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[bcachefs-tools-debian] / libbcachefs / journal.h
1 #ifndef _BCACHE_JOURNAL_H
2 #define _BCACHE_JOURNAL_H
3
4 /*
5  * THE JOURNAL:
6  *
7  * The primary purpose of the journal is to log updates (insertions) to the
8  * b-tree, to avoid having to do synchronous updates to the b-tree on disk.
9  *
10  * Without the journal, the b-tree is always internally consistent on
11  * disk - and in fact, in the earliest incarnations bcache didn't have a journal
12  * but did handle unclean shutdowns by doing all index updates synchronously
13  * (with coalescing).
14  *
15  * Updates to interior nodes still happen synchronously and without the journal
16  * (for simplicity) - this may change eventually but updates to interior nodes
17  * are rare enough it's not a huge priority.
18  *
19  * This means the journal is relatively separate from the b-tree; it consists of
20  * just a list of keys and journal replay consists of just redoing those
21  * insertions in same order that they appear in the journal.
22  *
23  * PERSISTENCE:
24  *
25  * For synchronous updates (where we're waiting on the index update to hit
26  * disk), the journal entry will be written out immediately (or as soon as
27  * possible, if the write for the previous journal entry was still in flight).
28  *
29  * Synchronous updates are specified by passing a closure (@flush_cl) to
30  * bch2_btree_insert() or bch_btree_insert_node(), which then pass that parameter
31  * down to the journalling code. That closure will will wait on the journal
32  * write to complete (via closure_wait()).
33  *
34  * If the index update wasn't synchronous, the journal entry will be
35  * written out after 10 ms have elapsed, by default (the delay_ms field
36  * in struct journal).
37  *
38  * JOURNAL ENTRIES:
39  *
40  * A journal entry is variable size (struct jset), it's got a fixed length
41  * header and then a variable number of struct jset_entry entries.
42  *
43  * Journal entries are identified by monotonically increasing 64 bit sequence
44  * numbers - jset->seq; other places in the code refer to this sequence number.
45  *
46  * A jset_entry entry contains one or more bkeys (which is what gets inserted
47  * into the b-tree). We need a container to indicate which b-tree the key is
48  * for; also, the roots of the various b-trees are stored in jset_entry entries
49  * (one for each b-tree) - this lets us add new b-tree types without changing
50  * the on disk format.
51  *
52  * We also keep some things in the journal header that are logically part of the
53  * superblock - all the things that are frequently updated. This is for future
54  * bcache on raw flash support; the superblock (which will become another
55  * journal) can't be moved or wear leveled, so it contains just enough
56  * information to find the main journal, and the superblock only has to be
57  * rewritten when we want to move/wear level the main journal.
58  *
59  * JOURNAL LAYOUT ON DISK:
60  *
61  * The journal is written to a ringbuffer of buckets (which is kept in the
62  * superblock); the individual buckets are not necessarily contiguous on disk
63  * which means that journal entries are not allowed to span buckets, but also
64  * that we can resize the journal at runtime if desired (unimplemented).
65  *
66  * The journal buckets exist in the same pool as all the other buckets that are
67  * managed by the allocator and garbage collection - garbage collection marks
68  * the journal buckets as metadata buckets.
69  *
70  * OPEN/DIRTY JOURNAL ENTRIES:
71  *
72  * Open/dirty journal entries are journal entries that contain b-tree updates
73  * that have not yet been written out to the b-tree on disk. We have to track
74  * which journal entries are dirty, and we also have to avoid wrapping around
75  * the journal and overwriting old but still dirty journal entries with new
76  * journal entries.
77  *
78  * On disk, this is represented with the "last_seq" field of struct jset;
79  * last_seq is the first sequence number that journal replay has to replay.
80  *
81  * To avoid overwriting dirty journal entries on disk, we keep a mapping (in
82  * journal_device->seq) of for each journal bucket, the highest sequence number
83  * any journal entry it contains. Then, by comparing that against last_seq we
84  * can determine whether that journal bucket contains dirty journal entries or
85  * not.
86  *
87  * To track which journal entries are dirty, we maintain a fifo of refcounts
88  * (where each entry corresponds to a specific sequence number) - when a ref
89  * goes to 0, that journal entry is no longer dirty.
90  *
91  * Journalling of index updates is done at the same time as the b-tree itself is
92  * being modified (see btree_insert_key()); when we add the key to the journal
93  * the pending b-tree write takes a ref on the journal entry the key was added
94  * to. If a pending b-tree write would need to take refs on multiple dirty
95  * journal entries, it only keeps the ref on the oldest one (since a newer
96  * journal entry will still be replayed if an older entry was dirty).
97  *
98  * JOURNAL FILLING UP:
99  *
100  * There are two ways the journal could fill up; either we could run out of
101  * space to write to, or we could have too many open journal entries and run out
102  * of room in the fifo of refcounts. Since those refcounts are decremented
103  * without any locking we can't safely resize that fifo, so we handle it the
104  * same way.
105  *
106  * If the journal fills up, we start flushing dirty btree nodes until we can
107  * allocate space for a journal write again - preferentially flushing btree
108  * nodes that are pinning the oldest journal entries first.
109  */
110
111 #include <linux/hash.h>
112
113 #include "journal_types.h"
114
115 /*
116  * Only used for holding the journal entries we read in btree_journal_read()
117  * during cache_registration
118  */
119 struct journal_replay {
120         struct list_head        list;
121         struct jset             j;
122 };
123
124 static inline struct jset_entry *__jset_entry_type_next(struct jset *jset,
125                                         struct jset_entry *entry, unsigned type)
126 {
127         while (entry < vstruct_last(jset)) {
128                 if (JOURNAL_ENTRY_TYPE(entry) == type)
129                         return entry;
130
131                 entry = vstruct_next(entry);
132         }
133
134         return NULL;
135 }
136
137 #define for_each_jset_entry_type(entry, jset, type)                     \
138         for (entry = (jset)->start;                                     \
139              (entry = __jset_entry_type_next(jset, entry, type));       \
140              entry = vstruct_next(entry))
141
142 #define for_each_jset_key(k, _n, entry, jset)                           \
143         for_each_jset_entry_type(entry, jset, JOURNAL_ENTRY_BTREE_KEYS) \
144                 vstruct_for_each_safe(entry, k, _n)
145
146 #define JOURNAL_PIN     (32 * 1024)
147
148 static inline bool journal_pin_active(struct journal_entry_pin *pin)
149 {
150         return pin->pin_list != NULL;
151 }
152
153 static inline struct journal_entry_pin_list *
154 journal_seq_pin(struct journal *j, u64 seq)
155 {
156         return &j->pin.data[(size_t) seq & j->pin.mask];
157 }
158
159 void bch2_journal_pin_add(struct journal *, struct journal_res *,
160                           struct journal_entry_pin *, journal_pin_flush_fn);
161 void bch2_journal_pin_drop(struct journal *, struct journal_entry_pin *);
162 void bch2_journal_pin_add_if_older(struct journal *,
163                                   struct journal_entry_pin *,
164                                   struct journal_entry_pin *,
165                                   journal_pin_flush_fn);
166 void bch2_journal_flush_pins(struct journal *, u64);
167
168 struct closure;
169 struct bch_fs;
170 struct keylist;
171
172 struct bkey_i *bch2_journal_find_btree_root(struct bch_fs *, struct jset *,
173                                            enum btree_id, unsigned *);
174
175 int bch2_journal_seq_should_ignore(struct bch_fs *, u64, struct btree *);
176
177 u64 bch2_inode_journal_seq(struct journal *, u64);
178
179 static inline int journal_state_count(union journal_res_state s, int idx)
180 {
181         return idx == 0 ? s.buf0_count : s.buf1_count;
182 }
183
184 static inline void journal_state_inc(union journal_res_state *s)
185 {
186         s->buf0_count += s->idx == 0;
187         s->buf1_count += s->idx == 1;
188 }
189
190 static inline void bch2_journal_set_has_inode(struct journal_buf *buf, u64 inum)
191 {
192         set_bit(hash_64(inum, ilog2(sizeof(buf->has_inode) * 8)), buf->has_inode);
193 }
194
195 /*
196  * Amount of space that will be taken up by some keys in the journal (i.e.
197  * including the jset header)
198  */
199 static inline unsigned jset_u64s(unsigned u64s)
200 {
201         return u64s + sizeof(struct jset_entry) / sizeof(u64);
202 }
203
204 static inline void bch2_journal_add_entry_at(struct journal_buf *buf,
205                                             const void *data, size_t u64s,
206                                             unsigned type, enum btree_id id,
207                                             unsigned level, unsigned offset)
208 {
209         struct jset_entry *entry = vstruct_idx(buf->data, offset);
210
211         entry->u64s = cpu_to_le16(u64s);
212         entry->btree_id = id;
213         entry->level = level;
214         entry->flags = 0;
215         SET_JOURNAL_ENTRY_TYPE(entry, type);
216
217         memcpy_u64s(entry->_data, data, u64s);
218 }
219
220 static inline void bch2_journal_add_keys(struct journal *j, struct journal_res *res,
221                                         enum btree_id id, const struct bkey_i *k)
222 {
223         struct journal_buf *buf = &j->buf[res->idx];
224         unsigned actual = jset_u64s(k->k.u64s);
225
226         EBUG_ON(!res->ref);
227         BUG_ON(actual > res->u64s);
228
229         bch2_journal_set_has_inode(buf, k->k.p.inode);
230
231         bch2_journal_add_entry_at(buf, k, k->k.u64s,
232                                  JOURNAL_ENTRY_BTREE_KEYS, id,
233                                  0, res->offset);
234
235         res->offset     += actual;
236         res->u64s       -= actual;
237 }
238
239 void bch2_journal_buf_put_slowpath(struct journal *, bool);
240
241 static inline void bch2_journal_buf_put(struct journal *j, unsigned idx,
242                                        bool need_write_just_set)
243 {
244         union journal_res_state s;
245
246         s.v = atomic64_sub_return(((union journal_res_state) {
247                                     .buf0_count = idx == 0,
248                                     .buf1_count = idx == 1,
249                                     }).v, &j->reservations.counter);
250
251         EBUG_ON(s.idx != idx && !s.prev_buf_unwritten);
252
253         /*
254          * Do not initiate a journal write if the journal is in an error state
255          * (previous journal entry write may have failed)
256          */
257         if (s.idx != idx &&
258             !journal_state_count(s, idx) &&
259             s.cur_entry_offset != JOURNAL_ENTRY_ERROR_VAL)
260                 bch2_journal_buf_put_slowpath(j, need_write_just_set);
261 }
262
263 /*
264  * This function releases the journal write structure so other threads can
265  * then proceed to add their keys as well.
266  */
267 static inline void bch2_journal_res_put(struct journal *j,
268                                        struct journal_res *res)
269 {
270         if (!res->ref)
271                 return;
272
273         lock_release(&j->res_map, 0, _RET_IP_);
274
275         while (res->u64s) {
276                 bch2_journal_add_entry_at(&j->buf[res->idx], NULL, 0,
277                                          JOURNAL_ENTRY_BTREE_KEYS,
278                                          0, 0, res->offset);
279                 res->offset     += jset_u64s(0);
280                 res->u64s       -= jset_u64s(0);
281         }
282
283         bch2_journal_buf_put(j, res->idx, false);
284
285         res->ref = 0;
286 }
287
288 int bch2_journal_res_get_slowpath(struct journal *, struct journal_res *,
289                                  unsigned, unsigned);
290
291 static inline int journal_res_get_fast(struct journal *j,
292                                        struct journal_res *res,
293                                        unsigned u64s_min,
294                                        unsigned u64s_max)
295 {
296         union journal_res_state old, new;
297         u64 v = atomic64_read(&j->reservations.counter);
298
299         do {
300                 old.v = new.v = v;
301
302                 /*
303                  * Check if there is still room in the current journal
304                  * entry:
305                  */
306                 if (old.cur_entry_offset + u64s_min > j->cur_entry_u64s)
307                         return 0;
308
309                 res->offset     = old.cur_entry_offset;
310                 res->u64s       = min(u64s_max, j->cur_entry_u64s -
311                                       old.cur_entry_offset);
312
313                 journal_state_inc(&new);
314                 new.cur_entry_offset += res->u64s;
315         } while ((v = atomic64_cmpxchg(&j->reservations.counter,
316                                        old.v, new.v)) != old.v);
317
318         res->ref = true;
319         res->idx = new.idx;
320         res->seq = le64_to_cpu(j->buf[res->idx].data->seq);
321         return 1;
322 }
323
324 static inline int bch2_journal_res_get(struct journal *j, struct journal_res *res,
325                                       unsigned u64s_min, unsigned u64s_max)
326 {
327         int ret;
328
329         EBUG_ON(res->ref);
330         EBUG_ON(u64s_max < u64s_min);
331
332         if (journal_res_get_fast(j, res, u64s_min, u64s_max))
333                 goto out;
334
335         ret = bch2_journal_res_get_slowpath(j, res, u64s_min, u64s_max);
336         if (ret)
337                 return ret;
338 out:
339         lock_acquire_shared(&j->res_map, 0, 0, NULL, _THIS_IP_);
340         EBUG_ON(!res->ref);
341         return 0;
342 }
343
344 void bch2_journal_wait_on_seq(struct journal *, u64, struct closure *);
345 void bch2_journal_flush_seq_async(struct journal *, u64, struct closure *);
346 void bch2_journal_flush_async(struct journal *, struct closure *);
347 void bch2_journal_meta_async(struct journal *, struct closure *);
348
349 int bch2_journal_flush_seq(struct journal *, u64);
350 int bch2_journal_flush(struct journal *);
351 int bch2_journal_meta(struct journal *);
352
353 void bch2_journal_halt(struct journal *);
354
355 static inline int bch2_journal_error(struct journal *j)
356 {
357         return j->reservations.cur_entry_offset == JOURNAL_ENTRY_ERROR_VAL
358                 ? -EIO : 0;
359 }
360
361 static inline bool journal_flushes_device(struct bch_dev *ca)
362 {
363         return true;
364 }
365
366 void bch2_journal_start(struct bch_fs *);
367 int bch2_journal_mark(struct bch_fs *, struct list_head *);
368 void bch2_journal_entries_free(struct list_head *);
369 int bch2_journal_read(struct bch_fs *, struct list_head *);
370 int bch2_journal_replay(struct bch_fs *, struct list_head *);
371
372 static inline void bch2_journal_set_replay_done(struct journal *j)
373 {
374         BUG_ON(!test_bit(JOURNAL_STARTED, &j->flags));
375         set_bit(JOURNAL_REPLAY_DONE, &j->flags);
376 }
377
378 ssize_t bch2_journal_print_debug(struct journal *, char *);
379 ssize_t bch2_journal_print_pins(struct journal *, char *);
380
381 int bch2_dev_journal_alloc(struct bch_dev *);
382
383 static inline unsigned bch2_nr_journal_buckets(struct bch_sb_field_journal *j)
384 {
385         return j
386                 ? (__le64 *) vstruct_end(&j->field) - j->buckets
387                 : 0;
388 }
389
390 int bch2_journal_move(struct bch_dev *);
391
392 void bch2_fs_journal_stop(struct journal *);
393 void bch2_dev_journal_exit(struct bch_dev *);
394 int bch2_dev_journal_init(struct bch_dev *, struct bch_sb *);
395 void bch2_fs_journal_exit(struct journal *);
396 int bch2_fs_journal_init(struct journal *);
397
398 #endif /* _BCACHE_JOURNAL_H */