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

   1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
   2 #ifndef _BCACHEFS_JOURNAL_H
   3 #define _BCACHEFS_JOURNAL_H
   4
   5 /*
   6  * THE JOURNAL:
   7  *
   8  * The primary purpose of the journal is to log updates (insertions) to the
   9  * b-tree, to avoid having to do synchronous updates to the b-tree on disk.
  10  *
  11  * Without the journal, the b-tree is always internally consistent on
  12  * disk - and in fact, in the earliest incarnations bcache didn't have a journal
  13  * but did handle unclean shutdowns by doing all index updates synchronously
  14  * (with coalescing).
  15  *
  16  * Updates to interior nodes still happen synchronously and without the journal
  17  * (for simplicity) - this may change eventually but updates to interior nodes
  18  * are rare enough it's not a huge priority.
  19  *
  20  * This means the journal is relatively separate from the b-tree; it consists of
  21  * just a list of keys and journal replay consists of just redoing those
  22  * insertions in same order that they appear in the journal.
  23  *
  24  * PERSISTENCE:
  25  *
  26  * For synchronous updates (where we're waiting on the index update to hit
  27  * disk), the journal entry will be written out immediately (or as soon as
  28  * possible, if the write for the previous journal entry was still in flight).
  29  *
  30  * Synchronous updates are specified by passing a closure (@flush_cl) to
  31  * bch2_btree_insert() or bch_btree_insert_node(), which then pass that parameter
  32  * down to the journalling code. That closure will wait on the journal write to
  33  * complete (via closure_wait()).
  34  *
  35  * If the index update wasn't synchronous, the journal entry will be
  36  * written out after 10 ms have elapsed, by default (the delay_ms field
  37  * in struct journal).
  38  *
  39  * JOURNAL ENTRIES:
  40  *
  41  * A journal entry is variable size (struct jset), it's got a fixed length
  42  * header and then a variable number of struct jset_entry entries.
  43  *
  44  * Journal entries are identified by monotonically increasing 64 bit sequence
  45  * numbers - jset->seq; other places in the code refer to this sequence number.
  46  *
  47  * A jset_entry entry contains one or more bkeys (which is what gets inserted
  48  * into the b-tree). We need a container to indicate which b-tree the key is
  49  * for; also, the roots of the various b-trees are stored in jset_entry entries
  50  * (one for each b-tree) - this lets us add new b-tree types without changing
  51  * the on disk format.
  52  *
  53  * We also keep some things in the journal header that are logically part of the
  54  * superblock - all the things that are frequently updated. This is for future
  55  * bcache on raw flash support; the superblock (which will become another
  56  * journal) can't be moved or wear leveled, so it contains just enough
  57  * information to find the main journal, and the superblock only has to be
  58  * rewritten when we want to move/wear level the main journal.
  59  *
  60  * JOURNAL LAYOUT ON DISK:
  61  *
  62  * The journal is written to a ringbuffer of buckets (which is kept in the
  63  * superblock); the individual buckets are not necessarily contiguous on disk
  64  * which means that journal entries are not allowed to span buckets, but also
  65  * that we can resize the journal at runtime if desired (unimplemented).
  66  *
  67  * The journal buckets exist in the same pool as all the other buckets that are
  68  * managed by the allocator and garbage collection - garbage collection marks
  69  * the journal buckets as metadata buckets.
  70  *
  71  * OPEN/DIRTY JOURNAL ENTRIES:
  72  *
  73  * Open/dirty journal entries are journal entries that contain b-tree updates
  74  * that have not yet been written out to the b-tree on disk. We have to track
  75  * which journal entries are dirty, and we also have to avoid wrapping around
  76  * the journal and overwriting old but still dirty journal entries with new
  77  * journal entries.
  78  *
  79  * On disk, this is represented with the "last_seq" field of struct jset;
  80  * last_seq is the first sequence number that journal replay has to replay.
  81  *
  82  * To avoid overwriting dirty journal entries on disk, we keep a mapping (in
  83  * journal_device->seq) of for each journal bucket, the highest sequence number
  84  * any journal entry it contains. Then, by comparing that against last_seq we
  85  * can determine whether that journal bucket contains dirty journal entries or
  86  * not.
  87  *
  88  * To track which journal entries are dirty, we maintain a fifo of refcounts
  89  * (where each entry corresponds to a specific sequence number) - when a ref
  90  * goes to 0, that journal entry is no longer dirty.
  91  *
  92  * Journalling of index updates is done at the same time as the b-tree itself is
  93  * being modified (see btree_insert_key()); when we add the key to the journal
  94  * the pending b-tree write takes a ref on the journal entry the key was added
  95  * to. If a pending b-tree write would need to take refs on multiple dirty
  96  * journal entries, it only keeps the ref on the oldest one (since a newer
  97  * journal entry will still be replayed if an older entry was dirty).
  98  *
  99  * JOURNAL FILLING UP:
 100  *
 101  * There are two ways the journal could fill up; either we could run out of
 102  * space to write to, or we could have too many open journal entries and run out
 103  * of room in the fifo of refcounts. Since those refcounts are decremented
 104  * without any locking we can't safely resize that fifo, so we handle it the
 105  * same way.
 106  *
 107  * If the journal fills up, we start flushing dirty btree nodes until we can
 108  * allocate space for a journal write again - preferentially flushing btree
 109  * nodes that are pinning the oldest journal entries first.
 110  */
 111
 112 #include <linux/hash.h>
 113 #include <linux/prefetch.h>
 114
 115 #include "journal_types.h"
 116
 117 struct bch_fs;
 118
 119 static inline void journal_wake(struct journal *j)
 120 {
 121         wake_up(&j->wait);
 122         closure_wake_up(&j->async_wait);
 123         closure_wake_up(&j->preres_wait);
 124 }
 125
 126 static inline struct journal_buf *journal_cur_buf(struct journal *j)
 127 {
 128         return j->buf + j->reservations.idx;
 129 }
 130
 131 /* Sequence number of oldest dirty journal entry */
 132
 133 static inline u64 journal_last_seq(struct journal *j)
 134 {
 135         return j->pin.front;
 136 }
 137
 138 static inline u64 journal_cur_seq(struct journal *j)
 139 {
 140         EBUG_ON(j->pin.back - 1 != atomic64_read(&j->seq));
 141
 142         return j->pin.back - 1;
 143 }
 144
 145 static inline u64 journal_last_unwritten_seq(struct journal *j)
 146 {
 147         return j->seq_ondisk + 1;
 148 }
 149
 150 static inline int journal_state_count(union journal_res_state s, int idx)
 151 {
 152         switch (idx) {
 153         case 0: return s.buf0_count;
 154         case 1: return s.buf1_count;
 155         case 2: return s.buf2_count;
 156         case 3: return s.buf3_count;
 157         }
 158         BUG();
 159 }
 160
 161 static inline void journal_state_inc(union journal_res_state *s)
 162 {
 163         s->buf0_count += s->idx == 0;
 164         s->buf1_count += s->idx == 1;
 165         s->buf2_count += s->idx == 2;
 166         s->buf3_count += s->idx == 3;
 167 }
 168
 169 /*
 170  * Amount of space that will be taken up by some keys in the journal (i.e.
 171  * including the jset header)
 172  */
 173 static inline unsigned jset_u64s(unsigned u64s)
 174 {
 175         return u64s + sizeof(struct jset_entry) / sizeof(u64);
 176 }
 177
 178 static inline int journal_entry_overhead(struct journal *j)
 179 {
 180         return sizeof(struct jset) / sizeof(u64) + j->entry_u64s_reserved;
 181 }
 182
 183 static inline struct jset_entry *
 184 bch2_journal_add_entry_noreservation(struct journal_buf *buf, size_t u64s)
 185 {
 186         struct jset *jset = buf->data;
 187         struct jset_entry *entry = vstruct_idx(jset, le32_to_cpu(jset->u64s));
 188
 189         memset(entry, 0, sizeof(*entry));
 190         entry->u64s = cpu_to_le16(u64s);
 191
 192         le32_add_cpu(&jset->u64s, jset_u64s(u64s));
 193
 194         return entry;
 195 }
 196
 197 static inline struct jset_entry *
 198 journal_res_entry(struct journal *j, struct journal_res *res)
 199 {
 200         return vstruct_idx(j->buf[res->idx].data, res->offset);
 201 }
 202
 203 static inline unsigned journal_entry_init(struct jset_entry *entry, unsigned type,
 204                                           enum btree_id id, unsigned level,
 205                                           unsigned u64s)
 206 {
 207         entry->u64s     = cpu_to_le16(u64s);
 208         entry->btree_id = id;
 209         entry->level    = level;
 210         entry->type     = type;
 211         entry->pad[0]   = 0;
 212         entry->pad[1]   = 0;
 213         entry->pad[2]   = 0;
 214         return jset_u64s(u64s);
 215 }
 216
 217 static inline unsigned journal_entry_set(struct jset_entry *entry, unsigned type,
 218                                           enum btree_id id, unsigned level,
 219                                           const void *data, unsigned u64s)
 220 {
 221         unsigned ret = journal_entry_init(entry, type, id, level, u64s);
 222
 223         memcpy_u64s_small(entry->_data, data, u64s);
 224         return ret;
 225 }
 226
 227 static inline struct jset_entry *
 228 bch2_journal_add_entry(struct journal *j, struct journal_res *res,
 229                          unsigned type, enum btree_id id,
 230                          unsigned level, unsigned u64s)
 231 {
 232         struct jset_entry *entry = journal_res_entry(j, res);
 233         unsigned actual = journal_entry_init(entry, type, id, level, u64s);
 234
 235         EBUG_ON(!res->ref);
 236         EBUG_ON(actual > res->u64s);
 237
 238         res->offset     += actual;
 239         res->u64s       -= actual;
 240         return entry;
 241 }
 242
 243 static inline bool journal_entry_empty(struct jset *j)
 244 {
 245         struct jset_entry *i;
 246
 247         if (j->seq != j->last_seq)
 248                 return false;
 249
 250         vstruct_for_each(j, i)
 251                 if (i->type == BCH_JSET_ENTRY_btree_keys && i->u64s)
 252                         return false;
 253         return true;
 254 }
 255
 256 void __bch2_journal_buf_put(struct journal *);
 257
 258 static inline void bch2_journal_buf_put(struct journal *j, unsigned idx)
 259 {
 260         union journal_res_state s;
 261
 262         s.v = atomic64_sub_return(((union journal_res_state) {
 263                                     .buf0_count = idx == 0,
 264                                     .buf1_count = idx == 1,
 265                                     .buf2_count = idx == 2,
 266                                     .buf3_count = idx == 3,
 267                                     }).v, &j->reservations.counter);
 268
 269         if (!journal_state_count(s, idx) && idx == s.unwritten_idx)
 270                 __bch2_journal_buf_put(j);
 271 }
 272
 273 /*
 274  * This function releases the journal write structure so other threads can
 275  * then proceed to add their keys as well.
 276  */
 277 static inline void bch2_journal_res_put(struct journal *j,
 278                                        struct journal_res *res)
 279 {
 280         if (!res->ref)
 281                 return;
 282
 283         lock_release(&j->res_map, _THIS_IP_);
 284
 285         while (res->u64s)
 286                 bch2_journal_add_entry(j, res,
 287                                        BCH_JSET_ENTRY_btree_keys,
 288                                        0, 0, 0);
 289
 290         bch2_journal_buf_put(j, res->idx);
 291
 292         res->ref = 0;
 293 }
 294
 295 int bch2_journal_res_get_slowpath(struct journal *, struct journal_res *,
 296                                   unsigned);
 297
 298 /* First two bits for JOURNAL_WATERMARK: */
 299 #define JOURNAL_RES_GET_NONBLOCK        (1 << 2)
 300 #define JOURNAL_RES_GET_CHECK           (1 << 3)
 301
 302 static inline int journal_res_get_fast(struct journal *j,
 303                                        struct journal_res *res,
 304                                        unsigned flags)
 305 {
 306         union journal_res_state old, new;
 307         u64 v = atomic64_read(&j->reservations.counter);
 308         unsigned u64s, offset;
 309
 310         do {
 311                 old.v = new.v = v;
 312
 313                 /*
 314                  * Round up the end of the journal reservation to the next
 315                  * cacheline boundary:
 316                  */
 317                 u64s = res->u64s;
 318                 offset = sizeof(struct jset) / sizeof(u64) +
 319                           new.cur_entry_offset + u64s;
 320                 u64s += ((offset - 1) & ((SMP_CACHE_BYTES / sizeof(u64)) - 1)) + 1;
 321
 322
 323                 /*
 324                  * Check if there is still room in the current journal
 325                  * entry:
 326                  */
 327                 if (new.cur_entry_offset + u64s > j->cur_entry_u64s)
 328                         return 0;
 329
 330                 EBUG_ON(!journal_state_count(new, new.idx));
 331
 332                 if ((flags & JOURNAL_WATERMARK_MASK) < j->watermark)
 333                         return 0;
 334
 335                 new.cur_entry_offset += u64s;
 336                 journal_state_inc(&new);
 337
 338                 /*
 339                  * If the refcount would overflow, we have to wait:
 340                  * XXX - tracepoint this:
 341                  */
 342                 if (!journal_state_count(new, new.idx))
 343                         return 0;
 344
 345                 if (flags & JOURNAL_RES_GET_CHECK)
 346                         return 1;
 347         } while ((v = atomic64_cmpxchg(&j->reservations.counter,
 348                                        old.v, new.v)) != old.v);
 349
 350         res->ref        = true;
 351         res->idx        = old.idx;
 352         res->u64s       = u64s;
 353         res->offset     = old.cur_entry_offset;
 354         res->seq        = le64_to_cpu(j->buf[old.idx].data->seq);
 355
 356         offset = res->offset;
 357         while (offset < res->offset + res->u64s) {
 358                 prefetchw(vstruct_idx(j->buf[res->idx].data, offset));
 359                 offset += SMP_CACHE_BYTES / sizeof(u64);
 360         }
 361         return 1;
 362 }
 363
 364 static inline int bch2_journal_res_get(struct journal *j, struct journal_res *res,
 365                                        unsigned u64s, unsigned flags)
 366 {
 367         int ret;
 368
 369         EBUG_ON(res->ref);
 370         EBUG_ON(!test_bit(JOURNAL_STARTED, &j->flags));
 371
 372         res->u64s = u64s;
 373
 374         if (journal_res_get_fast(j, res, flags))
 375                 goto out;
 376
 377         ret = bch2_journal_res_get_slowpath(j, res, flags);
 378         if (ret)
 379                 return ret;
 380 out:
 381         if (!(flags & JOURNAL_RES_GET_CHECK)) {
 382                 lock_acquire_shared(&j->res_map, 0,
 383                                     (flags & JOURNAL_RES_GET_NONBLOCK) != 0,
 384                                     NULL, _THIS_IP_);
 385                 EBUG_ON(!res->ref);
 386         }
 387         return 0;
 388 }
 389
 390 /* journal_preres: */
 391
 392 static inline void journal_set_watermark(struct journal *j)
 393 {
 394         union journal_preres_state s = READ_ONCE(j->prereserved);
 395         unsigned watermark = JOURNAL_WATERMARK_any;
 396
 397         if (fifo_free(&j->pin) < j->pin.size / 4)
 398                 watermark = max_t(unsigned, watermark, JOURNAL_WATERMARK_copygc);
 399         if (fifo_free(&j->pin) < j->pin.size / 8)
 400                 watermark = max_t(unsigned, watermark, JOURNAL_WATERMARK_reserved);
 401
 402         if (s.reserved > s.remaining)
 403                 watermark = max_t(unsigned, watermark, JOURNAL_WATERMARK_copygc);
 404         if (!s.remaining)
 405                 watermark = max_t(unsigned, watermark, JOURNAL_WATERMARK_reserved);
 406
 407         if (watermark == j->watermark)
 408                 return;
 409
 410         swap(watermark, j->watermark);
 411         if (watermark > j->watermark)
 412                 journal_wake(j);
 413 }
 414
 415 static inline void bch2_journal_preres_put(struct journal *j,
 416                                            struct journal_preres *res)
 417 {
 418         union journal_preres_state s = { .reserved = res->u64s };
 419
 420         if (!res->u64s)
 421                 return;
 422
 423         s.v = atomic64_sub_return(s.v, &j->prereserved.counter);
 424         res->u64s = 0;
 425
 426         if (unlikely(s.waiting)) {
 427                 clear_bit(ilog2((((union journal_preres_state) { .waiting = 1 }).v)),
 428                           (unsigned long *) &j->prereserved.v);
 429                 closure_wake_up(&j->preres_wait);
 430         }
 431
 432         if (s.reserved <= s.remaining && j->watermark)
 433                 journal_set_watermark(j);
 434 }
 435
 436 int __bch2_journal_preres_get(struct journal *,
 437                         struct journal_preres *, unsigned, unsigned);
 438
 439 static inline int bch2_journal_preres_get_fast(struct journal *j,
 440                                                struct journal_preres *res,
 441                                                unsigned new_u64s,
 442                                                unsigned flags,
 443                                                bool set_waiting)
 444 {
 445         int d = new_u64s - res->u64s;
 446         union journal_preres_state old, new;
 447         u64 v = atomic64_read(&j->prereserved.counter);
 448         int ret;
 449
 450         do {
 451                 old.v = new.v = v;
 452                 ret = 0;
 453
 454                 if ((flags & JOURNAL_WATERMARK_reserved) ||
 455                     new.reserved + d < new.remaining) {
 456                         new.reserved += d;
 457                         ret = 1;
 458                 } else if (set_waiting && !new.waiting)
 459                         new.waiting = true;
 460                 else
 461                         return 0;
 462         } while ((v = atomic64_cmpxchg(&j->prereserved.counter,
 463                                        old.v, new.v)) != old.v);
 464
 465         if (ret)
 466                 res->u64s += d;
 467         return ret;
 468 }
 469
 470 static inline int bch2_journal_preres_get(struct journal *j,
 471                                           struct journal_preres *res,
 472                                           unsigned new_u64s,
 473                                           unsigned flags)
 474 {
 475         if (new_u64s <= res->u64s)
 476                 return 0;
 477
 478         if (bch2_journal_preres_get_fast(j, res, new_u64s, flags, false))
 479                 return 0;
 480
 481         if (flags & JOURNAL_RES_GET_NONBLOCK)
 482                 return -EAGAIN;
 483
 484         return __bch2_journal_preres_get(j, res, new_u64s, flags);
 485 }
 486
 487 /* journal_entry_res: */
 488
 489 void bch2_journal_entry_res_resize(struct journal *,
 490                                    struct journal_entry_res *,
 491                                    unsigned);
 492
 493 int bch2_journal_flush_seq_async(struct journal *, u64, struct closure *);
 494 void bch2_journal_flush_async(struct journal *, struct closure *);
 495
 496 int bch2_journal_flush_seq(struct journal *, u64);
 497 int bch2_journal_flush(struct journal *);
 498 bool bch2_journal_noflush_seq(struct journal *, u64);
 499 int bch2_journal_meta(struct journal *);
 500 int bch2_journal_log_msg(struct journal *, const char *, ...);
 501
 502 void bch2_journal_halt(struct journal *);
 503
 504 static inline int bch2_journal_error(struct journal *j)
 505 {
 506         return j->reservations.cur_entry_offset == JOURNAL_ENTRY_ERROR_VAL
 507                 ? -EIO : 0;
 508 }
 509
 510 struct bch_dev;
 511
 512 static inline void bch2_journal_set_replay_done(struct journal *j)
 513 {
 514         BUG_ON(!test_bit(JOURNAL_STARTED, &j->flags));
 515         set_bit(JOURNAL_REPLAY_DONE, &j->flags);
 516 }
 517
 518 void bch2_journal_unblock(struct journal *);
 519 void bch2_journal_block(struct journal *);
 520
 521 void __bch2_journal_debug_to_text(struct printbuf *, struct journal *);
 522 void bch2_journal_debug_to_text(struct printbuf *, struct journal *);
 523 void bch2_journal_pins_to_text(struct printbuf *, struct journal *);
 524 bool bch2_journal_seq_pins_to_text(struct printbuf *, struct journal *, u64 *);
 525
 526 int bch2_set_nr_journal_buckets(struct bch_fs *, struct bch_dev *,
 527                                 unsigned nr);
 528 int bch2_dev_journal_alloc(struct bch_dev *);
 529
 530 void bch2_dev_journal_stop(struct journal *, struct bch_dev *);
 531
 532 void bch2_fs_journal_stop(struct journal *);
 533 int bch2_fs_journal_start(struct journal *, u64);
 534
 535 void bch2_dev_journal_exit(struct bch_dev *);
 536 int bch2_dev_journal_init(struct bch_dev *, struct bch_sb *);
 537 void bch2_fs_journal_exit(struct journal *);
 538 int bch2_fs_journal_init(struct journal *);
 539
 540 #endif /* _BCACHEFS_JOURNAL_H */