sb_handle    disk_sb;
 744
 745         unsigned short          block_bits;     /* ilog2(block_size) */
 746
 747         u16                     btree_foreground_merge_threshold;
 748
 749         struct closure          sb_write;
 750         struct mutex            sb_lock;
 751
 752         /* snapshot.c: */
 753         struct snapshot_table __rcu *snapshots;
 754         size_t                  snapshot_table_size;
 755         struct mutex            snapshot_table_lock;
 756         struct rw_semaphore     snapshot_create_lock;
 757
 758         struct work_struct      snapshot_delete_work;
 759         struct work_struct      snapshot_wait_for_pagecache_and_delete_work;
 760         snapshot_id_list        snapshots_unlinked;
 761         struct mutex            snapshots_unlinked_lock;
 762
 763         /* BTREE CACHE */
 764         struct bio_set          btree_bio;
 765         struct workqueue_struct *io_complete_wq;
 766
 767         struct btree_root       btree_roots_known[BTREE_ID_NR];
 768         DARRAY(struct btree_root) btree_roots_extra;
 769         struct mutex            btree_root_lock;
 770
 771         struct btree_cache      btree_cache;
 772
 773         /*
 774          * Cache of allocated btree nodes - if we allocate a btree node and
 775          * don't use it, if we free it that space can't be reused until going
 776          * _all_ the way through the allocator (which exposes us to a livelock
 777          * when allocating btree reserves fail halfway through) - instead, we
 778          * can stick them here:
 779          */
 780         struct btree_alloc      btree_reserve_cache[BTREE_NODE_RESERVE * 2];
 781         unsigned                btree_reserve_cache_nr;
 782         struct mutex            btree_reserve_cache_lock;
 783
 784         mempool_t               btree_interior_update_pool;
 785         struct list_head        btree_interior_update_list;
 786         struct list_head        btree_interior_updates_unwritten;
 787         struct mutex            btree_interior_update_lock;
 788         struct closure_waitlist btree_interior_update_wait;
 789
 790         struct workqueue_struct *btree_interior_update_worker;
 791         struct work_struct      btree_interior_update_work;
 792
 793         struct list_head        pending_node_rewrites;
 794         struct mutex            pending_node_rewrites_lock;
 795
 796         /* btree_io.c: */
 797         spinlock_t              btree_write_error_lock;
 798         struct btree_write_stats {
 799                 atomic64_t      nr;
 800                 atomic64_t      bytes;
 801         }                       btree_write_stats[BTREE_WRITE_TYPE_NR];
 802
 803         /* btree_iter.c: */
 804         struct seqmutex         btree_trans_lock;
 805         struct list_head        btree_trans_list;
 806         mempool_t               btree_trans_pool;
 807         mempool_t               btree_trans_mem_pool;
 808         struct btree_trans_buf  __percpu        *btree_trans_bufs;
 809
 810         struct srcu_struct      btree_trans_barrier;
 811         bool                    btree_trans_barrier_initialized;
 812
 813         struct btree_key_cache  btree_key_cache;
 814         unsigned                btree_key_cache_btrees;
 815
 816         struct btree_write_buffer btree_write_buffer;
 817
 818         struct workqueue_struct *btree_update_wq;
 819         struct workqueue_struct *btree_io_complete_wq;
 820         /* copygc needs its own workqueue for index updates.. */
 821         struct workqueue_struct *copygc_wq;
 822         /*
 823          * Use a dedicated wq for write ref holder tasks. Required to avoid
 824          * dependency problems with other wq tasks that can block on ref
 825          * draining, such as read-only transition.
 826          */
 827         struct workqueue_struct *write_ref_wq;
 828
 829         /* ALLOCATION */
 830         struct bch_devs_mask    rw_devs[BCH_DATA_NR];
 831
 832         u64                     capacity; /* sectors */
 833
 834         /*
 835          * When capacity _decreases_ (due to a disk being removed), we
 836          * increment capacity_gen - this invalidates outstanding reservations
 837          * and forces them to be revalidated
 838          */
 839         u32                     capacity_gen;
 840         unsigned                bucket_size_max;
 841
 842         atomic64_t              sectors_available;
 843         struct mutex            sectors_available_lock;
 844
 845         struct bch_fs_pcpu __percpu     *pcpu;
 846
 847         struct percpu_rw_semaphore      mark_lock;
 848
 849         seqcount_t                      usage_lock;
 850         struct bch_fs_usage             *usage_base;
 851         struct bch_fs_usage __percpu    *usage[JOURNAL_BUF_NR];
 852         struct bch_fs_usage __percpu    *usage_gc;
 853         u64 __percpu            *online_reserved;
 854
 855         /* single element mempool: */
 856         struct mutex            usage_scratch_lock;
 857         struct bch_fs_usage_online *usage_scratch;
 858
 859         struct io_clock         io_clock[2];
 860
 861         /* JOURNAL SEQ BLACKLIST */
 862         struct journal_seq_blacklist_table *
 863                                 journal_seq_blacklist_table;
 864         struct work_struct      journal_seq_blacklist_gc_work;
 865
 866         /* ALLOCATOR */
 867         spinlock_t              freelist_lock;
 868         struct closure_waitlist freelist_wait;
 869         u64                     blocked_allocate;
 870         u64                     blocked_allocate_open_bucket;
 871
 872         open_bucket_idx_t       open_buckets_freelist;
 873         open_bucket_idx_t       open_buckets_nr_free;
 874         struct closure_waitlist open_buckets_wait;
 875         struct open_bucket      open_buckets[OPEN_BUCKETS_COUNT];
 876         open_bucket_idx_t       open_buckets_hash[OPEN_BUCKETS_COUNT];
 877
 878         open_bucket_idx_t       open_buckets_partial[OPEN_BUCKETS_COUNT];
 879         open_bucket_idx_t       open_buckets_partial_nr;
 880
 881         struct write_point      btree_write_point;
 882         struct write_point      rebalance_write_point;
 883
 884         struct write_point      write_points[WRITE_POINT_MAX];
 885         struct hlist_head       write_points_hash[WRITE_POINT_HASH_NR];
 886         struct mutex            write_points_hash_lock;
 887         unsigned                write_points_nr;
 888
 889         struct buckets_waiting_for_journal buckets_waiting_for_journal;
 890         struct work_struct      discard_work;
 891         struct work_struct      invalidate_work;
 892
 893         /* GARBAGE COLLECTION */
 894         struct task_struct      *gc_thread;
 895         atomic_t                kick_gc;
 896         unsigned long           gc_count;
 897
 898         enum btree_id           gc_gens_btree;
 899         struct bpos             gc_gens_pos;
 900
 901         /*
 902          * Tracks GC's progress - everything in the range [ZERO_KEY..gc_cur_pos]
 903          * has been marked by GC.
 904          *
 905          * gc_cur_phase is a superset of btree_ids (BTREE_ID_extents etc.)
 906          *
 907          * Protected by gc_pos_lock. Only written to by GC thread, so GC thread
 908          * can read without a lock.
 909          */
 910         seqcount_t              gc_pos_lock;
 911         struct gc_pos           gc_pos;
 912
 913         /*
 914          * The allocation code needs gc_mark in struct bucket to be correct, but
 915          * it's not while a gc is in progress.
 916          */
 917         struct rw_semaphore     gc_lock;
 918         struct mutex            gc_gens_lock;
 919
 920         /* IO PATH */
 921         struct semaphore        io_in_flight;
 922         struct bio_set          bio_read;
 923         struct bio_set          bio_read_split;
 924         struct bio_set          bio_write;
 925         struct mutex            bio_bounce_pages_lock;
 926         mempool_t               bio_bounce_pages;
 927         struct bucket_nocow_lock_table
 928                                 nocow_locks;
 929         struct rhashtable       promote_table;
 930
 931         mempool_t               compression_bounce[2];
 932         mempool_t               compress_workspace[BCH_COMPRESSION_TYPE_NR];
 933         mempool_t               decompress_workspace;
 934         ZSTD_parameters         zstd_params;
 935
 936         struct crypto_shash     *sha256;
 937         struct crypto_sync_skcipher *chacha20;
 938         struct crypto_shash     *poly1305;
 939
 940         atomic64_t              key_version;
 941
 942         mempool_t               large_bkey_pool;
 943
 944         /* MOVE.C */
 945         struct list_head        moving_context_list;
 946         struct mutex            moving_context_lock;
 947
 948         /* REBALANCE */
 949         struct bch_fs_rebalance rebalance;
 950
 951         /* COPYGC */
 952         struct task_struct      *copygc_thread;
 953         struct write_point      copygc_write_point;
 954         s64                     copygc_wait_at;
 955         s64                     copygc_wait;
 956         bool                    copygc_running;
 957         wait_queue_head_t       copygc_running_wq;
 958
 959         /* STRIPES: */
 960         GENRADIX(struct stripe) stripes;
 961         GENRADIX(struct gc_stripe) gc_stripes;
 962
 963         struct hlist_head       ec_stripes_new[32];
 964         spinlock_t              ec_stripes_new_lock;
 965
 966         ec_stripes_heap         ec_stripes_heap;
 967         struct mutex            ec_stripes_heap_lock;
 968
 969         /* ERASURE CODING */
 970         struct list_head        ec_stripe_head_list;
 971         struct mutex            ec_stripe_head_lock;
 972
 973         struct list_head        ec_stripe_new_list;
 974         struct mutex            ec_stripe_new_lock;
 975         wait_queue_head_t       ec_stripe_new_wait;
 976
 977         struct work_struct      ec_stripe_create_work;
 978         u64                     ec_stripe_hint;
 979
 980         struct work_struct      ec_stripe_delete_work;
 981
 982         struct bio_set          ec_bioset;
 983
 984         /* REFLINK */
 985         reflink_gc_table        reflink_gc_table;
 986         size_t                  reflink_gc_nr;
 987
 988         /* fs.c */
 989         struct list_head        vfs_inodes_list;
 990         struct mutex            vfs_inodes_lock;
 991
 992         /* VFS IO PATH - fs-io.c */
 993         struct bio_set          writepage_bioset;
 994         struct bio_set          dio_write_bioset;
 995         struct bio_set          dio_read_bioset;
 996         struct bio_set          nocow_flush_bioset;
 997
 998         /* QUOTAS */
 999         struct bch_memquota_type quotas[QTYP_NR];
1000
1001         /* RECOVERY */
1002         u64                     journal_replay_seq_start;
1003         u64                     journal_replay_seq_end;
1004         enum bch_recovery_pass  curr_recovery_pass;
1005         /* bitmap of explicitly enabled recovery passes: */
1006         u64                     recovery_passes_explicit;
1007         u64                     recovery_passes_complete;
1008
1009         /* DEBUG JUNK */
1010         struct dentry           *fs_debug_dir;
1011         struct dentry           *btree_debug_dir;
1012         struct btree_debug      btree_debug[BTREE_ID_NR];
1013         struct btree            *verify_data;
1014         struct btree_node       *verify_ondisk;
1015         struct mutex            verify_lock;
1016
1017         u64                     *unused_inode_hints;
1018         unsigned                inode_shard_bits;
1019
1020         /*
1021          * A btree node on disk could have too many bsets for an iterator to fit
1022          * on the stack - have to dynamically allocate them
1023          */
1024         mempool_t               fill_iter;
1025
1026         mempool_t               btree_bounce_pool;
1027
1028         struct journal          journal;
1029         GENRADIX(struct journal_replay *) journal_entries;
1030         u64                     journal_entries_base_seq;
1031         struct journal_keys     journal_keys;
1032         struct list_head        journal_iters;
1033
1034         u64                     last_bucket_seq_cleanup;
1035
1036         u64                     counters_on_mount[BCH_COUNTER_NR];
1037         u64 __percpu            *counters;
1038
1039         unsigned                btree_gc_periodic:1;
1040         unsigned                copy_gc_enabled:1;
1041         bool                    promote_whole_extents;
1042
1043         struct bch2_time_stats  times[BCH_TIME_STAT_NR];
1044
1045         struct btree_transaction_stats btree_transaction_stats[BCH_TRANSACTIONS_NR];
1046
1047         /* ERRORS */
1048         struct list_head        fsck_error_msgs;
1049         struct mutex            fsck_error_msgs_lock;
1050         bool                    fsck_alloc_msgs_err;
1051
1052         bch_sb_errors_cpu       fsck_error_counts;
1053         struct mutex            fsck_error_counts_lock;
1054 };
1055
1056 extern struct wait_queue_head bch2_read_only_wait;
1057
1058 static inline void bch2_write_ref_get(struct bch_fs *c, enum bch_write_ref ref)
1059 {
1060 #ifdef BCH_WRITE_REF_DEBUG
1061         atomic_long_inc(&c->writes[ref]);
1062 #else
1063         percpu_ref_get(&c->writes);
1064 #endif
1065 }
1066
1067 static inline bool bch2_write_ref_tryget(struct bch_fs *c, enum bch_write_ref ref)
1068 {
1069 #ifdef BCH_WRITE_REF_DEBUG
1070         return !test_bit(BCH_FS_GOING_RO, &c->flags) &&
1071                 atomic_long_inc_not_zero(&c->writes[ref]);
1072 #else
1073         return percpu_ref_tryget_live(&c->writes);
1074 #endif
1075 }
1076
1077 static inline void bch2_write_ref_put(struct bch_fs *c, enum bch_write_ref ref)
1078 {
1079 #ifdef BCH_WRITE_REF_DEBUG
1080         long v = atomic_long_dec_return(&c->writes[ref]);
1081
1082         BUG_ON(v < 0);
1083         if (v)
1084                 return;
1085         for (unsigned i = 0; i < BCH_WRITE_REF_NR; i++)
1086                 if (atomic_long_read(&c->writes[i]))
1087                         return;
1088
1089         set_bit(BCH_FS_WRITE_DISABLE_COMPLETE, &c->flags);
1090         wake_up(&bch2_read_only_wait);
1091 #else
1092         percpu_ref_put(&c->writes);
1093 #endif
1094 }
1095
1096 static inline void bch2_set_ra_pages(struct bch_fs *c, unsigned ra_pages)
1097 {
1098 #ifndef NO_BCACHEFS_FS
1099         if (c->vfs_sb)
1100                 c->vfs_sb->s_bdi->ra_pages = ra_pages;
1101 #endif
1102 }
1103
1104 static inline unsigned bucket_bytes(const struct bch_dev *ca)
1105 {
1106         return ca->mi.bucket_size << 9;
1107 }
1108
1109 static inline unsigned block_bytes(const struct bch_fs *c)
1110 {
1111         return c->opts.block_size;
1112 }
1113
1114 static inline unsigned block_sectors(const struct bch_fs *c)
1115 {
1116         return c->opts.block_size >> 9;
1117 }
1118
1119 static inline size_t btree_sectors(const struct bch_fs *c)
1120 {
1121         return c->opts.btree_node_size >> 9;
1122 }
1123
1124 static inline bool btree_id_cached(const struct bch_fs *c, enum btree_id btree)
1125 {
1126         return c->btree_key_cache_btrees & (1U << btree);
1127 }
1128
1129 static inline struct timespec64 bch2_time_to_timespec(const struct bch_fs *c, s64 time)
1130 {
1131         struct timespec64 t;
1132         s32 rem;
1133
1134         time += c->sb.time_base_lo;
1135
1136         t.tv_sec = div_s64_rem(time, c->sb.time_units_per_sec, &rem);
1137         t.tv_nsec = rem * c->sb.nsec_per_time_unit;
1138         return t;
1139 }
1140
1141 static inline s64 timespec_to_bch2_time(const struct bch_fs *c, struct timespec64 ts)
1142 {
1143         return (ts.tv_sec * c->sb.time_units_per_sec +
1144                 (int) ts.tv_nsec / c->sb.nsec_per_time_unit) - c->sb.time_base_lo;
1145 }
1146
1147 static inline s64 bch2_current_time(const struct bch_fs *c)
1148 {
1149         struct timespec64 now;
1150
1151         ktime_get_coarse_real_ts64(&now);
1152         return timespec_to_bch2_time(c, now);
1153 }
1154
1155 static inline bool bch2_dev_exists2(const struct bch_fs *c, unsigned dev)
1156 {
1157         return dev < c->sb.nr_devices && c->devs[dev];
1158 }
1159
1160 #define BKEY_PADDED_ONSTACK(key, pad)                           \
1161         struct { struct bkey_i key; __u64 key ## _pad[pad]; }
1162
1163 #endif /* _BCACHEFS_H */