]> git.sesse.net Git - bcachefs-tools-debian/blob - libbcachefs/bset.h
Update bcachefs sources to 14ce2a2031 bcachefs: fixes for building in userspace
[bcachefs-tools-debian] / libbcachefs / bset.h
1 #ifndef _BCACHEFS_BSET_H
2 #define _BCACHEFS_BSET_H
3
4 #include <linux/kernel.h>
5 #include <linux/types.h>
6
7 #include "bcachefs_format.h"
8 #include "bkey.h"
9 #include "bkey_methods.h"
10 #include "btree_types.h"
11 #include "util.h" /* for time_stats */
12 #include "vstructs.h"
13
14 /*
15  * BKEYS:
16  *
17  * A bkey contains a key, a size field, a variable number of pointers, and some
18  * ancillary flag bits.
19  *
20  * We use two different functions for validating bkeys, bkey_invalid and
21  * bkey_deleted().
22  *
23  * The one exception to the rule that ptr_invalid() filters out invalid keys is
24  * that it also filters out keys of size 0 - these are keys that have been
25  * completely overwritten. It'd be safe to delete these in memory while leaving
26  * them on disk, just unnecessary work - so we filter them out when resorting
27  * instead.
28  *
29  * We can't filter out stale keys when we're resorting, because garbage
30  * collection needs to find them to ensure bucket gens don't wrap around -
31  * unless we're rewriting the btree node those stale keys still exist on disk.
32  *
33  * We also implement functions here for removing some number of sectors from the
34  * front or the back of a bkey - this is mainly used for fixing overlapping
35  * extents, by removing the overlapping sectors from the older key.
36  *
37  * BSETS:
38  *
39  * A bset is an array of bkeys laid out contiguously in memory in sorted order,
40  * along with a header. A btree node is made up of a number of these, written at
41  * different times.
42  *
43  * There could be many of them on disk, but we never allow there to be more than
44  * 4 in memory - we lazily resort as needed.
45  *
46  * We implement code here for creating and maintaining auxiliary search trees
47  * (described below) for searching an individial bset, and on top of that we
48  * implement a btree iterator.
49  *
50  * BTREE ITERATOR:
51  *
52  * Most of the code in bcache doesn't care about an individual bset - it needs
53  * to search entire btree nodes and iterate over them in sorted order.
54  *
55  * The btree iterator code serves both functions; it iterates through the keys
56  * in a btree node in sorted order, starting from either keys after a specific
57  * point (if you pass it a search key) or the start of the btree node.
58  *
59  * AUXILIARY SEARCH TREES:
60  *
61  * Since keys are variable length, we can't use a binary search on a bset - we
62  * wouldn't be able to find the start of the next key. But binary searches are
63  * slow anyways, due to terrible cache behaviour; bcache originally used binary
64  * searches and that code topped out at under 50k lookups/second.
65  *
66  * So we need to construct some sort of lookup table. Since we only insert keys
67  * into the last (unwritten) set, most of the keys within a given btree node are
68  * usually in sets that are mostly constant. We use two different types of
69  * lookup tables to take advantage of this.
70  *
71  * Both lookup tables share in common that they don't index every key in the
72  * set; they index one key every BSET_CACHELINE bytes, and then a linear search
73  * is used for the rest.
74  *
75  * For sets that have been written to disk and are no longer being inserted
76  * into, we construct a binary search tree in an array - traversing a binary
77  * search tree in an array gives excellent locality of reference and is very
78  * fast, since both children of any node are adjacent to each other in memory
79  * (and their grandchildren, and great grandchildren...) - this means
80  * prefetching can be used to great effect.
81  *
82  * It's quite useful performance wise to keep these nodes small - not just
83  * because they're more likely to be in L2, but also because we can prefetch
84  * more nodes on a single cacheline and thus prefetch more iterations in advance
85  * when traversing this tree.
86  *
87  * Nodes in the auxiliary search tree must contain both a key to compare against
88  * (we don't want to fetch the key from the set, that would defeat the purpose),
89  * and a pointer to the key. We use a few tricks to compress both of these.
90  *
91  * To compress the pointer, we take advantage of the fact that one node in the
92  * search tree corresponds to precisely BSET_CACHELINE bytes in the set. We have
93  * a function (to_inorder()) that takes the index of a node in a binary tree and
94  * returns what its index would be in an inorder traversal, so we only have to
95  * store the low bits of the offset.
96  *
97  * The key is 84 bits (KEY_DEV + key->key, the offset on the device). To
98  * compress that,  we take advantage of the fact that when we're traversing the
99  * search tree at every iteration we know that both our search key and the key
100  * we're looking for lie within some range - bounded by our previous
101  * comparisons. (We special case the start of a search so that this is true even
102  * at the root of the tree).
103  *
104  * So we know the key we're looking for is between a and b, and a and b don't
105  * differ higher than bit 50, we don't need to check anything higher than bit
106  * 50.
107  *
108  * We don't usually need the rest of the bits, either; we only need enough bits
109  * to partition the key range we're currently checking.  Consider key n - the
110  * key our auxiliary search tree node corresponds to, and key p, the key
111  * immediately preceding n.  The lowest bit we need to store in the auxiliary
112  * search tree is the highest bit that differs between n and p.
113  *
114  * Note that this could be bit 0 - we might sometimes need all 80 bits to do the
115  * comparison. But we'd really like our nodes in the auxiliary search tree to be
116  * of fixed size.
117  *
118  * The solution is to make them fixed size, and when we're constructing a node
119  * check if p and n differed in the bits we needed them to. If they don't we
120  * flag that node, and when doing lookups we fallback to comparing against the
121  * real key. As long as this doesn't happen to often (and it seems to reliably
122  * happen a bit less than 1% of the time), we win - even on failures, that key
123  * is then more likely to be in cache than if we were doing binary searches all
124  * the way, since we're touching so much less memory.
125  *
126  * The keys in the auxiliary search tree are stored in (software) floating
127  * point, with an exponent and a mantissa. The exponent needs to be big enough
128  * to address all the bits in the original key, but the number of bits in the
129  * mantissa is somewhat arbitrary; more bits just gets us fewer failures.
130  *
131  * We need 7 bits for the exponent and 3 bits for the key's offset (since keys
132  * are 8 byte aligned); using 22 bits for the mantissa means a node is 4 bytes.
133  * We need one node per 128 bytes in the btree node, which means the auxiliary
134  * search trees take up 3% as much memory as the btree itself.
135  *
136  * Constructing these auxiliary search trees is moderately expensive, and we
137  * don't want to be constantly rebuilding the search tree for the last set
138  * whenever we insert another key into it. For the unwritten set, we use a much
139  * simpler lookup table - it's just a flat array, so index i in the lookup table
140  * corresponds to the i range of BSET_CACHELINE bytes in the set. Indexing
141  * within each byte range works the same as with the auxiliary search trees.
142  *
143  * These are much easier to keep up to date when we insert a key - we do it
144  * somewhat lazily; when we shift a key up we usually just increment the pointer
145  * to it, only when it would overflow do we go to the trouble of finding the
146  * first key in that range of bytes again.
147  */
148
149 extern bool bch2_expensive_debug_checks;
150
151 static inline bool btree_keys_expensive_checks(const struct btree *b)
152 {
153 #ifdef CONFIG_BCACHEFS_DEBUG
154         return bch2_expensive_debug_checks || *b->expensive_debug_checks;
155 #else
156         return false;
157 #endif
158 }
159
160 struct btree_node_iter;
161 struct btree_node_iter_set;
162
163 enum bset_aux_tree_type {
164         BSET_NO_AUX_TREE,
165         BSET_RO_AUX_TREE,
166         BSET_RW_AUX_TREE,
167 };
168
169 #define BSET_TREE_NR_TYPES      3
170
171 #define BSET_NO_AUX_TREE_VAL    (U16_MAX)
172 #define BSET_RW_AUX_TREE_VAL    (U16_MAX - 1)
173
174 static inline enum bset_aux_tree_type bset_aux_tree_type(const struct bset_tree *t)
175 {
176         switch (t->extra) {
177         case BSET_NO_AUX_TREE_VAL:
178                 EBUG_ON(t->size);
179                 return BSET_NO_AUX_TREE;
180         case BSET_RW_AUX_TREE_VAL:
181                 EBUG_ON(!t->size);
182                 return BSET_RW_AUX_TREE;
183         default:
184                 EBUG_ON(!t->size);
185                 return BSET_RO_AUX_TREE;
186         }
187 }
188
189 typedef void (*compiled_unpack_fn)(struct bkey *, const struct bkey_packed *);
190
191 static inline struct bkey
192 bkey_unpack_key_format_checked(const struct btree *b,
193                                const struct bkey_packed *src)
194 {
195         struct bkey dst;
196
197 #ifdef HAVE_BCACHEFS_COMPILED_UNPACK
198         {
199                 compiled_unpack_fn unpack_fn = b->aux_data;
200                 unpack_fn(&dst, src);
201
202                 if (btree_keys_expensive_checks(b)) {
203                         struct bkey dst2 = __bch2_bkey_unpack_key(&b->format, src);
204
205                         /*
206                          * hack around a harmless race when compacting whiteouts
207                          * for a write:
208                          */
209                         dst2.needs_whiteout = dst.needs_whiteout;
210
211                         BUG_ON(memcmp(&dst, &dst2, sizeof(dst)));
212                 }
213         }
214 #else
215         dst = __bch2_bkey_unpack_key(&b->format, src);
216 #endif
217         return dst;
218 }
219
220 /**
221  * bkey_unpack_key -- unpack just the key, not the value
222  */
223 static inline struct bkey bkey_unpack_key(const struct btree *b,
224                                           const struct bkey_packed *src)
225 {
226         return likely(bkey_packed(src))
227                 ? bkey_unpack_key_format_checked(b, src)
228                 : *packed_to_bkey_c(src);
229 }
230
231 static inline struct bpos
232 bkey_unpack_pos_format_checked(const struct btree *b,
233                                const struct bkey_packed *src)
234 {
235 #ifdef HAVE_BCACHEFS_COMPILED_UNPACK
236         return bkey_unpack_key_format_checked(b, src).p;
237 #else
238         return __bkey_unpack_pos(&b->format, src);
239 #endif
240 }
241
242 static inline struct bpos bkey_unpack_pos(const struct btree *b,
243                                           const struct bkey_packed *src)
244 {
245         return likely(bkey_packed(src))
246                 ? bkey_unpack_pos_format_checked(b, src)
247                 : packed_to_bkey_c(src)->p;
248 }
249
250 /* Disassembled bkeys */
251
252 static inline struct bkey_s_c bkey_disassemble(struct btree *b,
253                                                const struct bkey_packed *k,
254                                                struct bkey *u)
255 {
256         *u = bkey_unpack_key(b, k);
257
258         return (struct bkey_s_c) { u, bkeyp_val(&b->format, k), };
259 }
260
261 /* non const version: */
262 static inline struct bkey_s __bkey_disassemble(struct btree *b,
263                                                struct bkey_packed *k,
264                                                struct bkey *u)
265 {
266         *u = bkey_unpack_key(b, k);
267
268         return (struct bkey_s) { .k = u, .v = bkeyp_val(&b->format, k), };
269 }
270
271 #define for_each_bset(_b, _t)                                   \
272         for (_t = (_b)->set; _t < (_b)->set + (_b)->nsets; _t++)
273
274 static inline bool bset_has_ro_aux_tree(struct bset_tree *t)
275 {
276         return bset_aux_tree_type(t) == BSET_RO_AUX_TREE;
277 }
278
279 static inline bool bset_has_rw_aux_tree(struct bset_tree *t)
280 {
281         return bset_aux_tree_type(t) == BSET_RW_AUX_TREE;
282 }
283
284 static inline void bch2_bset_set_no_aux_tree(struct btree *b,
285                                             struct bset_tree *t)
286 {
287         BUG_ON(t < b->set);
288
289         for (; t < b->set + ARRAY_SIZE(b->set); t++) {
290                 t->size = 0;
291                 t->extra = BSET_NO_AUX_TREE_VAL;
292                 t->aux_data_offset = U16_MAX;
293         }
294 }
295
296 static inline void btree_node_set_format(struct btree *b,
297                                          struct bkey_format f)
298 {
299         int len;
300
301         b->format       = f;
302         b->nr_key_bits  = bkey_format_key_bits(&f);
303
304         len = bch2_compile_bkey_format(&b->format, b->aux_data);
305         BUG_ON(len < 0 || len > U8_MAX);
306
307         b->unpack_fn_len = len;
308
309         bch2_bset_set_no_aux_tree(b, b->set);
310 }
311
312 static inline struct bset *bset_next_set(struct btree *b,
313                                          unsigned block_bytes)
314 {
315         struct bset *i = btree_bset_last(b);
316
317         EBUG_ON(!is_power_of_2(block_bytes));
318
319         return ((void *) i) + round_up(vstruct_bytes(i), block_bytes);
320 }
321
322 void bch2_btree_keys_free(struct btree *);
323 int bch2_btree_keys_alloc(struct btree *, unsigned, gfp_t);
324 void bch2_btree_keys_init(struct btree *, bool *);
325
326 void bch2_bset_init_first(struct btree *, struct bset *);
327 void bch2_bset_init_next(struct btree *, struct bset *);
328 void bch2_bset_build_aux_tree(struct btree *, struct bset_tree *, bool);
329 void bch2_bset_fix_invalidated_key(struct btree *, struct bset_tree *,
330                                   struct bkey_packed *);
331
332 void bch2_bset_insert(struct btree *, struct btree_node_iter *,
333                      struct bkey_packed *, struct bkey_i *, unsigned);
334 void bch2_bset_delete(struct btree *, struct bkey_packed *, unsigned);
335
336 /* Bkey utility code */
337
338 /* packed or unpacked */
339 static inline int bkey_cmp_p_or_unp(const struct btree *b,
340                                     const struct bkey_packed *l,
341                                     const struct bkey_packed *r_packed,
342                                     struct bpos *r)
343 {
344         EBUG_ON(r_packed && !bkey_packed(r_packed));
345
346         if (unlikely(!bkey_packed(l)))
347                 return bkey_cmp(packed_to_bkey_c(l)->p, *r);
348
349         if (likely(r_packed))
350                 return __bch2_bkey_cmp_packed_format_checked(l, r_packed, b);
351
352         return __bch2_bkey_cmp_left_packed_format_checked(b, l, r);
353 }
354
355 /* Returns true if @k is after iterator position @pos */
356 static inline bool btree_iter_pos_cmp(struct bpos pos, const struct bkey *k,
357                                       bool strictly_greater)
358 {
359         int cmp = bkey_cmp(k->p, pos);
360
361         return cmp > 0 ||
362                 (cmp == 0 && !strictly_greater && !bkey_deleted(k));
363 }
364
365 static inline bool btree_iter_pos_cmp_packed(const struct btree *b,
366                                              struct bpos *pos,
367                                              const struct bkey_packed *k,
368                                              bool strictly_greater)
369 {
370         int cmp = bkey_cmp_left_packed(b, k, pos);
371
372         return cmp > 0 ||
373                 (cmp == 0 && !strictly_greater && !bkey_deleted(k));
374 }
375
376 static inline bool btree_iter_pos_cmp_p_or_unp(const struct btree *b,
377                                         struct bpos pos,
378                                         const struct bkey_packed *pos_packed,
379                                         const struct bkey_packed *k,
380                                         bool strictly_greater)
381 {
382         int cmp = bkey_cmp_p_or_unp(b, k, pos_packed, &pos);
383
384         return cmp > 0 ||
385                 (cmp == 0 && !strictly_greater && !bkey_deleted(k));
386 }
387
388 struct bset_tree *bch2_bkey_to_bset(struct btree *, struct bkey_packed *);
389 struct bkey_packed *bch2_bkey_prev_all(struct btree *, struct bset_tree *,
390                                   struct bkey_packed *);
391 struct bkey_packed *bch2_bkey_prev(struct btree *, struct bset_tree *,
392                                    struct bkey_packed *);
393
394 enum bch_extent_overlap {
395         BCH_EXTENT_OVERLAP_ALL          = 0,
396         BCH_EXTENT_OVERLAP_BACK         = 1,
397         BCH_EXTENT_OVERLAP_FRONT        = 2,
398         BCH_EXTENT_OVERLAP_MIDDLE       = 3,
399 };
400
401 /* Returns how k overlaps with m */
402 static inline enum bch_extent_overlap bch2_extent_overlap(const struct bkey *k,
403                                                          const struct bkey *m)
404 {
405         int cmp1 = bkey_cmp(k->p, m->p) < 0;
406         int cmp2 = bkey_cmp(bkey_start_pos(k),
407                             bkey_start_pos(m)) > 0;
408
409         return (cmp1 << 1) + cmp2;
410 }
411
412 /* Btree key iteration */
413
414 struct btree_node_iter {
415         u8              is_extents;
416         u16             used;
417
418         struct btree_node_iter_set {
419                 u16     k, end;
420         } data[MAX_BSETS];
421 };
422
423 static inline void __bch2_btree_node_iter_init(struct btree_node_iter *iter,
424                                               bool is_extents)
425 {
426         iter->used = 0;
427         iter->is_extents = is_extents;
428 }
429
430 void bch2_btree_node_iter_push(struct btree_node_iter *, struct btree *,
431                               const struct bkey_packed *,
432                               const struct bkey_packed *);
433 void bch2_btree_node_iter_init(struct btree_node_iter *, struct btree *,
434                               struct bpos, bool, bool);
435 void bch2_btree_node_iter_init_from_start(struct btree_node_iter *,
436                                          struct btree *, bool);
437 struct bkey_packed *bch2_btree_node_iter_bset_pos(struct btree_node_iter *,
438                                                  struct btree *,
439                                                  struct bset_tree *);
440
441 void bch2_btree_node_iter_sort(struct btree_node_iter *, struct btree *);
442 void bch2_btree_node_iter_advance(struct btree_node_iter *, struct btree *);
443
444 #define btree_node_iter_for_each(_iter, _set)                   \
445         for (_set = (_iter)->data;                              \
446              _set < (_iter)->data + (_iter)->used;              \
447              _set++)
448
449 static inline bool bch2_btree_node_iter_end(struct btree_node_iter *iter)
450 {
451         return !iter->used;
452 }
453
454 static inline int __btree_node_iter_cmp(bool is_extents,
455                                         struct btree *b,
456                                         struct bkey_packed *l,
457                                         struct bkey_packed *r)
458 {
459         /*
460          * For non extents, when keys compare equal the deleted keys have to
461          * come first - so that bch2_btree_node_iter_next_check() can detect
462          * duplicate nondeleted keys (and possibly other reasons?)
463          *
464          * For extents, bkey_deleted() is used as a proxy for k->size == 0, so
465          * deleted keys have to sort last.
466          */
467         return bkey_cmp_packed(b, l, r) ?: is_extents
468                 ? (int) bkey_deleted(l) - (int) bkey_deleted(r)
469                 : (int) bkey_deleted(r) - (int) bkey_deleted(l);
470 }
471
472 static inline int btree_node_iter_cmp(struct btree_node_iter *iter,
473                                       struct btree *b,
474                                       struct btree_node_iter_set l,
475                                       struct btree_node_iter_set r)
476 {
477         return __btree_node_iter_cmp(iter->is_extents, b,
478                         __btree_node_offset_to_key(b, l.k),
479                         __btree_node_offset_to_key(b, r.k));
480 }
481
482 static inline void __bch2_btree_node_iter_push(struct btree_node_iter *iter,
483                               struct btree *b,
484                               const struct bkey_packed *k,
485                               const struct bkey_packed *end)
486 {
487         if (k != end)
488                 iter->data[iter->used++] = (struct btree_node_iter_set) {
489                         __btree_node_key_to_offset(b, k),
490                         __btree_node_key_to_offset(b, end)
491                 };
492 }
493
494 static inline struct bkey_packed *
495 __bch2_btree_node_iter_peek_all(struct btree_node_iter *iter,
496                                struct btree *b)
497 {
498         return __btree_node_offset_to_key(b, iter->data->k);
499 }
500
501 static inline struct bkey_packed *
502 bch2_btree_node_iter_peek_all(struct btree_node_iter *iter,
503                              struct btree *b)
504 {
505         return bch2_btree_node_iter_end(iter)
506                 ? NULL
507                 : __bch2_btree_node_iter_peek_all(iter, b);
508 }
509
510 static inline struct bkey_packed *
511 bch2_btree_node_iter_peek(struct btree_node_iter *iter, struct btree *b)
512 {
513         struct bkey_packed *ret;
514
515         while ((ret = bch2_btree_node_iter_peek_all(iter, b)) &&
516                bkey_deleted(ret))
517                 bch2_btree_node_iter_advance(iter, b);
518
519         return ret;
520 }
521
522 static inline struct bkey_packed *
523 bch2_btree_node_iter_next_all(struct btree_node_iter *iter, struct btree *b)
524 {
525         struct bkey_packed *ret = bch2_btree_node_iter_peek_all(iter, b);
526
527         if (ret)
528                 bch2_btree_node_iter_advance(iter, b);
529
530         return ret;
531 }
532
533 struct bkey_packed *bch2_btree_node_iter_prev_all(struct btree_node_iter *,
534                                                  struct btree *);
535 struct bkey_packed *bch2_btree_node_iter_prev(struct btree_node_iter *,
536                                              struct btree *);
537
538 /*
539  * Iterates over all _live_ keys - skipping deleted (and potentially
540  * overlapping) keys
541  */
542 #define for_each_btree_node_key(b, k, iter, _is_extents)                \
543         for (bch2_btree_node_iter_init_from_start((iter), (b), (_is_extents));\
544              ((k) = bch2_btree_node_iter_peek(iter, b));                        \
545              bch2_btree_node_iter_advance(iter, b))
546
547 struct bkey_s_c bch2_btree_node_iter_peek_unpack(struct btree_node_iter *,
548                                                 struct btree *,
549                                                 struct bkey *);
550
551 #define for_each_btree_node_key_unpack(b, k, iter, _is_extents, unpacked)\
552         for (bch2_btree_node_iter_init_from_start((iter), (b), (_is_extents));\
553              (k = bch2_btree_node_iter_peek_unpack((iter), (b), (unpacked))).k;\
554              bch2_btree_node_iter_advance(iter, b))
555
556 /* Accounting: */
557
558 static inline void btree_keys_account_key(struct btree_nr_keys *n,
559                                           unsigned bset,
560                                           struct bkey_packed *k,
561                                           int sign)
562 {
563         n->live_u64s            += k->u64s * sign;
564         n->bset_u64s[bset]      += k->u64s * sign;
565
566         if (bkey_packed(k))
567                 n->packed_keys  += sign;
568         else
569                 n->unpacked_keys += sign;
570 }
571
572 #define btree_keys_account_key_add(_nr, _bset_idx, _k)          \
573         btree_keys_account_key(_nr, _bset_idx, _k, 1)
574 #define btree_keys_account_key_drop(_nr, _bset_idx, _k) \
575         btree_keys_account_key(_nr, _bset_idx, _k, -1)
576
577 struct bset_stats {
578         struct {
579                 size_t nr, bytes;
580         } sets[BSET_TREE_NR_TYPES];
581
582         size_t floats;
583         size_t failed_unpacked;
584         size_t failed_prev;
585         size_t failed_overflow;
586 };
587
588 void bch2_btree_keys_stats(struct btree *, struct bset_stats *);
589 int bch2_bkey_print_bfloat(struct btree *, struct bkey_packed *,
590                           char *, size_t);
591
592 /* Debug stuff */
593
594 void bch2_dump_bset(struct btree *, struct bset *, unsigned);
595 void bch2_dump_btree_node(struct btree *);
596 void bch2_dump_btree_node_iter(struct btree *, struct btree_node_iter *);
597
598 #ifdef CONFIG_BCACHEFS_DEBUG
599
600 void __bch2_verify_btree_nr_keys(struct btree *);
601 void bch2_btree_node_iter_verify(struct btree_node_iter *, struct btree *);
602 void bch2_verify_key_order(struct btree *, struct btree_node_iter *,
603                           struct bkey_packed *);
604
605 #else
606
607 static inline void __bch2_verify_btree_nr_keys(struct btree *b) {}
608 static inline void bch2_btree_node_iter_verify(struct btree_node_iter *iter,
609                                               struct btree *b) {}
610 static inline void bch2_verify_key_order(struct btree *b,
611                                         struct btree_node_iter *iter,
612                                         struct bkey_packed *where) {}
613 #endif
614
615 static inline void bch2_verify_btree_nr_keys(struct btree *b)
616 {
617         if (btree_keys_expensive_checks(b))
618                 __bch2_verify_btree_nr_keys(b);
619 }
620
621 #endif /* _BCACHEFS_BSET_H */