GNU Linux-libre 5.13.14-gnu1
[releases.git] / block / bfq-iosched.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
2 /*
3  * Budget Fair Queueing (BFQ) I/O scheduler.
4  *
5  * Based on ideas and code from CFQ:
6  * Copyright (C) 2003 Jens Axboe <axboe@kernel.dk>
7  *
8  * Copyright (C) 2008 Fabio Checconi <fabio@gandalf.sssup.it>
9  *                    Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
10  *
11  * Copyright (C) 2010 Paolo Valente <paolo.valente@unimore.it>
12  *                    Arianna Avanzini <avanzini@google.com>
13  *
14  * Copyright (C) 2017 Paolo Valente <paolo.valente@linaro.org>
15  *
16  * BFQ is a proportional-share I/O scheduler, with some extra
17  * low-latency capabilities. BFQ also supports full hierarchical
18  * scheduling through cgroups. Next paragraphs provide an introduction
19  * on BFQ inner workings. Details on BFQ benefits, usage and
20  * limitations can be found in Documentation/block/bfq-iosched.rst.
21  *
22  * BFQ is a proportional-share storage-I/O scheduling algorithm based
23  * on the slice-by-slice service scheme of CFQ. But BFQ assigns
24  * budgets, measured in number of sectors, to processes instead of
25  * time slices. The device is not granted to the in-service process
26  * for a given time slice, but until it has exhausted its assigned
27  * budget. This change from the time to the service domain enables BFQ
28  * to distribute the device throughput among processes as desired,
29  * without any distortion due to throughput fluctuations, or to device
30  * internal queueing. BFQ uses an ad hoc internal scheduler, called
31  * B-WF2Q+, to schedule processes according to their budgets. More
32  * precisely, BFQ schedules queues associated with processes. Each
33  * process/queue is assigned a user-configurable weight, and B-WF2Q+
34  * guarantees that each queue receives a fraction of the throughput
35  * proportional to its weight. Thanks to the accurate policy of
36  * B-WF2Q+, BFQ can afford to assign high budgets to I/O-bound
37  * processes issuing sequential requests (to boost the throughput),
38  * and yet guarantee a low latency to interactive and soft real-time
39  * applications.
40  *
41  * In particular, to provide these low-latency guarantees, BFQ
42  * explicitly privileges the I/O of two classes of time-sensitive
43  * applications: interactive and soft real-time. In more detail, BFQ
44  * behaves this way if the low_latency parameter is set (default
45  * configuration). This feature enables BFQ to provide applications in
46  * these classes with a very low latency.
47  *
48  * To implement this feature, BFQ constantly tries to detect whether
49  * the I/O requests in a bfq_queue come from an interactive or a soft
50  * real-time application. For brevity, in these cases, the queue is
51  * said to be interactive or soft real-time. In both cases, BFQ
52  * privileges the service of the queue, over that of non-interactive
53  * and non-soft-real-time queues. This privileging is performed,
54  * mainly, by raising the weight of the queue. So, for brevity, we
55  * call just weight-raising periods the time periods during which a
56  * queue is privileged, because deemed interactive or soft real-time.
57  *
58  * The detection of soft real-time queues/applications is described in
59  * detail in the comments on the function
60  * bfq_bfqq_softrt_next_start. On the other hand, the detection of an
61  * interactive queue works as follows: a queue is deemed interactive
62  * if it is constantly non empty only for a limited time interval,
63  * after which it does become empty. The queue may be deemed
64  * interactive again (for a limited time), if it restarts being
65  * constantly non empty, provided that this happens only after the
66  * queue has remained empty for a given minimum idle time.
67  *
68  * By default, BFQ computes automatically the above maximum time
69  * interval, i.e., the time interval after which a constantly
70  * non-empty queue stops being deemed interactive. Since a queue is
71  * weight-raised while it is deemed interactive, this maximum time
72  * interval happens to coincide with the (maximum) duration of the
73  * weight-raising for interactive queues.
74  *
75  * Finally, BFQ also features additional heuristics for
76  * preserving both a low latency and a high throughput on NCQ-capable,
77  * rotational or flash-based devices, and to get the job done quickly
78  * for applications consisting in many I/O-bound processes.
79  *
80  * NOTE: if the main or only goal, with a given device, is to achieve
81  * the maximum-possible throughput at all times, then do switch off
82  * all low-latency heuristics for that device, by setting low_latency
83  * to 0.
84  *
85  * BFQ is described in [1], where also a reference to the initial,
86  * more theoretical paper on BFQ can be found. The interested reader
87  * can find in the latter paper full details on the main algorithm, as
88  * well as formulas of the guarantees and formal proofs of all the
89  * properties.  With respect to the version of BFQ presented in these
90  * papers, this implementation adds a few more heuristics, such as the
91  * ones that guarantee a low latency to interactive and soft real-time
92  * applications, and a hierarchical extension based on H-WF2Q+.
93  *
94  * B-WF2Q+ is based on WF2Q+, which is described in [2], together with
95  * H-WF2Q+, while the augmented tree used here to implement B-WF2Q+
96  * with O(log N) complexity derives from the one introduced with EEVDF
97  * in [3].
98  *
99  * [1] P. Valente, A. Avanzini, "Evolution of the BFQ Storage I/O
100  *     Scheduler", Proceedings of the First Workshop on Mobile System
101  *     Technologies (MST-2015), May 2015.
102  *     http://algogroup.unimore.it/people/paolo/disk_sched/mst-2015.pdf
103  *
104  * [2] Jon C.R. Bennett and H. Zhang, "Hierarchical Packet Fair Queueing
105  *     Algorithms", IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(5):675-689,
106  *     Oct 1997.
107  *
108  * http://www.cs.cmu.edu/~hzhang/papers/TON-97-Oct.ps.gz
109  *
110  * [3] I. Stoica and H. Abdel-Wahab, "Earliest Eligible Virtual Deadline
111  *     First: A Flexible and Accurate Mechanism for Proportional Share
112  *     Resource Allocation", technical report.
113  *
114  * http://www.cs.berkeley.edu/~istoica/papers/eevdf-tr-95.pdf
115  */
116 #include <linux/module.h>
117 #include <linux/slab.h>
118 #include <linux/blkdev.h>
119 #include <linux/cgroup.h>
120 #include <linux/elevator.h>
121 #include <linux/ktime.h>
122 #include <linux/rbtree.h>
123 #include <linux/ioprio.h>
124 #include <linux/sbitmap.h>
125 #include <linux/delay.h>
126 #include <linux/backing-dev.h>
127
128 #include <trace/events/block.h>
129
130 #include "blk.h"
131 #include "blk-mq.h"
132 #include "blk-mq-tag.h"
133 #include "blk-mq-sched.h"
134 #include "bfq-iosched.h"
135 #include "blk-wbt.h"
136
137 #define BFQ_BFQQ_FNS(name)                                              \
138 void bfq_mark_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                       \
139 {                                                                       \
140         __set_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);                        \
141 }                                                                       \
142 void bfq_clear_bfqq_##name(struct bfq_queue *bfqq)                      \
143 {                                                                       \
144         __clear_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);              \
145 }                                                                       \
146 int bfq_bfqq_##name(const struct bfq_queue *bfqq)                       \
147 {                                                                       \
148         return test_bit(BFQQF_##name, &(bfqq)->flags);          \
149 }
150
151 BFQ_BFQQ_FNS(just_created);
152 BFQ_BFQQ_FNS(busy);
153 BFQ_BFQQ_FNS(wait_request);
154 BFQ_BFQQ_FNS(non_blocking_wait_rq);
155 BFQ_BFQQ_FNS(fifo_expire);
156 BFQ_BFQQ_FNS(has_short_ttime);
157 BFQ_BFQQ_FNS(sync);
158 BFQ_BFQQ_FNS(IO_bound);
159 BFQ_BFQQ_FNS(in_large_burst);
160 BFQ_BFQQ_FNS(coop);
161 BFQ_BFQQ_FNS(split_coop);
162 BFQ_BFQQ_FNS(softrt_update);
163 #undef BFQ_BFQQ_FNS                                             \
164
165 /* Expiration time of async (0) and sync (1) requests, in ns. */
166 static const u64 bfq_fifo_expire[2] = { NSEC_PER_SEC / 4, NSEC_PER_SEC / 8 };
167
168 /* Maximum backwards seek (magic number lifted from CFQ), in KiB. */
169 static const int bfq_back_max = 16 * 1024;
170
171 /* Penalty of a backwards seek, in number of sectors. */
172 static const int bfq_back_penalty = 2;
173
174 /* Idling period duration, in ns. */
175 static u64 bfq_slice_idle = NSEC_PER_SEC / 125;
176
177 /* Minimum number of assigned budgets for which stats are safe to compute. */
178 static const int bfq_stats_min_budgets = 194;
179
180 /* Default maximum budget values, in sectors and number of requests. */
181 static const int bfq_default_max_budget = 16 * 1024;
182
183 /*
184  * When a sync request is dispatched, the queue that contains that
185  * request, and all the ancestor entities of that queue, are charged
186  * with the number of sectors of the request. In contrast, if the
187  * request is async, then the queue and its ancestor entities are
188  * charged with the number of sectors of the request, multiplied by
189  * the factor below. This throttles the bandwidth for async I/O,
190  * w.r.t. to sync I/O, and it is done to counter the tendency of async
191  * writes to steal I/O throughput to reads.
192  *
193  * The current value of this parameter is the result of a tuning with
194  * several hardware and software configurations. We tried to find the
195  * lowest value for which writes do not cause noticeable problems to
196  * reads. In fact, the lower this parameter, the stabler I/O control,
197  * in the following respect.  The lower this parameter is, the less
198  * the bandwidth enjoyed by a group decreases
199  * - when the group does writes, w.r.t. to when it does reads;
200  * - when other groups do reads, w.r.t. to when they do writes.
201  */
202 static const int bfq_async_charge_factor = 3;
203
204 /* Default timeout values, in jiffies, approximating CFQ defaults. */
205 const int bfq_timeout = HZ / 8;
206
207 /*
208  * Time limit for merging (see comments in bfq_setup_cooperator). Set
209  * to the slowest value that, in our tests, proved to be effective in
210  * removing false positives, while not causing true positives to miss
211  * queue merging.
212  *
213  * As can be deduced from the low time limit below, queue merging, if
214  * successful, happens at the very beginning of the I/O of the involved
215  * cooperating processes, as a consequence of the arrival of the very
216  * first requests from each cooperator.  After that, there is very
217  * little chance to find cooperators.
218  */
219 static const unsigned long bfq_merge_time_limit = HZ/10;
220
221 static struct kmem_cache *bfq_pool;
222
223 /* Below this threshold (in ns), we consider thinktime immediate. */
224 #define BFQ_MIN_TT              (2 * NSEC_PER_MSEC)
225
226 /* hw_tag detection: parallel requests threshold and min samples needed. */
227 #define BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD  3
228 #define BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES    32
229
230 #define BFQQ_SEEK_THR           (sector_t)(8 * 100)
231 #define BFQQ_SECT_THR_NONROT    (sector_t)(2 * 32)
232 #define BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, last_pos, rq) \
233         (get_sdist(last_pos, rq) >                      \
234          BFQQ_SEEK_THR &&                               \
235          (!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) ||             \
236           blk_rq_sectors(rq) < BFQQ_SECT_THR_NONROT))
237 #define BFQQ_CLOSE_THR          (sector_t)(8 * 1024)
238 #define BFQQ_SEEKY(bfqq)        (hweight32(bfqq->seek_history) > 19)
239 /*
240  * Sync random I/O is likely to be confused with soft real-time I/O,
241  * because it is characterized by limited throughput and apparently
242  * isochronous arrival pattern. To avoid false positives, queues
243  * containing only random (seeky) I/O are prevented from being tagged
244  * as soft real-time.
245  */
246 #define BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)        (bfqq->seek_history == -1)
247
248 /* Min number of samples required to perform peak-rate update */
249 #define BFQ_RATE_MIN_SAMPLES    32
250 /* Min observation time interval required to perform a peak-rate update (ns) */
251 #define BFQ_RATE_MIN_INTERVAL   (300*NSEC_PER_MSEC)
252 /* Target observation time interval for a peak-rate update (ns) */
253 #define BFQ_RATE_REF_INTERVAL   NSEC_PER_SEC
254
255 /*
256  * Shift used for peak-rate fixed precision calculations.
257  * With
258  * - the current shift: 16 positions
259  * - the current type used to store rate: u32
260  * - the current unit of measure for rate: [sectors/usec], or, more precisely,
261  *   [(sectors/usec) / 2^BFQ_RATE_SHIFT] to take into account the shift,
262  * the range of rates that can be stored is
263  * [1 / 2^BFQ_RATE_SHIFT, 2^(32 - BFQ_RATE_SHIFT)] sectors/usec =
264  * [1 / 2^16, 2^16] sectors/usec = [15e-6, 65536] sectors/usec =
265  * [15, 65G] sectors/sec
266  * Which, assuming a sector size of 512B, corresponds to a range of
267  * [7.5K, 33T] B/sec
268  */
269 #define BFQ_RATE_SHIFT          16
270
271 /*
272  * When configured for computing the duration of the weight-raising
273  * for interactive queues automatically (see the comments at the
274  * beginning of this file), BFQ does it using the following formula:
275  * duration = (ref_rate / r) * ref_wr_duration,
276  * where r is the peak rate of the device, and ref_rate and
277  * ref_wr_duration are two reference parameters.  In particular,
278  * ref_rate is the peak rate of the reference storage device (see
279  * below), and ref_wr_duration is about the maximum time needed, with
280  * BFQ and while reading two files in parallel, to load typical large
281  * applications on the reference device (see the comments on
282  * max_service_from_wr below, for more details on how ref_wr_duration
283  * is obtained).  In practice, the slower/faster the device at hand
284  * is, the more/less it takes to load applications with respect to the
285  * reference device.  Accordingly, the longer/shorter BFQ grants
286  * weight raising to interactive applications.
287  *
288  * BFQ uses two different reference pairs (ref_rate, ref_wr_duration),
289  * depending on whether the device is rotational or non-rotational.
290  *
291  * In the following definitions, ref_rate[0] and ref_wr_duration[0]
292  * are the reference values for a rotational device, whereas
293  * ref_rate[1] and ref_wr_duration[1] are the reference values for a
294  * non-rotational device. The reference rates are not the actual peak
295  * rates of the devices used as a reference, but slightly lower
296  * values. The reason for using slightly lower values is that the
297  * peak-rate estimator tends to yield slightly lower values than the
298  * actual peak rate (it can yield the actual peak rate only if there
299  * is only one process doing I/O, and the process does sequential
300  * I/O).
301  *
302  * The reference peak rates are measured in sectors/usec, left-shifted
303  * by BFQ_RATE_SHIFT.
304  */
305 static int ref_rate[2] = {14000, 33000};
306 /*
307  * To improve readability, a conversion function is used to initialize
308  * the following array, which entails that the array can be
309  * initialized only in a function.
310  */
311 static int ref_wr_duration[2];
312
313 /*
314  * BFQ uses the above-detailed, time-based weight-raising mechanism to
315  * privilege interactive tasks. This mechanism is vulnerable to the
316  * following false positives: I/O-bound applications that will go on
317  * doing I/O for much longer than the duration of weight
318  * raising. These applications have basically no benefit from being
319  * weight-raised at the beginning of their I/O. On the opposite end,
320  * while being weight-raised, these applications
321  * a) unjustly steal throughput to applications that may actually need
322  * low latency;
323  * b) make BFQ uselessly perform device idling; device idling results
324  * in loss of device throughput with most flash-based storage, and may
325  * increase latencies when used purposelessly.
326  *
327  * BFQ tries to reduce these problems, by adopting the following
328  * countermeasure. To introduce this countermeasure, we need first to
329  * finish explaining how the duration of weight-raising for
330  * interactive tasks is computed.
331  *
332  * For a bfq_queue deemed as interactive, the duration of weight
333  * raising is dynamically adjusted, as a function of the estimated
334  * peak rate of the device, so as to be equal to the time needed to
335  * execute the 'largest' interactive task we benchmarked so far. By
336  * largest task, we mean the task for which each involved process has
337  * to do more I/O than for any of the other tasks we benchmarked. This
338  * reference interactive task is the start-up of LibreOffice Writer,
339  * and in this task each process/bfq_queue needs to have at most ~110K
340  * sectors transferred.
341  *
342  * This last piece of information enables BFQ to reduce the actual
343  * duration of weight-raising for at least one class of I/O-bound
344  * applications: those doing sequential or quasi-sequential I/O. An
345  * example is file copy. In fact, once started, the main I/O-bound
346  * processes of these applications usually consume the above 110K
347  * sectors in much less time than the processes of an application that
348  * is starting, because these I/O-bound processes will greedily devote
349  * almost all their CPU cycles only to their target,
350  * throughput-friendly I/O operations. This is even more true if BFQ
351  * happens to be underestimating the device peak rate, and thus
352  * overestimating the duration of weight raising. But, according to
353  * our measurements, once transferred 110K sectors, these processes
354  * have no right to be weight-raised any longer.
355  *
356  * Basing on the last consideration, BFQ ends weight-raising for a
357  * bfq_queue if the latter happens to have received an amount of
358  * service at least equal to the following constant. The constant is
359  * set to slightly more than 110K, to have a minimum safety margin.
360  *
361  * This early ending of weight-raising reduces the amount of time
362  * during which interactive false positives cause the two problems
363  * described at the beginning of these comments.
364  */
365 static const unsigned long max_service_from_wr = 120000;
366
367 #define RQ_BIC(rq)              icq_to_bic((rq)->elv.priv[0])
368 #define RQ_BFQQ(rq)             ((rq)->elv.priv[1])
369
370 struct bfq_queue *bic_to_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
371 {
372         return bic->bfqq[is_sync];
373 }
374
375 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq);
376
377 void bic_set_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq, bool is_sync)
378 {
379         /*
380          * If bfqq != NULL, then a non-stable queue merge between
381          * bic->bfqq and bfqq is happening here. This causes troubles
382          * in the following case: bic->bfqq has also been scheduled
383          * for a possible stable merge with bic->stable_merge_bfqq,
384          * and bic->stable_merge_bfqq == bfqq happens to
385          * hold. Troubles occur because bfqq may then undergo a split,
386          * thereby becoming eligible for a stable merge. Yet, if
387          * bic->stable_merge_bfqq points exactly to bfqq, then bfqq
388          * would be stably merged with itself. To avoid this anomaly,
389          * we cancel the stable merge if
390          * bic->stable_merge_bfqq == bfqq.
391          */
392         bic->bfqq[is_sync] = bfqq;
393
394         if (bfqq && bic->stable_merge_bfqq == bfqq) {
395                 /*
396                  * Actually, these same instructions are executed also
397                  * in bfq_setup_cooperator, in case of abort or actual
398                  * execution of a stable merge. We could avoid
399                  * repeating these instructions there too, but if we
400                  * did so, we would nest even more complexity in this
401                  * function.
402                  */
403                 bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
404
405                 bic->stable_merge_bfqq = NULL;
406         }
407 }
408
409 struct bfq_data *bic_to_bfqd(struct bfq_io_cq *bic)
410 {
411         return bic->icq.q->elevator->elevator_data;
412 }
413
414 /**
415  * icq_to_bic - convert iocontext queue structure to bfq_io_cq.
416  * @icq: the iocontext queue.
417  */
418 static struct bfq_io_cq *icq_to_bic(struct io_cq *icq)
419 {
420         /* bic->icq is the first member, %NULL will convert to %NULL */
421         return container_of(icq, struct bfq_io_cq, icq);
422 }
423
424 /**
425  * bfq_bic_lookup - search into @ioc a bic associated to @bfqd.
426  * @bfqd: the lookup key.
427  * @ioc: the io_context of the process doing I/O.
428  * @q: the request queue.
429  */
430 static struct bfq_io_cq *bfq_bic_lookup(struct bfq_data *bfqd,
431                                         struct io_context *ioc,
432                                         struct request_queue *q)
433 {
434         if (ioc) {
435                 unsigned long flags;
436                 struct bfq_io_cq *icq;
437
438                 spin_lock_irqsave(&q->queue_lock, flags);
439                 icq = icq_to_bic(ioc_lookup_icq(ioc, q));
440                 spin_unlock_irqrestore(&q->queue_lock, flags);
441
442                 return icq;
443         }
444
445         return NULL;
446 }
447
448 /*
449  * Scheduler run of queue, if there are requests pending and no one in the
450  * driver that will restart queueing.
451  */
452 void bfq_schedule_dispatch(struct bfq_data *bfqd)
453 {
454         if (bfqd->queued != 0) {
455                 bfq_log(bfqd, "schedule dispatch");
456                 blk_mq_run_hw_queues(bfqd->queue, true);
457         }
458 }
459
460 #define bfq_class_idle(bfqq)    ((bfqq)->ioprio_class == IOPRIO_CLASS_IDLE)
461
462 #define bfq_sample_valid(samples)       ((samples) > 80)
463
464 /*
465  * Lifted from AS - choose which of rq1 and rq2 that is best served now.
466  * We choose the request that is closer to the head right now.  Distance
467  * behind the head is penalized and only allowed to a certain extent.
468  */
469 static struct request *bfq_choose_req(struct bfq_data *bfqd,
470                                       struct request *rq1,
471                                       struct request *rq2,
472                                       sector_t last)
473 {
474         sector_t s1, s2, d1 = 0, d2 = 0;
475         unsigned long back_max;
476 #define BFQ_RQ1_WRAP    0x01 /* request 1 wraps */
477 #define BFQ_RQ2_WRAP    0x02 /* request 2 wraps */
478         unsigned int wrap = 0; /* bit mask: requests behind the disk head? */
479
480         if (!rq1 || rq1 == rq2)
481                 return rq2;
482         if (!rq2)
483                 return rq1;
484
485         if (rq_is_sync(rq1) && !rq_is_sync(rq2))
486                 return rq1;
487         else if (rq_is_sync(rq2) && !rq_is_sync(rq1))
488                 return rq2;
489         if ((rq1->cmd_flags & REQ_META) && !(rq2->cmd_flags & REQ_META))
490                 return rq1;
491         else if ((rq2->cmd_flags & REQ_META) && !(rq1->cmd_flags & REQ_META))
492                 return rq2;
493
494         s1 = blk_rq_pos(rq1);
495         s2 = blk_rq_pos(rq2);
496
497         /*
498          * By definition, 1KiB is 2 sectors.
499          */
500         back_max = bfqd->bfq_back_max * 2;
501
502         /*
503          * Strict one way elevator _except_ in the case where we allow
504          * short backward seeks which are biased as twice the cost of a
505          * similar forward seek.
506          */
507         if (s1 >= last)
508                 d1 = s1 - last;
509         else if (s1 + back_max >= last)
510                 d1 = (last - s1) * bfqd->bfq_back_penalty;
511         else
512                 wrap |= BFQ_RQ1_WRAP;
513
514         if (s2 >= last)
515                 d2 = s2 - last;
516         else if (s2 + back_max >= last)
517                 d2 = (last - s2) * bfqd->bfq_back_penalty;
518         else
519                 wrap |= BFQ_RQ2_WRAP;
520
521         /* Found required data */
522
523         /*
524          * By doing switch() on the bit mask "wrap" we avoid having to
525          * check two variables for all permutations: --> faster!
526          */
527         switch (wrap) {
528         case 0: /* common case for CFQ: rq1 and rq2 not wrapped */
529                 if (d1 < d2)
530                         return rq1;
531                 else if (d2 < d1)
532                         return rq2;
533
534                 if (s1 >= s2)
535                         return rq1;
536                 else
537                         return rq2;
538
539         case BFQ_RQ2_WRAP:
540                 return rq1;
541         case BFQ_RQ1_WRAP:
542                 return rq2;
543         case BFQ_RQ1_WRAP|BFQ_RQ2_WRAP: /* both rqs wrapped */
544         default:
545                 /*
546                  * Since both rqs are wrapped,
547                  * start with the one that's further behind head
548                  * (--> only *one* back seek required),
549                  * since back seek takes more time than forward.
550                  */
551                 if (s1 <= s2)
552                         return rq1;
553                 else
554                         return rq2;
555         }
556 }
557
558 /*
559  * Async I/O can easily starve sync I/O (both sync reads and sync
560  * writes), by consuming all tags. Similarly, storms of sync writes,
561  * such as those that sync(2) may trigger, can starve sync reads.
562  * Limit depths of async I/O and sync writes so as to counter both
563  * problems.
564  */
565 static void bfq_limit_depth(unsigned int op, struct blk_mq_alloc_data *data)
566 {
567         struct bfq_data *bfqd = data->q->elevator->elevator_data;
568
569         if (op_is_sync(op) && !op_is_write(op))
570                 return;
571
572         data->shallow_depth =
573                 bfqd->word_depths[!!bfqd->wr_busy_queues][op_is_sync(op)];
574
575         bfq_log(bfqd, "[%s] wr_busy %d sync %d depth %u",
576                         __func__, bfqd->wr_busy_queues, op_is_sync(op),
577                         data->shallow_depth);
578 }
579
580 static struct bfq_queue *
581 bfq_rq_pos_tree_lookup(struct bfq_data *bfqd, struct rb_root *root,
582                      sector_t sector, struct rb_node **ret_parent,
583                      struct rb_node ***rb_link)
584 {
585         struct rb_node **p, *parent;
586         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
587
588         parent = NULL;
589         p = &root->rb_node;
590         while (*p) {
591                 struct rb_node **n;
592
593                 parent = *p;
594                 bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
595
596                 /*
597                  * Sort strictly based on sector. Smallest to the left,
598                  * largest to the right.
599                  */
600                 if (sector > blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
601                         n = &(*p)->rb_right;
602                 else if (sector < blk_rq_pos(bfqq->next_rq))
603                         n = &(*p)->rb_left;
604                 else
605                         break;
606                 p = n;
607                 bfqq = NULL;
608         }
609
610         *ret_parent = parent;
611         if (rb_link)
612                 *rb_link = p;
613
614         bfq_log(bfqd, "rq_pos_tree_lookup %llu: returning %d",
615                 (unsigned long long)sector,
616                 bfqq ? bfqq->pid : 0);
617
618         return bfqq;
619 }
620
621 static bool bfq_too_late_for_merging(struct bfq_queue *bfqq)
622 {
623         return bfqq->service_from_backlogged > 0 &&
624                 time_is_before_jiffies(bfqq->first_IO_time +
625                                        bfq_merge_time_limit);
626 }
627
628 /*
629  * The following function is not marked as __cold because it is
630  * actually cold, but for the same performance goal described in the
631  * comments on the likely() at the beginning of
632  * bfq_setup_cooperator(). Unexpectedly, to reach an even lower
633  * execution time for the case where this function is not invoked, we
634  * had to add an unlikely() in each involved if().
635  */
636 void __cold
637 bfq_pos_tree_add_move(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
638 {
639         struct rb_node **p, *parent;
640         struct bfq_queue *__bfqq;
641
642         if (bfqq->pos_root) {
643                 rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
644                 bfqq->pos_root = NULL;
645         }
646
647         /* oom_bfqq does not participate in queue merging */
648         if (bfqq == &bfqd->oom_bfqq)
649                 return;
650
651         /*
652          * bfqq cannot be merged any longer (see comments in
653          * bfq_setup_cooperator): no point in adding bfqq into the
654          * position tree.
655          */
656         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
657                 return;
658
659         if (bfq_class_idle(bfqq))
660                 return;
661         if (!bfqq->next_rq)
662                 return;
663
664         bfqq->pos_root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
665         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, bfqq->pos_root,
666                         blk_rq_pos(bfqq->next_rq), &parent, &p);
667         if (!__bfqq) {
668                 rb_link_node(&bfqq->pos_node, parent, p);
669                 rb_insert_color(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
670         } else
671                 bfqq->pos_root = NULL;
672 }
673
674 /*
675  * The following function returns false either if every active queue
676  * must receive the same share of the throughput (symmetric scenario),
677  * or, as a special case, if bfqq must receive a share of the
678  * throughput lower than or equal to the share that every other active
679  * queue must receive.  If bfqq does sync I/O, then these are the only
680  * two cases where bfqq happens to be guaranteed its share of the
681  * throughput even if I/O dispatching is not plugged when bfqq remains
682  * temporarily empty (for more details, see the comments in the
683  * function bfq_better_to_idle()). For this reason, the return value
684  * of this function is used to check whether I/O-dispatch plugging can
685  * be avoided.
686  *
687  * The above first case (symmetric scenario) occurs when:
688  * 1) all active queues have the same weight,
689  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
690  * 3) all active groups at the same level in the groups tree have the same
691  *    weight,
692  * 4) all active groups at the same level in the groups tree have the same
693  *    number of children.
694  *
695  * Unfortunately, keeping the necessary state for evaluating exactly
696  * the last two symmetry sub-conditions above would be quite complex
697  * and time consuming. Therefore this function evaluates, instead,
698  * only the following stronger three sub-conditions, for which it is
699  * much easier to maintain the needed state:
700  * 1) all active queues have the same weight,
701  * 2) all active queues belong to the same I/O-priority class,
702  * 3) there are no active groups.
703  * In particular, the last condition is always true if hierarchical
704  * support or the cgroups interface are not enabled, thus no state
705  * needs to be maintained in this case.
706  */
707 static bool bfq_asymmetric_scenario(struct bfq_data *bfqd,
708                                    struct bfq_queue *bfqq)
709 {
710         bool smallest_weight = bfqq &&
711                 bfqq->weight_counter &&
712                 bfqq->weight_counter ==
713                 container_of(
714                         rb_first_cached(&bfqd->queue_weights_tree),
715                         struct bfq_weight_counter,
716                         weights_node);
717
718         /*
719          * For queue weights to differ, queue_weights_tree must contain
720          * at least two nodes.
721          */
722         bool varied_queue_weights = !smallest_weight &&
723                 !RB_EMPTY_ROOT(&bfqd->queue_weights_tree.rb_root) &&
724                 (bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_left ||
725                  bfqd->queue_weights_tree.rb_root.rb_node->rb_right);
726
727         bool multiple_classes_busy =
728                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[1]) ||
729                 (bfqd->busy_queues[0] && bfqd->busy_queues[2]) ||
730                 (bfqd->busy_queues[1] && bfqd->busy_queues[2]);
731
732         return varied_queue_weights || multiple_classes_busy
733 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
734                || bfqd->num_groups_with_pending_reqs > 0
735 #endif
736                 ;
737 }
738
739 /*
740  * If the weight-counter tree passed as input contains no counter for
741  * the weight of the input queue, then add that counter; otherwise just
742  * increment the existing counter.
743  *
744  * Note that weight-counter trees contain few nodes in mostly symmetric
745  * scenarios. For example, if all queues have the same weight, then the
746  * weight-counter tree for the queues may contain at most one node.
747  * This holds even if low_latency is on, because weight-raised queues
748  * are not inserted in the tree.
749  * In most scenarios, the rate at which nodes are created/destroyed
750  * should be low too.
751  */
752 void bfq_weights_tree_add(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
753                           struct rb_root_cached *root)
754 {
755         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
756         struct rb_node **new = &(root->rb_root.rb_node), *parent = NULL;
757         bool leftmost = true;
758
759         /*
760          * Do not insert if the queue is already associated with a
761          * counter, which happens if:
762          *   1) a request arrival has caused the queue to become both
763          *      non-weight-raised, and hence change its weight, and
764          *      backlogged; in this respect, each of the two events
765          *      causes an invocation of this function,
766          *   2) this is the invocation of this function caused by the
767          *      second event. This second invocation is actually useless,
768          *      and we handle this fact by exiting immediately. More
769          *      efficient or clearer solutions might possibly be adopted.
770          */
771         if (bfqq->weight_counter)
772                 return;
773
774         while (*new) {
775                 struct bfq_weight_counter *__counter = container_of(*new,
776                                                 struct bfq_weight_counter,
777                                                 weights_node);
778                 parent = *new;
779
780                 if (entity->weight == __counter->weight) {
781                         bfqq->weight_counter = __counter;
782                         goto inc_counter;
783                 }
784                 if (entity->weight < __counter->weight)
785                         new = &((*new)->rb_left);
786                 else {
787                         new = &((*new)->rb_right);
788                         leftmost = false;
789                 }
790         }
791
792         bfqq->weight_counter = kzalloc(sizeof(struct bfq_weight_counter),
793                                        GFP_ATOMIC);
794
795         /*
796          * In the unlucky event of an allocation failure, we just
797          * exit. This will cause the weight of queue to not be
798          * considered in bfq_asymmetric_scenario, which, in its turn,
799          * causes the scenario to be deemed wrongly symmetric in case
800          * bfqq's weight would have been the only weight making the
801          * scenario asymmetric.  On the bright side, no unbalance will
802          * however occur when bfqq becomes inactive again (the
803          * invocation of this function is triggered by an activation
804          * of queue).  In fact, bfq_weights_tree_remove does nothing
805          * if !bfqq->weight_counter.
806          */
807         if (unlikely(!bfqq->weight_counter))
808                 return;
809
810         bfqq->weight_counter->weight = entity->weight;
811         rb_link_node(&bfqq->weight_counter->weights_node, parent, new);
812         rb_insert_color_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root,
813                                 leftmost);
814
815 inc_counter:
816         bfqq->weight_counter->num_active++;
817         bfqq->ref++;
818 }
819
820 /*
821  * Decrement the weight counter associated with the queue, and, if the
822  * counter reaches 0, remove the counter from the tree.
823  * See the comments to the function bfq_weights_tree_add() for considerations
824  * about overhead.
825  */
826 void __bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
827                                struct bfq_queue *bfqq,
828                                struct rb_root_cached *root)
829 {
830         if (!bfqq->weight_counter)
831                 return;
832
833         bfqq->weight_counter->num_active--;
834         if (bfqq->weight_counter->num_active > 0)
835                 goto reset_entity_pointer;
836
837         rb_erase_cached(&bfqq->weight_counter->weights_node, root);
838         kfree(bfqq->weight_counter);
839
840 reset_entity_pointer:
841         bfqq->weight_counter = NULL;
842         bfq_put_queue(bfqq);
843 }
844
845 /*
846  * Invoke __bfq_weights_tree_remove on bfqq and decrement the number
847  * of active groups for each queue's inactive parent entity.
848  */
849 void bfq_weights_tree_remove(struct bfq_data *bfqd,
850                              struct bfq_queue *bfqq)
851 {
852         struct bfq_entity *entity = bfqq->entity.parent;
853
854         for_each_entity(entity) {
855                 struct bfq_sched_data *sd = entity->my_sched_data;
856
857                 if (sd->next_in_service || sd->in_service_entity) {
858                         /*
859                          * entity is still active, because either
860                          * next_in_service or in_service_entity is not
861                          * NULL (see the comments on the definition of
862                          * next_in_service for details on why
863                          * in_service_entity must be checked too).
864                          *
865                          * As a consequence, its parent entities are
866                          * active as well, and thus this loop must
867                          * stop here.
868                          */
869                         break;
870                 }
871
872                 /*
873                  * The decrement of num_groups_with_pending_reqs is
874                  * not performed immediately upon the deactivation of
875                  * entity, but it is delayed to when it also happens
876                  * that the first leaf descendant bfqq of entity gets
877                  * all its pending requests completed. The following
878                  * instructions perform this delayed decrement, if
879                  * needed. See the comments on
880                  * num_groups_with_pending_reqs for details.
881                  */
882                 if (entity->in_groups_with_pending_reqs) {
883                         entity->in_groups_with_pending_reqs = false;
884                         bfqd->num_groups_with_pending_reqs--;
885                 }
886         }
887
888         /*
889          * Next function is invoked last, because it causes bfqq to be
890          * freed if the following holds: bfqq is not in service and
891          * has no dispatched request. DO NOT use bfqq after the next
892          * function invocation.
893          */
894         __bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq,
895                                   &bfqd->queue_weights_tree);
896 }
897
898 /*
899  * Return expired entry, or NULL to just start from scratch in rbtree.
900  */
901 static struct request *bfq_check_fifo(struct bfq_queue *bfqq,
902                                       struct request *last)
903 {
904         struct request *rq;
905
906         if (bfq_bfqq_fifo_expire(bfqq))
907                 return NULL;
908
909         bfq_mark_bfqq_fifo_expire(bfqq);
910
911         rq = rq_entry_fifo(bfqq->fifo.next);
912
913         if (rq == last || ktime_get_ns() < rq->fifo_time)
914                 return NULL;
915
916         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "check_fifo: returned %p", rq);
917         return rq;
918 }
919
920 static struct request *bfq_find_next_rq(struct bfq_data *bfqd,
921                                         struct bfq_queue *bfqq,
922                                         struct request *last)
923 {
924         struct rb_node *rbnext = rb_next(&last->rb_node);
925         struct rb_node *rbprev = rb_prev(&last->rb_node);
926         struct request *next, *prev = NULL;
927
928         /* Follow expired path, else get first next available. */
929         next = bfq_check_fifo(bfqq, last);
930         if (next)
931                 return next;
932
933         if (rbprev)
934                 prev = rb_entry_rq(rbprev);
935
936         if (rbnext)
937                 next = rb_entry_rq(rbnext);
938         else {
939                 rbnext = rb_first(&bfqq->sort_list);
940                 if (rbnext && rbnext != &last->rb_node)
941                         next = rb_entry_rq(rbnext);
942         }
943
944         return bfq_choose_req(bfqd, next, prev, blk_rq_pos(last));
945 }
946
947 /* see the definition of bfq_async_charge_factor for details */
948 static unsigned long bfq_serv_to_charge(struct request *rq,
949                                         struct bfq_queue *bfqq)
950 {
951         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfqq->wr_coeff > 1 ||
952             bfq_asymmetric_scenario(bfqq->bfqd, bfqq))
953                 return blk_rq_sectors(rq);
954
955         return blk_rq_sectors(rq) * bfq_async_charge_factor;
956 }
957
958 /**
959  * bfq_updated_next_req - update the queue after a new next_rq selection.
960  * @bfqd: the device data the queue belongs to.
961  * @bfqq: the queue to update.
962  *
963  * If the first request of a queue changes we make sure that the queue
964  * has enough budget to serve at least its first request (if the
965  * request has grown).  We do this because if the queue has not enough
966  * budget for its first request, it has to go through two dispatch
967  * rounds to actually get it dispatched.
968  */
969 static void bfq_updated_next_req(struct bfq_data *bfqd,
970                                  struct bfq_queue *bfqq)
971 {
972         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
973         struct request *next_rq = bfqq->next_rq;
974         unsigned long new_budget;
975
976         if (!next_rq)
977                 return;
978
979         if (bfqq == bfqd->in_service_queue)
980                 /*
981                  * In order not to break guarantees, budgets cannot be
982                  * changed after an entity has been selected.
983                  */
984                 return;
985
986         new_budget = max_t(unsigned long,
987                            max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
988                                  bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq)),
989                            entity->service);
990         if (entity->budget != new_budget) {
991                 entity->budget = new_budget;
992                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "updated next rq: new budget %lu",
993                                          new_budget);
994                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, false);
995         }
996 }
997
998 static unsigned int bfq_wr_duration(struct bfq_data *bfqd)
999 {
1000         u64 dur;
1001
1002         if (bfqd->bfq_wr_max_time > 0)
1003                 return bfqd->bfq_wr_max_time;
1004
1005         dur = bfqd->rate_dur_prod;
1006         do_div(dur, bfqd->peak_rate);
1007
1008         /*
1009          * Limit duration between 3 and 25 seconds. The upper limit
1010          * has been conservatively set after the following worst case:
1011          * on a QEMU/KVM virtual machine
1012          * - running in a slow PC
1013          * - with a virtual disk stacked on a slow low-end 5400rpm HDD
1014          * - serving a heavy I/O workload, such as the sequential reading
1015          *   of several files
1016          * mplayer took 23 seconds to start, if constantly weight-raised.
1017          *
1018          * As for higher values than that accommodating the above bad
1019          * scenario, tests show that higher values would often yield
1020          * the opposite of the desired result, i.e., would worsen
1021          * responsiveness by allowing non-interactive applications to
1022          * preserve weight raising for too long.
1023          *
1024          * On the other end, lower values than 3 seconds make it
1025          * difficult for most interactive tasks to complete their jobs
1026          * before weight-raising finishes.
1027          */
1028         return clamp_val(dur, msecs_to_jiffies(3000), msecs_to_jiffies(25000));
1029 }
1030
1031 /* switch back from soft real-time to interactive weight raising */
1032 static void switch_back_to_interactive_wr(struct bfq_queue *bfqq,
1033                                           struct bfq_data *bfqd)
1034 {
1035         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1036         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1037         bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
1038 }
1039
1040 static void
1041 bfq_bfqq_resume_state(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd,
1042                       struct bfq_io_cq *bic, bool bfq_already_existing)
1043 {
1044         unsigned int old_wr_coeff = 1;
1045         bool busy = bfq_already_existing && bfq_bfqq_busy(bfqq);
1046
1047         if (bic->saved_has_short_ttime)
1048                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1049         else
1050                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
1051
1052         if (bic->saved_IO_bound)
1053                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1054         else
1055                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1056
1057         bfqq->last_serv_time_ns = bic->saved_last_serv_time_ns;
1058         bfqq->inject_limit = bic->saved_inject_limit;
1059         bfqq->decrease_time_jif = bic->saved_decrease_time_jif;
1060
1061         bfqq->entity.new_weight = bic->saved_weight;
1062         bfqq->ttime = bic->saved_ttime;
1063         bfqq->io_start_time = bic->saved_io_start_time;
1064         bfqq->tot_idle_time = bic->saved_tot_idle_time;
1065         /*
1066          * Restore weight coefficient only if low_latency is on
1067          */
1068         if (bfqd->low_latency) {
1069                 old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
1070                 bfqq->wr_coeff = bic->saved_wr_coeff;
1071         }
1072         bfqq->service_from_wr = bic->saved_service_from_wr;
1073         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt;
1074         bfqq->last_wr_start_finish = bic->saved_last_wr_start_finish;
1075         bfqq->wr_cur_max_time = bic->saved_wr_cur_max_time;
1076
1077         if (bfqq->wr_coeff > 1 && (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1078             time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
1079                                    bfqq->wr_cur_max_time))) {
1080                 if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
1081                     !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
1082                     time_is_after_eq_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
1083                                              bfq_wr_duration(bfqd))) {
1084                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
1085                 } else {
1086                         bfqq->wr_coeff = 1;
1087                         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
1088                                      "resume state: switching off wr");
1089                 }
1090         }
1091
1092         /* make sure weight will be updated, however we got here */
1093         bfqq->entity.prio_changed = 1;
1094
1095         if (likely(!busy))
1096                 return;
1097
1098         if (old_wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1)
1099                 bfqd->wr_busy_queues++;
1100         else if (old_wr_coeff > 1 && bfqq->wr_coeff == 1)
1101                 bfqd->wr_busy_queues--;
1102 }
1103
1104 static int bfqq_process_refs(struct bfq_queue *bfqq)
1105 {
1106         return bfqq->ref - bfqq->allocated - bfqq->entity.on_st_or_in_serv -
1107                 (bfqq->weight_counter != NULL) - bfqq->stable_ref;
1108 }
1109
1110 /* Empty burst list and add just bfqq (see comments on bfq_handle_burst) */
1111 static void bfq_reset_burst_list(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1112 {
1113         struct bfq_queue *item;
1114         struct hlist_node *n;
1115
1116         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqd->burst_list, burst_list_node)
1117                 hlist_del_init(&item->burst_list_node);
1118
1119         /*
1120          * Start the creation of a new burst list only if there is no
1121          * active queue. See comments on the conditional invocation of
1122          * bfq_handle_burst().
1123          */
1124         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0) {
1125                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1126                 bfqd->burst_size = 1;
1127         } else
1128                 bfqd->burst_size = 0;
1129
1130         bfqd->burst_parent_entity = bfqq->entity.parent;
1131 }
1132
1133 /* Add bfqq to the list of queues in current burst (see bfq_handle_burst) */
1134 static void bfq_add_to_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1135 {
1136         /* Increment burst size to take into account also bfqq */
1137         bfqd->burst_size++;
1138
1139         if (bfqd->burst_size == bfqd->bfq_large_burst_thresh) {
1140                 struct bfq_queue *pos, *bfqq_item;
1141                 struct hlist_node *n;
1142
1143                 /*
1144                  * Enough queues have been activated shortly after each
1145                  * other to consider this burst as large.
1146                  */
1147                 bfqd->large_burst = true;
1148
1149                 /*
1150                  * We can now mark all queues in the burst list as
1151                  * belonging to a large burst.
1152                  */
1153                 hlist_for_each_entry(bfqq_item, &bfqd->burst_list,
1154                                      burst_list_node)
1155                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq_item);
1156                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1157
1158                 /*
1159                  * From now on, and until the current burst finishes, any
1160                  * new queue being activated shortly after the last queue
1161                  * was inserted in the burst can be immediately marked as
1162                  * belonging to a large burst. So the burst list is not
1163                  * needed any more. Remove it.
1164                  */
1165                 hlist_for_each_entry_safe(pos, n, &bfqd->burst_list,
1166                                           burst_list_node)
1167                         hlist_del_init(&pos->burst_list_node);
1168         } else /*
1169                 * Burst not yet large: add bfqq to the burst list. Do
1170                 * not increment the ref counter for bfqq, because bfqq
1171                 * is removed from the burst list before freeing bfqq
1172                 * in put_queue.
1173                 */
1174                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node, &bfqd->burst_list);
1175 }
1176
1177 /*
1178  * If many queues belonging to the same group happen to be created
1179  * shortly after each other, then the processes associated with these
1180  * queues have typically a common goal. In particular, bursts of queue
1181  * creations are usually caused by services or applications that spawn
1182  * many parallel threads/processes. Examples are systemd during boot,
1183  * or git grep. To help these processes get their job done as soon as
1184  * possible, it is usually better to not grant either weight-raising
1185  * or device idling to their queues, unless these queues must be
1186  * protected from the I/O flowing through other active queues.
1187  *
1188  * In this comment we describe, firstly, the reasons why this fact
1189  * holds, and, secondly, the next function, which implements the main
1190  * steps needed to properly mark these queues so that they can then be
1191  * treated in a different way.
1192  *
1193  * The above services or applications benefit mostly from a high
1194  * throughput: the quicker the requests of the activated queues are
1195  * cumulatively served, the sooner the target job of these queues gets
1196  * completed. As a consequence, weight-raising any of these queues,
1197  * which also implies idling the device for it, is almost always
1198  * counterproductive, unless there are other active queues to isolate
1199  * these new queues from. If there no other active queues, then
1200  * weight-raising these new queues just lowers throughput in most
1201  * cases.
1202  *
1203  * On the other hand, a burst of queue creations may be caused also by
1204  * the start of an application that does not consist of a lot of
1205  * parallel I/O-bound threads. In fact, with a complex application,
1206  * several short processes may need to be executed to start-up the
1207  * application. In this respect, to start an application as quickly as
1208  * possible, the best thing to do is in any case to privilege the I/O
1209  * related to the application with respect to all other
1210  * I/O. Therefore, the best strategy to start as quickly as possible
1211  * an application that causes a burst of queue creations is to
1212  * weight-raise all the queues created during the burst. This is the
1213  * exact opposite of the best strategy for the other type of bursts.
1214  *
1215  * In the end, to take the best action for each of the two cases, the
1216  * two types of bursts need to be distinguished. Fortunately, this
1217  * seems relatively easy, by looking at the sizes of the bursts. In
1218  * particular, we found a threshold such that only bursts with a
1219  * larger size than that threshold are apparently caused by
1220  * services or commands such as systemd or git grep. For brevity,
1221  * hereafter we call just 'large' these bursts. BFQ *does not*
1222  * weight-raise queues whose creation occurs in a large burst. In
1223  * addition, for each of these queues BFQ performs or does not perform
1224  * idling depending on which choice boosts the throughput more. The
1225  * exact choice depends on the device and request pattern at
1226  * hand.
1227  *
1228  * Unfortunately, false positives may occur while an interactive task
1229  * is starting (e.g., an application is being started). The
1230  * consequence is that the queues associated with the task do not
1231  * enjoy weight raising as expected. Fortunately these false positives
1232  * are very rare. They typically occur if some service happens to
1233  * start doing I/O exactly when the interactive task starts.
1234  *
1235  * Turning back to the next function, it is invoked only if there are
1236  * no active queues (apart from active queues that would belong to the
1237  * same, possible burst bfqq would belong to), and it implements all
1238  * the steps needed to detect the occurrence of a large burst and to
1239  * properly mark all the queues belonging to it (so that they can then
1240  * be treated in a different way). This goal is achieved by
1241  * maintaining a "burst list" that holds, temporarily, the queues that
1242  * belong to the burst in progress. The list is then used to mark
1243  * these queues as belonging to a large burst if the burst does become
1244  * large. The main steps are the following.
1245  *
1246  * . when the very first queue is created, the queue is inserted into the
1247  *   list (as it could be the first queue in a possible burst)
1248  *
1249  * . if the current burst has not yet become large, and a queue Q that does
1250  *   not yet belong to the burst is activated shortly after the last time
1251  *   at which a new queue entered the burst list, then the function appends
1252  *   Q to the burst list
1253  *
1254  * . if, as a consequence of the previous step, the burst size reaches
1255  *   the large-burst threshold, then
1256  *
1257  *     . all the queues in the burst list are marked as belonging to a
1258  *       large burst
1259  *
1260  *     . the burst list is deleted; in fact, the burst list already served
1261  *       its purpose (keeping temporarily track of the queues in a burst,
1262  *       so as to be able to mark them as belonging to a large burst in the
1263  *       previous sub-step), and now is not needed any more
1264  *
1265  *     . the device enters a large-burst mode
1266  *
1267  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created while
1268  *   the device is in large-burst mode and shortly after the last time
1269  *   at which a queue either entered the burst list or was marked as
1270  *   belonging to the current large burst, then Q is immediately marked
1271  *   as belonging to a large burst.
1272  *
1273  * . if a queue Q that does not belong to the burst is created a while
1274  *   later, i.e., not shortly after, than the last time at which a queue
1275  *   either entered the burst list or was marked as belonging to the
1276  *   current large burst, then the current burst is deemed as finished and:
1277  *
1278  *        . the large-burst mode is reset if set
1279  *
1280  *        . the burst list is emptied
1281  *
1282  *        . Q is inserted in the burst list, as Q may be the first queue
1283  *          in a possible new burst (then the burst list contains just Q
1284  *          after this step).
1285  */
1286 static void bfq_handle_burst(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
1287 {
1288         /*
1289          * If bfqq is already in the burst list or is part of a large
1290          * burst, or finally has just been split, then there is
1291          * nothing else to do.
1292          */
1293         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node) ||
1294             bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) ||
1295             time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
1296                                      msecs_to_jiffies(10)))
1297                 return;
1298
1299         /*
1300          * If bfqq's creation happens late enough, or bfqq belongs to
1301          * a different group than the burst group, then the current
1302          * burst is finished, and related data structures must be
1303          * reset.
1304          *
1305          * In this respect, consider the special case where bfqq is
1306          * the very first queue created after BFQ is selected for this
1307          * device. In this case, last_ins_in_burst and
1308          * burst_parent_entity are not yet significant when we get
1309          * here. But it is easy to verify that, whether or not the
1310          * following condition is true, bfqq will end up being
1311          * inserted into the burst list. In particular the list will
1312          * happen to contain only bfqq. And this is exactly what has
1313          * to happen, as bfqq may be the first queue of the first
1314          * burst.
1315          */
1316         if (time_is_before_jiffies(bfqd->last_ins_in_burst +
1317             bfqd->bfq_burst_interval) ||
1318             bfqq->entity.parent != bfqd->burst_parent_entity) {
1319                 bfqd->large_burst = false;
1320                 bfq_reset_burst_list(bfqd, bfqq);
1321                 goto end;
1322         }
1323
1324         /*
1325          * If we get here, then bfqq is being activated shortly after the
1326          * last queue. So, if the current burst is also large, we can mark
1327          * bfqq as belonging to this large burst immediately.
1328          */
1329         if (bfqd->large_burst) {
1330                 bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1331                 goto end;
1332         }
1333
1334         /*
1335          * If we get here, then a large-burst state has not yet been
1336          * reached, but bfqq is being activated shortly after the last
1337          * queue. Then we add bfqq to the burst.
1338          */
1339         bfq_add_to_burst(bfqd, bfqq);
1340 end:
1341         /*
1342          * At this point, bfqq either has been added to the current
1343          * burst or has caused the current burst to terminate and a
1344          * possible new burst to start. In particular, in the second
1345          * case, bfqq has become the first queue in the possible new
1346          * burst.  In both cases last_ins_in_burst needs to be moved
1347          * forward.
1348          */
1349         bfqd->last_ins_in_burst = jiffies;
1350 }
1351
1352 static int bfq_bfqq_budget_left(struct bfq_queue *bfqq)
1353 {
1354         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1355
1356         return entity->budget - entity->service;
1357 }
1358
1359 /*
1360  * If enough samples have been computed, return the current max budget
1361  * stored in bfqd, which is dynamically updated according to the
1362  * estimated disk peak rate; otherwise return the default max budget
1363  */
1364 static int bfq_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
1365 {
1366         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1367                 return bfq_default_max_budget;
1368         else
1369                 return bfqd->bfq_max_budget;
1370 }
1371
1372 /*
1373  * Return min budget, which is a fraction of the current or default
1374  * max budget (trying with 1/32)
1375  */
1376 static int bfq_min_budget(struct bfq_data *bfqd)
1377 {
1378         if (bfqd->budgets_assigned < bfq_stats_min_budgets)
1379                 return bfq_default_max_budget / 32;
1380         else
1381                 return bfqd->bfq_max_budget / 32;
1382 }
1383
1384 /*
1385  * The next function, invoked after the input queue bfqq switches from
1386  * idle to busy, updates the budget of bfqq. The function also tells
1387  * whether the in-service queue should be expired, by returning
1388  * true. The purpose of expiring the in-service queue is to give bfqq
1389  * the chance to possibly preempt the in-service queue, and the reason
1390  * for preempting the in-service queue is to achieve one of the two
1391  * goals below.
1392  *
1393  * 1. Guarantee to bfqq its reserved bandwidth even if bfqq has
1394  * expired because it has remained idle. In particular, bfqq may have
1395  * expired for one of the following two reasons:
1396  *
1397  * - BFQQE_NO_MORE_REQUESTS bfqq did not enjoy any device idling
1398  *   and did not make it to issue a new request before its last
1399  *   request was served;
1400  *
1401  * - BFQQE_TOO_IDLE bfqq did enjoy device idling, but did not issue
1402  *   a new request before the expiration of the idling-time.
1403  *
1404  * Even if bfqq has expired for one of the above reasons, the process
1405  * associated with the queue may be however issuing requests greedily,
1406  * and thus be sensitive to the bandwidth it receives (bfqq may have
1407  * remained idle for other reasons: CPU high load, bfqq not enjoying
1408  * idling, I/O throttling somewhere in the path from the process to
1409  * the I/O scheduler, ...). But if, after every expiration for one of
1410  * the above two reasons, bfqq has to wait for the service of at least
1411  * one full budget of another queue before being served again, then
1412  * bfqq is likely to get a much lower bandwidth or resource time than
1413  * its reserved ones. To address this issue, two countermeasures need
1414  * to be taken.
1415  *
1416  * First, the budget and the timestamps of bfqq need to be updated in
1417  * a special way on bfqq reactivation: they need to be updated as if
1418  * bfqq did not remain idle and did not expire. In fact, if they are
1419  * computed as if bfqq expired and remained idle until reactivation,
1420  * then the process associated with bfqq is treated as if, instead of
1421  * being greedy, it stopped issuing requests when bfqq remained idle,
1422  * and restarts issuing requests only on this reactivation. In other
1423  * words, the scheduler does not help the process recover the "service
1424  * hole" between bfqq expiration and reactivation. As a consequence,
1425  * the process receives a lower bandwidth than its reserved one. In
1426  * contrast, to recover this hole, the budget must be updated as if
1427  * bfqq was not expired at all before this reactivation, i.e., it must
1428  * be set to the value of the remaining budget when bfqq was
1429  * expired. Along the same line, timestamps need to be assigned the
1430  * value they had the last time bfqq was selected for service, i.e.,
1431  * before last expiration. Thus timestamps need to be back-shifted
1432  * with respect to their normal computation (see [1] for more details
1433  * on this tricky aspect).
1434  *
1435  * Secondly, to allow the process to recover the hole, the in-service
1436  * queue must be expired too, to give bfqq the chance to preempt it
1437  * immediately. In fact, if bfqq has to wait for a full budget of the
1438  * in-service queue to be completed, then it may become impossible to
1439  * let the process recover the hole, even if the back-shifted
1440  * timestamps of bfqq are lower than those of the in-service queue. If
1441  * this happens for most or all of the holes, then the process may not
1442  * receive its reserved bandwidth. In this respect, it is worth noting
1443  * that, being the service of outstanding requests unpreemptible, a
1444  * little fraction of the holes may however be unrecoverable, thereby
1445  * causing a little loss of bandwidth.
1446  *
1447  * The last important point is detecting whether bfqq does need this
1448  * bandwidth recovery. In this respect, the next function deems the
1449  * process associated with bfqq greedy, and thus allows it to recover
1450  * the hole, if: 1) the process is waiting for the arrival of a new
1451  * request (which implies that bfqq expired for one of the above two
1452  * reasons), and 2) such a request has arrived soon. The first
1453  * condition is controlled through the flag non_blocking_wait_rq,
1454  * while the second through the flag arrived_in_time. If both
1455  * conditions hold, then the function computes the budget in the
1456  * above-described special way, and signals that the in-service queue
1457  * should be expired. Timestamp back-shifting is done later in
1458  * __bfq_activate_entity.
1459  *
1460  * 2. Reduce latency. Even if timestamps are not backshifted to let
1461  * the process associated with bfqq recover a service hole, bfqq may
1462  * however happen to have, after being (re)activated, a lower finish
1463  * timestamp than the in-service queue.  That is, the next budget of
1464  * bfqq may have to be completed before the one of the in-service
1465  * queue. If this is the case, then preempting the in-service queue
1466  * allows this goal to be achieved, apart from the unpreemptible,
1467  * outstanding requests mentioned above.
1468  *
1469  * Unfortunately, regardless of which of the above two goals one wants
1470  * to achieve, service trees need first to be updated to know whether
1471  * the in-service queue must be preempted. To have service trees
1472  * correctly updated, the in-service queue must be expired and
1473  * rescheduled, and bfqq must be scheduled too. This is one of the
1474  * most costly operations (in future versions, the scheduling
1475  * mechanism may be re-designed in such a way to make it possible to
1476  * know whether preemption is needed without needing to update service
1477  * trees). In addition, queue preemptions almost always cause random
1478  * I/O, which may in turn cause loss of throughput. Finally, there may
1479  * even be no in-service queue when the next function is invoked (so,
1480  * no queue to compare timestamps with). Because of these facts, the
1481  * next function adopts the following simple scheme to avoid costly
1482  * operations, too frequent preemptions and too many dependencies on
1483  * the state of the scheduler: it requests the expiration of the
1484  * in-service queue (unconditionally) only for queues that need to
1485  * recover a hole. Then it delegates to other parts of the code the
1486  * responsibility of handling the above case 2.
1487  */
1488 static bool bfq_bfqq_update_budg_for_activation(struct bfq_data *bfqd,
1489                                                 struct bfq_queue *bfqq,
1490                                                 bool arrived_in_time)
1491 {
1492         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
1493
1494         /*
1495          * In the next compound condition, we check also whether there
1496          * is some budget left, because otherwise there is no point in
1497          * trying to go on serving bfqq with this same budget: bfqq
1498          * would be expired immediately after being selected for
1499          * service. This would only cause useless overhead.
1500          */
1501         if (bfq_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq) && arrived_in_time &&
1502             bfq_bfqq_budget_left(bfqq) > 0) {
1503                 /*
1504                  * We do not clear the flag non_blocking_wait_rq here, as
1505                  * the latter is used in bfq_activate_bfqq to signal
1506                  * that timestamps need to be back-shifted (and is
1507                  * cleared right after).
1508                  */
1509
1510                 /*
1511                  * In next assignment we rely on that either
1512                  * entity->service or entity->budget are not updated
1513                  * on expiration if bfqq is empty (see
1514                  * __bfq_bfqq_recalc_budget). Thus both quantities
1515                  * remain unchanged after such an expiration, and the
1516                  * following statement therefore assigns to
1517                  * entity->budget the remaining budget on such an
1518                  * expiration.
1519                  */
1520                 entity->budget = min_t(unsigned long,
1521                                        bfq_bfqq_budget_left(bfqq),
1522                                        bfqq->max_budget);
1523
1524                 /*
1525                  * At this point, we have used entity->service to get
1526                  * the budget left (needed for updating
1527                  * entity->budget). Thus we finally can, and have to,
1528                  * reset entity->service. The latter must be reset
1529                  * because bfqq would otherwise be charged again for
1530                  * the service it has received during its previous
1531                  * service slot(s).
1532                  */
1533                 entity->service = 0;
1534
1535                 return true;
1536         }
1537
1538         /*
1539          * We can finally complete expiration, by setting service to 0.
1540          */
1541         entity->service = 0;
1542         entity->budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
1543                                bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq));
1544         bfq_clear_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
1545         return false;
1546 }
1547
1548 /*
1549  * Return the farthest past time instant according to jiffies
1550  * macros.
1551  */
1552 static unsigned long bfq_smallest_from_now(void)
1553 {
1554         return jiffies - MAX_JIFFY_OFFSET;
1555 }
1556
1557 static void bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(struct bfq_data *bfqd,
1558                                              struct bfq_queue *bfqq,
1559                                              unsigned int old_wr_coeff,
1560                                              bool wr_or_deserves_wr,
1561                                              bool interactive,
1562                                              bool in_burst,
1563                                              bool soft_rt)
1564 {
1565         if (old_wr_coeff == 1 && wr_or_deserves_wr) {
1566                 /* start a weight-raising period */
1567                 if (interactive) {
1568                         bfqq->service_from_wr = 0;
1569                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1570                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1571                 } else {
1572                         /*
1573                          * No interactive weight raising in progress
1574                          * here: assign minus infinity to
1575                          * wr_start_at_switch_to_srt, to make sure
1576                          * that, at the end of the soft-real-time
1577                          * weight raising periods that is starting
1578                          * now, no interactive weight-raising period
1579                          * may be wrongly considered as still in
1580                          * progress (and thus actually started by
1581                          * mistake).
1582                          */
1583                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1584                                 bfq_smallest_from_now();
1585                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1586                                 BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1587                         bfqq->wr_cur_max_time =
1588                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1589                 }
1590
1591                 /*
1592                  * If needed, further reduce budget to make sure it is
1593                  * close to bfqq's backlog, so as to reduce the
1594                  * scheduling-error component due to a too large
1595                  * budget. Do not care about throughput consequences,
1596                  * but only about latency. Finally, do not assign a
1597                  * too small budget either, to avoid increasing
1598                  * latency by causing too frequent expirations.
1599                  */
1600                 bfqq->entity.budget = min_t(unsigned long,
1601                                             bfqq->entity.budget,
1602                                             2 * bfq_min_budget(bfqd));
1603         } else if (old_wr_coeff > 1) {
1604                 if (interactive) { /* update wr coeff and duration */
1605                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
1606                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
1607                 } else if (in_burst)
1608                         bfqq->wr_coeff = 1;
1609                 else if (soft_rt) {
1610                         /*
1611                          * The application is now or still meeting the
1612                          * requirements for being deemed soft rt.  We
1613                          * can then correctly and safely (re)charge
1614                          * the weight-raising duration for the
1615                          * application with the weight-raising
1616                          * duration for soft rt applications.
1617                          *
1618                          * In particular, doing this recharge now, i.e.,
1619                          * before the weight-raising period for the
1620                          * application finishes, reduces the probability
1621                          * of the following negative scenario:
1622                          * 1) the weight of a soft rt application is
1623                          *    raised at startup (as for any newly
1624                          *    created application),
1625                          * 2) since the application is not interactive,
1626                          *    at a certain time weight-raising is
1627                          *    stopped for the application,
1628                          * 3) at that time the application happens to
1629                          *    still have pending requests, and hence
1630                          *    is destined to not have a chance to be
1631                          *    deemed soft rt before these requests are
1632                          *    completed (see the comments to the
1633                          *    function bfq_bfqq_softrt_next_start()
1634                          *    for details on soft rt detection),
1635                          * 4) these pending requests experience a high
1636                          *    latency because the application is not
1637                          *    weight-raised while they are pending.
1638                          */
1639                         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
1640                                 bfqd->bfq_wr_rt_max_time) {
1641                                 bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
1642                                         bfqq->last_wr_start_finish;
1643
1644                                 bfqq->wr_cur_max_time =
1645                                         bfqd->bfq_wr_rt_max_time;
1646                                 bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff *
1647                                         BFQ_SOFTRT_WEIGHT_FACTOR;
1648                         }
1649                         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
1650                 }
1651         }
1652 }
1653
1654 static bool bfq_bfqq_idle_for_long_time(struct bfq_data *bfqd,
1655                                         struct bfq_queue *bfqq)
1656 {
1657         return bfqq->dispatched == 0 &&
1658                 time_is_before_jiffies(
1659                         bfqq->budget_timeout +
1660                         bfqd->bfq_wr_min_idle_time);
1661 }
1662
1663
1664 /*
1665  * Return true if bfqq is in a higher priority class, or has a higher
1666  * weight than the in-service queue.
1667  */
1668 static bool bfq_bfqq_higher_class_or_weight(struct bfq_queue *bfqq,
1669                                             struct bfq_queue *in_serv_bfqq)
1670 {
1671         int bfqq_weight, in_serv_weight;
1672
1673         if (bfqq->ioprio_class < in_serv_bfqq->ioprio_class)
1674                 return true;
1675
1676         if (in_serv_bfqq->entity.parent == bfqq->entity.parent) {
1677                 bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1678                 in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1679         } else {
1680                 if (bfqq->entity.parent)
1681                         bfqq_weight = bfqq->entity.parent->weight;
1682                 else
1683                         bfqq_weight = bfqq->entity.weight;
1684                 if (in_serv_bfqq->entity.parent)
1685                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.parent->weight;
1686                 else
1687                         in_serv_weight = in_serv_bfqq->entity.weight;
1688         }
1689
1690         return bfqq_weight > in_serv_weight;
1691 }
1692
1693 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq);
1694
1695 static void bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(struct bfq_data *bfqd,
1696                                              struct bfq_queue *bfqq,
1697                                              int old_wr_coeff,
1698                                              struct request *rq,
1699                                              bool *interactive)
1700 {
1701         bool soft_rt, in_burst, wr_or_deserves_wr,
1702                 bfqq_wants_to_preempt,
1703                 idle_for_long_time = bfq_bfqq_idle_for_long_time(bfqd, bfqq),
1704                 /*
1705                  * See the comments on
1706                  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation for
1707                  * details on the usage of the next variable.
1708                  */
1709                 arrived_in_time =  ktime_get_ns() <=
1710                         bfqq->ttime.last_end_request +
1711                         bfqd->bfq_slice_idle * 3;
1712
1713
1714         /*
1715          * bfqq deserves to be weight-raised if:
1716          * - it is sync,
1717          * - it does not belong to a large burst,
1718          * - it has been idle for enough time or is soft real-time,
1719          * - is linked to a bfq_io_cq (it is not shared in any sense),
1720          * - has a default weight (otherwise we assume the user wanted
1721          *   to control its weight explicitly)
1722          */
1723         in_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1724         soft_rt = bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
1725                 !BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq) &&
1726                 !in_burst &&
1727                 time_is_before_jiffies(bfqq->soft_rt_next_start) &&
1728                 bfqq->dispatched == 0 &&
1729                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1730         *interactive = !in_burst && idle_for_long_time &&
1731                 bfqq->entity.new_weight == 40;
1732         wr_or_deserves_wr = bfqd->low_latency &&
1733                 (bfqq->wr_coeff > 1 ||
1734                  (bfq_bfqq_sync(bfqq) &&
1735                   bfqq->bic && (*interactive || soft_rt)));
1736
1737         /*
1738          * Using the last flag, update budget and check whether bfqq
1739          * may want to preempt the in-service queue.
1740          */
1741         bfqq_wants_to_preempt =
1742                 bfq_bfqq_update_budg_for_activation(bfqd, bfqq,
1743                                                     arrived_in_time);
1744
1745         /*
1746          * If bfqq happened to be activated in a burst, but has been
1747          * idle for much more than an interactive queue, then we
1748          * assume that, in the overall I/O initiated in the burst, the
1749          * I/O associated with bfqq is finished. So bfqq does not need
1750          * to be treated as a queue belonging to a burst
1751          * anymore. Accordingly, we reset bfqq's in_large_burst flag
1752          * if set, and remove bfqq from the burst list if it's
1753          * there. We do not decrement burst_size, because the fact
1754          * that bfqq does not need to belong to the burst list any
1755          * more does not invalidate the fact that bfqq was created in
1756          * a burst.
1757          */
1758         if (likely(!bfq_bfqq_just_created(bfqq)) &&
1759             idle_for_long_time &&
1760             time_is_before_jiffies(
1761                     bfqq->budget_timeout +
1762                     msecs_to_jiffies(10000))) {
1763                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
1764                 bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
1765         }
1766
1767         bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
1768
1769         if (bfqd->low_latency) {
1770                 if (unlikely(time_is_after_jiffies(bfqq->split_time)))
1771                         /* wraparound */
1772                         bfqq->split_time =
1773                                 jiffies - bfqd->bfq_wr_min_idle_time - 1;
1774
1775                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
1776                                            bfqd->bfq_wr_min_idle_time)) {
1777                         bfq_update_bfqq_wr_on_rq_arrival(bfqd, bfqq,
1778                                                          old_wr_coeff,
1779                                                          wr_or_deserves_wr,
1780                                                          *interactive,
1781                                                          in_burst,
1782                                                          soft_rt);
1783
1784                         if (old_wr_coeff != bfqq->wr_coeff)
1785                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
1786                 }
1787         }
1788
1789         bfqq->last_idle_bklogged = jiffies;
1790         bfqq->service_from_backlogged = 0;
1791         bfq_clear_bfqq_softrt_update(bfqq);
1792
1793         bfq_add_bfqq_busy(bfqd, bfqq);
1794
1795         /*
1796          * Expire in-service queue if preemption may be needed for
1797          * guarantees or throughput. As for guarantees, we care
1798          * explicitly about two cases. The first is that bfqq has to
1799          * recover a service hole, as explained in the comments on
1800          * bfq_bfqq_update_budg_for_activation(), i.e., that
1801          * bfqq_wants_to_preempt is true. However, if bfqq does not
1802          * carry time-critical I/O, then bfqq's bandwidth is less
1803          * important than that of queues that carry time-critical I/O.
1804          * So, as a further constraint, we consider this case only if
1805          * bfqq is at least as weight-raised, i.e., at least as time
1806          * critical, as the in-service queue.
1807          *
1808          * The second case is that bfqq is in a higher priority class,
1809          * or has a higher weight than the in-service queue. If this
1810          * condition does not hold, we don't care because, even if
1811          * bfqq does not start to be served immediately, the resulting
1812          * delay for bfqq's I/O is however lower or much lower than
1813          * the ideal completion time to be guaranteed to bfqq's I/O.
1814          *
1815          * In both cases, preemption is needed only if, according to
1816          * the timestamps of both bfqq and of the in-service queue,
1817          * bfqq actually is the next queue to serve. So, to reduce
1818          * useless preemptions, the return value of
1819          * next_queue_may_preempt() is considered in the next compound
1820          * condition too. Yet next_queue_may_preempt() just checks a
1821          * simple, necessary condition for bfqq to be the next queue
1822          * to serve. In fact, to evaluate a sufficient condition, the
1823          * timestamps of the in-service queue would need to be
1824          * updated, and this operation is quite costly (see the
1825          * comments on bfq_bfqq_update_budg_for_activation()).
1826          *
1827          * As for throughput, we ask bfq_better_to_idle() whether we
1828          * still need to plug I/O dispatching. If bfq_better_to_idle()
1829          * says no, then plugging is not needed any longer, either to
1830          * boost throughput or to perserve service guarantees. Then
1831          * the best option is to stop plugging I/O, as not doing so
1832          * would certainly lower throughput. We may end up in this
1833          * case if: (1) upon a dispatch attempt, we detected that it
1834          * was better to plug I/O dispatch, and to wait for a new
1835          * request to arrive for the currently in-service queue, but
1836          * (2) this switch of bfqq to busy changes the scenario.
1837          */
1838         if (bfqd->in_service_queue &&
1839             ((bfqq_wants_to_preempt &&
1840               bfqq->wr_coeff >= bfqd->in_service_queue->wr_coeff) ||
1841              bfq_bfqq_higher_class_or_weight(bfqq, bfqd->in_service_queue) ||
1842              !bfq_better_to_idle(bfqd->in_service_queue)) &&
1843             next_queue_may_preempt(bfqd))
1844                 bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqd->in_service_queue,
1845                                 false, BFQQE_PREEMPTED);
1846 }
1847
1848 static void bfq_reset_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
1849                                    struct bfq_queue *bfqq)
1850 {
1851         /* invalidate baseline total service time */
1852         bfqq->last_serv_time_ns = 0;
1853
1854         /*
1855          * Reset pointer in case we are waiting for
1856          * some request completion.
1857          */
1858         bfqd->waited_rq = NULL;
1859
1860         /*
1861          * If bfqq has a short think time, then start by setting the
1862          * inject limit to 0 prudentially, because the service time of
1863          * an injected I/O request may be higher than the think time
1864          * of bfqq, and therefore, if one request was injected when
1865          * bfqq remains empty, this injected request might delay the
1866          * service of the next I/O request for bfqq significantly. In
1867          * case bfqq can actually tolerate some injection, then the
1868          * adaptive update will however raise the limit soon. This
1869          * lucky circumstance holds exactly because bfqq has a short
1870          * think time, and thus, after remaining empty, is likely to
1871          * get new I/O enqueued---and then completed---before being
1872          * expired. This is the very pattern that gives the
1873          * limit-update algorithm the chance to measure the effect of
1874          * injection on request service times, and then to update the
1875          * limit accordingly.
1876          *
1877          * However, in the following special case, the inject limit is
1878          * left to 1 even if the think time is short: bfqq's I/O is
1879          * synchronized with that of some other queue, i.e., bfqq may
1880          * receive new I/O only after the I/O of the other queue is
1881          * completed. Keeping the inject limit to 1 allows the
1882          * blocking I/O to be served while bfqq is in service. And
1883          * this is very convenient both for bfqq and for overall
1884          * throughput, as explained in detail in the comments in
1885          * bfq_update_has_short_ttime().
1886          *
1887          * On the opposite end, if bfqq has a long think time, then
1888          * start directly by 1, because:
1889          * a) on the bright side, keeping at most one request in
1890          * service in the drive is unlikely to cause any harm to the
1891          * latency of bfqq's requests, as the service time of a single
1892          * request is likely to be lower than the think time of bfqq;
1893          * b) on the downside, after becoming empty, bfqq is likely to
1894          * expire before getting its next request. With this request
1895          * arrival pattern, it is very hard to sample total service
1896          * times and update the inject limit accordingly (see comments
1897          * on bfq_update_inject_limit()). So the limit is likely to be
1898          * never, or at least seldom, updated.  As a consequence, by
1899          * setting the limit to 1, we avoid that no injection ever
1900          * occurs with bfqq. On the downside, this proactive step
1901          * further reduces chances to actually compute the baseline
1902          * total service time. Thus it reduces chances to execute the
1903          * limit-update algorithm and possibly raise the limit to more
1904          * than 1.
1905          */
1906         if (bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq))
1907                 bfqq->inject_limit = 0;
1908         else
1909                 bfqq->inject_limit = 1;
1910
1911         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
1912 }
1913
1914 static void bfq_update_io_intensity(struct bfq_queue *bfqq, u64 now_ns)
1915 {
1916         u64 tot_io_time = now_ns - bfqq->io_start_time;
1917
1918         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfqq->dispatched == 0)
1919                 bfqq->tot_idle_time +=
1920                         now_ns - bfqq->ttime.last_end_request;
1921
1922         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq)))
1923                 return;
1924
1925         /*
1926          * Must be busy for at least about 80% of the time to be
1927          * considered I/O bound.
1928          */
1929         if (bfqq->tot_idle_time * 5 > tot_io_time)
1930                 bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
1931         else
1932                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
1933
1934         /*
1935          * Keep an observation window of at most 200 ms in the past
1936          * from now.
1937          */
1938         if (tot_io_time > 200 * NSEC_PER_MSEC) {
1939                 bfqq->io_start_time = now_ns - (tot_io_time>>1);
1940                 bfqq->tot_idle_time >>= 1;
1941         }
1942 }
1943
1944 /*
1945  * Detect whether bfqq's I/O seems synchronized with that of some
1946  * other queue, i.e., whether bfqq, after remaining empty, happens to
1947  * receive new I/O only right after some I/O request of the other
1948  * queue has been completed. We call waker queue the other queue, and
1949  * we assume, for simplicity, that bfqq may have at most one waker
1950  * queue.
1951  *
1952  * A remarkable throughput boost can be reached by unconditionally
1953  * injecting the I/O of the waker queue, every time a new
1954  * bfq_dispatch_request happens to be invoked while I/O is being
1955  * plugged for bfqq.  In addition to boosting throughput, this
1956  * unblocks bfqq's I/O, thereby improving bandwidth and latency for
1957  * bfqq. Note that these same results may be achieved with the general
1958  * injection mechanism, but less effectively. For details on this
1959  * aspect, see the comments on the choice of the queue for injection
1960  * in bfq_select_queue().
1961  *
1962  * Turning back to the detection of a waker queue, a queue Q is deemed
1963  * as a waker queue for bfqq if, for three consecutive times, bfqq
1964  * happens to become non empty right after a request of Q has been
1965  * completed. In particular, on the first time, Q is tentatively set
1966  * as a candidate waker queue, while on the third consecutive time
1967  * that Q is detected, the field waker_bfqq is set to Q, to confirm
1968  * that Q is a waker queue for bfqq. These detection steps are
1969  * performed only if bfqq has a long think time, so as to make it more
1970  * likely that bfqq's I/O is actually being blocked by a
1971  * synchronization. This last filter, plus the above three-times
1972  * requirement, make false positives less likely.
1973  *
1974  * NOTE
1975  *
1976  * The sooner a waker queue is detected, the sooner throughput can be
1977  * boosted by injecting I/O from the waker queue. Fortunately,
1978  * detection is likely to be actually fast, for the following
1979  * reasons. While blocked by synchronization, bfqq has a long think
1980  * time. This implies that bfqq's inject limit is at least equal to 1
1981  * (see the comments in bfq_update_inject_limit()). So, thanks to
1982  * injection, the waker queue is likely to be served during the very
1983  * first I/O-plugging time interval for bfqq. This triggers the first
1984  * step of the detection mechanism. Thanks again to injection, the
1985  * candidate waker queue is then likely to be confirmed no later than
1986  * during the next I/O-plugging interval for bfqq.
1987  *
1988  * ISSUE
1989  *
1990  * On queue merging all waker information is lost.
1991  */
1992 static void bfq_check_waker(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
1993                             u64 now_ns)
1994 {
1995         if (!bfqd->last_completed_rq_bfqq ||
1996             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq ||
1997             bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) ||
1998             now_ns - bfqd->last_completion >= 4 * NSEC_PER_MSEC ||
1999             bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq->waker_bfqq)
2000                 return;
2001
2002         if (bfqd->last_completed_rq_bfqq !=
2003             bfqq->tentative_waker_bfqq) {
2004                 /*
2005                  * First synchronization detected with a
2006                  * candidate waker queue, or with a different
2007                  * candidate waker queue from the current one.
2008                  */
2009                 bfqq->tentative_waker_bfqq =
2010                         bfqd->last_completed_rq_bfqq;
2011                 bfqq->num_waker_detections = 1;
2012         } else /* Same tentative waker queue detected again */
2013                 bfqq->num_waker_detections++;
2014
2015         if (bfqq->num_waker_detections == 3) {
2016                 bfqq->waker_bfqq = bfqd->last_completed_rq_bfqq;
2017                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2018
2019                 /*
2020                  * If the waker queue disappears, then
2021                  * bfqq->waker_bfqq must be reset. To
2022                  * this goal, we maintain in each
2023                  * waker queue a list, woken_list, of
2024                  * all the queues that reference the
2025                  * waker queue through their
2026                  * waker_bfqq pointer. When the waker
2027                  * queue exits, the waker_bfqq pointer
2028                  * of all the queues in the woken_list
2029                  * is reset.
2030                  *
2031                  * In addition, if bfqq is already in
2032                  * the woken_list of a waker queue,
2033                  * then, before being inserted into
2034                  * the woken_list of a new waker
2035                  * queue, bfqq must be removed from
2036                  * the woken_list of the old waker
2037                  * queue.
2038                  */
2039                 if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
2040                         hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
2041                 hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
2042                                &bfqd->last_completed_rq_bfqq->woken_list);
2043         }
2044 }
2045
2046 static void bfq_add_request(struct request *rq)
2047 {
2048         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2049         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2050         struct request *next_rq, *prev;
2051         unsigned int old_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2052         bool interactive = false;
2053         u64 now_ns = ktime_get_ns();
2054
2055         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "add_request %d", rq_is_sync(rq));
2056         bfqq->queued[rq_is_sync(rq)]++;
2057         bfqd->queued++;
2058
2059         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
2060                 bfq_check_waker(bfqd, bfqq, now_ns);
2061
2062                 /*
2063                  * Periodically reset inject limit, to make sure that
2064                  * the latter eventually drops in case workload
2065                  * changes, see step (3) in the comments on
2066                  * bfq_update_inject_limit().
2067                  */
2068                 if (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2069                                              msecs_to_jiffies(1000)))
2070                         bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
2071
2072                 /*
2073                  * The following conditions must hold to setup a new
2074                  * sampling of total service time, and then a new
2075                  * update of the inject limit:
2076                  * - bfqq is in service, because the total service
2077                  *   time is evaluated only for the I/O requests of
2078                  *   the queues in service;
2079                  * - this is the right occasion to compute or to
2080                  *   lower the baseline total service time, because
2081                  *   there are actually no requests in the drive,
2082                  *   or
2083                  *   the baseline total service time is available, and
2084                  *   this is the right occasion to compute the other
2085                  *   quantity needed to update the inject limit, i.e.,
2086                  *   the total service time caused by the amount of
2087                  *   injection allowed by the current value of the
2088                  *   limit. It is the right occasion because injection
2089                  *   has actually been performed during the service
2090                  *   hole, and there are still in-flight requests,
2091                  *   which are very likely to be exactly the injected
2092                  *   requests, or part of them;
2093                  * - the minimum interval for sampling the total
2094                  *   service time and updating the inject limit has
2095                  *   elapsed.
2096                  */
2097                 if (bfqq == bfqd->in_service_queue &&
2098                     (bfqd->rq_in_driver == 0 ||
2099                      (bfqq->last_serv_time_ns > 0 &&
2100                       bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver > 0)) &&
2101                     time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
2102                                               msecs_to_jiffies(10))) {
2103                         bfqd->last_empty_occupied_ns = ktime_get_ns();
2104                         /*
2105                          * Start the state machine for measuring the
2106                          * total service time of rq: setting
2107                          * wait_dispatch will cause bfqd->waited_rq to
2108                          * be set when rq will be dispatched.
2109                          */
2110                         bfqd->wait_dispatch = true;
2111                         /*
2112                          * If there is no I/O in service in the drive,
2113                          * then possible injection occurred before the
2114                          * arrival of rq will not affect the total
2115                          * service time of rq. So the injection limit
2116                          * must not be updated as a function of such
2117                          * total service time, unless new injection
2118                          * occurs before rq is completed. To have the
2119                          * injection limit updated only in the latter
2120                          * case, reset rqs_injected here (rqs_injected
2121                          * will be set in case injection is performed
2122                          * on bfqq before rq is completed).
2123                          */
2124                         if (bfqd->rq_in_driver == 0)
2125                                 bfqd->rqs_injected = false;
2126                 }
2127         }
2128
2129         if (bfq_bfqq_sync(bfqq))
2130                 bfq_update_io_intensity(bfqq, now_ns);
2131
2132         elv_rb_add(&bfqq->sort_list, rq);
2133
2134         /*
2135          * Check if this request is a better next-serve candidate.
2136          */
2137         prev = bfqq->next_rq;
2138         next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, rq, bfqd->last_position);
2139         bfqq->next_rq = next_rq;
2140
2141         /*
2142          * Adjust priority tree position, if next_rq changes.
2143          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
2144          */
2145         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing && prev != bfqq->next_rq))
2146                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2147
2148         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq)) /* switching to busy ... */
2149                 bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch(bfqd, bfqq, old_wr_coeff,
2150                                                  rq, &interactive);
2151         else {
2152                 if (bfqd->low_latency && old_wr_coeff == 1 && !rq_is_sync(rq) &&
2153                     time_is_before_jiffies(
2154                                 bfqq->last_wr_start_finish +
2155                                 bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async)) {
2156                         bfqq->wr_coeff = bfqd->bfq_wr_coeff;
2157                         bfqq->wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqd);
2158
2159                         bfqd->wr_busy_queues++;
2160                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2161                 }
2162                 if (prev != bfqq->next_rq)
2163                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2164         }
2165
2166         /*
2167          * Assign jiffies to last_wr_start_finish in the following
2168          * cases:
2169          *
2170          * . if bfqq is not going to be weight-raised, because, for
2171          *   non weight-raised queues, last_wr_start_finish stores the
2172          *   arrival time of the last request; as of now, this piece
2173          *   of information is used only for deciding whether to
2174          *   weight-raise async queues
2175          *
2176          * . if bfqq is not weight-raised, because, if bfqq is now
2177          *   switching to weight-raised, then last_wr_start_finish
2178          *   stores the time when weight-raising starts
2179          *
2180          * . if bfqq is interactive, because, regardless of whether
2181          *   bfqq is currently weight-raised, the weight-raising
2182          *   period must start or restart (this case is considered
2183          *   separately because it is not detected by the above
2184          *   conditions, if bfqq is already weight-raised)
2185          *
2186          * last_wr_start_finish has to be updated also if bfqq is soft
2187          * real-time, because the weight-raising period is constantly
2188          * restarted on idle-to-busy transitions for these queues, but
2189          * this is already done in bfq_bfqq_handle_idle_busy_switch if
2190          * needed.
2191          */
2192         if (bfqd->low_latency &&
2193                 (old_wr_coeff == 1 || bfqq->wr_coeff == 1 || interactive))
2194                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2195 }
2196
2197 static struct request *bfq_find_rq_fmerge(struct bfq_data *bfqd,
2198                                           struct bio *bio,
2199                                           struct request_queue *q)
2200 {
2201         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq;
2202
2203
2204         if (bfqq)
2205                 return elv_rb_find(&bfqq->sort_list, bio_end_sector(bio));
2206
2207         return NULL;
2208 }
2209
2210 static sector_t get_sdist(sector_t last_pos, struct request *rq)
2211 {
2212         if (last_pos)
2213                 return abs(blk_rq_pos(rq) - last_pos);
2214
2215         return 0;
2216 }
2217
2218 #if 0 /* Still not clear if we can do without next two functions */
2219 static void bfq_activate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2220 {
2221         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2222
2223         bfqd->rq_in_driver++;
2224 }
2225
2226 static void bfq_deactivate_request(struct request_queue *q, struct request *rq)
2227 {
2228         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2229
2230         bfqd->rq_in_driver--;
2231 }
2232 #endif
2233
2234 static void bfq_remove_request(struct request_queue *q,
2235                                struct request *rq)
2236 {
2237         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
2238         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
2239         const int sync = rq_is_sync(rq);
2240
2241         if (bfqq->next_rq == rq) {
2242                 bfqq->next_rq = bfq_find_next_rq(bfqd, bfqq, rq);
2243                 bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2244         }
2245
2246         if (rq->queuelist.prev != &rq->queuelist)
2247                 list_del_init(&rq->queuelist);
2248         bfqq->queued[sync]--;
2249         bfqd->queued--;
2250         elv_rb_del(&bfqq->sort_list, rq);
2251
2252         elv_rqhash_del(q, rq);
2253         if (q->last_merge == rq)
2254                 q->last_merge = NULL;
2255
2256         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
2257                 bfqq->next_rq = NULL;
2258
2259                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && bfqq != bfqd->in_service_queue) {
2260                         bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2261                         /*
2262                          * bfqq emptied. In normal operation, when
2263                          * bfqq is empty, bfqq->entity.service and
2264                          * bfqq->entity.budget must contain,
2265                          * respectively, the service received and the
2266                          * budget used last time bfqq emptied. These
2267                          * facts do not hold in this case, as at least
2268                          * this last removal occurred while bfqq is
2269                          * not in service. To avoid inconsistencies,
2270                          * reset both bfqq->entity.service and
2271                          * bfqq->entity.budget, if bfqq has still a
2272                          * process that may issue I/O requests to it.
2273                          */
2274                         bfqq->entity.budget = bfqq->entity.service = 0;
2275                 }
2276
2277                 /*
2278                  * Remove queue from request-position tree as it is empty.
2279                  */
2280                 if (bfqq->pos_root) {
2281                         rb_erase(&bfqq->pos_node, bfqq->pos_root);
2282                         bfqq->pos_root = NULL;
2283                 }
2284         } else {
2285                 /* see comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely() */
2286                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2287                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2288         }
2289
2290         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
2291                 bfqq->meta_pending--;
2292
2293 }
2294
2295 static bool bfq_bio_merge(struct request_queue *q, struct bio *bio,
2296                 unsigned int nr_segs)
2297 {
2298         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2299         struct request *free = NULL;
2300         /*
2301          * bfq_bic_lookup grabs the queue_lock: invoke it now and
2302          * store its return value for later use, to avoid nesting
2303          * queue_lock inside the bfqd->lock. We assume that the bic
2304          * returned by bfq_bic_lookup does not go away before
2305          * bfqd->lock is taken.
2306          */
2307         struct bfq_io_cq *bic = bfq_bic_lookup(bfqd, current->io_context, q);
2308         bool ret;
2309
2310         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2311
2312         if (bic)
2313                 bfqd->bio_bfqq = bic_to_bfqq(bic, op_is_sync(bio->bi_opf));
2314         else
2315                 bfqd->bio_bfqq = NULL;
2316         bfqd->bio_bic = bic;
2317
2318         ret = blk_mq_sched_try_merge(q, bio, nr_segs, &free);
2319
2320         if (free)
2321                 blk_mq_free_request(free);
2322         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2323
2324         return ret;
2325 }
2326
2327 static int bfq_request_merge(struct request_queue *q, struct request **req,
2328                              struct bio *bio)
2329 {
2330         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
2331         struct request *__rq;
2332
2333         __rq = bfq_find_rq_fmerge(bfqd, bio, q);
2334         if (__rq && elv_bio_merge_ok(__rq, bio)) {
2335                 *req = __rq;
2336                 return ELEVATOR_FRONT_MERGE;
2337         }
2338
2339         return ELEVATOR_NO_MERGE;
2340 }
2341
2342 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq);
2343
2344 static void bfq_request_merged(struct request_queue *q, struct request *req,
2345                                enum elv_merge type)
2346 {
2347         if (type == ELEVATOR_FRONT_MERGE &&
2348             rb_prev(&req->rb_node) &&
2349             blk_rq_pos(req) <
2350             blk_rq_pos(container_of(rb_prev(&req->rb_node),
2351                                     struct request, rb_node))) {
2352                 struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(req);
2353                 struct bfq_data *bfqd;
2354                 struct request *prev, *next_rq;
2355
2356                 if (!bfqq)
2357                         return;
2358
2359                 bfqd = bfqq->bfqd;
2360
2361                 /* Reposition request in its sort_list */
2362                 elv_rb_del(&bfqq->sort_list, req);
2363                 elv_rb_add(&bfqq->sort_list, req);
2364
2365                 /* Choose next request to be served for bfqq */
2366                 prev = bfqq->next_rq;
2367                 next_rq = bfq_choose_req(bfqd, bfqq->next_rq, req,
2368                                          bfqd->last_position);
2369                 bfqq->next_rq = next_rq;
2370                 /*
2371                  * If next_rq changes, update both the queue's budget to
2372                  * fit the new request and the queue's position in its
2373                  * rq_pos_tree.
2374                  */
2375                 if (prev != bfqq->next_rq) {
2376                         bfq_updated_next_req(bfqd, bfqq);
2377                         /*
2378                          * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for
2379                          * the unlikely().
2380                          */
2381                         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing))
2382                                 bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
2383                 }
2384         }
2385 }
2386
2387 /*
2388  * This function is called to notify the scheduler that the requests
2389  * rq and 'next' have been merged, with 'next' going away.  BFQ
2390  * exploits this hook to address the following issue: if 'next' has a
2391  * fifo_time lower that rq, then the fifo_time of rq must be set to
2392  * the value of 'next', to not forget the greater age of 'next'.
2393  *
2394  * NOTE: in this function we assume that rq is in a bfq_queue, basing
2395  * on that rq is picked from the hash table q->elevator->hash, which,
2396  * in its turn, is filled only with I/O requests present in
2397  * bfq_queues, while BFQ is in use for the request queue q. In fact,
2398  * the function that fills this hash table (elv_rqhash_add) is called
2399  * only by bfq_insert_request.
2400  */
2401 static void bfq_requests_merged(struct request_queue *q, struct request *rq,
2402                                 struct request *next)
2403 {
2404         struct bfq_queue *bfqq = bfq_init_rq(rq),
2405                 *next_bfqq = bfq_init_rq(next);
2406
2407         if (!bfqq)
2408                 return;
2409
2410         /*
2411          * If next and rq belong to the same bfq_queue and next is older
2412          * than rq, then reposition rq in the fifo (by substituting next
2413          * with rq). Otherwise, if next and rq belong to different
2414          * bfq_queues, never reposition rq: in fact, we would have to
2415          * reposition it with respect to next's position in its own fifo,
2416          * which would most certainly be too expensive with respect to
2417          * the benefits.
2418          */
2419         if (bfqq == next_bfqq &&
2420             !list_empty(&rq->queuelist) && !list_empty(&next->queuelist) &&
2421             next->fifo_time < rq->fifo_time) {
2422                 list_del_init(&rq->queuelist);
2423                 list_replace_init(&next->queuelist, &rq->queuelist);
2424                 rq->fifo_time = next->fifo_time;
2425         }
2426
2427         if (bfqq->next_rq == next)
2428                 bfqq->next_rq = rq;
2429
2430         bfqg_stats_update_io_merged(bfqq_group(bfqq), next->cmd_flags);
2431 }
2432
2433 /* Must be called with bfqq != NULL */
2434 static void bfq_bfqq_end_wr(struct bfq_queue *bfqq)
2435 {
2436         /*
2437          * If bfqq has been enjoying interactive weight-raising, then
2438          * reset soft_rt_next_start. We do it for the following
2439          * reason. bfqq may have been conveying the I/O needed to load
2440          * a soft real-time application. Such an application actually
2441          * exhibits a soft real-time I/O pattern after it finishes
2442          * loading, and finally starts doing its job. But, if bfqq has
2443          * been receiving a lot of bandwidth so far (likely to happen
2444          * on a fast device), then soft_rt_next_start now contains a
2445          * high value that. So, without this reset, bfqq would be
2446          * prevented from being possibly considered as soft_rt for a
2447          * very long time.
2448          */
2449
2450         if (bfqq->wr_cur_max_time !=
2451             bfqq->bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
2452                 bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
2453
2454         if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2455                 bfqq->bfqd->wr_busy_queues--;
2456         bfqq->wr_coeff = 1;
2457         bfqq->wr_cur_max_time = 0;
2458         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
2459         /*
2460          * Trigger a weight change on the next invocation of
2461          * __bfq_entity_update_weight_prio.
2462          */
2463         bfqq->entity.prio_changed = 1;
2464 }
2465
2466 void bfq_end_wr_async_queues(struct bfq_data *bfqd,
2467                              struct bfq_group *bfqg)
2468 {
2469         int i, j;
2470
2471         for (i = 0; i < 2; i++)
2472                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
2473                         if (bfqg->async_bfqq[i][j])
2474                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_bfqq[i][j]);
2475         if (bfqg->async_idle_bfqq)
2476                 bfq_bfqq_end_wr(bfqg->async_idle_bfqq);
2477 }
2478
2479 static void bfq_end_wr(struct bfq_data *bfqd)
2480 {
2481         struct bfq_queue *bfqq;
2482
2483         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
2484
2485         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
2486                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2487         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
2488                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
2489         bfq_end_wr_async(bfqd);
2490
2491         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
2492 }
2493
2494 static sector_t bfq_io_struct_pos(void *io_struct, bool request)
2495 {
2496         if (request)
2497                 return blk_rq_pos(io_struct);
2498         else
2499                 return ((struct bio *)io_struct)->bi_iter.bi_sector;
2500 }
2501
2502 static int bfq_rq_close_to_sector(void *io_struct, bool request,
2503                                   sector_t sector)
2504 {
2505         return abs(bfq_io_struct_pos(io_struct, request) - sector) <=
2506                BFQQ_CLOSE_THR;
2507 }
2508
2509 static struct bfq_queue *bfqq_find_close(struct bfq_data *bfqd,
2510                                          struct bfq_queue *bfqq,
2511                                          sector_t sector)
2512 {
2513         struct rb_root *root = &bfq_bfqq_to_bfqg(bfqq)->rq_pos_tree;
2514         struct rb_node *parent, *node;
2515         struct bfq_queue *__bfqq;
2516
2517         if (RB_EMPTY_ROOT(root))
2518                 return NULL;
2519
2520         /*
2521          * First, if we find a request starting at the end of the last
2522          * request, choose it.
2523          */
2524         __bfqq = bfq_rq_pos_tree_lookup(bfqd, root, sector, &parent, NULL);
2525         if (__bfqq)
2526                 return __bfqq;
2527
2528         /*
2529          * If the exact sector wasn't found, the parent of the NULL leaf
2530          * will contain the closest sector (rq_pos_tree sorted by
2531          * next_request position).
2532          */
2533         __bfqq = rb_entry(parent, struct bfq_queue, pos_node);
2534         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2535                 return __bfqq;
2536
2537         if (blk_rq_pos(__bfqq->next_rq) < sector)
2538                 node = rb_next(&__bfqq->pos_node);
2539         else
2540                 node = rb_prev(&__bfqq->pos_node);
2541         if (!node)
2542                 return NULL;
2543
2544         __bfqq = rb_entry(node, struct bfq_queue, pos_node);
2545         if (bfq_rq_close_to_sector(__bfqq->next_rq, true, sector))
2546                 return __bfqq;
2547
2548         return NULL;
2549 }
2550
2551 static struct bfq_queue *bfq_find_close_cooperator(struct bfq_data *bfqd,
2552                                                    struct bfq_queue *cur_bfqq,
2553                                                    sector_t sector)
2554 {
2555         struct bfq_queue *bfqq;
2556
2557         /*
2558          * We shall notice if some of the queues are cooperating,
2559          * e.g., working closely on the same area of the device. In
2560          * that case, we can group them together and: 1) don't waste
2561          * time idling, and 2) serve the union of their requests in
2562          * the best possible order for throughput.
2563          */
2564         bfqq = bfqq_find_close(bfqd, cur_bfqq, sector);
2565         if (!bfqq || bfqq == cur_bfqq)
2566                 return NULL;
2567
2568         return bfqq;
2569 }
2570
2571 static struct bfq_queue *
2572 bfq_setup_merge(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2573 {
2574         int process_refs, new_process_refs;
2575         struct bfq_queue *__bfqq;
2576
2577         /*
2578          * If there are no process references on the new_bfqq, then it is
2579          * unsafe to follow the ->new_bfqq chain as other bfqq's in the chain
2580          * may have dropped their last reference (not just their last process
2581          * reference).
2582          */
2583         if (!bfqq_process_refs(new_bfqq))
2584                 return NULL;
2585
2586         /* Avoid a circular list and skip interim queue merges. */
2587         while ((__bfqq = new_bfqq->new_bfqq)) {
2588                 if (__bfqq == bfqq)
2589                         return NULL;
2590                 new_bfqq = __bfqq;
2591         }
2592
2593         process_refs = bfqq_process_refs(bfqq);
2594         new_process_refs = bfqq_process_refs(new_bfqq);
2595         /*
2596          * If the process for the bfqq has gone away, there is no
2597          * sense in merging the queues.
2598          */
2599         if (process_refs == 0 || new_process_refs == 0)
2600                 return NULL;
2601
2602         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "scheduling merge with queue %d",
2603                 new_bfqq->pid);
2604
2605         /*
2606          * Merging is just a redirection: the requests of the process
2607          * owning one of the two queues are redirected to the other queue.
2608          * The latter queue, in its turn, is set as shared if this is the
2609          * first time that the requests of some process are redirected to
2610          * it.
2611          *
2612          * We redirect bfqq to new_bfqq and not the opposite, because
2613          * we are in the context of the process owning bfqq, thus we
2614          * have the io_cq of this process. So we can immediately
2615          * configure this io_cq to redirect the requests of the
2616          * process to new_bfqq. In contrast, the io_cq of new_bfqq is
2617          * not available any more (new_bfqq->bic == NULL).
2618          *
2619          * Anyway, even in case new_bfqq coincides with the in-service
2620          * queue, redirecting requests the in-service queue is the
2621          * best option, as we feed the in-service queue with new
2622          * requests close to the last request served and, by doing so,
2623          * are likely to increase the throughput.
2624          */
2625         bfqq->new_bfqq = new_bfqq;
2626         new_bfqq->ref += process_refs;
2627         return new_bfqq;
2628 }
2629
2630 static bool bfq_may_be_close_cooperator(struct bfq_queue *bfqq,
2631                                         struct bfq_queue *new_bfqq)
2632 {
2633         if (bfq_too_late_for_merging(new_bfqq))
2634                 return false;
2635
2636         if (bfq_class_idle(bfqq) || bfq_class_idle(new_bfqq) ||
2637             (bfqq->ioprio_class != new_bfqq->ioprio_class))
2638                 return false;
2639
2640         /*
2641          * If either of the queues has already been detected as seeky,
2642          * then merging it with the other queue is unlikely to lead to
2643          * sequential I/O.
2644          */
2645         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) || BFQQ_SEEKY(new_bfqq))
2646                 return false;
2647
2648         /*
2649          * Interleaved I/O is known to be done by (some) applications
2650          * only for reads, so it does not make sense to merge async
2651          * queues.
2652          */
2653         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || !bfq_bfqq_sync(new_bfqq))
2654                 return false;
2655
2656         return true;
2657 }
2658
2659 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
2660                                              struct bfq_queue *bfqq);
2661
2662 /*
2663  * Attempt to schedule a merge of bfqq with the currently in-service
2664  * queue or with a close queue among the scheduled queues.  Return
2665  * NULL if no merge was scheduled, a pointer to the shared bfq_queue
2666  * structure otherwise.
2667  *
2668  * The OOM queue is not allowed to participate to cooperation: in fact, since
2669  * the requests temporarily redirected to the OOM queue could be redirected
2670  * again to dedicated queues at any time, the state needed to correctly
2671  * handle merging with the OOM queue would be quite complex and expensive
2672  * to maintain. Besides, in such a critical condition as an out of memory,
2673  * the benefits of queue merging may be little relevant, or even negligible.
2674  *
2675  * WARNING: queue merging may impair fairness among non-weight raised
2676  * queues, for at least two reasons: 1) the original weight of a
2677  * merged queue may change during the merged state, 2) even being the
2678  * weight the same, a merged queue may be bloated with many more
2679  * requests than the ones produced by its originally-associated
2680  * process.
2681  */
2682 static struct bfq_queue *
2683 bfq_setup_cooperator(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
2684                      void *io_struct, bool request, struct bfq_io_cq *bic)
2685 {
2686         struct bfq_queue *in_service_bfqq, *new_bfqq;
2687
2688         /*
2689          * Check delayed stable merge for rotational or non-queueing
2690          * devs. For this branch to be executed, bfqq must not be
2691          * currently merged with some other queue (i.e., bfqq->bic
2692          * must be non null). If we considered also merged queues,
2693          * then we should also check whether bfqq has already been
2694          * merged with bic->stable_merge_bfqq. But this would be
2695          * costly and complicated.
2696          */
2697         if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing)) {
2698                 /*
2699                  * Make sure also that bfqq is sync, because
2700                  * bic->stable_merge_bfqq may point to some queue (for
2701                  * stable merging) also if bic is associated with a
2702                  * sync queue, but this bfqq is async
2703                  */
2704                 if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bic->stable_merge_bfqq &&
2705                     !bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2706                     time_is_before_jiffies(bfqq->split_time +
2707                                           msecs_to_jiffies(200))) {
2708                         struct bfq_queue *stable_merge_bfqq =
2709                                 bic->stable_merge_bfqq;
2710                         int proc_ref = min(bfqq_process_refs(bfqq),
2711                                            bfqq_process_refs(stable_merge_bfqq));
2712
2713                         /* deschedule stable merge, because done or aborted here */
2714                         bfq_put_stable_ref(stable_merge_bfqq);
2715
2716                         bic->stable_merge_bfqq = NULL;
2717
2718                         if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
2719                             proc_ref > 0) {
2720                                 /* next function will take at least one ref */
2721                                 struct bfq_queue *new_bfqq =
2722                                         bfq_setup_merge(bfqq, stable_merge_bfqq);
2723
2724                                 bic->stably_merged = true;
2725                                 if (new_bfqq && new_bfqq->bic)
2726                                         new_bfqq->bic->stably_merged = true;
2727                                 return new_bfqq;
2728                         } else
2729                                 return NULL;
2730                 }
2731         }
2732
2733         /*
2734          * Do not perform queue merging if the device is non
2735          * rotational and performs internal queueing. In fact, such a
2736          * device reaches a high speed through internal parallelism
2737          * and pipelining. This means that, to reach a high
2738          * throughput, it must have many requests enqueued at the same
2739          * time. But, in this configuration, the internal scheduling
2740          * algorithm of the device does exactly the job of queue
2741          * merging: it reorders requests so as to obtain as much as
2742          * possible a sequential I/O pattern. As a consequence, with
2743          * the workload generated by processes doing interleaved I/O,
2744          * the throughput reached by the device is likely to be the
2745          * same, with and without queue merging.
2746          *
2747          * Disabling merging also provides a remarkable benefit in
2748          * terms of throughput. Merging tends to make many workloads
2749          * artificially more uneven, because of shared queues
2750          * remaining non empty for incomparably more time than
2751          * non-merged queues. This may accentuate workload
2752          * asymmetries. For example, if one of the queues in a set of
2753          * merged queues has a higher weight than a normal queue, then
2754          * the shared queue may inherit such a high weight and, by
2755          * staying almost always active, may force BFQ to perform I/O
2756          * plugging most of the time. This evidently makes it harder
2757          * for BFQ to let the device reach a high throughput.
2758          *
2759          * Finally, the likely() macro below is not used because one
2760          * of the two branches is more likely than the other, but to
2761          * have the code path after the following if() executed as
2762          * fast as possible for the case of a non rotational device
2763          * with queueing. We want it because this is the fastest kind
2764          * of device. On the opposite end, the likely() may lengthen
2765          * the execution time of BFQ for the case of slower devices
2766          * (rotational or at least without queueing). But in this case
2767          * the execution time of BFQ matters very little, if not at
2768          * all.
2769          */
2770         if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
2771                 return NULL;
2772
2773         /*
2774          * Prevent bfqq from being merged if it has been created too
2775          * long ago. The idea is that true cooperating processes, and
2776          * thus their associated bfq_queues, are supposed to be
2777          * created shortly after each other. This is the case, e.g.,
2778          * for KVM/QEMU and dump I/O threads. Basing on this
2779          * assumption, the following filtering greatly reduces the
2780          * probability that two non-cooperating processes, which just
2781          * happen to do close I/O for some short time interval, have
2782          * their queues merged by mistake.
2783          */
2784         if (bfq_too_late_for_merging(bfqq))
2785                 return NULL;
2786
2787         if (bfqq->new_bfqq)
2788                 return bfqq->new_bfqq;
2789
2790         if (!io_struct || unlikely(bfqq == &bfqd->oom_bfqq))
2791                 return NULL;
2792
2793         /* If there is only one backlogged queue, don't search. */
2794         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1)
2795                 return NULL;
2796
2797         in_service_bfqq = bfqd->in_service_queue;
2798
2799         if (in_service_bfqq && in_service_bfqq != bfqq &&
2800             likely(in_service_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2801             bfq_rq_close_to_sector(io_struct, request,
2802                                    bfqd->in_serv_last_pos) &&
2803             bfqq->entity.parent == in_service_bfqq->entity.parent &&
2804             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, in_service_bfqq)) {
2805                 new_bfqq = bfq_setup_merge(bfqq, in_service_bfqq);
2806                 if (new_bfqq)
2807                         return new_bfqq;
2808         }
2809         /*
2810          * Check whether there is a cooperator among currently scheduled
2811          * queues. The only thing we need is that the bio/request is not
2812          * NULL, as we need it to establish whether a cooperator exists.
2813          */
2814         new_bfqq = bfq_find_close_cooperator(bfqd, bfqq,
2815                         bfq_io_struct_pos(io_struct, request));
2816
2817         if (new_bfqq && likely(new_bfqq != &bfqd->oom_bfqq) &&
2818             bfq_may_be_close_cooperator(bfqq, new_bfqq))
2819                 return bfq_setup_merge(bfqq, new_bfqq);
2820
2821         return NULL;
2822 }
2823
2824 static void bfq_bfqq_save_state(struct bfq_queue *bfqq)
2825 {
2826         struct bfq_io_cq *bic = bfqq->bic;
2827
2828         /*
2829          * If !bfqq->bic, the queue is already shared or its requests
2830          * have already been redirected to a shared queue; both idle window
2831          * and weight raising state have already been saved. Do nothing.
2832          */
2833         if (!bic)
2834                 return;
2835
2836         bic->saved_last_serv_time_ns = bfqq->last_serv_time_ns;
2837         bic->saved_inject_limit = bfqq->inject_limit;
2838         bic->saved_decrease_time_jif = bfqq->decrease_time_jif;
2839
2840         bic->saved_weight = bfqq->entity.orig_weight;
2841         bic->saved_ttime = bfqq->ttime;
2842         bic->saved_has_short_ttime = bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
2843         bic->saved_IO_bound = bfq_bfqq_IO_bound(bfqq);
2844         bic->saved_io_start_time = bfqq->io_start_time;
2845         bic->saved_tot_idle_time = bfqq->tot_idle_time;
2846         bic->saved_in_large_burst = bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq);
2847         bic->was_in_burst_list = !hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node);
2848         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
2849                      !bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq) &&
2850                      bfqq->bfqd->low_latency)) {
2851                 /*
2852                  * bfqq being merged right after being created: bfqq
2853                  * would have deserved interactive weight raising, but
2854                  * did not make it to be set in a weight-raised state,
2855                  * because of this early merge. Store directly the
2856                  * weight-raising state that would have been assigned
2857                  * to bfqq, so that to avoid that bfqq unjustly fails
2858                  * to enjoy weight raising if split soon.
2859                  */
2860                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->bfqd->bfq_wr_coeff;
2861                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
2862                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfq_wr_duration(bfqq->bfqd);
2863                 bic->saved_last_wr_start_finish = jiffies;
2864         } else {
2865                 bic->saved_wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2866                 bic->saved_wr_start_at_switch_to_srt =
2867                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2868                 bic->saved_service_from_wr = bfqq->service_from_wr;
2869                 bic->saved_last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2870                 bic->saved_wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2871         }
2872 }
2873
2874
2875 static void
2876 bfq_reassign_last_bfqq(struct bfq_queue *cur_bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2877 {
2878         if (cur_bfqq->entity.parent &&
2879             cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2880                 cur_bfqq->entity.parent->last_bfqq_created = new_bfqq;
2881         else if (cur_bfqq->bfqd && cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created == cur_bfqq)
2882                 cur_bfqq->bfqd->last_bfqq_created = new_bfqq;
2883 }
2884
2885 void bfq_release_process_ref(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
2886 {
2887         /*
2888          * To prevent bfqq's service guarantees from being violated,
2889          * bfqq may be left busy, i.e., queued for service, even if
2890          * empty (see comments in __bfq_bfqq_expire() for
2891          * details). But, if no process will send requests to bfqq any
2892          * longer, then there is no point in keeping bfqq queued for
2893          * service. In addition, keeping bfqq queued for service, but
2894          * with no process ref any longer, may have caused bfqq to be
2895          * freed when dequeued from service. But this is assumed to
2896          * never happen.
2897          */
2898         if (bfq_bfqq_busy(bfqq) && RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
2899             bfqq != bfqd->in_service_queue)
2900                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, false);
2901
2902         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, NULL);
2903
2904         bfq_put_queue(bfqq);
2905 }
2906
2907 static void
2908 bfq_merge_bfqqs(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_io_cq *bic,
2909                 struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_queue *new_bfqq)
2910 {
2911         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "merging with queue %lu",
2912                 (unsigned long)new_bfqq->pid);
2913         /* Save weight raising and idle window of the merged queues */
2914         bfq_bfqq_save_state(bfqq);
2915         bfq_bfqq_save_state(new_bfqq);
2916         if (bfq_bfqq_IO_bound(bfqq))
2917                 bfq_mark_bfqq_IO_bound(new_bfqq);
2918         bfq_clear_bfqq_IO_bound(bfqq);
2919
2920         /*
2921          * The processes associated with bfqq are cooperators of the
2922          * processes associated with new_bfqq. So, if bfqq has a
2923          * waker, then assume that all these processes will be happy
2924          * to let bfqq's waker freely inject I/O when they have no
2925          * I/O.
2926          */
2927         if (bfqq->waker_bfqq && !new_bfqq->waker_bfqq &&
2928             bfqq->waker_bfqq != new_bfqq) {
2929                 new_bfqq->waker_bfqq = bfqq->waker_bfqq;
2930                 new_bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
2931
2932                 /*
2933                  * If the waker queue disappears, then
2934                  * new_bfqq->waker_bfqq must be reset. So insert
2935                  * new_bfqq into the woken_list of the waker. See
2936                  * bfq_check_waker for details.
2937                  */
2938                 hlist_add_head(&new_bfqq->woken_list_node,
2939                                &new_bfqq->waker_bfqq->woken_list);
2940
2941         }
2942
2943         /*
2944          * If bfqq is weight-raised, then let new_bfqq inherit
2945          * weight-raising. To reduce false positives, neglect the case
2946          * where bfqq has just been created, but has not yet made it
2947          * to be weight-raised (which may happen because EQM may merge
2948          * bfqq even before bfq_add_request is executed for the first
2949          * time for bfqq). Handling this case would however be very
2950          * easy, thanks to the flag just_created.
2951          */
2952         if (new_bfqq->wr_coeff == 1 && bfqq->wr_coeff > 1) {
2953                 new_bfqq->wr_coeff = bfqq->wr_coeff;
2954                 new_bfqq->wr_cur_max_time = bfqq->wr_cur_max_time;
2955                 new_bfqq->last_wr_start_finish = bfqq->last_wr_start_finish;
2956                 new_bfqq->wr_start_at_switch_to_srt =
2957                         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt;
2958                 if (bfq_bfqq_busy(new_bfqq))
2959                         bfqd->wr_busy_queues++;
2960                 new_bfqq->entity.prio_changed = 1;
2961         }
2962
2963         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* bfqq has given its wr to new_bfqq */
2964                 bfqq->wr_coeff = 1;
2965                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
2966                 if (bfq_bfqq_busy(bfqq))
2967                         bfqd->wr_busy_queues--;
2968         }
2969
2970         bfq_log_bfqq(bfqd, new_bfqq, "merge_bfqqs: wr_busy %d",
2971                      bfqd->wr_busy_queues);
2972
2973         /*
2974          * Merge queues (that is, let bic redirect its requests to new_bfqq)
2975          */
2976         bic_set_bfqq(bic, new_bfqq, 1);
2977         bfq_mark_bfqq_coop(new_bfqq);
2978         /*
2979          * new_bfqq now belongs to at least two bics (it is a shared queue):
2980          * set new_bfqq->bic to NULL. bfqq either:
2981          * - does not belong to any bic any more, and hence bfqq->bic must
2982          *   be set to NULL, or
2983          * - is a queue whose owning bics have already been redirected to a
2984          *   different queue, hence the queue is destined to not belong to
2985          *   any bic soon and bfqq->bic is already NULL (therefore the next
2986          *   assignment causes no harm).
2987          */
2988         new_bfqq->bic = NULL;
2989         /*
2990          * If the queue is shared, the pid is the pid of one of the associated
2991          * processes. Which pid depends on the exact sequence of merge events
2992          * the queue underwent. So printing such a pid is useless and confusing
2993          * because it reports a random pid between those of the associated
2994          * processes.
2995          * We mark such a queue with a pid -1, and then print SHARED instead of
2996          * a pid in logging messages.
2997          */
2998         new_bfqq->pid = -1;
2999         bfqq->bic = NULL;
3000
3001         bfq_reassign_last_bfqq(bfqq, new_bfqq);
3002
3003         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
3004 }
3005
3006 static bool bfq_allow_bio_merge(struct request_queue *q, struct request *rq,
3007                                 struct bio *bio)
3008 {
3009         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
3010         bool is_sync = op_is_sync(bio->bi_opf);
3011         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->bio_bfqq, *new_bfqq;
3012
3013         /*
3014          * Disallow merge of a sync bio into an async request.
3015          */
3016         if (is_sync && !rq_is_sync(rq))
3017                 return false;
3018
3019         /*
3020          * Lookup the bfqq that this bio will be queued with. Allow
3021          * merge only if rq is queued there.
3022          */
3023         if (!bfqq)
3024                 return false;
3025
3026         /*
3027          * We take advantage of this function to perform an early merge
3028          * of the queues of possible cooperating processes.
3029          */
3030         new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, bio, false, bfqd->bio_bic);
3031         if (new_bfqq) {
3032                 /*
3033                  * bic still points to bfqq, then it has not yet been
3034                  * redirected to some other bfq_queue, and a queue
3035                  * merge between bfqq and new_bfqq can be safely
3036                  * fulfilled, i.e., bic can be redirected to new_bfqq
3037                  * and bfqq can be put.
3038                  */
3039                 bfq_merge_bfqqs(bfqd, bfqd->bio_bic, bfqq,
3040                                 new_bfqq);
3041                 /*
3042                  * If we get here, bio will be queued into new_queue,
3043                  * so use new_bfqq to decide whether bio and rq can be
3044                  * merged.
3045                  */
3046                 bfqq = new_bfqq;
3047
3048                 /*
3049                  * Change also bqfd->bio_bfqq, as
3050                  * bfqd->bio_bic now points to new_bfqq, and
3051                  * this function may be invoked again (and then may
3052                  * use again bqfd->bio_bfqq).
3053                  */
3054                 bfqd->bio_bfqq = bfqq;
3055         }
3056
3057         return bfqq == RQ_BFQQ(rq);
3058 }
3059
3060 /*
3061  * Set the maximum time for the in-service queue to consume its
3062  * budget. This prevents seeky processes from lowering the throughput.
3063  * In practice, a time-slice service scheme is used with seeky
3064  * processes.
3065  */
3066 static void bfq_set_budget_timeout(struct bfq_data *bfqd,
3067                                    struct bfq_queue *bfqq)
3068 {
3069         unsigned int timeout_coeff;
3070
3071         if (bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time)
3072                 timeout_coeff = 1;
3073         else
3074                 timeout_coeff = bfqq->entity.weight / bfqq->entity.orig_weight;
3075
3076         bfqd->last_budget_start = ktime_get();
3077
3078         bfqq->budget_timeout = jiffies +
3079                 bfqd->bfq_timeout * timeout_coeff;
3080 }
3081
3082 static void __bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd,
3083                                        struct bfq_queue *bfqq)
3084 {
3085         if (bfqq) {
3086                 bfq_clear_bfqq_fifo_expire(bfqq);
3087
3088                 bfqd->budgets_assigned = (bfqd->budgets_assigned * 7 + 256) / 8;
3089
3090                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish) &&
3091                     bfqq->wr_coeff > 1 &&
3092                     bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
3093                     time_is_before_jiffies(bfqq->budget_timeout)) {
3094                         /*
3095                          * For soft real-time queues, move the start
3096                          * of the weight-raising period forward by the
3097                          * time the queue has not received any
3098                          * service. Otherwise, a relatively long
3099                          * service delay is likely to cause the
3100                          * weight-raising period of the queue to end,
3101                          * because of the short duration of the
3102                          * weight-raising period of a soft real-time
3103                          * queue.  It is worth noting that this move
3104                          * is not so dangerous for the other queues,
3105                          * because soft real-time queues are not
3106                          * greedy.
3107                          *
3108                          * To not add a further variable, we use the
3109                          * overloaded field budget_timeout to
3110                          * determine for how long the queue has not
3111                          * received service, i.e., how much time has
3112                          * elapsed since the queue expired. However,
3113                          * this is a little imprecise, because
3114                          * budget_timeout is set to jiffies if bfqq
3115                          * not only expires, but also remains with no
3116                          * request.
3117                          */
3118                         if (time_after(bfqq->budget_timeout,
3119                                        bfqq->last_wr_start_finish))
3120                                 bfqq->last_wr_start_finish +=
3121                                         jiffies - bfqq->budget_timeout;
3122                         else
3123                                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
3124                 }
3125
3126                 bfq_set_budget_timeout(bfqd, bfqq);
3127                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
3128                              "set_in_service_queue, cur-budget = %d",
3129                              bfqq->entity.budget);
3130         }
3131
3132         bfqd->in_service_queue = bfqq;
3133         bfqd->in_serv_last_pos = 0;
3134 }
3135
3136 /*
3137  * Get and set a new queue for service.
3138  */
3139 static struct bfq_queue *bfq_set_in_service_queue(struct bfq_data *bfqd)
3140 {
3141         struct bfq_queue *bfqq = bfq_get_next_queue(bfqd);
3142
3143         __bfq_set_in_service_queue(bfqd, bfqq);
3144         return bfqq;
3145 }
3146
3147 static void bfq_arm_slice_timer(struct bfq_data *bfqd)
3148 {
3149         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
3150         u32 sl;
3151
3152         bfq_mark_bfqq_wait_request(bfqq);
3153
3154         /*
3155          * We don't want to idle for seeks, but we do want to allow
3156          * fair distribution of slice time for a process doing back-to-back
3157          * seeks. So allow a little bit of time for him to submit a new rq.
3158          */
3159         sl = bfqd->bfq_slice_idle;
3160         /*
3161          * Unless the queue is being weight-raised or the scenario is
3162          * asymmetric, grant only minimum idle time if the queue
3163          * is seeky. A long idling is preserved for a weight-raised
3164          * queue, or, more in general, in an asymmetric scenario,
3165          * because a long idling is needed for guaranteeing to a queue
3166          * its reserved share of the throughput (in particular, it is
3167          * needed if the queue has a higher weight than some other
3168          * queue).
3169          */
3170         if (BFQQ_SEEKY(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1 &&
3171             !bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq))
3172                 sl = min_t(u64, sl, BFQ_MIN_TT);
3173         else if (bfqq->wr_coeff > 1)
3174                 sl = max_t(u32, sl, 20ULL * NSEC_PER_MSEC);
3175
3176         bfqd->last_idling_start = ktime_get();
3177         bfqd->last_idling_start_jiffies = jiffies;
3178
3179         hrtimer_start(&bfqd->idle_slice_timer, ns_to_ktime(sl),
3180                       HRTIMER_MODE_REL);
3181         bfqg_stats_set_start_idle_time(bfqq_group(bfqq));
3182 }
3183
3184 /*
3185  * In autotuning mode, max_budget is dynamically recomputed as the
3186  * amount of sectors transferred in timeout at the estimated peak
3187  * rate. This enables BFQ to utilize a full timeslice with a full
3188  * budget, even if the in-service queue is served at peak rate. And
3189  * this maximises throughput with sequential workloads.
3190  */
3191 static unsigned long bfq_calc_max_budget(struct bfq_data *bfqd)
3192 {
3193         return (u64)bfqd->peak_rate * USEC_PER_MSEC *
3194                 jiffies_to_msecs(bfqd->bfq_timeout)>>BFQ_RATE_SHIFT;
3195 }
3196
3197 /*
3198  * Update parameters related to throughput and responsiveness, as a
3199  * function of the estimated peak rate. See comments on
3200  * bfq_calc_max_budget(), and on the ref_wr_duration array.
3201  */
3202 static void update_thr_responsiveness_params(struct bfq_data *bfqd)
3203 {
3204         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0) {
3205                 bfqd->bfq_max_budget =
3206                         bfq_calc_max_budget(bfqd);
3207                 bfq_log(bfqd, "new max_budget = %d", bfqd->bfq_max_budget);
3208         }
3209 }
3210
3211 static void bfq_reset_rate_computation(struct bfq_data *bfqd,
3212                                        struct request *rq)
3213 {
3214         if (rq != NULL) { /* new rq dispatch now, reset accordingly */
3215                 bfqd->last_dispatch = bfqd->first_dispatch = ktime_get_ns();
3216                 bfqd->peak_rate_samples = 1;
3217                 bfqd->sequential_samples = 0;
3218                 bfqd->tot_sectors_dispatched = bfqd->last_rq_max_size =
3219                         blk_rq_sectors(rq);
3220         } else /* no new rq dispatched, just reset the number of samples */
3221                 bfqd->peak_rate_samples = 0; /* full re-init on next disp. */
3222
3223         bfq_log(bfqd,
3224                 "reset_rate_computation at end, sample %u/%u tot_sects %llu",
3225                 bfqd->peak_rate_samples, bfqd->sequential_samples,
3226                 bfqd->tot_sectors_dispatched);
3227 }
3228
3229 static void bfq_update_rate_reset(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3230 {
3231         u32 rate, weight, divisor;
3232
3233         /*
3234          * For the convergence property to hold (see comments on
3235          * bfq_update_peak_rate()) and for the assessment to be
3236          * reliable, a minimum number of samples must be present, and
3237          * a minimum amount of time must have elapsed. If not so, do
3238          * not compute new rate. Just reset parameters, to get ready
3239          * for a new evaluation attempt.
3240          */
3241         if (bfqd->peak_rate_samples < BFQ_RATE_MIN_SAMPLES ||
3242             bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_MIN_INTERVAL)
3243                 goto reset_computation;
3244
3245         /*
3246          * If a new request completion has occurred after last
3247          * dispatch, then, to approximate the rate at which requests
3248          * have been served by the device, it is more precise to
3249          * extend the observation interval to the last completion.
3250          */
3251         bfqd->delta_from_first =
3252                 max_t(u64, bfqd->delta_from_first,
3253                       bfqd->last_completion - bfqd->first_dispatch);
3254
3255         /*
3256          * Rate computed in sects/usec, and not sects/nsec, for
3257          * precision issues.
3258          */
3259         rate = div64_ul(bfqd->tot_sectors_dispatched<<BFQ_RATE_SHIFT,
3260                         div_u64(bfqd->delta_from_first, NSEC_PER_USEC));
3261
3262         /*
3263          * Peak rate not updated if:
3264          * - the percentage of sequential dispatches is below 3/4 of the
3265          *   total, and rate is below the current estimated peak rate
3266          * - rate is unreasonably high (> 20M sectors/sec)
3267          */
3268         if ((bfqd->sequential_samples < (3 * bfqd->peak_rate_samples)>>2 &&
3269              rate <= bfqd->peak_rate) ||
3270                 rate > 20<<BFQ_RATE_SHIFT)
3271                 goto reset_computation;
3272
3273         /*
3274          * We have to update the peak rate, at last! To this purpose,
3275          * we use a low-pass filter. We compute the smoothing constant
3276          * of the filter as a function of the 'weight' of the new
3277          * measured rate.
3278          *
3279          * As can be seen in next formulas, we define this weight as a
3280          * quantity proportional to how sequential the workload is,
3281          * and to how long the observation time interval is.
3282          *
3283          * The weight runs from 0 to 8. The maximum value of the
3284          * weight, 8, yields the minimum value for the smoothing
3285          * constant. At this minimum value for the smoothing constant,
3286          * the measured rate contributes for half of the next value of
3287          * the estimated peak rate.
3288          *
3289          * So, the first step is to compute the weight as a function
3290          * of how sequential the workload is. Note that the weight
3291          * cannot reach 9, because bfqd->sequential_samples cannot
3292          * become equal to bfqd->peak_rate_samples, which, in its
3293          * turn, holds true because bfqd->sequential_samples is not
3294          * incremented for the first sample.
3295          */
3296         weight = (9 * bfqd->sequential_samples) / bfqd->peak_rate_samples;
3297
3298         /*
3299          * Second step: further refine the weight as a function of the
3300          * duration of the observation interval.
3301          */
3302         weight = min_t(u32, 8,
3303                        div_u64(weight * bfqd->delta_from_first,
3304                                BFQ_RATE_REF_INTERVAL));
3305
3306         /*
3307          * Divisor ranging from 10, for minimum weight, to 2, for
3308          * maximum weight.
3309          */
3310         divisor = 10 - weight;
3311
3312         /*
3313          * Finally, update peak rate:
3314          *
3315          * peak_rate = peak_rate * (divisor-1) / divisor  +  rate / divisor
3316          */
3317         bfqd->peak_rate *= divisor-1;
3318         bfqd->peak_rate /= divisor;
3319         rate /= divisor; /* smoothing constant alpha = 1/divisor */
3320
3321         bfqd->peak_rate += rate;
3322
3323         /*
3324          * For a very slow device, bfqd->peak_rate can reach 0 (see
3325          * the minimum representable values reported in the comments
3326          * on BFQ_RATE_SHIFT). Push to 1 if this happens, to avoid
3327          * divisions by zero where bfqd->peak_rate is used as a
3328          * divisor.
3329          */
3330         bfqd->peak_rate = max_t(u32, 1, bfqd->peak_rate);
3331
3332         update_thr_responsiveness_params(bfqd);
3333
3334 reset_computation:
3335         bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3336 }
3337
3338 /*
3339  * Update the read/write peak rate (the main quantity used for
3340  * auto-tuning, see update_thr_responsiveness_params()).
3341  *
3342  * It is not trivial to estimate the peak rate (correctly): because of
3343  * the presence of sw and hw queues between the scheduler and the
3344  * device components that finally serve I/O requests, it is hard to
3345  * say exactly when a given dispatched request is served inside the
3346  * device, and for how long. As a consequence, it is hard to know
3347  * precisely at what rate a given set of requests is actually served
3348  * by the device.
3349  *
3350  * On the opposite end, the dispatch time of any request is trivially
3351  * available, and, from this piece of information, the "dispatch rate"
3352  * of requests can be immediately computed. So, the idea in the next
3353  * function is to use what is known, namely request dispatch times
3354  * (plus, when useful, request completion times), to estimate what is
3355  * unknown, namely in-device request service rate.
3356  *
3357  * The main issue is that, because of the above facts, the rate at
3358  * which a certain set of requests is dispatched over a certain time
3359  * interval can vary greatly with respect to the rate at which the
3360  * same requests are then served. But, since the size of any
3361  * intermediate queue is limited, and the service scheme is lossless
3362  * (no request is silently dropped), the following obvious convergence
3363  * property holds: the number of requests dispatched MUST become
3364  * closer and closer to the number of requests completed as the
3365  * observation interval grows. This is the key property used in
3366  * the next function to estimate the peak service rate as a function
3367  * of the observed dispatch rate. The function assumes to be invoked
3368  * on every request dispatch.
3369  */
3370 static void bfq_update_peak_rate(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
3371 {
3372         u64 now_ns = ktime_get_ns();
3373
3374         if (bfqd->peak_rate_samples == 0) { /* first dispatch */
3375                 bfq_log(bfqd, "update_peak_rate: goto reset, samples %d",
3376                         bfqd->peak_rate_samples);
3377                 bfq_reset_rate_computation(bfqd, rq);
3378                 goto update_last_values; /* will add one sample */
3379         }
3380
3381         /*
3382          * Device idle for very long: the observation interval lasting
3383          * up to this dispatch cannot be a valid observation interval
3384          * for computing a new peak rate (similarly to the late-
3385          * completion event in bfq_completed_request()). Go to
3386          * update_rate_and_reset to have the following three steps
3387          * taken:
3388          * - close the observation interval at the last (previous)
3389          *   request dispatch or completion
3390          * - compute rate, if possible, for that observation interval
3391          * - start a new observation interval with this dispatch
3392          */
3393         if (now_ns - bfqd->last_dispatch > 100*NSEC_PER_MSEC &&
3394             bfqd->rq_in_driver == 0)
3395                 goto update_rate_and_reset;
3396
3397         /* Update sampling information */
3398         bfqd->peak_rate_samples++;
3399
3400         if ((bfqd->rq_in_driver > 0 ||
3401                 now_ns - bfqd->last_completion < BFQ_MIN_TT)
3402             && !BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqd->last_position, rq))
3403                 bfqd->sequential_samples++;
3404
3405         bfqd->tot_sectors_dispatched += blk_rq_sectors(rq);
3406
3407         /* Reset max observed rq size every 32 dispatches */
3408         if (likely(bfqd->peak_rate_samples % 32))
3409                 bfqd->last_rq_max_size =
3410                         max_t(u32, blk_rq_sectors(rq), bfqd->last_rq_max_size);
3411         else
3412                 bfqd->last_rq_max_size = blk_rq_sectors(rq);
3413
3414         bfqd->delta_from_first = now_ns - bfqd->first_dispatch;
3415
3416         /* Target observation interval not yet reached, go on sampling */
3417         if (bfqd->delta_from_first < BFQ_RATE_REF_INTERVAL)
3418                 goto update_last_values;
3419
3420 update_rate_and_reset:
3421         bfq_update_rate_reset(bfqd, rq);
3422 update_last_values:
3423         bfqd->last_position = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
3424         if (RQ_BFQQ(rq) == bfqd->in_service_queue)
3425                 bfqd->in_serv_last_pos = bfqd->last_position;
3426         bfqd->last_dispatch = now_ns;
3427 }
3428
3429 /*
3430  * Remove request from internal lists.
3431  */
3432 static void bfq_dispatch_remove(struct request_queue *q, struct request *rq)
3433 {
3434         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
3435
3436         /*
3437          * For consistency, the next instruction should have been
3438          * executed after removing the request from the queue and
3439          * dispatching it.  We execute instead this instruction before
3440          * bfq_remove_request() (and hence introduce a temporary
3441          * inconsistency), for efficiency.  In fact, should this
3442          * dispatch occur for a non in-service bfqq, this anticipated
3443          * increment prevents two counters related to bfqq->dispatched
3444          * from risking to be, first, uselessly decremented, and then
3445          * incremented again when the (new) value of bfqq->dispatched
3446          * happens to be taken into account.
3447          */
3448         bfqq->dispatched++;
3449         bfq_update_peak_rate(q->elevator->elevator_data, rq);
3450
3451         bfq_remove_request(q, rq);
3452 }
3453
3454 /*
3455  * There is a case where idling does not have to be performed for
3456  * throughput concerns, but to preserve the throughput share of
3457  * the process associated with bfqq.
3458  *
3459  * To introduce this case, we can note that allowing the drive
3460  * to enqueue more than one request at a time, and hence
3461  * delegating de facto final scheduling decisions to the
3462  * drive's internal scheduler, entails loss of control on the
3463  * actual request service order. In particular, the critical
3464  * situation is when requests from different processes happen
3465  * to be present, at the same time, in the internal queue(s)
3466  * of the drive. In such a situation, the drive, by deciding
3467  * the service order of the internally-queued requests, does
3468  * determine also the actual throughput distribution among
3469  * these processes. But the drive typically has no notion or
3470  * concern about per-process throughput distribution, and
3471  * makes its decisions only on a per-request basis. Therefore,
3472  * the service distribution enforced by the drive's internal
3473  * scheduler is likely to coincide with the desired throughput
3474  * distribution only in a completely symmetric, or favorably
3475  * skewed scenario where:
3476  * (i-a) each of these processes must get the same throughput as
3477  *       the others,
3478  * (i-b) in case (i-a) does not hold, it holds that the process
3479  *       associated with bfqq must receive a lower or equal
3480  *       throughput than any of the other processes;
3481  * (ii)  the I/O of each process has the same properties, in
3482  *       terms of locality (sequential or random), direction
3483  *       (reads or writes), request sizes, greediness
3484  *       (from I/O-bound to sporadic), and so on;
3485
3486  * In fact, in such a scenario, the drive tends to treat the requests
3487  * of each process in about the same way as the requests of the
3488  * others, and thus to provide each of these processes with about the
3489  * same throughput.  This is exactly the desired throughput
3490  * distribution if (i-a) holds, or, if (i-b) holds instead, this is an
3491  * even more convenient distribution for (the process associated with)
3492  * bfqq.
3493  *
3494  * In contrast, in any asymmetric or unfavorable scenario, device
3495  * idling (I/O-dispatch plugging) is certainly needed to guarantee
3496  * that bfqq receives its assigned fraction of the device throughput
3497  * (see [1] for details).
3498  *
3499  * The problem is that idling may significantly reduce throughput with
3500  * certain combinations of types of I/O and devices. An important
3501  * example is sync random I/O on flash storage with command
3502  * queueing. So, unless bfqq falls in cases where idling also boosts
3503  * throughput, it is important to check conditions (i-a), i(-b) and
3504  * (ii) accurately, so as to avoid idling when not strictly needed for
3505  * service guarantees.
3506  *
3507  * Unfortunately, it is extremely difficult to thoroughly check
3508  * condition (ii). And, in case there are active groups, it becomes
3509  * very difficult to check conditions (i-a) and (i-b) too.  In fact,
3510  * if there are active groups, then, for conditions (i-a) or (i-b) to
3511  * become false 'indirectly', it is enough that an active group
3512  * contains more active processes or sub-groups than some other active
3513  * group. More precisely, for conditions (i-a) or (i-b) to become
3514  * false because of such a group, it is not even necessary that the
3515  * group is (still) active: it is sufficient that, even if the group
3516  * has become inactive, some of its descendant processes still have
3517  * some request already dispatched but still waiting for
3518  * completion. In fact, requests have still to be guaranteed their
3519  * share of the throughput even after being dispatched. In this
3520  * respect, it is easy to show that, if a group frequently becomes
3521  * inactive while still having in-flight requests, and if, when this
3522  * happens, the group is not considered in the calculation of whether
3523  * the scenario is asymmetric, then the group may fail to be
3524  * guaranteed its fair share of the throughput (basically because
3525  * idling may not be performed for the descendant processes of the
3526  * group, but it had to be).  We address this issue with the following
3527  * bi-modal behavior, implemented in the function
3528  * bfq_asymmetric_scenario().
3529  *
3530  * If there are groups with requests waiting for completion
3531  * (as commented above, some of these groups may even be
3532  * already inactive), then the scenario is tagged as
3533  * asymmetric, conservatively, without checking any of the
3534  * conditions (i-a), (i-b) or (ii). So the device is idled for bfqq.
3535  * This behavior matches also the fact that groups are created
3536  * exactly if controlling I/O is a primary concern (to
3537  * preserve bandwidth and latency guarantees).
3538  *
3539  * On the opposite end, if there are no groups with requests waiting
3540  * for completion, then only conditions (i-a) and (i-b) are actually
3541  * controlled, i.e., provided that conditions (i-a) or (i-b) holds,
3542  * idling is not performed, regardless of whether condition (ii)
3543  * holds.  In other words, only if conditions (i-a) and (i-b) do not
3544  * hold, then idling is allowed, and the device tends to be prevented
3545  * from queueing many requests, possibly of several processes. Since
3546  * there are no groups with requests waiting for completion, then, to
3547  * control conditions (i-a) and (i-b) it is enough to check just
3548  * whether all the queues with requests waiting for completion also
3549  * have the same weight.
3550  *
3551  * Not checking condition (ii) evidently exposes bfqq to the
3552  * risk of getting less throughput than its fair share.
3553  * However, for queues with the same weight, a further
3554  * mechanism, preemption, mitigates or even eliminates this
3555  * problem. And it does so without consequences on overall
3556  * throughput. This mechanism and its benefits are explained
3557  * in the next three paragraphs.
3558  *
3559  * Even if a queue, say Q, is expired when it remains idle, Q
3560  * can still preempt the new in-service queue if the next
3561  * request of Q arrives soon (see the comments on
3562  * bfq_bfqq_update_budg_for_activation). If all queues and
3563  * groups have the same weight, this form of preemption,
3564  * combined with the hole-recovery heuristic described in the
3565  * comments on function bfq_bfqq_update_budg_for_activation,
3566  * are enough to preserve a correct bandwidth distribution in
3567  * the mid term, even without idling. In fact, even if not
3568  * idling allows the internal queues of the device to contain
3569  * many requests, and thus to reorder requests, we can rather
3570  * safely assume that the internal scheduler still preserves a
3571  * minimum of mid-term fairness.
3572  *
3573  * More precisely, this preemption-based, idleless approach
3574  * provides fairness in terms of IOPS, and not sectors per
3575  * second. This can be seen with a simple example. Suppose
3576  * that there are two queues with the same weight, but that
3577  * the first queue receives requests of 8 sectors, while the
3578  * second queue receives requests of 1024 sectors. In
3579  * addition, suppose that each of the two queues contains at
3580  * most one request at a time, which implies that each queue
3581  * always remains idle after it is served. Finally, after
3582  * remaining idle, each queue receives very quickly a new
3583  * request. It follows that the two queues are served
3584  * alternatively, preempting each other if needed. This
3585  * implies that, although both queues have the same weight,
3586  * the queue with large requests receives a service that is
3587  * 1024/8 times as high as the service received by the other
3588  * queue.
3589  *
3590  * The motivation for using preemption instead of idling (for
3591  * queues with the same weight) is that, by not idling,
3592  * service guarantees are preserved (completely or at least in
3593  * part) without minimally sacrificing throughput. And, if
3594  * there is no active group, then the primary expectation for
3595  * this device is probably a high throughput.
3596  *
3597  * We are now left only with explaining the two sub-conditions in the
3598  * additional compound condition that is checked below for deciding
3599  * whether the scenario is asymmetric. To explain the first
3600  * sub-condition, we need to add that the function
3601  * bfq_asymmetric_scenario checks the weights of only
3602  * non-weight-raised queues, for efficiency reasons (see comments on
3603  * bfq_weights_tree_add()). Then the fact that bfqq is weight-raised
3604  * is checked explicitly here. More precisely, the compound condition
3605  * below takes into account also the fact that, even if bfqq is being
3606  * weight-raised, the scenario is still symmetric if all queues with
3607  * requests waiting for completion happen to be
3608  * weight-raised. Actually, we should be even more precise here, and
3609  * differentiate between interactive weight raising and soft real-time
3610  * weight raising.
3611  *
3612  * The second sub-condition checked in the compound condition is
3613  * whether there is a fair amount of already in-flight I/O not
3614  * belonging to bfqq. If so, I/O dispatching is to be plugged, for the
3615  * following reason. The drive may decide to serve in-flight
3616  * non-bfqq's I/O requests before bfqq's ones, thereby delaying the
3617  * arrival of new I/O requests for bfqq (recall that bfqq is sync). If
3618  * I/O-dispatching is not plugged, then, while bfqq remains empty, a
3619  * basically uncontrolled amount of I/O from other queues may be
3620  * dispatched too, possibly causing the service of bfqq's I/O to be
3621  * delayed even longer in the drive. This problem gets more and more
3622  * serious as the speed and the queue depth of the drive grow,
3623  * because, as these two quantities grow, the probability to find no
3624  * queue busy but many requests in flight grows too. By contrast,
3625  * plugging I/O dispatching minimizes the delay induced by already
3626  * in-flight I/O, and enables bfqq to recover the bandwidth it may
3627  * lose because of this delay.
3628  *
3629  * As a side note, it is worth considering that the above
3630  * device-idling countermeasures may however fail in the following
3631  * unlucky scenario: if I/O-dispatch plugging is (correctly) disabled
3632  * in a time period during which all symmetry sub-conditions hold, and
3633  * therefore the device is allowed to enqueue many requests, but at
3634  * some later point in time some sub-condition stops to hold, then it
3635  * may become impossible to make requests be served in the desired
3636  * order until all the requests already queued in the device have been
3637  * served. The last sub-condition commented above somewhat mitigates
3638  * this problem for weight-raised queues.
3639  *
3640  * However, as an additional mitigation for this problem, we preserve
3641  * plugging for a special symmetric case that may suddenly turn into
3642  * asymmetric: the case where only bfqq is busy. In this case, not
3643  * expiring bfqq does not cause any harm to any other queues in terms
3644  * of service guarantees. In contrast, it avoids the following unlucky
3645  * sequence of events: (1) bfqq is expired, (2) a new queue with a
3646  * lower weight than bfqq becomes busy (or more queues), (3) the new
3647  * queue is served until a new request arrives for bfqq, (4) when bfqq
3648  * is finally served, there are so many requests of the new queue in
3649  * the drive that the pending requests for bfqq take a lot of time to
3650  * be served. In particular, event (2) may case even already
3651  * dispatched requests of bfqq to be delayed, inside the drive. So, to
3652  * avoid this series of events, the scenario is preventively declared
3653  * as asymmetric also if bfqq is the only busy queues
3654  */
3655 static bool idling_needed_for_service_guarantees(struct bfq_data *bfqd,
3656                                                  struct bfq_queue *bfqq)
3657 {
3658         int tot_busy_queues = bfq_tot_busy_queues(bfqd);
3659
3660         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
3661         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
3662                 return false;
3663
3664         return (bfqq->wr_coeff > 1 &&
3665                 (bfqd->wr_busy_queues <
3666                  tot_busy_queues ||
3667                  bfqd->rq_in_driver >=
3668                  bfqq->dispatched + 4)) ||
3669                 bfq_asymmetric_scenario(bfqd, bfqq) ||
3670                 tot_busy_queues == 1;
3671 }
3672
3673 static bool __bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3674                               enum bfqq_expiration reason)
3675 {
3676         /*
3677          * If this bfqq is shared between multiple processes, check
3678          * to make sure that those processes are still issuing I/Os
3679          * within the mean seek distance. If not, it may be time to
3680          * break the queues apart again.
3681          */
3682         if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && BFQQ_SEEKY(bfqq))
3683                 bfq_mark_bfqq_split_coop(bfqq);
3684
3685         /*
3686          * Consider queues with a higher finish virtual time than
3687          * bfqq. If idling_needed_for_service_guarantees(bfqq) returns
3688          * true, then bfqq's bandwidth would be violated if an
3689          * uncontrolled amount of I/O from these queues were
3690          * dispatched while bfqq is waiting for its new I/O to
3691          * arrive. This is exactly what may happen if this is a forced
3692          * expiration caused by a preemption attempt, and if bfqq is
3693          * not re-scheduled. To prevent this from happening, re-queue
3694          * bfqq if it needs I/O-dispatch plugging, even if it is
3695          * empty. By doing so, bfqq is granted to be served before the
3696          * above queues (provided that bfqq is of course eligible).
3697          */
3698         if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
3699             !(reason == BFQQE_PREEMPTED &&
3700               idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq))) {
3701                 if (bfqq->dispatched == 0)
3702                         /*
3703                          * Overloading budget_timeout field to store
3704                          * the time at which the queue remains with no
3705                          * backlog and no outstanding request; used by
3706                          * the weight-raising mechanism.
3707                          */
3708                         bfqq->budget_timeout = jiffies;
3709
3710                 bfq_del_bfqq_busy(bfqd, bfqq, true);
3711         } else {
3712                 bfq_requeue_bfqq(bfqd, bfqq, true);
3713                 /*
3714                  * Resort priority tree of potential close cooperators.
3715                  * See comments on bfq_pos_tree_add_move() for the unlikely().
3716                  */
3717                 if (unlikely(!bfqd->nonrot_with_queueing &&
3718                              !RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)))
3719                         bfq_pos_tree_add_move(bfqd, bfqq);
3720         }
3721
3722         /*
3723          * All in-service entities must have been properly deactivated
3724          * or requeued before executing the next function, which
3725          * resets all in-service entities as no more in service. This
3726          * may cause bfqq to be freed. If this happens, the next
3727          * function returns true.
3728          */
3729         return __bfq_bfqd_reset_in_service(bfqd);
3730 }
3731
3732 /**
3733  * __bfq_bfqq_recalc_budget - try to adapt the budget to the @bfqq behavior.
3734  * @bfqd: device data.
3735  * @bfqq: queue to update.
3736  * @reason: reason for expiration.
3737  *
3738  * Handle the feedback on @bfqq budget at queue expiration.
3739  * See the body for detailed comments.
3740  */
3741 static void __bfq_bfqq_recalc_budget(struct bfq_data *bfqd,
3742                                      struct bfq_queue *bfqq,
3743                                      enum bfqq_expiration reason)
3744 {
3745         struct request *next_rq;
3746         int budget, min_budget;
3747
3748         min_budget = bfq_min_budget(bfqd);
3749
3750         if (bfqq->wr_coeff == 1)
3751                 budget = bfqq->max_budget;
3752         else /*
3753               * Use a constant, low budget for weight-raised queues,
3754               * to help achieve a low latency. Keep it slightly higher
3755               * than the minimum possible budget, to cause a little
3756               * bit fewer expirations.
3757               */
3758                 budget = 2 * min_budget;
3759
3760         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last budg %d, budg left %d",
3761                 bfqq->entity.budget, bfq_bfqq_budget_left(bfqq));
3762         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: last max_budg %d, min budg %d",
3763                 budget, bfq_min_budget(bfqd));
3764         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "recalc_budg: sync %d, seeky %d",
3765                 bfq_bfqq_sync(bfqq), BFQQ_SEEKY(bfqd->in_service_queue));
3766
3767         if (bfq_bfqq_sync(bfqq) && bfqq->wr_coeff == 1) {
3768                 switch (reason) {
3769                 /*
3770                  * Caveat: in all the following cases we trade latency
3771                  * for throughput.
3772                  */
3773                 case BFQQE_TOO_IDLE:
3774                         /*
3775                          * This is the only case where we may reduce
3776                          * the budget: if there is no request of the
3777                          * process still waiting for completion, then
3778                          * we assume (tentatively) that the timer has
3779                          * expired because the batch of requests of
3780                          * the process could have been served with a
3781                          * smaller budget.  Hence, betting that
3782                          * process will behave in the same way when it
3783                          * becomes backlogged again, we reduce its
3784                          * next budget.  As long as we guess right,
3785                          * this budget cut reduces the latency
3786                          * experienced by the process.
3787                          *
3788                          * However, if there are still outstanding
3789                          * requests, then the process may have not yet
3790                          * issued its next request just because it is
3791                          * still waiting for the completion of some of
3792                          * the still outstanding ones.  So in this
3793                          * subcase we do not reduce its budget, on the
3794                          * contrary we increase it to possibly boost
3795                          * the throughput, as discussed in the
3796                          * comments to the BUDGET_TIMEOUT case.
3797                          */
3798                         if (bfqq->dispatched > 0) /* still outstanding reqs */
3799                                 budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3800                         else {
3801                                 if (budget > 5 * min_budget)
3802                                         budget -= 4 * min_budget;
3803                                 else
3804                                         budget = min_budget;
3805                         }
3806                         break;
3807                 case BFQQE_BUDGET_TIMEOUT:
3808                         /*
3809                          * We double the budget here because it gives
3810                          * the chance to boost the throughput if this
3811                          * is not a seeky process (and has bumped into
3812                          * this timeout because of, e.g., ZBR).
3813                          */
3814                         budget = min(budget * 2, bfqd->bfq_max_budget);
3815                         break;
3816                 case BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED:
3817                         /*
3818                          * The process still has backlog, and did not
3819                          * let either the budget timeout or the disk
3820                          * idling timeout expire. Hence it is not
3821                          * seeky, has a short thinktime and may be
3822                          * happy with a higher budget too. So
3823                          * definitely increase the budget of this good
3824                          * candidate to boost the disk throughput.
3825                          */
3826                         budget = min(budget * 4, bfqd->bfq_max_budget);
3827                         break;
3828                 case BFQQE_NO_MORE_REQUESTS:
3829                         /*
3830                          * For queues that expire for this reason, it
3831                          * is particularly important to keep the
3832                          * budget close to the actual service they
3833                          * need. Doing so reduces the timestamp
3834                          * misalignment problem described in the
3835                          * comments in the body of
3836                          * __bfq_activate_entity. In fact, suppose
3837                          * that a queue systematically expires for
3838                          * BFQQE_NO_MORE_REQUESTS and presents a
3839                          * new request in time to enjoy timestamp
3840                          * back-shifting. The larger the budget of the
3841                          * queue is with respect to the service the
3842                          * queue actually requests in each service
3843                          * slot, the more times the queue can be
3844                          * reactivated with the same virtual finish
3845                          * time. It follows that, even if this finish
3846                          * time is pushed to the system virtual time
3847                          * to reduce the consequent timestamp
3848                          * misalignment, the queue unjustly enjoys for
3849                          * many re-activations a lower finish time
3850                          * than all newly activated queues.
3851                          *
3852                          * The service needed by bfqq is measured
3853                          * quite precisely by bfqq->entity.service.
3854                          * Since bfqq does not enjoy device idling,
3855                          * bfqq->entity.service is equal to the number
3856                          * of sectors that the process associated with
3857                          * bfqq requested to read/write before waiting
3858                          * for request completions, or blocking for
3859                          * other reasons.
3860                          */
3861                         budget = max_t(int, bfqq->entity.service, min_budget);
3862                         break;
3863                 default:
3864                         return;
3865                 }
3866         } else if (!bfq_bfqq_sync(bfqq)) {
3867                 /*
3868                  * Async queues get always the maximum possible
3869                  * budget, as for them we do not care about latency
3870                  * (in addition, their ability to dispatch is limited
3871                  * by the charging factor).
3872                  */
3873                 budget = bfqd->bfq_max_budget;
3874         }
3875
3876         bfqq->max_budget = budget;
3877
3878         if (bfqd->budgets_assigned >= bfq_stats_min_budgets &&
3879             !bfqd->bfq_user_max_budget)
3880                 bfqq->max_budget = min(bfqq->max_budget, bfqd->bfq_max_budget);
3881
3882         /*
3883          * If there is still backlog, then assign a new budget, making
3884          * sure that it is large enough for the next request.  Since
3885          * the finish time of bfqq must be kept in sync with the
3886          * budget, be sure to call __bfq_bfqq_expire() *after* this
3887          * update.
3888          *
3889          * If there is no backlog, then no need to update the budget;
3890          * it will be updated on the arrival of a new request.
3891          */
3892         next_rq = bfqq->next_rq;
3893         if (next_rq)
3894                 bfqq->entity.budget = max_t(unsigned long, bfqq->max_budget,
3895                                             bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq));
3896
3897         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "head sect: %u, new budget %d",
3898                         next_rq ? blk_rq_sectors(next_rq) : 0,
3899                         bfqq->entity.budget);
3900 }
3901
3902 /*
3903  * Return true if the process associated with bfqq is "slow". The slow
3904  * flag is used, in addition to the budget timeout, to reduce the
3905  * amount of service provided to seeky processes, and thus reduce
3906  * their chances to lower the throughput. More details in the comments
3907  * on the function bfq_bfqq_expire().
3908  *
3909  * An important observation is in order: as discussed in the comments
3910  * on the function bfq_update_peak_rate(), with devices with internal
3911  * queues, it is hard if ever possible to know when and for how long
3912  * an I/O request is processed by the device (apart from the trivial
3913  * I/O pattern where a new request is dispatched only after the
3914  * previous one has been completed). This makes it hard to evaluate
3915  * the real rate at which the I/O requests of each bfq_queue are
3916  * served.  In fact, for an I/O scheduler like BFQ, serving a
3917  * bfq_queue means just dispatching its requests during its service
3918  * slot (i.e., until the budget of the queue is exhausted, or the
3919  * queue remains idle, or, finally, a timeout fires). But, during the
3920  * service slot of a bfq_queue, around 100 ms at most, the device may
3921  * be even still processing requests of bfq_queues served in previous
3922  * service slots. On the opposite end, the requests of the in-service
3923  * bfq_queue may be completed after the service slot of the queue
3924  * finishes.
3925  *
3926  * Anyway, unless more sophisticated solutions are used
3927  * (where possible), the sum of the sizes of the requests dispatched
3928  * during the service slot of a bfq_queue is probably the only
3929  * approximation available for the service received by the bfq_queue
3930  * during its service slot. And this sum is the quantity used in this
3931  * function to evaluate the I/O speed of a process.
3932  */
3933 static bool bfq_bfqq_is_slow(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
3934                                  bool compensate, enum bfqq_expiration reason,
3935                                  unsigned long *delta_ms)
3936 {
3937         ktime_t delta_ktime;
3938         u32 delta_usecs;
3939         bool slow = BFQQ_SEEKY(bfqq); /* if delta too short, use seekyness */
3940
3941         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq))
3942                 return false;
3943
3944         if (compensate)
3945                 delta_ktime = bfqd->last_idling_start;
3946         else
3947                 delta_ktime = ktime_get();
3948         delta_ktime = ktime_sub(delta_ktime, bfqd->last_budget_start);
3949         delta_usecs = ktime_to_us(delta_ktime);
3950
3951         /* don't use too short time intervals */
3952         if (delta_usecs < 1000) {
3953                 if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue))
3954                          /*
3955                           * give same worst-case guarantees as idling
3956                           * for seeky
3957                           */
3958                         *delta_ms = BFQ_MIN_TT / NSEC_PER_MSEC;
3959                 else /* charge at least one seek */
3960                         *delta_ms = bfq_slice_idle / NSEC_PER_MSEC;
3961
3962                 return slow;
3963         }
3964
3965         *delta_ms = delta_usecs / USEC_PER_MSEC;
3966
3967         /*
3968          * Use only long (> 20ms) intervals to filter out excessive
3969          * spikes in service rate estimation.
3970          */
3971         if (delta_usecs > 20000) {
3972                 /*
3973                  * Caveat for rotational devices: processes doing I/O
3974                  * in the slower disk zones tend to be slow(er) even
3975                  * if not seeky. In this respect, the estimated peak
3976                  * rate is likely to be an average over the disk
3977                  * surface. Accordingly, to not be too harsh with
3978                  * unlucky processes, a process is deemed slow only if
3979                  * its rate has been lower than half of the estimated
3980                  * peak rate.
3981                  */
3982                 slow = bfqq->entity.service < bfqd->bfq_max_budget / 2;
3983         }
3984
3985         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "bfq_bfqq_is_slow: slow %d", slow);
3986
3987         return slow;
3988 }
3989
3990 /*
3991  * To be deemed as soft real-time, an application must meet two
3992  * requirements. First, the application must not require an average
3993  * bandwidth higher than the approximate bandwidth required to playback or
3994  * record a compressed high-definition video.
3995  * The next function is invoked on the completion of the last request of a
3996  * batch, to compute the next-start time instant, soft_rt_next_start, such
3997  * that, if the next request of the application does not arrive before
3998  * soft_rt_next_start, then the above requirement on the bandwidth is met.
3999  *
4000  * The second requirement is that the request pattern of the application is
4001  * isochronous, i.e., that, after issuing a request or a batch of requests,
4002  * the application stops issuing new requests until all its pending requests
4003  * have been completed. After that, the application may issue a new batch,
4004  * and so on.
4005  * For this reason the next function is invoked to compute
4006  * soft_rt_next_start only for applications that meet this requirement,
4007  * whereas soft_rt_next_start is set to infinity for applications that do
4008  * not.
4009  *
4010  * Unfortunately, even a greedy (i.e., I/O-bound) application may
4011  * happen to meet, occasionally or systematically, both the above
4012  * bandwidth and isochrony requirements. This may happen at least in
4013  * the following circumstances. First, if the CPU load is high. The
4014  * application may stop issuing requests while the CPUs are busy
4015  * serving other processes, then restart, then stop again for a while,
4016  * and so on. The other circumstances are related to the storage
4017  * device: the storage device is highly loaded or reaches a low-enough
4018  * throughput with the I/O of the application (e.g., because the I/O
4019  * is random and/or the device is slow). In all these cases, the
4020  * I/O of the application may be simply slowed down enough to meet
4021  * the bandwidth and isochrony requirements. To reduce the probability
4022  * that greedy applications are deemed as soft real-time in these
4023  * corner cases, a further rule is used in the computation of
4024  * soft_rt_next_start: the return value of this function is forced to
4025  * be higher than the maximum between the following two quantities.
4026  *
4027  * (a) Current time plus: (1) the maximum time for which the arrival
4028  *     of a request is waited for when a sync queue becomes idle,
4029  *     namely bfqd->bfq_slice_idle, and (2) a few extra jiffies. We
4030  *     postpone for a moment the reason for adding a few extra
4031  *     jiffies; we get back to it after next item (b).  Lower-bounding
4032  *     the return value of this function with the current time plus
4033  *     bfqd->bfq_slice_idle tends to filter out greedy applications,
4034  *     because the latter issue their next request as soon as possible
4035  *     after the last one has been completed. In contrast, a soft
4036  *     real-time application spends some time processing data, after a
4037  *     batch of its requests has been completed.
4038  *
4039  * (b) Current value of bfqq->soft_rt_next_start. As pointed out
4040  *     above, greedy applications may happen to meet both the
4041  *     bandwidth and isochrony requirements under heavy CPU or
4042  *     storage-device load. In more detail, in these scenarios, these
4043  *     applications happen, only for limited time periods, to do I/O
4044  *     slowly enough to meet all the requirements described so far,
4045  *     including the filtering in above item (a). These slow-speed
4046  *     time intervals are usually interspersed between other time
4047  *     intervals during which these applications do I/O at a very high
4048  *     speed. Fortunately, exactly because of the high speed of the
4049  *     I/O in the high-speed intervals, the values returned by this
4050  *     function happen to be so high, near the end of any such
4051  *     high-speed interval, to be likely to fall *after* the end of
4052  *     the low-speed time interval that follows. These high values are
4053  *     stored in bfqq->soft_rt_next_start after each invocation of
4054  *     this function. As a consequence, if the last value of
4055  *     bfqq->soft_rt_next_start is constantly used to lower-bound the
4056  *     next value that this function may return, then, from the very
4057  *     beginning of a low-speed interval, bfqq->soft_rt_next_start is
4058  *     likely to be constantly kept so high that any I/O request
4059  *     issued during the low-speed interval is considered as arriving
4060  *     to soon for the application to be deemed as soft
4061  *     real-time. Then, in the high-speed interval that follows, the
4062  *     application will not be deemed as soft real-time, just because
4063  *     it will do I/O at a high speed. And so on.
4064  *
4065  * Getting back to the filtering in item (a), in the following two
4066  * cases this filtering might be easily passed by a greedy
4067  * application, if the reference quantity was just
4068  * bfqd->bfq_slice_idle:
4069  * 1) HZ is so low that the duration of a jiffy is comparable to or
4070  *    higher than bfqd->bfq_slice_idle. This happens, e.g., on slow
4071  *    devices with HZ=100. The time granularity may be so coarse
4072  *    that the approximation, in jiffies, of bfqd->bfq_slice_idle
4073  *    is rather lower than the exact value.
4074  * 2) jiffies, instead of increasing at a constant rate, may stop increasing
4075  *    for a while, then suddenly 'jump' by several units to recover the lost
4076  *    increments. This seems to happen, e.g., inside virtual machines.
4077  * To address this issue, in the filtering in (a) we do not use as a
4078  * reference time interval just bfqd->bfq_slice_idle, but
4079  * bfqd->bfq_slice_idle plus a few jiffies. In particular, we add the
4080  * minimum number of jiffies for which the filter seems to be quite
4081  * precise also in embedded systems and KVM/QEMU virtual machines.
4082  */
4083 static unsigned long bfq_bfqq_softrt_next_start(struct bfq_data *bfqd,
4084                                                 struct bfq_queue *bfqq)
4085 {
4086         return max3(bfqq->soft_rt_next_start,
4087                     bfqq->last_idle_bklogged +
4088                     HZ * bfqq->service_from_backlogged /
4089                     bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate,
4090                     jiffies + nsecs_to_jiffies(bfqq->bfqd->bfq_slice_idle) + 4);
4091 }
4092
4093 /**
4094  * bfq_bfqq_expire - expire a queue.
4095  * @bfqd: device owning the queue.
4096  * @bfqq: the queue to expire.
4097  * @compensate: if true, compensate for the time spent idling.
4098  * @reason: the reason causing the expiration.
4099  *
4100  * If the process associated with bfqq does slow I/O (e.g., because it
4101  * issues random requests), we charge bfqq with the time it has been
4102  * in service instead of the service it has received (see
4103  * bfq_bfqq_charge_time for details on how this goal is achieved). As
4104  * a consequence, bfqq will typically get higher timestamps upon
4105  * reactivation, and hence it will be rescheduled as if it had
4106  * received more service than what it has actually received. In the
4107  * end, bfqq receives less service in proportion to how slowly its
4108  * associated process consumes its budgets (and hence how seriously it
4109  * tends to lower the throughput). In addition, this time-charging
4110  * strategy guarantees time fairness among slow processes. In
4111  * contrast, if the process associated with bfqq is not slow, we
4112  * charge bfqq exactly with the service it has received.
4113  *
4114  * Charging time to the first type of queues and the exact service to
4115  * the other has the effect of using the WF2Q+ policy to schedule the
4116  * former on a timeslice basis, without violating service domain
4117  * guarantees among the latter.
4118  */
4119 void bfq_bfqq_expire(struct bfq_data *bfqd,
4120                      struct bfq_queue *bfqq,
4121                      bool compensate,
4122                      enum bfqq_expiration reason)
4123 {
4124         bool slow;
4125         unsigned long delta = 0;
4126         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4127
4128         /*
4129          * Check whether the process is slow (see bfq_bfqq_is_slow).
4130          */
4131         slow = bfq_bfqq_is_slow(bfqd, bfqq, compensate, reason, &delta);
4132
4133         /*
4134          * As above explained, charge slow (typically seeky) and
4135          * timed-out queues with the time and not the service
4136          * received, to favor sequential workloads.
4137          *
4138          * Processes doing I/O in the slower disk zones will tend to
4139          * be slow(er) even if not seeky. Therefore, since the
4140          * estimated peak rate is actually an average over the disk
4141          * surface, these processes may timeout just for bad luck. To
4142          * avoid punishing them, do not charge time to processes that
4143          * succeeded in consuming at least 2/3 of their budget. This
4144          * allows BFQ to preserve enough elasticity to still perform
4145          * bandwidth, and not time, distribution with little unlucky
4146          * or quasi-sequential processes.
4147          */
4148         if (bfqq->wr_coeff == 1 &&
4149             (slow ||
4150              (reason == BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4151               bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  entity->budget / 3)))
4152                 bfq_bfqq_charge_time(bfqd, bfqq, delta);
4153
4154         if (bfqd->low_latency && bfqq->wr_coeff == 1)
4155                 bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
4156
4157         if (bfqd->low_latency && bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate > 0 &&
4158             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list)) {
4159                 /*
4160                  * If we get here, and there are no outstanding
4161                  * requests, then the request pattern is isochronous
4162                  * (see the comments on the function
4163                  * bfq_bfqq_softrt_next_start()). Therefore we can
4164                  * compute soft_rt_next_start.
4165                  *
4166                  * If, instead, the queue still has outstanding
4167                  * requests, then we have to wait for the completion
4168                  * of all the outstanding requests to discover whether
4169                  * the request pattern is actually isochronous.
4170                  */
4171                 if (bfqq->dispatched == 0)
4172                         bfqq->soft_rt_next_start =
4173                                 bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
4174                 else if (bfqq->dispatched > 0) {
4175                         /*
4176                          * Schedule an update of soft_rt_next_start to when
4177                          * the task may be discovered to be isochronous.
4178                          */
4179                         bfq_mark_bfqq_softrt_update(bfqq);
4180                 }
4181         }
4182
4183         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4184                 "expire (%d, slow %d, num_disp %d, short_ttime %d)", reason,
4185                 slow, bfqq->dispatched, bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq));
4186
4187         /*
4188          * bfqq expired, so no total service time needs to be computed
4189          * any longer: reset state machine for measuring total service
4190          * times.
4191          */
4192         bfqd->rqs_injected = bfqd->wait_dispatch = false;
4193         bfqd->waited_rq = NULL;
4194
4195         /*
4196          * Increase, decrease or leave budget unchanged according to
4197          * reason.
4198          */
4199         __bfq_bfqq_recalc_budget(bfqd, bfqq, reason);
4200         if (__bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, reason))
4201                 /* bfqq is gone, no more actions on it */
4202                 return;
4203
4204         /* mark bfqq as waiting a request only if a bic still points to it */
4205         if (!bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
4206             reason != BFQQE_BUDGET_TIMEOUT &&
4207             reason != BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED) {
4208                 bfq_mark_bfqq_non_blocking_wait_rq(bfqq);
4209                 /*
4210                  * Not setting service to 0, because, if the next rq
4211                  * arrives in time, the queue will go on receiving
4212                  * service with this same budget (as if it never expired)
4213                  */
4214         } else
4215                 entity->service = 0;
4216
4217         /*
4218          * Reset the received-service counter for every parent entity.
4219          * Differently from what happens with bfqq->entity.service,
4220          * the resetting of this counter never needs to be postponed
4221          * for parent entities. In fact, in case bfqq may have a
4222          * chance to go on being served using the last, partially
4223          * consumed budget, bfqq->entity.service needs to be kept,
4224          * because if bfqq then actually goes on being served using
4225          * the same budget, the last value of bfqq->entity.service is
4226          * needed to properly decrement bfqq->entity.budget by the
4227          * portion already consumed. In contrast, it is not necessary
4228          * to keep entity->service for parent entities too, because
4229          * the bubble up of the new value of bfqq->entity.budget will
4230          * make sure that the budgets of parent entities are correct,
4231          * even in case bfqq and thus parent entities go on receiving
4232          * service with the same budget.
4233          */
4234         entity = entity->parent;
4235         for_each_entity(entity)
4236                 entity->service = 0;
4237 }
4238
4239 /*
4240  * Budget timeout is not implemented through a dedicated timer, but
4241  * just checked on request arrivals and completions, as well as on
4242  * idle timer expirations.
4243  */
4244 static bool bfq_bfqq_budget_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4245 {
4246         return time_is_before_eq_jiffies(bfqq->budget_timeout);
4247 }
4248
4249 /*
4250  * If we expire a queue that is actively waiting (i.e., with the
4251  * device idled) for the arrival of a new request, then we may incur
4252  * the timestamp misalignment problem described in the body of the
4253  * function __bfq_activate_entity. Hence we return true only if this
4254  * condition does not hold, or if the queue is slow enough to deserve
4255  * only to be kicked off for preserving a high throughput.
4256  */
4257 static bool bfq_may_expire_for_budg_timeout(struct bfq_queue *bfqq)
4258 {
4259         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq,
4260                 "may_budget_timeout: wait_request %d left %d timeout %d",
4261                 bfq_bfqq_wait_request(bfqq),
4262                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3,
4263                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq));
4264
4265         return (!bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4266                 bfq_bfqq_budget_left(bfqq) >=  bfqq->entity.budget / 3)
4267                 &&
4268                 bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
4269 }
4270
4271 static bool idling_boosts_thr_without_issues(struct bfq_data *bfqd,
4272                                              struct bfq_queue *bfqq)
4273 {
4274         bool rot_without_queueing =
4275                 !blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && !bfqd->hw_tag,
4276                 bfqq_sequential_and_IO_bound,
4277                 idling_boosts_thr;
4278
4279         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4280         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4281                 return false;
4282
4283         bfqq_sequential_and_IO_bound = !BFQQ_SEEKY(bfqq) &&
4284                 bfq_bfqq_IO_bound(bfqq) && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
4285
4286         /*
4287          * The next variable takes into account the cases where idling
4288          * boosts the throughput.
4289          *
4290          * The value of the variable is computed considering, first, that
4291          * idling is virtually always beneficial for the throughput if:
4292          * (a) the device is not NCQ-capable and rotational, or
4293          * (b) regardless of the presence of NCQ, the device is rotational and
4294          *     the request pattern for bfqq is I/O-bound and sequential, or
4295          * (c) regardless of whether it is rotational, the device is
4296          *     not NCQ-capable and the request pattern for bfqq is
4297          *     I/O-bound and sequential.
4298          *
4299          * Secondly, and in contrast to the above item (b), idling an
4300          * NCQ-capable flash-based device would not boost the
4301          * throughput even with sequential I/O; rather it would lower
4302          * the throughput in proportion to how fast the device
4303          * is. Accordingly, the next variable is true if any of the
4304          * above conditions (a), (b) or (c) is true, and, in
4305          * particular, happens to be false if bfqd is an NCQ-capable
4306          * flash-based device.
4307          */
4308         idling_boosts_thr = rot_without_queueing ||
4309                 ((!blk_queue_nonrot(bfqd->queue) || !bfqd->hw_tag) &&
4310                  bfqq_sequential_and_IO_bound);
4311
4312         /*
4313          * The return value of this function is equal to that of
4314          * idling_boosts_thr, unless a special case holds. In this
4315          * special case, described below, idling may cause problems to
4316          * weight-raised queues.
4317          *
4318          * When the request pool is saturated (e.g., in the presence
4319          * of write hogs), if the processes associated with
4320          * non-weight-raised queues ask for requests at a lower rate,
4321          * then processes associated with weight-raised queues have a
4322          * higher probability to get a request from the pool
4323          * immediately (or at least soon) when they need one. Thus
4324          * they have a higher probability to actually get a fraction
4325          * of the device throughput proportional to their high
4326          * weight. This is especially true with NCQ-capable drives,
4327          * which enqueue several requests in advance, and further
4328          * reorder internally-queued requests.
4329          *
4330          * For this reason, we force to false the return value if
4331          * there are weight-raised busy queues. In this case, and if
4332          * bfqq is not weight-raised, this guarantees that the device
4333          * is not idled for bfqq (if, instead, bfqq is weight-raised,
4334          * then idling will be guaranteed by another variable, see
4335          * below). Combined with the timestamping rules of BFQ (see
4336          * [1] for details), this behavior causes bfqq, and hence any
4337          * sync non-weight-raised queue, to get a lower number of
4338          * requests served, and thus to ask for a lower number of
4339          * requests from the request pool, before the busy
4340          * weight-raised queues get served again. This often mitigates
4341          * starvation problems in the presence of heavy write
4342          * workloads and NCQ, thereby guaranteeing a higher
4343          * application and system responsiveness in these hostile
4344          * scenarios.
4345          */
4346         return idling_boosts_thr &&
4347                 bfqd->wr_busy_queues == 0;
4348 }
4349
4350 /*
4351  * For a queue that becomes empty, device idling is allowed only if
4352  * this function returns true for that queue. As a consequence, since
4353  * device idling plays a critical role for both throughput boosting
4354  * and service guarantees, the return value of this function plays a
4355  * critical role as well.
4356  *
4357  * In a nutshell, this function returns true only if idling is
4358  * beneficial for throughput or, even if detrimental for throughput,
4359  * idling is however necessary to preserve service guarantees (low
4360  * latency, desired throughput distribution, ...). In particular, on
4361  * NCQ-capable devices, this function tries to return false, so as to
4362  * help keep the drives' internal queues full, whenever this helps the
4363  * device boost the throughput without causing any service-guarantee
4364  * issue.
4365  *
4366  * Most of the issues taken into account to get the return value of
4367  * this function are not trivial. We discuss these issues in the two
4368  * functions providing the main pieces of information needed by this
4369  * function.
4370  */
4371 static bool bfq_better_to_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4372 {
4373         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
4374         bool idling_boosts_thr_with_no_issue, idling_needed_for_service_guar;
4375
4376         /* No point in idling for bfqq if it won't get requests any longer */
4377         if (unlikely(!bfqq_process_refs(bfqq)))
4378                 return false;
4379
4380         if (unlikely(bfqd->strict_guarantees))
4381                 return true;
4382
4383         /*
4384          * Idling is performed only if slice_idle > 0. In addition, we
4385          * do not idle if
4386          * (a) bfqq is async
4387          * (b) bfqq is in the idle io prio class: in this case we do
4388          * not idle because we want to minimize the bandwidth that
4389          * queues in this class can steal to higher-priority queues
4390          */
4391         if (bfqd->bfq_slice_idle == 0 || !bfq_bfqq_sync(bfqq) ||
4392            bfq_class_idle(bfqq))
4393                 return false;
4394
4395         idling_boosts_thr_with_no_issue =
4396                 idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq);
4397
4398         idling_needed_for_service_guar =
4399                 idling_needed_for_service_guarantees(bfqd, bfqq);
4400
4401         /*
4402          * We have now the two components we need to compute the
4403          * return value of the function, which is true only if idling
4404          * either boosts the throughput (without issues), or is
4405          * necessary to preserve service guarantees.
4406          */
4407         return idling_boosts_thr_with_no_issue ||
4408                 idling_needed_for_service_guar;
4409 }
4410
4411 /*
4412  * If the in-service queue is empty but the function bfq_better_to_idle
4413  * returns true, then:
4414  * 1) the queue must remain in service and cannot be expired, and
4415  * 2) the device must be idled to wait for the possible arrival of a new
4416  *    request for the queue.
4417  * See the comments on the function bfq_better_to_idle for the reasons
4418  * why performing device idling is the best choice to boost the throughput
4419  * and preserve service guarantees when bfq_better_to_idle itself
4420  * returns true.
4421  */
4422 static bool bfq_bfqq_must_idle(struct bfq_queue *bfqq)
4423 {
4424         return RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) && bfq_better_to_idle(bfqq);
4425 }
4426
4427 /*
4428  * This function chooses the queue from which to pick the next extra
4429  * I/O request to inject, if it finds a compatible queue. See the
4430  * comments on bfq_update_inject_limit() for details on the injection
4431  * mechanism, and for the definitions of the quantities mentioned
4432  * below.
4433  */
4434 static struct bfq_queue *
4435 bfq_choose_bfqq_for_injection(struct bfq_data *bfqd)
4436 {
4437         struct bfq_queue *bfqq, *in_serv_bfqq = bfqd->in_service_queue;
4438         unsigned int limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4439         /*
4440          * If
4441          * - bfqq is not weight-raised and therefore does not carry
4442          *   time-critical I/O,
4443          * or
4444          * - regardless of whether bfqq is weight-raised, bfqq has
4445          *   however a long think time, during which it can absorb the
4446          *   effect of an appropriate number of extra I/O requests
4447          *   from other queues (see bfq_update_inject_limit for
4448          *   details on the computation of this number);
4449          * then injection can be performed without restrictions.
4450          */
4451         bool in_serv_always_inject = in_serv_bfqq->wr_coeff == 1 ||
4452                 !bfq_bfqq_has_short_ttime(in_serv_bfqq);
4453
4454         /*
4455          * If
4456          * - the baseline total service time could not be sampled yet,
4457          *   so the inject limit happens to be still 0, and
4458          * - a lot of time has elapsed since the plugging of I/O
4459          *   dispatching started, so drive speed is being wasted
4460          *   significantly;
4461          * then temporarily raise inject limit to one request.
4462          */
4463         if (limit == 0 && in_serv_bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
4464             bfq_bfqq_wait_request(in_serv_bfqq) &&
4465             time_is_before_eq_jiffies(bfqd->last_idling_start_jiffies +
4466                                       bfqd->bfq_slice_idle)
4467                 )
4468                 limit = 1;
4469
4470         if (bfqd->rq_in_driver >= limit)
4471                 return NULL;
4472
4473         /*
4474          * Linear search of the source queue for injection; but, with
4475          * a high probability, very few steps are needed to find a
4476          * candidate queue, i.e., a queue with enough budget left for
4477          * its next request. In fact:
4478          * - BFQ dynamically updates the budget of every queue so as
4479          *   to accommodate the expected backlog of the queue;
4480          * - if a queue gets all its requests dispatched as injected
4481          *   service, then the queue is removed from the active list
4482          *   (and re-added only if it gets new requests, but then it
4483          *   is assigned again enough budget for its new backlog).
4484          */
4485         list_for_each_entry(bfqq, &bfqd->active_list, bfqq_list)
4486                 if (!RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
4487                     (in_serv_always_inject || bfqq->wr_coeff > 1) &&
4488                     bfq_serv_to_charge(bfqq->next_rq, bfqq) <=
4489                     bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4490                         /*
4491                          * Allow for only one large in-flight request
4492                          * on non-rotational devices, for the
4493                          * following reason. On non-rotationl drives,
4494                          * large requests take much longer than
4495                          * smaller requests to be served. In addition,
4496                          * the drive prefers to serve large requests
4497                          * w.r.t. to small ones, if it can choose. So,
4498                          * having more than one large requests queued
4499                          * in the drive may easily make the next first
4500                          * request of the in-service queue wait for so
4501                          * long to break bfqq's service guarantees. On
4502                          * the bright side, large requests let the
4503                          * drive reach a very high throughput, even if
4504                          * there is only one in-flight large request
4505                          * at a time.
4506                          */
4507                         if (blk_queue_nonrot(bfqd->queue) &&
4508                             blk_rq_sectors(bfqq->next_rq) >=
4509                             BFQQ_SECT_THR_NONROT)
4510                                 limit = min_t(unsigned int, 1, limit);
4511                         else
4512                                 limit = in_serv_bfqq->inject_limit;
4513
4514                         if (bfqd->rq_in_driver < limit) {
4515                                 bfqd->rqs_injected = true;
4516                                 return bfqq;
4517                         }
4518                 }
4519
4520         return NULL;
4521 }
4522
4523 /*
4524  * Select a queue for service.  If we have a current queue in service,
4525  * check whether to continue servicing it, or retrieve and set a new one.
4526  */
4527 static struct bfq_queue *bfq_select_queue(struct bfq_data *bfqd)
4528 {
4529         struct bfq_queue *bfqq;
4530         struct request *next_rq;
4531         enum bfqq_expiration reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
4532
4533         bfqq = bfqd->in_service_queue;
4534         if (!bfqq)
4535                 goto new_queue;
4536
4537         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: already in-service queue");
4538
4539         /*
4540          * Do not expire bfqq for budget timeout if bfqq may be about
4541          * to enjoy device idling. The reason why, in this case, we
4542          * prevent bfqq from expiring is the same as in the comments
4543          * on the case where bfq_bfqq_must_idle() returns true, in
4544          * bfq_completed_request().
4545          */
4546         if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq) &&
4547             !bfq_bfqq_must_idle(bfqq))
4548                 goto expire;
4549
4550 check_queue:
4551         /*
4552          * This loop is rarely executed more than once. Even when it
4553          * happens, it is much more convenient to re-execute this loop
4554          * than to return NULL and trigger a new dispatch to get a
4555          * request served.
4556          */
4557         next_rq = bfqq->next_rq;
4558         /*
4559          * If bfqq has requests queued and it has enough budget left to
4560          * serve them, keep the queue, otherwise expire it.
4561          */
4562         if (next_rq) {
4563                 if (bfq_serv_to_charge(next_rq, bfqq) >
4564                         bfq_bfqq_budget_left(bfqq)) {
4565                         /*
4566                          * Expire the queue for budget exhaustion,
4567                          * which makes sure that the next budget is
4568                          * enough to serve the next request, even if
4569                          * it comes from the fifo expired path.
4570                          */
4571                         reason = BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED;
4572                         goto expire;
4573                 } else {
4574                         /*
4575                          * The idle timer may be pending because we may
4576                          * not disable disk idling even when a new request
4577                          * arrives.
4578                          */
4579                         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
4580                                 /*
4581                                  * If we get here: 1) at least a new request
4582                                  * has arrived but we have not disabled the
4583                                  * timer because the request was too small,
4584                                  * 2) then the block layer has unplugged
4585                                  * the device, causing the dispatch to be
4586                                  * invoked.
4587                                  *
4588                                  * Since the device is unplugged, now the
4589                                  * requests are probably large enough to
4590                                  * provide a reasonable throughput.
4591                                  * So we disable idling.
4592                                  */
4593                                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
4594                                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
4595                         }
4596                         goto keep_queue;
4597                 }
4598         }
4599
4600         /*
4601          * No requests pending. However, if the in-service queue is idling
4602          * for a new request, or has requests waiting for a completion and
4603          * may idle after their completion, then keep it anyway.
4604          *
4605          * Yet, inject service from other queues if it boosts
4606          * throughput and is possible.
4607          */
4608         if (bfq_bfqq_wait_request(bfqq) ||
4609             (bfqq->dispatched != 0 && bfq_better_to_idle(bfqq))) {
4610                 struct bfq_queue *async_bfqq =
4611                         bfqq->bic && bfqq->bic->bfqq[0] &&
4612                         bfq_bfqq_busy(bfqq->bic->bfqq[0]) &&
4613                         bfqq->bic->bfqq[0]->next_rq ?
4614                         bfqq->bic->bfqq[0] : NULL;
4615                 struct bfq_queue *blocked_bfqq =
4616                         !hlist_empty(&bfqq->woken_list) ?
4617                         container_of(bfqq->woken_list.first,
4618                                      struct bfq_queue,
4619                                      woken_list_node)
4620                         : NULL;
4621
4622                 /*
4623                  * The next four mutually-exclusive ifs decide
4624                  * whether to try injection, and choose the queue to
4625                  * pick an I/O request from.
4626                  *
4627                  * The first if checks whether the process associated
4628                  * with bfqq has also async I/O pending. If so, it
4629                  * injects such I/O unconditionally. Injecting async
4630                  * I/O from the same process can cause no harm to the
4631                  * process. On the contrary, it can only increase
4632                  * bandwidth and reduce latency for the process.
4633                  *
4634                  * The second if checks whether there happens to be a
4635                  * non-empty waker queue for bfqq, i.e., a queue whose
4636                  * I/O needs to be completed for bfqq to receive new
4637                  * I/O. This happens, e.g., if bfqq is associated with
4638                  * a process that does some sync. A sync generates
4639                  * extra blocking I/O, which must be completed before
4640                  * the process associated with bfqq can go on with its
4641                  * I/O. If the I/O of the waker queue is not served,
4642                  * then bfqq remains empty, and no I/O is dispatched,
4643                  * until the idle timeout fires for bfqq. This is
4644                  * likely to result in lower bandwidth and higher
4645                  * latencies for bfqq, and in a severe loss of total
4646                  * throughput. The best action to take is therefore to
4647                  * serve the waker queue as soon as possible. So do it
4648                  * (without relying on the third alternative below for
4649                  * eventually serving waker_bfqq's I/O; see the last
4650                  * paragraph for further details). This systematic
4651                  * injection of I/O from the waker queue does not
4652                  * cause any delay to bfqq's I/O. On the contrary,
4653                  * next bfqq's I/O is brought forward dramatically,
4654                  * for it is not blocked for milliseconds.
4655                  *
4656                  * The third if checks whether there is a queue woken
4657                  * by bfqq, and currently with pending I/O. Such a
4658                  * woken queue does not steal bandwidth from bfqq,
4659                  * because it remains soon without I/O if bfqq is not
4660                  * served. So there is virtually no risk of loss of
4661                  * bandwidth for bfqq if this woken queue has I/O
4662                  * dispatched while bfqq is waiting for new I/O.
4663                  *
4664                  * The fourth if checks whether bfqq is a queue for
4665                  * which it is better to avoid injection. It is so if
4666                  * bfqq delivers more throughput when served without
4667                  * any further I/O from other queues in the middle, or
4668                  * if the service times of bfqq's I/O requests both
4669                  * count more than overall throughput, and may be
4670                  * easily increased by injection (this happens if bfqq
4671                  * has a short think time). If none of these
4672                  * conditions holds, then a candidate queue for
4673                  * injection is looked for through
4674                  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). Note that the
4675                  * latter may return NULL (for example if the inject
4676                  * limit for bfqq is currently 0).
4677                  *
4678                  * NOTE: motivation for the second alternative
4679                  *
4680                  * Thanks to the way the inject limit is updated in
4681                  * bfq_update_has_short_ttime(), it is rather likely
4682                  * that, if I/O is being plugged for bfqq and the
4683                  * waker queue has pending I/O requests that are
4684                  * blocking bfqq's I/O, then the fourth alternative
4685                  * above lets the waker queue get served before the
4686                  * I/O-plugging timeout fires. So one may deem the
4687                  * second alternative superfluous. It is not, because
4688                  * the fourth alternative may be way less effective in
4689                  * case of a synchronization. For two main
4690                  * reasons. First, throughput may be low because the
4691                  * inject limit may be too low to guarantee the same
4692                  * amount of injected I/O, from the waker queue or
4693                  * other queues, that the second alternative
4694                  * guarantees (the second alternative unconditionally
4695                  * injects a pending I/O request of the waker queue
4696                  * for each bfq_dispatch_request()). Second, with the
4697                  * fourth alternative, the duration of the plugging,
4698                  * i.e., the time before bfqq finally receives new I/O,
4699                  * may not be minimized, because the waker queue may
4700                  * happen to be served only after other queues.
4701                  */
4702                 if (async_bfqq &&
4703                     icq_to_bic(async_bfqq->next_rq->elv.icq) == bfqq->bic &&
4704                     bfq_serv_to_charge(async_bfqq->next_rq, async_bfqq) <=
4705                     bfq_bfqq_budget_left(async_bfqq))
4706                         bfqq = bfqq->bic->bfqq[0];
4707                 else if (bfqq->waker_bfqq &&
4708                            bfq_bfqq_busy(bfqq->waker_bfqq) &&
4709                            bfqq->waker_bfqq->next_rq &&
4710                            bfq_serv_to_charge(bfqq->waker_bfqq->next_rq,
4711                                               bfqq->waker_bfqq) <=
4712                            bfq_bfqq_budget_left(bfqq->waker_bfqq)
4713                         )
4714                         bfqq = bfqq->waker_bfqq;
4715                 else if (blocked_bfqq &&
4716                            bfq_bfqq_busy(blocked_bfqq) &&
4717                            blocked_bfqq->next_rq &&
4718                            bfq_serv_to_charge(blocked_bfqq->next_rq,
4719                                               blocked_bfqq) <=
4720                            bfq_bfqq_budget_left(blocked_bfqq)
4721                         )
4722                         bfqq = blocked_bfqq;
4723                 else if (!idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
4724                          (bfqq->wr_coeff == 1 || bfqd->wr_busy_queues > 1 ||
4725                           !bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq)))
4726                         bfqq = bfq_choose_bfqq_for_injection(bfqd);
4727                 else
4728                         bfqq = NULL;
4729
4730                 goto keep_queue;
4731         }
4732
4733         reason = BFQQE_NO_MORE_REQUESTS;
4734 expire:
4735         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, reason);
4736 new_queue:
4737         bfqq = bfq_set_in_service_queue(bfqd);
4738         if (bfqq) {
4739                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: checking new queue");
4740                 goto check_queue;
4741         }
4742 keep_queue:
4743         if (bfqq)
4744                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "select_queue: returned this queue");
4745         else
4746                 bfq_log(bfqd, "select_queue: no queue returned");
4747
4748         return bfqq;
4749 }
4750
4751 static void bfq_update_wr_data(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
4752 {
4753         struct bfq_entity *entity = &bfqq->entity;
4754
4755         if (bfqq->wr_coeff > 1) { /* queue is being weight-raised */
4756                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq,
4757                         "raising period dur %u/%u msec, old coeff %u, w %d(%d)",
4758                         jiffies_to_msecs(jiffies - bfqq->last_wr_start_finish),
4759                         jiffies_to_msecs(bfqq->wr_cur_max_time),
4760                         bfqq->wr_coeff,
4761                         bfqq->entity.weight, bfqq->entity.orig_weight);
4762
4763                 if (entity->prio_changed)
4764                         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "WARN: pending prio change");
4765
4766                 /*
4767                  * If the queue was activated in a burst, or too much
4768                  * time has elapsed from the beginning of this
4769                  * weight-raising period, then end weight raising.
4770                  */
4771                 if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
4772                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4773                 else if (time_is_before_jiffies(bfqq->last_wr_start_finish +
4774                                                 bfqq->wr_cur_max_time)) {
4775                         if (bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time ||
4776                         time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
4777                                                bfq_wr_duration(bfqd))) {
4778                                 /*
4779                                  * Either in interactive weight
4780                                  * raising, or in soft_rt weight
4781                                  * raising with the
4782                                  * interactive-weight-raising period
4783                                  * elapsed (so no switch back to
4784                                  * interactive weight raising).
4785                                  */
4786                                 bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4787                         } else { /*
4788                                   * soft_rt finishing while still in
4789                                   * interactive period, switch back to
4790                                   * interactive weight raising
4791                                   */
4792                                 switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
4793                                 bfqq->entity.prio_changed = 1;
4794                         }
4795                 }
4796                 if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
4797                     bfqq->wr_cur_max_time != bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
4798                     bfqq->service_from_wr > max_service_from_wr) {
4799                         /* see comments on max_service_from_wr */
4800                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
4801                 }
4802         }
4803         /*
4804          * To improve latency (for this or other queues), immediately
4805          * update weight both if it must be raised and if it must be
4806          * lowered. Since, entity may be on some active tree here, and
4807          * might have a pending change of its ioprio class, invoke
4808          * next function with the last parameter unset (see the
4809          * comments on the function).
4810          */
4811         if ((entity->weight > entity->orig_weight) != (bfqq->wr_coeff > 1))
4812                 __bfq_entity_update_weight_prio(bfq_entity_service_tree(entity),
4813                                                 entity, false);
4814 }
4815
4816 /*
4817  * Dispatch next request from bfqq.
4818  */
4819 static struct request *bfq_dispatch_rq_from_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
4820                                                  struct bfq_queue *bfqq)
4821 {
4822         struct request *rq = bfqq->next_rq;
4823         unsigned long service_to_charge;
4824
4825         service_to_charge = bfq_serv_to_charge(rq, bfqq);
4826
4827         bfq_bfqq_served(bfqq, service_to_charge);
4828
4829         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfqd->wait_dispatch) {
4830                 bfqd->wait_dispatch = false;
4831                 bfqd->waited_rq = rq;
4832         }
4833
4834         bfq_dispatch_remove(bfqd->queue, rq);
4835
4836         if (bfqq != bfqd->in_service_queue)
4837                 goto return_rq;
4838
4839         /*
4840          * If weight raising has to terminate for bfqq, then next
4841          * function causes an immediate update of bfqq's weight,
4842          * without waiting for next activation. As a consequence, on
4843          * expiration, bfqq will be timestamped as if has never been
4844          * weight-raised during this service slot, even if it has
4845          * received part or even most of the service as a
4846          * weight-raised queue. This inflates bfqq's timestamps, which
4847          * is beneficial, as bfqq is then more willing to leave the
4848          * device immediately to possible other weight-raised queues.
4849          */
4850         bfq_update_wr_data(bfqd, bfqq);
4851
4852         /*
4853          * Expire bfqq, pretending that its budget expired, if bfqq
4854          * belongs to CLASS_IDLE and other queues are waiting for
4855          * service.
4856          */
4857         if (!(bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 1 && bfq_class_idle(bfqq)))
4858                 goto return_rq;
4859
4860         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false, BFQQE_BUDGET_EXHAUSTED);
4861
4862 return_rq:
4863         return rq;
4864 }
4865
4866 static bool bfq_has_work(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4867 {
4868         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4869
4870         /*
4871          * Avoiding lock: a race on bfqd->busy_queues should cause at
4872          * most a call to dispatch for nothing
4873          */
4874         return !list_empty_careful(&bfqd->dispatch) ||
4875                 bfq_tot_busy_queues(bfqd) > 0;
4876 }
4877
4878 static struct request *__bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
4879 {
4880         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
4881         struct request *rq = NULL;
4882         struct bfq_queue *bfqq = NULL;
4883
4884         if (!list_empty(&bfqd->dispatch)) {
4885                 rq = list_first_entry(&bfqd->dispatch, struct request,
4886                                       queuelist);
4887                 list_del_init(&rq->queuelist);
4888
4889                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
4890
4891                 if (bfqq) {
4892                         /*
4893                          * Increment counters here, because this
4894                          * dispatch does not follow the standard
4895                          * dispatch flow (where counters are
4896                          * incremented)
4897                          */
4898                         bfqq->dispatched++;
4899
4900                         goto inc_in_driver_start_rq;
4901                 }
4902
4903                 /*
4904                  * We exploit the bfq_finish_requeue_request hook to
4905                  * decrement rq_in_driver, but
4906                  * bfq_finish_requeue_request will not be invoked on
4907                  * this request. So, to avoid unbalance, just start
4908                  * this request, without incrementing rq_in_driver. As
4909                  * a negative consequence, rq_in_driver is deceptively
4910                  * lower than it should be while this request is in
4911                  * service. This may cause bfq_schedule_dispatch to be
4912                  * invoked uselessly.
4913                  *
4914                  * As for implementing an exact solution, the
4915                  * bfq_finish_requeue_request hook, if defined, is
4916                  * probably invoked also on this request. So, by
4917                  * exploiting this hook, we could 1) increment
4918                  * rq_in_driver here, and 2) decrement it in
4919                  * bfq_finish_requeue_request. Such a solution would
4920                  * let the value of the counter be always accurate,
4921                  * but it would entail using an extra interface
4922                  * function. This cost seems higher than the benefit,
4923                  * being the frequency of non-elevator-private
4924                  * requests very low.
4925                  */
4926                 goto start_rq;
4927         }
4928
4929         bfq_log(bfqd, "dispatch requests: %d busy queues",
4930                 bfq_tot_busy_queues(bfqd));
4931
4932         if (bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)
4933                 goto exit;
4934
4935         /*
4936          * Force device to serve one request at a time if
4937          * strict_guarantees is true. Forcing this service scheme is
4938          * currently the ONLY way to guarantee that the request
4939          * service order enforced by the scheduler is respected by a
4940          * queueing device. Otherwise the device is free even to make
4941          * some unlucky request wait for as long as the device
4942          * wishes.
4943          *
4944          * Of course, serving one request at a time may cause loss of
4945          * throughput.
4946          */
4947         if (bfqd->strict_guarantees && bfqd->rq_in_driver > 0)
4948                 goto exit;
4949
4950         bfqq = bfq_select_queue(bfqd);
4951         if (!bfqq)
4952                 goto exit;
4953
4954         rq = bfq_dispatch_rq_from_bfqq(bfqd, bfqq);
4955
4956         if (rq) {
4957 inc_in_driver_start_rq:
4958                 bfqd->rq_in_driver++;
4959 start_rq:
4960                 rq->rq_flags |= RQF_STARTED;
4961         }
4962 exit:
4963         return rq;
4964 }
4965
4966 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
4967 static void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
4968                                       struct request *rq,
4969                                       struct bfq_queue *in_serv_queue,
4970                                       bool idle_timer_disabled)
4971 {
4972         struct bfq_queue *bfqq = rq ? RQ_BFQQ(rq) : NULL;
4973
4974         if (!idle_timer_disabled && !bfqq)
4975                 return;
4976
4977         /*
4978          * rq and bfqq are guaranteed to exist until this function
4979          * ends, for the following reasons. First, rq can be
4980          * dispatched to the device, and then can be completed and
4981          * freed, only after this function ends. Second, rq cannot be
4982          * merged (and thus freed because of a merge) any longer,
4983          * because it has already started. Thus rq cannot be freed
4984          * before this function ends, and, since rq has a reference to
4985          * bfqq, the same guarantee holds for bfqq too.
4986          *
4987          * In addition, the following queue lock guarantees that
4988          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
4989          */
4990         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
4991         if (idle_timer_disabled)
4992                 /*
4993                  * Since the idle timer has been disabled,
4994                  * in_serv_queue contained some request when
4995                  * __bfq_dispatch_request was invoked above, which
4996                  * implies that rq was picked exactly from
4997                  * in_serv_queue. Thus in_serv_queue == bfqq, and is
4998                  * therefore guaranteed to exist because of the above
4999                  * arguments.
5000                  */
5001                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(in_serv_queue));
5002         if (bfqq) {
5003                 struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
5004
5005                 bfqg_stats_update_avg_queue_size(bfqg);
5006                 bfqg_stats_set_start_empty_time(bfqg);
5007                 bfqg_stats_update_io_remove(bfqg, rq->cmd_flags);
5008         }
5009         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5010 }
5011 #else
5012 static inline void bfq_update_dispatch_stats(struct request_queue *q,
5013                                              struct request *rq,
5014                                              struct bfq_queue *in_serv_queue,
5015                                              bool idle_timer_disabled) {}
5016 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5017
5018 static struct request *bfq_dispatch_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
5019 {
5020         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
5021         struct request *rq;
5022         struct bfq_queue *in_serv_queue;
5023         bool waiting_rq, idle_timer_disabled;
5024
5025         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5026
5027         in_serv_queue = bfqd->in_service_queue;
5028         waiting_rq = in_serv_queue && bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5029
5030         rq = __bfq_dispatch_request(hctx);
5031
5032         idle_timer_disabled =
5033                 waiting_rq && !bfq_bfqq_wait_request(in_serv_queue);
5034
5035         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5036
5037         bfq_update_dispatch_stats(hctx->queue, rq, in_serv_queue,
5038                                   idle_timer_disabled);
5039
5040         return rq;
5041 }
5042
5043 /*
5044  * Task holds one reference to the queue, dropped when task exits.  Each rq
5045  * in-flight on this queue also holds a reference, dropped when rq is freed.
5046  *
5047  * Scheduler lock must be held here. Recall not to use bfqq after calling
5048  * this function on it.
5049  */
5050 void bfq_put_queue(struct bfq_queue *bfqq)
5051 {
5052         struct bfq_queue *item;
5053         struct hlist_node *n;
5054         struct bfq_group *bfqg = bfqq_group(bfqq);
5055
5056         if (bfqq->bfqd)
5057                 bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "put_queue: %p %d",
5058                              bfqq, bfqq->ref);
5059
5060         bfqq->ref--;
5061         if (bfqq->ref)
5062                 return;
5063
5064         if (!hlist_unhashed(&bfqq->burst_list_node)) {
5065                 hlist_del_init(&bfqq->burst_list_node);
5066                 /*
5067                  * Decrement also burst size after the removal, if the
5068                  * process associated with bfqq is exiting, and thus
5069                  * does not contribute to the burst any longer. This
5070                  * decrement helps filter out false positives of large
5071                  * bursts, when some short-lived process (often due to
5072                  * the execution of commands by some service) happens
5073                  * to start and exit while a complex application is
5074                  * starting, and thus spawning several processes that
5075                  * do I/O (and that *must not* be treated as a large
5076                  * burst, see comments on bfq_handle_burst).
5077                  *
5078                  * In particular, the decrement is performed only if:
5079                  * 1) bfqq is not a merged queue, because, if it is,
5080                  * then this free of bfqq is not triggered by the exit
5081                  * of the process bfqq is associated with, but exactly
5082                  * by the fact that bfqq has just been merged.
5083                  * 2) burst_size is greater than 0, to handle
5084                  * unbalanced decrements. Unbalanced decrements may
5085                  * happen in te following case: bfqq is inserted into
5086                  * the current burst list--without incrementing
5087                  * bust_size--because of a split, but the current
5088                  * burst list is not the burst list bfqq belonged to
5089                  * (see comments on the case of a split in
5090                  * bfq_set_request).
5091                  */
5092                 if (bfqq->bic && bfqq->bfqd->burst_size > 0)
5093                         bfqq->bfqd->burst_size--;
5094         }
5095
5096         /*
5097          * bfqq does not exist any longer, so it cannot be woken by
5098          * any other queue, and cannot wake any other queue. Then bfqq
5099          * must be removed from the woken list of its possible waker
5100          * queue, and all queues in the woken list of bfqq must stop
5101          * having a waker queue. Strictly speaking, these updates
5102          * should be performed when bfqq remains with no I/O source
5103          * attached to it, which happens before bfqq gets freed. In
5104          * particular, this happens when the last process associated
5105          * with bfqq exits or gets associated with a different
5106          * queue. However, both events lead to bfqq being freed soon,
5107          * and dangling references would come out only after bfqq gets
5108          * freed. So these updates are done here, as a simple and safe
5109          * way to handle all cases.
5110          */
5111         /* remove bfqq from woken list */
5112         if (!hlist_unhashed(&bfqq->woken_list_node))
5113                 hlist_del_init(&bfqq->woken_list_node);
5114
5115         /* reset waker for all queues in woken list */
5116         hlist_for_each_entry_safe(item, n, &bfqq->woken_list,
5117                                   woken_list_node) {
5118                 item->waker_bfqq = NULL;
5119                 hlist_del_init(&item->woken_list_node);
5120         }
5121
5122         if (bfqq->bfqd && bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq == bfqq)
5123                 bfqq->bfqd->last_completed_rq_bfqq = NULL;
5124
5125         kmem_cache_free(bfq_pool, bfqq);
5126         bfqg_and_blkg_put(bfqg);
5127 }
5128
5129 static void bfq_put_stable_ref(struct bfq_queue *bfqq)
5130 {
5131         bfqq->stable_ref--;
5132         bfq_put_queue(bfqq);
5133 }
5134
5135 static void bfq_put_cooperator(struct bfq_queue *bfqq)
5136 {
5137         struct bfq_queue *__bfqq, *next;
5138
5139         /*
5140          * If this queue was scheduled to merge with another queue, be
5141          * sure to drop the reference taken on that queue (and others in
5142          * the merge chain). See bfq_setup_merge and bfq_merge_bfqqs.
5143          */
5144         __bfqq = bfqq->new_bfqq;
5145         while (__bfqq) {
5146                 if (__bfqq == bfqq)
5147                         break;
5148                 next = __bfqq->new_bfqq;
5149                 bfq_put_queue(__bfqq);
5150                 __bfqq = next;
5151         }
5152 }
5153
5154 static void bfq_exit_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
5155 {
5156         if (bfqq == bfqd->in_service_queue) {
5157                 __bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5158                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
5159         }
5160
5161         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "exit_bfqq: %p, %d", bfqq, bfqq->ref);
5162
5163         bfq_put_cooperator(bfqq);
5164
5165         bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5166 }
5167
5168 static void bfq_exit_icq_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, bool is_sync)
5169 {
5170         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
5171         struct bfq_data *bfqd;
5172
5173         if (bfqq)
5174                 bfqd = bfqq->bfqd; /* NULL if scheduler already exited */
5175
5176         if (bfqq && bfqd) {
5177                 unsigned long flags;
5178
5179                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5180                 bfqq->bic = NULL;
5181                 bfq_exit_bfqq(bfqd, bfqq);
5182                 bic_set_bfqq(bic, NULL, is_sync);
5183                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5184         }
5185 }
5186
5187 static void bfq_exit_icq(struct io_cq *icq)
5188 {
5189         struct bfq_io_cq *bic = icq_to_bic(icq);
5190
5191         if (bic->stable_merge_bfqq) {
5192                 struct bfq_data *bfqd = bic->stable_merge_bfqq->bfqd;
5193
5194                 /*
5195                  * bfqd is NULL if scheduler already exited, and in
5196                  * that case this is the last time bfqq is accessed.
5197                  */
5198                 if (bfqd) {
5199                         unsigned long flags;
5200
5201                         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
5202                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5203                         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
5204                 } else {
5205                         bfq_put_stable_ref(bic->stable_merge_bfqq);
5206                 }
5207         }
5208
5209         bfq_exit_icq_bfqq(bic, true);
5210         bfq_exit_icq_bfqq(bic, false);
5211 }
5212
5213 /*
5214  * Update the entity prio values; note that the new values will not
5215  * be used until the next (re)activation.
5216  */
5217 static void
5218 bfq_set_next_ioprio_data(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_io_cq *bic)
5219 {
5220         struct task_struct *tsk = current;
5221         int ioprio_class;
5222         struct bfq_data *bfqd = bfqq->bfqd;
5223
5224         if (!bfqd)
5225                 return;
5226
5227         ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5228         switch (ioprio_class) {
5229         default:
5230                 pr_err("bdi %s: bfq: bad prio class %d\n",
5231                                 bdi_dev_name(bfqq->bfqd->queue->backing_dev_info),
5232                                 ioprio_class);
5233                 fallthrough;
5234         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5235                 /*
5236                  * No prio set, inherit CPU scheduling settings.
5237                  */
5238                 bfqq->new_ioprio = task_nice_ioprio(tsk);
5239                 bfqq->new_ioprio_class = task_nice_ioclass(tsk);
5240                 break;
5241         case IOPRIO_CLASS_RT:
5242                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5243                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_RT;
5244                 break;
5245         case IOPRIO_CLASS_BE:
5246                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5247                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
5248                 break;
5249         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5250                 bfqq->new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_IDLE;
5251                 bfqq->new_ioprio = 7;
5252                 break;
5253         }
5254
5255         if (bfqq->new_ioprio >= IOPRIO_BE_NR) {
5256                 pr_crit("bfq_set_next_ioprio_data: new_ioprio %d\n",
5257                         bfqq->new_ioprio);
5258                 bfqq->new_ioprio = IOPRIO_BE_NR;
5259         }
5260
5261         bfqq->entity.new_weight = bfq_ioprio_to_weight(bfqq->new_ioprio);
5262         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "new_ioprio %d new_weight %d",
5263                      bfqq->new_ioprio, bfqq->entity.new_weight);
5264         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5265 }
5266
5267 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5268                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5269                                        struct bfq_io_cq *bic,
5270                                        bool respawn);
5271
5272 static void bfq_check_ioprio_change(struct bfq_io_cq *bic, struct bio *bio)
5273 {
5274         struct bfq_data *bfqd = bic_to_bfqd(bic);
5275         struct bfq_queue *bfqq;
5276         int ioprio = bic->icq.ioc->ioprio;
5277
5278         /*
5279          * This condition may trigger on a newly created bic, be sure to
5280          * drop the lock before returning.
5281          */
5282         if (unlikely(!bfqd) || likely(bic->ioprio == ioprio))
5283                 return;
5284
5285         bic->ioprio = ioprio;
5286
5287         bfqq = bic_to_bfqq(bic, false);
5288         if (bfqq) {
5289                 bfq_release_process_ref(bfqd, bfqq);
5290                 bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, BLK_RW_ASYNC, bic, true);
5291                 bic_set_bfqq(bic, bfqq, false);
5292         }
5293
5294         bfqq = bic_to_bfqq(bic, true);
5295         if (bfqq)
5296                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5297 }
5298
5299 static void bfq_init_bfqq(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5300                           struct bfq_io_cq *bic, pid_t pid, int is_sync)
5301 {
5302         u64 now_ns = ktime_get_ns();
5303
5304         RB_CLEAR_NODE(&bfqq->entity.rb_node);
5305         INIT_LIST_HEAD(&bfqq->fifo);
5306         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->burst_list_node);
5307         INIT_HLIST_NODE(&bfqq->woken_list_node);
5308         INIT_HLIST_HEAD(&bfqq->woken_list);
5309
5310         bfqq->ref = 0;
5311         bfqq->bfqd = bfqd;
5312
5313         if (bic)
5314                 bfq_set_next_ioprio_data(bfqq, bic);
5315
5316         if (is_sync) {
5317                 /*
5318                  * No need to mark as has_short_ttime if in
5319                  * idle_class, because no device idling is performed
5320                  * for queues in idle class
5321                  */
5322                 if (!bfq_class_idle(bfqq))
5323                         /* tentatively mark as has_short_ttime */
5324                         bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5325                 bfq_mark_bfqq_sync(bfqq);
5326                 bfq_mark_bfqq_just_created(bfqq);
5327         } else
5328                 bfq_clear_bfqq_sync(bfqq);
5329
5330         /* set end request to minus infinity from now */
5331         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns + 1;
5332
5333         bfqq->creation_time = jiffies;
5334
5335         bfqq->io_start_time = now_ns;
5336
5337         bfq_mark_bfqq_IO_bound(bfqq);
5338
5339         bfqq->pid = pid;
5340
5341         /* Tentative initial value to trade off between thr and lat */
5342         bfqq->max_budget = (2 * bfq_max_budget(bfqd)) / 3;
5343         bfqq->budget_timeout = bfq_smallest_from_now();
5344
5345         bfqq->wr_coeff = 1;
5346         bfqq->last_wr_start_finish = jiffies;
5347         bfqq->wr_start_at_switch_to_srt = bfq_smallest_from_now();
5348         bfqq->split_time = bfq_smallest_from_now();
5349
5350         /*
5351          * To not forget the possibly high bandwidth consumed by a
5352          * process/queue in the recent past,
5353          * bfq_bfqq_softrt_next_start() returns a value at least equal
5354          * to the current value of bfqq->soft_rt_next_start (see
5355          * comments on bfq_bfqq_softrt_next_start).  Set
5356          * soft_rt_next_start to now, to mean that bfqq has consumed
5357          * no bandwidth so far.
5358          */
5359         bfqq->soft_rt_next_start = jiffies;
5360
5361         /* first request is almost certainly seeky */
5362         bfqq->seek_history = 1;
5363 }
5364
5365 static struct bfq_queue **bfq_async_queue_prio(struct bfq_data *bfqd,
5366                                                struct bfq_group *bfqg,
5367                                                int ioprio_class, int ioprio)
5368 {
5369         switch (ioprio_class) {
5370         case IOPRIO_CLASS_RT:
5371                 return &bfqg->async_bfqq[0][ioprio];
5372         case IOPRIO_CLASS_NONE:
5373                 ioprio = IOPRIO_NORM;
5374                 fallthrough;
5375         case IOPRIO_CLASS_BE:
5376                 return &bfqg->async_bfqq[1][ioprio];
5377         case IOPRIO_CLASS_IDLE:
5378                 return &bfqg->async_idle_bfqq;
5379         default:
5380                 return NULL;
5381         }
5382 }
5383
5384 static struct bfq_queue *
5385 bfq_do_early_stable_merge(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5386                           struct bfq_io_cq *bic,
5387                           struct bfq_queue *last_bfqq_created)
5388 {
5389         struct bfq_queue *new_bfqq =
5390                 bfq_setup_merge(bfqq, last_bfqq_created);
5391
5392         if (!new_bfqq)
5393                 return bfqq;
5394
5395         if (new_bfqq->bic)
5396                 new_bfqq->bic->stably_merged = true;
5397         bic->stably_merged = true;
5398
5399         /*
5400          * Reusing merge functions. This implies that
5401          * bfqq->bic must be set too, for
5402          * bfq_merge_bfqqs to correctly save bfqq's
5403          * state before killing it.
5404          */
5405         bfqq->bic = bic;
5406         bfq_merge_bfqqs(bfqd, bic, bfqq, new_bfqq);
5407
5408         return new_bfqq;
5409 }
5410
5411 /*
5412  * Many throughput-sensitive workloads are made of several parallel
5413  * I/O flows, with all flows generated by the same application, or
5414  * more generically by the same task (e.g., system boot). The most
5415  * counterproductive action with these workloads is plugging I/O
5416  * dispatch when one of the bfq_queues associated with these flows
5417  * remains temporarily empty.
5418  *
5419  * To avoid this plugging, BFQ has been using a burst-handling
5420  * mechanism for years now. This mechanism has proven effective for
5421  * throughput, and not detrimental for service guarantees. The
5422  * following function pushes this mechanism a little bit further,
5423  * basing on the following two facts.
5424  *
5425  * First, all the I/O flows of a the same application or task
5426  * contribute to the execution/completion of that common application
5427  * or task. So the performance figures that matter are total
5428  * throughput of the flows and task-wide I/O latency.  In particular,
5429  * these flows do not need to be protected from each other, in terms
5430  * of individual bandwidth or latency.
5431  *
5432  * Second, the above fact holds regardless of the number of flows.
5433  *
5434  * Putting these two facts together, this commits merges stably the
5435  * bfq_queues associated with these I/O flows, i.e., with the
5436  * processes that generate these IO/ flows, regardless of how many the
5437  * involved processes are.
5438  *
5439  * To decide whether a set of bfq_queues is actually associated with
5440  * the I/O flows of a common application or task, and to merge these
5441  * queues stably, this function operates as follows: given a bfq_queue,
5442  * say Q2, currently being created, and the last bfq_queue, say Q1,
5443  * created before Q2, Q2 is merged stably with Q1 if
5444  * - very little time has elapsed since when Q1 was created
5445  * - Q2 has the same ioprio as Q1
5446  * - Q2 belongs to the same group as Q1
5447  *
5448  * Merging bfq_queues also reduces scheduling overhead. A fio test
5449  * with ten random readers on /dev/nullb shows a throughput boost of
5450  * 40%, with a quadcore. Since BFQ's execution time amounts to ~50% of
5451  * the total per-request processing time, the above throughput boost
5452  * implies that BFQ's overhead is reduced by more than 50%.
5453  *
5454  * This new mechanism most certainly obsoletes the current
5455  * burst-handling heuristics. We keep those heuristics for the moment.
5456  */
5457 static struct bfq_queue *bfq_do_or_sched_stable_merge(struct bfq_data *bfqd,
5458                                                       struct bfq_queue *bfqq,
5459                                                       struct bfq_io_cq *bic)
5460 {
5461         struct bfq_queue **source_bfqq = bfqq->entity.parent ?
5462                 &bfqq->entity.parent->last_bfqq_created :
5463                 &bfqd->last_bfqq_created;
5464
5465         struct bfq_queue *last_bfqq_created = *source_bfqq;
5466
5467         /*
5468          * If last_bfqq_created has not been set yet, then init it. If
5469          * it has been set already, but too long ago, then move it
5470          * forward to bfqq. Finally, move also if bfqq belongs to a
5471          * different group than last_bfqq_created, or if bfqq has a
5472          * different ioprio or ioprio_class. If none of these
5473          * conditions holds true, then try an early stable merge or
5474          * schedule a delayed stable merge.
5475          *
5476          * A delayed merge is scheduled (instead of performing an
5477          * early merge), in case bfqq might soon prove to be more
5478          * throughput-beneficial if not merged. Currently this is
5479          * possible only if bfqd is rotational with no queueing. For
5480          * such a drive, not merging bfqq is better for throughput if
5481          * bfqq happens to contain sequential I/O. So, we wait a
5482          * little bit for enough I/O to flow through bfqq. After that,
5483          * if such an I/O is sequential, then the merge is
5484          * canceled. Otherwise the merge is finally performed.
5485          */
5486         if (!last_bfqq_created ||
5487             time_before(last_bfqq_created->creation_time +
5488                         bfqd->bfq_burst_interval,
5489                         bfqq->creation_time) ||
5490                 bfqq->entity.parent != last_bfqq_created->entity.parent ||
5491                 bfqq->ioprio != last_bfqq_created->ioprio ||
5492                 bfqq->ioprio_class != last_bfqq_created->ioprio_class)
5493                 *source_bfqq = bfqq;
5494         else if (time_after_eq(last_bfqq_created->creation_time +
5495                                  bfqd->bfq_burst_interval,
5496                                  bfqq->creation_time)) {
5497                 if (likely(bfqd->nonrot_with_queueing))
5498                         /*
5499                          * With this type of drive, leaving
5500                          * bfqq alone may provide no
5501                          * throughput benefits compared with
5502                          * merging bfqq. So merge bfqq now.
5503                          */
5504                         bfqq = bfq_do_early_stable_merge(bfqd, bfqq,
5505                                                          bic,
5506                                                          last_bfqq_created);
5507                 else { /* schedule tentative stable merge */
5508                         /*
5509                          * get reference on last_bfqq_created,
5510                          * to prevent it from being freed,
5511                          * until we decide whether to merge
5512                          */
5513                         last_bfqq_created->ref++;
5514                         /*
5515                          * need to keep track of stable refs, to
5516                          * compute process refs correctly
5517                          */
5518                         last_bfqq_created->stable_ref++;
5519                         /*
5520                          * Record the bfqq to merge to.
5521                          */
5522                         bic->stable_merge_bfqq = last_bfqq_created;
5523                 }
5524         }
5525
5526         return bfqq;
5527 }
5528
5529
5530 static struct bfq_queue *bfq_get_queue(struct bfq_data *bfqd,
5531                                        struct bio *bio, bool is_sync,
5532                                        struct bfq_io_cq *bic,
5533                                        bool respawn)
5534 {
5535         const int ioprio = IOPRIO_PRIO_DATA(bic->ioprio);
5536         const int ioprio_class = IOPRIO_PRIO_CLASS(bic->ioprio);
5537         struct bfq_queue **async_bfqq = NULL;
5538         struct bfq_queue *bfqq;
5539         struct bfq_group *bfqg;
5540
5541         rcu_read_lock();
5542
5543         bfqg = bfq_find_set_group(bfqd, __bio_blkcg(bio));
5544         if (!bfqg) {
5545                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5546                 goto out;
5547         }
5548
5549         if (!is_sync) {
5550                 async_bfqq = bfq_async_queue_prio(bfqd, bfqg, ioprio_class,
5551                                                   ioprio);
5552                 bfqq = *async_bfqq;
5553                 if (bfqq)
5554                         goto out;
5555         }
5556
5557         bfqq = kmem_cache_alloc_node(bfq_pool,
5558                                      GFP_NOWAIT | __GFP_ZERO | __GFP_NOWARN,
5559                                      bfqd->queue->node);
5560
5561         if (bfqq) {
5562                 bfq_init_bfqq(bfqd, bfqq, bic, current->pid,
5563                               is_sync);
5564                 bfq_init_entity(&bfqq->entity, bfqg);
5565                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "allocated");
5566         } else {
5567                 bfqq = &bfqd->oom_bfqq;
5568                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "using oom bfqq");
5569                 goto out;
5570         }
5571
5572         /*
5573          * Pin the queue now that it's allocated, scheduler exit will
5574          * prune it.
5575          */
5576         if (async_bfqq) {
5577                 bfqq->ref++; /*
5578                               * Extra group reference, w.r.t. sync
5579                               * queue. This extra reference is removed
5580                               * only if bfqq->bfqg disappears, to
5581                               * guarantee that this queue is not freed
5582                               * until its group goes away.
5583                               */
5584                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_queue, bfqq not in async: %p, %d",
5585                              bfqq, bfqq->ref);
5586                 *async_bfqq = bfqq;
5587         }
5588
5589 out:
5590         bfqq->ref++; /* get a process reference to this queue */
5591
5592         if (bfqq != &bfqd->oom_bfqq && is_sync && !respawn)
5593                 bfqq = bfq_do_or_sched_stable_merge(bfqd, bfqq, bic);
5594
5595         rcu_read_unlock();
5596         return bfqq;
5597 }
5598
5599 static void bfq_update_io_thinktime(struct bfq_data *bfqd,
5600                                     struct bfq_queue *bfqq)
5601 {
5602         struct bfq_ttime *ttime = &bfqq->ttime;
5603         u64 elapsed;
5604
5605         /*
5606          * We are really interested in how long it takes for the queue to
5607          * become busy when there is no outstanding IO for this queue. So
5608          * ignore cases when the bfq queue has already IO queued.
5609          */
5610         if (bfqq->dispatched || bfq_bfqq_busy(bfqq))
5611                 return;
5612         elapsed = ktime_get_ns() - bfqq->ttime.last_end_request;
5613         elapsed = min_t(u64, elapsed, 2ULL * bfqd->bfq_slice_idle);
5614
5615         ttime->ttime_samples = (7*ttime->ttime_samples + 256) / 8;
5616         ttime->ttime_total = div_u64(7*ttime->ttime_total + 256*elapsed,  8);
5617         ttime->ttime_mean = div64_ul(ttime->ttime_total + 128,
5618                                      ttime->ttime_samples);
5619 }
5620
5621 static void
5622 bfq_update_io_seektime(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5623                        struct request *rq)
5624 {
5625         bfqq->seek_history <<= 1;
5626         bfqq->seek_history |= BFQ_RQ_SEEKY(bfqd, bfqq->last_request_pos, rq);
5627
5628         if (bfqq->wr_coeff > 1 &&
5629             bfqq->wr_cur_max_time == bfqd->bfq_wr_rt_max_time &&
5630             BFQQ_TOTALLY_SEEKY(bfqq)) {
5631                 if (time_is_before_jiffies(bfqq->wr_start_at_switch_to_srt +
5632                                            bfq_wr_duration(bfqd))) {
5633                         /*
5634                          * In soft_rt weight raising with the
5635                          * interactive-weight-raising period
5636                          * elapsed (so no switch back to
5637                          * interactive weight raising).
5638                          */
5639                         bfq_bfqq_end_wr(bfqq);
5640                 } else { /*
5641                           * stopping soft_rt weight raising
5642                           * while still in interactive period,
5643                           * switch back to interactive weight
5644                           * raising
5645                           */
5646                         switch_back_to_interactive_wr(bfqq, bfqd);
5647                         bfqq->entity.prio_changed = 1;
5648                 }
5649         }
5650 }
5651
5652 static void bfq_update_has_short_ttime(struct bfq_data *bfqd,
5653                                        struct bfq_queue *bfqq,
5654                                        struct bfq_io_cq *bic)
5655 {
5656         bool has_short_ttime = true, state_changed;
5657
5658         /*
5659          * No need to update has_short_ttime if bfqq is async or in
5660          * idle io prio class, or if bfq_slice_idle is zero, because
5661          * no device idling is performed for bfqq in this case.
5662          */
5663         if (!bfq_bfqq_sync(bfqq) || bfq_class_idle(bfqq) ||
5664             bfqd->bfq_slice_idle == 0)
5665                 return;
5666
5667         /* Idle window just restored, statistics are meaningless. */
5668         if (time_is_after_eq_jiffies(bfqq->split_time +
5669                                      bfqd->bfq_wr_min_idle_time))
5670                 return;
5671
5672         /* Think time is infinite if no process is linked to
5673          * bfqq. Otherwise check average think time to decide whether
5674          * to mark as has_short_ttime. To this goal, compare average
5675          * think time with half the I/O-plugging timeout.
5676          */
5677         if (atomic_read(&bic->icq.ioc->active_ref) == 0 ||
5678             (bfq_sample_valid(bfqq->ttime.ttime_samples) &&
5679              bfqq->ttime.ttime_mean > bfqd->bfq_slice_idle>>1))
5680                 has_short_ttime = false;
5681
5682         state_changed = has_short_ttime != bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5683
5684         if (has_short_ttime)
5685                 bfq_mark_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5686         else
5687                 bfq_clear_bfqq_has_short_ttime(bfqq);
5688
5689         /*
5690          * Until the base value for the total service time gets
5691          * finally computed for bfqq, the inject limit does depend on
5692          * the think-time state (short|long). In particular, the limit
5693          * is 0 or 1 if the think time is deemed, respectively, as
5694          * short or long (details in the comments in
5695          * bfq_update_inject_limit()). Accordingly, the next
5696          * instructions reset the inject limit if the think-time state
5697          * has changed and the above base value is still to be
5698          * computed.
5699          *
5700          * However, the reset is performed only if more than 100 ms
5701          * have elapsed since the last update of the inject limit, or
5702          * (inclusive) if the change is from short to long think
5703          * time. The reason for this waiting is as follows.
5704          *
5705          * bfqq may have a long think time because of a
5706          * synchronization with some other queue, i.e., because the
5707          * I/O of some other queue may need to be completed for bfqq
5708          * to receive new I/O. Details in the comments on the choice
5709          * of the queue for injection in bfq_select_queue().
5710          *
5711          * As stressed in those comments, if such a synchronization is
5712          * actually in place, then, without injection on bfqq, the
5713          * blocking I/O cannot happen to served while bfqq is in
5714          * service. As a consequence, if bfqq is granted
5715          * I/O-dispatch-plugging, then bfqq remains empty, and no I/O
5716          * is dispatched, until the idle timeout fires. This is likely
5717          * to result in lower bandwidth and higher latencies for bfqq,
5718          * and in a severe loss of total throughput.
5719          *
5720          * On the opposite end, a non-zero inject limit may allow the
5721          * I/O that blocks bfqq to be executed soon, and therefore
5722          * bfqq to receive new I/O soon.
5723          *
5724          * But, if the blocking gets actually eliminated, then the
5725          * next think-time sample for bfqq may be very low. This in
5726          * turn may cause bfqq's think time to be deemed
5727          * short. Without the 100 ms barrier, this new state change
5728          * would cause the body of the next if to be executed
5729          * immediately. But this would set to 0 the inject
5730          * limit. Without injection, the blocking I/O would cause the
5731          * think time of bfqq to become long again, and therefore the
5732          * inject limit to be raised again, and so on. The only effect
5733          * of such a steady oscillation between the two think-time
5734          * states would be to prevent effective injection on bfqq.
5735          *
5736          * In contrast, if the inject limit is not reset during such a
5737          * long time interval as 100 ms, then the number of short
5738          * think time samples can grow significantly before the reset
5739          * is performed. As a consequence, the think time state can
5740          * become stable before the reset. Therefore there will be no
5741          * state change when the 100 ms elapse, and no reset of the
5742          * inject limit. The inject limit remains steadily equal to 1
5743          * both during and after the 100 ms. So injection can be
5744          * performed at all times, and throughput gets boosted.
5745          *
5746          * An inject limit equal to 1 is however in conflict, in
5747          * general, with the fact that the think time of bfqq is
5748          * short, because injection may be likely to delay bfqq's I/O
5749          * (as explained in the comments in
5750          * bfq_update_inject_limit()). But this does not happen in
5751          * this special case, because bfqq's low think time is due to
5752          * an effective handling of a synchronization, through
5753          * injection. In this special case, bfqq's I/O does not get
5754          * delayed by injection; on the contrary, bfqq's I/O is
5755          * brought forward, because it is not blocked for
5756          * milliseconds.
5757          *
5758          * In addition, serving the blocking I/O much sooner, and much
5759          * more frequently than once per I/O-plugging timeout, makes
5760          * it much quicker to detect a waker queue (the concept of
5761          * waker queue is defined in the comments in
5762          * bfq_add_request()). This makes it possible to start sooner
5763          * to boost throughput more effectively, by injecting the I/O
5764          * of the waker queue unconditionally on every
5765          * bfq_dispatch_request().
5766          *
5767          * One last, important benefit of not resetting the inject
5768          * limit before 100 ms is that, during this time interval, the
5769          * base value for the total service time is likely to get
5770          * finally computed for bfqq, freeing the inject limit from
5771          * its relation with the think time.
5772          */
5773         if (state_changed && bfqq->last_serv_time_ns == 0 &&
5774             (time_is_before_eq_jiffies(bfqq->decrease_time_jif +
5775                                       msecs_to_jiffies(100)) ||
5776              !has_short_ttime))
5777                 bfq_reset_inject_limit(bfqd, bfqq);
5778 }
5779
5780 /*
5781  * Called when a new fs request (rq) is added to bfqq.  Check if there's
5782  * something we should do about it.
5783  */
5784 static void bfq_rq_enqueued(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq,
5785                             struct request *rq)
5786 {
5787         if (rq->cmd_flags & REQ_META)
5788                 bfqq->meta_pending++;
5789
5790         bfqq->last_request_pos = blk_rq_pos(rq) + blk_rq_sectors(rq);
5791
5792         if (bfqq == bfqd->in_service_queue && bfq_bfqq_wait_request(bfqq)) {
5793                 bool small_req = bfqq->queued[rq_is_sync(rq)] == 1 &&
5794                                  blk_rq_sectors(rq) < 32;
5795                 bool budget_timeout = bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq);
5796
5797                 /*
5798                  * There is just this request queued: if
5799                  * - the request is small, and
5800                  * - we are idling to boost throughput, and
5801                  * - the queue is not to be expired,
5802                  * then just exit.
5803                  *
5804                  * In this way, if the device is being idled to wait
5805                  * for a new request from the in-service queue, we
5806                  * avoid unplugging the device and committing the
5807                  * device to serve just a small request. In contrast
5808                  * we wait for the block layer to decide when to
5809                  * unplug the device: hopefully, new requests will be
5810                  * merged to this one quickly, then the device will be
5811                  * unplugged and larger requests will be dispatched.
5812                  */
5813                 if (small_req && idling_boosts_thr_without_issues(bfqd, bfqq) &&
5814                     !budget_timeout)
5815                         return;
5816
5817                 /*
5818                  * A large enough request arrived, or idling is being
5819                  * performed to preserve service guarantees, or
5820                  * finally the queue is to be expired: in all these
5821                  * cases disk idling is to be stopped, so clear
5822                  * wait_request flag and reset timer.
5823                  */
5824                 bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
5825                 hrtimer_try_to_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
5826
5827                 /*
5828                  * The queue is not empty, because a new request just
5829                  * arrived. Hence we can safely expire the queue, in
5830                  * case of budget timeout, without risking that the
5831                  * timestamps of the queue are not updated correctly.
5832                  * See [1] for more details.
5833                  */
5834                 if (budget_timeout)
5835                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
5836                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
5837         }
5838 }
5839
5840 /* returns true if it causes the idle timer to be disabled */
5841 static bool __bfq_insert_request(struct bfq_data *bfqd, struct request *rq)
5842 {
5843         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq),
5844                 *new_bfqq = bfq_setup_cooperator(bfqd, bfqq, rq, true,
5845                                                  RQ_BIC(rq));
5846         bool waiting, idle_timer_disabled = false;
5847
5848         if (new_bfqq) {
5849                 /*
5850                  * Release the request's reference to the old bfqq
5851                  * and make sure one is taken to the shared queue.
5852                  */
5853                 new_bfqq->allocated++;
5854                 bfqq->allocated--;
5855                 new_bfqq->ref++;
5856                 /*
5857                  * If the bic associated with the process
5858                  * issuing this request still points to bfqq
5859                  * (and thus has not been already redirected
5860                  * to new_bfqq or even some other bfq_queue),
5861                  * then complete the merge and redirect it to
5862                  * new_bfqq.
5863                  */
5864                 if (bic_to_bfqq(RQ_BIC(rq), 1) == bfqq)
5865                         bfq_merge_bfqqs(bfqd, RQ_BIC(rq),
5866                                         bfqq, new_bfqq);
5867
5868                 bfq_clear_bfqq_just_created(bfqq);
5869                 /*
5870                  * rq is about to be enqueued into new_bfqq,
5871                  * release rq reference on bfqq
5872                  */
5873                 bfq_put_queue(bfqq);
5874                 rq->elv.priv[1] = new_bfqq;
5875                 bfqq = new_bfqq;
5876         }
5877
5878         bfq_update_io_thinktime(bfqd, bfqq);
5879         bfq_update_has_short_ttime(bfqd, bfqq, RQ_BIC(rq));
5880         bfq_update_io_seektime(bfqd, bfqq, rq);
5881
5882         waiting = bfqq && bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5883         bfq_add_request(rq);
5884         idle_timer_disabled = waiting && !bfq_bfqq_wait_request(bfqq);
5885
5886         rq->fifo_time = ktime_get_ns() + bfqd->bfq_fifo_expire[rq_is_sync(rq)];
5887         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqq->fifo);
5888
5889         bfq_rq_enqueued(bfqd, bfqq, rq);
5890
5891         return idle_timer_disabled;
5892 }
5893
5894 #ifdef CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG
5895 static void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5896                                     struct bfq_queue *bfqq,
5897                                     bool idle_timer_disabled,
5898                                     unsigned int cmd_flags)
5899 {
5900         if (!bfqq)
5901                 return;
5902
5903         /*
5904          * bfqq still exists, because it can disappear only after
5905          * either it is merged with another queue, or the process it
5906          * is associated with exits. But both actions must be taken by
5907          * the same process currently executing this flow of
5908          * instructions.
5909          *
5910          * In addition, the following queue lock guarantees that
5911          * bfqq_group(bfqq) exists as well.
5912          */
5913         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
5914         bfqg_stats_update_io_add(bfqq_group(bfqq), bfqq, cmd_flags);
5915         if (idle_timer_disabled)
5916                 bfqg_stats_update_idle_time(bfqq_group(bfqq));
5917         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
5918 }
5919 #else
5920 static inline void bfq_update_insert_stats(struct request_queue *q,
5921                                            struct bfq_queue *bfqq,
5922                                            bool idle_timer_disabled,
5923                                            unsigned int cmd_flags) {}
5924 #endif /* CONFIG_BFQ_CGROUP_DEBUG */
5925
5926 static void bfq_insert_request(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, struct request *rq,
5927                                bool at_head)
5928 {
5929         struct request_queue *q = hctx->queue;
5930         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
5931         struct bfq_queue *bfqq;
5932         bool idle_timer_disabled = false;
5933         unsigned int cmd_flags;
5934
5935 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
5936         if (!cgroup_subsys_on_dfl(io_cgrp_subsys) && rq->bio)
5937                 bfqg_stats_update_legacy_io(q, rq);
5938 #endif
5939         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5940         if (blk_mq_sched_try_insert_merge(q, rq)) {
5941                 spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5942                 return;
5943         }
5944
5945         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
5946
5947         trace_block_rq_insert(rq);
5948
5949         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
5950         bfqq = bfq_init_rq(rq);
5951
5952         /*
5953          * Reqs with at_head or passthrough flags set are to be put
5954          * directly into dispatch list. Additional case for putting rq
5955          * directly into the dispatch queue: the only active
5956          * bfq_queues are bfqq and either its waker bfq_queue or one
5957          * of its woken bfq_queues. The rationale behind this
5958          * additional condition is as follows:
5959          * - consider a bfq_queue, say Q1, detected as a waker of
5960          *   another bfq_queue, say Q2
5961          * - by definition of a waker, Q1 blocks the I/O of Q2, i.e.,
5962          *   some I/O of Q1 needs to be completed for new I/O of Q2
5963          *   to arrive.  A notable example of waker is journald
5964          * - so, Q1 and Q2 are in any respect the queues of two
5965          *   cooperating processes (or of two cooperating sets of
5966          *   processes): the goal of Q1's I/O is doing what needs to
5967          *   be done so that new Q2's I/O can finally be
5968          *   issued. Therefore, if the service of Q1's I/O is delayed,
5969          *   then Q2's I/O is delayed too.  Conversely, if Q2's I/O is
5970          *   delayed, the goal of Q1's I/O is hindered.
5971          * - as a consequence, if some I/O of Q1/Q2 arrives while
5972          *   Q2/Q1 is the only queue in service, there is absolutely
5973          *   no point in delaying the service of such an I/O. The
5974          *   only possible result is a throughput loss
5975          * - so, when the above condition holds, the best option is to
5976          *   have the new I/O dispatched as soon as possible
5977          * - the most effective and efficient way to attain the above
5978          *   goal is to put the new I/O directly in the dispatch
5979          *   list
5980          * - as an additional restriction, Q1 and Q2 must be the only
5981          *   busy queues for this commit to put the I/O of Q2/Q1 in
5982          *   the dispatch list.  This is necessary, because, if also
5983          *   other queues are waiting for service, then putting new
5984          *   I/O directly in the dispatch list may evidently cause a
5985          *   violation of service guarantees for the other queues
5986          */
5987         if (!bfqq ||
5988             (bfqq != bfqd->in_service_queue &&
5989              bfqd->in_service_queue != NULL &&
5990              bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 1 + bfq_bfqq_busy(bfqq) &&
5991              (bfqq->waker_bfqq == bfqd->in_service_queue ||
5992               bfqd->in_service_queue->waker_bfqq == bfqq)) || at_head) {
5993                 if (at_head)
5994                         list_add(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5995                 else
5996                         list_add_tail(&rq->queuelist, &bfqd->dispatch);
5997         } else {
5998                 idle_timer_disabled = __bfq_insert_request(bfqd, rq);
5999                 /*
6000                  * Update bfqq, because, if a queue merge has occurred
6001                  * in __bfq_insert_request, then rq has been
6002                  * redirected into a new queue.
6003                  */
6004                 bfqq = RQ_BFQQ(rq);
6005
6006                 if (rq_mergeable(rq)) {
6007                         elv_rqhash_add(q, rq);
6008                         if (!q->last_merge)
6009                                 q->last_merge = rq;
6010                 }
6011         }
6012
6013         /*
6014          * Cache cmd_flags before releasing scheduler lock, because rq
6015          * may disappear afterwards (for example, because of a request
6016          * merge).
6017          */
6018         cmd_flags = rq->cmd_flags;
6019
6020         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6021
6022         bfq_update_insert_stats(q, bfqq, idle_timer_disabled,
6023                                 cmd_flags);
6024 }
6025
6026 static void bfq_insert_requests(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
6027                                 struct list_head *list, bool at_head)
6028 {
6029         while (!list_empty(list)) {
6030                 struct request *rq;
6031
6032                 rq = list_first_entry(list, struct request, queuelist);
6033                 list_del_init(&rq->queuelist);
6034                 bfq_insert_request(hctx, rq, at_head);
6035         }
6036 }
6037
6038 static void bfq_update_hw_tag(struct bfq_data *bfqd)
6039 {
6040         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6041
6042         bfqd->max_rq_in_driver = max_t(int, bfqd->max_rq_in_driver,
6043                                        bfqd->rq_in_driver);
6044
6045         if (bfqd->hw_tag == 1)
6046                 return;
6047
6048         /*
6049          * This sample is valid if the number of outstanding requests
6050          * is large enough to allow a queueing behavior.  Note that the
6051          * sum is not exact, as it's not taking into account deactivated
6052          * requests.
6053          */
6054         if (bfqd->rq_in_driver + bfqd->queued <= BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6055                 return;
6056
6057         /*
6058          * If active queue hasn't enough requests and can idle, bfq might not
6059          * dispatch sufficient requests to hardware. Don't zero hw_tag in this
6060          * case
6061          */
6062         if (bfqq && bfq_bfqq_has_short_ttime(bfqq) &&
6063             bfqq->dispatched + bfqq->queued[0] + bfqq->queued[1] <
6064             BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD &&
6065             bfqd->rq_in_driver < BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD)
6066                 return;
6067
6068         if (bfqd->hw_tag_samples++ < BFQ_HW_QUEUE_SAMPLES)
6069                 return;
6070
6071         bfqd->hw_tag = bfqd->max_rq_in_driver > BFQ_HW_QUEUE_THRESHOLD;
6072         bfqd->max_rq_in_driver = 0;
6073         bfqd->hw_tag_samples = 0;
6074
6075         bfqd->nonrot_with_queueing =
6076                 blk_queue_nonrot(bfqd->queue) && bfqd->hw_tag;
6077 }
6078
6079 static void bfq_completed_request(struct bfq_queue *bfqq, struct bfq_data *bfqd)
6080 {
6081         u64 now_ns;
6082         u32 delta_us;
6083
6084         bfq_update_hw_tag(bfqd);
6085
6086         bfqd->rq_in_driver--;
6087         bfqq->dispatched--;
6088
6089         if (!bfqq->dispatched && !bfq_bfqq_busy(bfqq)) {
6090                 /*
6091                  * Set budget_timeout (which we overload to store the
6092                  * time at which the queue remains with no backlog and
6093                  * no outstanding request; used by the weight-raising
6094                  * mechanism).
6095                  */
6096                 bfqq->budget_timeout = jiffies;
6097
6098                 bfq_weights_tree_remove(bfqd, bfqq);
6099         }
6100
6101         now_ns = ktime_get_ns();
6102
6103         bfqq->ttime.last_end_request = now_ns;
6104
6105         /*
6106          * Using us instead of ns, to get a reasonable precision in
6107          * computing rate in next check.
6108          */
6109         delta_us = div_u64(now_ns - bfqd->last_completion, NSEC_PER_USEC);
6110
6111         /*
6112          * If the request took rather long to complete, and, according
6113          * to the maximum request size recorded, this completion latency
6114          * implies that the request was certainly served at a very low
6115          * rate (less than 1M sectors/sec), then the whole observation
6116          * interval that lasts up to this time instant cannot be a
6117          * valid time interval for computing a new peak rate.  Invoke
6118          * bfq_update_rate_reset to have the following three steps
6119          * taken:
6120          * - close the observation interval at the last (previous)
6121          *   request dispatch or completion
6122          * - compute rate, if possible, for that observation interval
6123          * - reset to zero samples, which will trigger a proper
6124          *   re-initialization of the observation interval on next
6125          *   dispatch
6126          */
6127         if (delta_us > BFQ_MIN_TT/NSEC_PER_USEC &&
6128            (bfqd->last_rq_max_size<<BFQ_RATE_SHIFT)/delta_us <
6129                         1UL<<(BFQ_RATE_SHIFT - 10))
6130                 bfq_update_rate_reset(bfqd, NULL);
6131         bfqd->last_completion = now_ns;
6132         /*
6133          * Shared queues are likely to receive I/O at a high
6134          * rate. This may deceptively let them be considered as wakers
6135          * of other queues. But a false waker will unjustly steal
6136          * bandwidth to its supposedly woken queue. So considering
6137          * also shared queues in the waking mechanism may cause more
6138          * control troubles than throughput benefits. Then reset
6139          * last_completed_rq_bfqq if bfqq is a shared queue.
6140          */
6141         if (!bfq_bfqq_coop(bfqq))
6142                 bfqd->last_completed_rq_bfqq = bfqq;
6143         else
6144                 bfqd->last_completed_rq_bfqq = NULL;
6145
6146         /*
6147          * If we are waiting to discover whether the request pattern
6148          * of the task associated with the queue is actually
6149          * isochronous, and both requisites for this condition to hold
6150          * are now satisfied, then compute soft_rt_next_start (see the
6151          * comments on the function bfq_bfqq_softrt_next_start()). We
6152          * do not compute soft_rt_next_start if bfqq is in interactive
6153          * weight raising (see the comments in bfq_bfqq_expire() for
6154          * an explanation). We schedule this delayed update when bfqq
6155          * expires, if it still has in-flight requests.
6156          */
6157         if (bfq_bfqq_softrt_update(bfqq) && bfqq->dispatched == 0 &&
6158             RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6159             bfqq->wr_coeff != bfqd->bfq_wr_coeff)
6160                 bfqq->soft_rt_next_start =
6161                         bfq_bfqq_softrt_next_start(bfqd, bfqq);
6162
6163         /*
6164          * If this is the in-service queue, check if it needs to be expired,
6165          * or if we want to idle in case it has no pending requests.
6166          */
6167         if (bfqd->in_service_queue == bfqq) {
6168                 if (bfq_bfqq_must_idle(bfqq)) {
6169                         if (bfqq->dispatched == 0)
6170                                 bfq_arm_slice_timer(bfqd);
6171                         /*
6172                          * If we get here, we do not expire bfqq, even
6173                          * if bfqq was in budget timeout or had no
6174                          * more requests (as controlled in the next
6175                          * conditional instructions). The reason for
6176                          * not expiring bfqq is as follows.
6177                          *
6178                          * Here bfqq->dispatched > 0 holds, but
6179                          * bfq_bfqq_must_idle() returned true. This
6180                          * implies that, even if no request arrives
6181                          * for bfqq before bfqq->dispatched reaches 0,
6182                          * bfqq will, however, not be expired on the
6183                          * completion event that causes bfqq->dispatch
6184                          * to reach zero. In contrast, on this event,
6185                          * bfqq will start enjoying device idling
6186                          * (I/O-dispatch plugging).
6187                          *
6188                          * But, if we expired bfqq here, bfqq would
6189                          * not have the chance to enjoy device idling
6190                          * when bfqq->dispatched finally reaches
6191                          * zero. This would expose bfqq to violation
6192                          * of its reserved service guarantees.
6193                          */
6194                         return;
6195                 } else if (bfq_may_expire_for_budg_timeout(bfqq))
6196                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6197                                         BFQQE_BUDGET_TIMEOUT);
6198                 else if (RB_EMPTY_ROOT(&bfqq->sort_list) &&
6199                          (bfqq->dispatched == 0 ||
6200                           !bfq_better_to_idle(bfqq)))
6201                         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, false,
6202                                         BFQQE_NO_MORE_REQUESTS);
6203         }
6204
6205         if (!bfqd->rq_in_driver)
6206                 bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6207 }
6208
6209 static void bfq_finish_requeue_request_body(struct bfq_queue *bfqq)
6210 {
6211         bfqq->allocated--;
6212
6213         bfq_put_queue(bfqq);
6214 }
6215
6216 /*
6217  * The processes associated with bfqq may happen to generate their
6218  * cumulative I/O at a lower rate than the rate at which the device
6219  * could serve the same I/O. This is rather probable, e.g., if only
6220  * one process is associated with bfqq and the device is an SSD. It
6221  * results in bfqq becoming often empty while in service. In this
6222  * respect, if BFQ is allowed to switch to another queue when bfqq
6223  * remains empty, then the device goes on being fed with I/O requests,
6224  * and the throughput is not affected. In contrast, if BFQ is not
6225  * allowed to switch to another queue---because bfqq is sync and
6226  * I/O-dispatch needs to be plugged while bfqq is temporarily
6227  * empty---then, during the service of bfqq, there will be frequent
6228  * "service holes", i.e., time intervals during which bfqq gets empty
6229  * and the device can only consume the I/O already queued in its
6230  * hardware queues. During service holes, the device may even get to
6231  * remaining idle. In the end, during the service of bfqq, the device
6232  * is driven at a lower speed than the one it can reach with the kind
6233  * of I/O flowing through bfqq.
6234  *
6235  * To counter this loss of throughput, BFQ implements a "request
6236  * injection mechanism", which tries to fill the above service holes
6237  * with I/O requests taken from other queues. The hard part in this
6238  * mechanism is finding the right amount of I/O to inject, so as to
6239  * both boost throughput and not break bfqq's bandwidth and latency
6240  * guarantees. In this respect, the mechanism maintains a per-queue
6241  * inject limit, computed as below. While bfqq is empty, the injection
6242  * mechanism dispatches extra I/O requests only until the total number
6243  * of I/O requests in flight---i.e., already dispatched but not yet
6244  * completed---remains lower than this limit.
6245  *
6246  * A first definition comes in handy to introduce the algorithm by
6247  * which the inject limit is computed.  We define as first request for
6248  * bfqq, an I/O request for bfqq that arrives while bfqq is in
6249  * service, and causes bfqq to switch from empty to non-empty. The
6250  * algorithm updates the limit as a function of the effect of
6251  * injection on the service times of only the first requests of
6252  * bfqq. The reason for this restriction is that these are the
6253  * requests whose service time is affected most, because they are the
6254  * first to arrive after injection possibly occurred.
6255  *
6256  * To evaluate the effect of injection, the algorithm measures the
6257  * "total service time" of first requests. We define as total service
6258  * time of an I/O request, the time that elapses since when the
6259  * request is enqueued into bfqq, to when it is completed. This
6260  * quantity allows the whole effect of injection to be measured. It is
6261  * easy to see why. Suppose that some requests of other queues are
6262  * actually injected while bfqq is empty, and that a new request R
6263  * then arrives for bfqq. If the device does start to serve all or
6264  * part of the injected requests during the service hole, then,
6265  * because of this extra service, it may delay the next invocation of
6266  * the dispatch hook of BFQ. Then, even after R gets eventually
6267  * dispatched, the device may delay the actual service of R if it is
6268  * still busy serving the extra requests, or if it decides to serve,
6269  * before R, some extra request still present in its queues. As a
6270  * conclusion, the cumulative extra delay caused by injection can be
6271  * easily evaluated by just comparing the total service time of first
6272  * requests with and without injection.
6273  *
6274  * The limit-update algorithm works as follows. On the arrival of a
6275  * first request of bfqq, the algorithm measures the total time of the
6276  * request only if one of the three cases below holds, and, for each
6277  * case, it updates the limit as described below:
6278  *
6279  * (1) If there is no in-flight request. This gives a baseline for the
6280  *     total service time of the requests of bfqq. If the baseline has
6281  *     not been computed yet, then, after computing it, the limit is
6282  *     set to 1, to start boosting throughput, and to prepare the
6283  *     ground for the next case. If the baseline has already been
6284  *     computed, then it is updated, in case it results to be lower
6285  *     than the previous value.
6286  *
6287  * (2) If the limit is higher than 0 and there are in-flight
6288  *     requests. By comparing the total service time in this case with
6289  *     the above baseline, it is possible to know at which extent the
6290  *     current value of the limit is inflating the total service
6291  *     time. If the inflation is below a certain threshold, then bfqq
6292  *     is assumed to be suffering from no perceivable loss of its
6293  *     service guarantees, and the limit is even tentatively
6294  *     increased. If the inflation is above the threshold, then the
6295  *     limit is decreased. Due to the lack of any hysteresis, this
6296  *     logic makes the limit oscillate even in steady workload
6297  *     conditions. Yet we opted for it, because it is fast in reaching
6298  *     the best value for the limit, as a function of the current I/O
6299  *     workload. To reduce oscillations, this step is disabled for a
6300  *     short time interval after the limit happens to be decreased.
6301  *
6302  * (3) Periodically, after resetting the limit, to make sure that the
6303  *     limit eventually drops in case the workload changes. This is
6304  *     needed because, after the limit has gone safely up for a
6305  *     certain workload, it is impossible to guess whether the
6306  *     baseline total service time may have changed, without measuring
6307  *     it again without injection. A more effective version of this
6308  *     step might be to just sample the baseline, by interrupting
6309  *     injection only once, and then to reset/lower the limit only if
6310  *     the total service time with the current limit does happen to be
6311  *     too large.
6312  *
6313  * More details on each step are provided in the comments on the
6314  * pieces of code that implement these steps: the branch handling the
6315  * transition from empty to non empty in bfq_add_request(), the branch
6316  * handling injection in bfq_select_queue(), and the function
6317  * bfq_choose_bfqq_for_injection(). These comments also explain some
6318  * exceptions, made by the injection mechanism in some special cases.
6319  */
6320 static void bfq_update_inject_limit(struct bfq_data *bfqd,
6321                                     struct bfq_queue *bfqq)
6322 {
6323         u64 tot_time_ns = ktime_get_ns() - bfqd->last_empty_occupied_ns;
6324         unsigned int old_limit = bfqq->inject_limit;
6325
6326         if (bfqq->last_serv_time_ns > 0 && bfqd->rqs_injected) {
6327                 u64 threshold = (bfqq->last_serv_time_ns * 3)>>1;
6328
6329                 if (tot_time_ns >= threshold && old_limit > 0) {
6330                         bfqq->inject_limit--;
6331                         bfqq->decrease_time_jif = jiffies;
6332                 } else if (tot_time_ns < threshold &&
6333                            old_limit <= bfqd->max_rq_in_driver)
6334                         bfqq->inject_limit++;
6335         }
6336
6337         /*
6338          * Either we still have to compute the base value for the
6339          * total service time, and there seem to be the right
6340          * conditions to do it, or we can lower the last base value
6341          * computed.
6342          *
6343          * NOTE: (bfqd->rq_in_driver == 1) means that there is no I/O
6344          * request in flight, because this function is in the code
6345          * path that handles the completion of a request of bfqq, and,
6346          * in particular, this function is executed before
6347          * bfqd->rq_in_driver is decremented in such a code path.
6348          */
6349         if ((bfqq->last_serv_time_ns == 0 && bfqd->rq_in_driver == 1) ||
6350             tot_time_ns < bfqq->last_serv_time_ns) {
6351                 if (bfqq->last_serv_time_ns == 0) {
6352                         /*
6353                          * Now we certainly have a base value: make sure we
6354                          * start trying injection.
6355                          */
6356                         bfqq->inject_limit = max_t(unsigned int, 1, old_limit);
6357                 }
6358                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6359         } else if (!bfqd->rqs_injected && bfqd->rq_in_driver == 1)
6360                 /*
6361                  * No I/O injected and no request still in service in
6362                  * the drive: these are the exact conditions for
6363                  * computing the base value of the total service time
6364                  * for bfqq. So let's update this value, because it is
6365                  * rather variable. For example, it varies if the size
6366                  * or the spatial locality of the I/O requests in bfqq
6367                  * change.
6368                  */
6369                 bfqq->last_serv_time_ns = tot_time_ns;
6370
6371
6372         /* update complete, not waiting for any request completion any longer */
6373         bfqd->waited_rq = NULL;
6374         bfqd->rqs_injected = false;
6375 }
6376
6377 /*
6378  * Handle either a requeue or a finish for rq. The things to do are
6379  * the same in both cases: all references to rq are to be dropped. In
6380  * particular, rq is considered completed from the point of view of
6381  * the scheduler.
6382  */
6383 static void bfq_finish_requeue_request(struct request *rq)
6384 {
6385         struct bfq_queue *bfqq = RQ_BFQQ(rq);
6386         struct bfq_data *bfqd;
6387
6388         /*
6389          * rq either is not associated with any icq, or is an already
6390          * requeued request that has not (yet) been re-inserted into
6391          * a bfq_queue.
6392          */
6393         if (!rq->elv.icq || !bfqq)
6394                 return;
6395
6396         bfqd = bfqq->bfqd;
6397
6398         if (rq->rq_flags & RQF_STARTED)
6399                 bfqg_stats_update_completion(bfqq_group(bfqq),
6400                                              rq->start_time_ns,
6401                                              rq->io_start_time_ns,
6402                                              rq->cmd_flags);
6403
6404         if (likely(rq->rq_flags & RQF_STARTED)) {
6405                 unsigned long flags;
6406
6407                 spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6408
6409                 if (rq == bfqd->waited_rq)
6410                         bfq_update_inject_limit(bfqd, bfqq);
6411
6412                 bfq_completed_request(bfqq, bfqd);
6413                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6414
6415                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6416         } else {
6417                 /*
6418                  * Request rq may be still/already in the scheduler,
6419                  * in which case we need to remove it (this should
6420                  * never happen in case of requeue). And we cannot
6421                  * defer such a check and removal, to avoid
6422                  * inconsistencies in the time interval from the end
6423                  * of this function to the start of the deferred work.
6424                  * This situation seems to occur only in process
6425                  * context, as a consequence of a merge. In the
6426                  * current version of the code, this implies that the
6427                  * lock is held.
6428                  */
6429
6430                 if (!RB_EMPTY_NODE(&rq->rb_node)) {
6431                         bfq_remove_request(rq->q, rq);
6432                         bfqg_stats_update_io_remove(bfqq_group(bfqq),
6433                                                     rq->cmd_flags);
6434                 }
6435                 bfq_finish_requeue_request_body(bfqq);
6436         }
6437
6438         /*
6439          * Reset private fields. In case of a requeue, this allows
6440          * this function to correctly do nothing if it is spuriously
6441          * invoked again on this same request (see the check at the
6442          * beginning of the function). Probably, a better general
6443          * design would be to prevent blk-mq from invoking the requeue
6444          * or finish hooks of an elevator, for a request that is not
6445          * referred by that elevator.
6446          *
6447          * Resetting the following fields would break the
6448          * request-insertion logic if rq is re-inserted into a bfq
6449          * internal queue, without a re-preparation. Here we assume
6450          * that re-insertions of requeued requests, without
6451          * re-preparation, can happen only for pass_through or at_head
6452          * requests (which are not re-inserted into bfq internal
6453          * queues).
6454          */
6455         rq->elv.priv[0] = NULL;
6456         rq->elv.priv[1] = NULL;
6457 }
6458
6459 /*
6460  * Removes the association between the current task and bfqq, assuming
6461  * that bic points to the bfq iocontext of the task.
6462  * Returns NULL if a new bfqq should be allocated, or the old bfqq if this
6463  * was the last process referring to that bfqq.
6464  */
6465 static struct bfq_queue *
6466 bfq_split_bfqq(struct bfq_io_cq *bic, struct bfq_queue *bfqq)
6467 {
6468         bfq_log_bfqq(bfqq->bfqd, bfqq, "splitting queue");
6469
6470         if (bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6471                 bfqq->pid = current->pid;
6472                 bfq_clear_bfqq_coop(bfqq);
6473                 bfq_clear_bfqq_split_coop(bfqq);
6474                 return bfqq;
6475         }
6476
6477         bic_set_bfqq(bic, NULL, 1);
6478
6479         bfq_put_cooperator(bfqq);
6480
6481         bfq_release_process_ref(bfqq->bfqd, bfqq);
6482         return NULL;
6483 }
6484
6485 static struct bfq_queue *bfq_get_bfqq_handle_split(struct bfq_data *bfqd,
6486                                                    struct bfq_io_cq *bic,
6487                                                    struct bio *bio,
6488                                                    bool split, bool is_sync,
6489                                                    bool *new_queue)
6490 {
6491         struct bfq_queue *bfqq = bic_to_bfqq(bic, is_sync);
6492
6493         if (likely(bfqq && bfqq != &bfqd->oom_bfqq))
6494                 return bfqq;
6495
6496         if (new_queue)
6497                 *new_queue = true;
6498
6499         if (bfqq)
6500                 bfq_put_queue(bfqq);
6501         bfqq = bfq_get_queue(bfqd, bio, is_sync, bic, split);
6502
6503         bic_set_bfqq(bic, bfqq, is_sync);
6504         if (split && is_sync) {
6505                 if ((bic->was_in_burst_list && bfqd->large_burst) ||
6506                     bic->saved_in_large_burst)
6507                         bfq_mark_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6508                 else {
6509                         bfq_clear_bfqq_in_large_burst(bfqq);
6510                         if (bic->was_in_burst_list)
6511                                 /*
6512                                  * If bfqq was in the current
6513                                  * burst list before being
6514                                  * merged, then we have to add
6515                                  * it back. And we do not need
6516                                  * to increase burst_size, as
6517                                  * we did not decrement
6518                                  * burst_size when we removed
6519                                  * bfqq from the burst list as
6520                                  * a consequence of a merge
6521                                  * (see comments in
6522                                  * bfq_put_queue). In this
6523                                  * respect, it would be rather
6524                                  * costly to know whether the
6525                                  * current burst list is still
6526                                  * the same burst list from
6527                                  * which bfqq was removed on
6528                                  * the merge. To avoid this
6529                                  * cost, if bfqq was in a
6530                                  * burst list, then we add
6531                                  * bfqq to the current burst
6532                                  * list without any further
6533                                  * check. This can cause
6534                                  * inappropriate insertions,
6535                                  * but rarely enough to not
6536                                  * harm the detection of large
6537                                  * bursts significantly.
6538                                  */
6539                                 hlist_add_head(&bfqq->burst_list_node,
6540                                                &bfqd->burst_list);
6541                 }
6542                 bfqq->split_time = jiffies;
6543         }
6544
6545         return bfqq;
6546 }
6547
6548 /*
6549  * Only reset private fields. The actual request preparation will be
6550  * performed by bfq_init_rq, when rq is either inserted or merged. See
6551  * comments on bfq_init_rq for the reason behind this delayed
6552  * preparation.
6553  */
6554 static void bfq_prepare_request(struct request *rq)
6555 {
6556         /*
6557          * Regardless of whether we have an icq attached, we have to
6558          * clear the scheduler pointers, as they might point to
6559          * previously allocated bic/bfqq structs.
6560          */
6561         rq->elv.priv[0] = rq->elv.priv[1] = NULL;
6562 }
6563
6564 /*
6565  * If needed, init rq, allocate bfq data structures associated with
6566  * rq, and increment reference counters in the destination bfq_queue
6567  * for rq. Return the destination bfq_queue for rq, or NULL is rq is
6568  * not associated with any bfq_queue.
6569  *
6570  * This function is invoked by the functions that perform rq insertion
6571  * or merging. One may have expected the above preparation operations
6572  * to be performed in bfq_prepare_request, and not delayed to when rq
6573  * is inserted or merged. The rationale behind this delayed
6574  * preparation is that, after the prepare_request hook is invoked for
6575  * rq, rq may still be transformed into a request with no icq, i.e., a
6576  * request not associated with any queue. No bfq hook is invoked to
6577  * signal this transformation. As a consequence, should these
6578  * preparation operations be performed when the prepare_request hook
6579  * is invoked, and should rq be transformed one moment later, bfq
6580  * would end up in an inconsistent state, because it would have
6581  * incremented some queue counters for an rq destined to
6582  * transformation, without any chance to correctly lower these
6583  * counters back. In contrast, no transformation can still happen for
6584  * rq after rq has been inserted or merged. So, it is safe to execute
6585  * these preparation operations when rq is finally inserted or merged.
6586  */
6587 static struct bfq_queue *bfq_init_rq(struct request *rq)
6588 {
6589         struct request_queue *q = rq->q;
6590         struct bio *bio = rq->bio;
6591         struct bfq_data *bfqd = q->elevator->elevator_data;
6592         struct bfq_io_cq *bic;
6593         const int is_sync = rq_is_sync(rq);
6594         struct bfq_queue *bfqq;
6595         bool new_queue = false;
6596         bool bfqq_already_existing = false, split = false;
6597
6598         if (unlikely(!rq->elv.icq))
6599                 return NULL;
6600
6601         /*
6602          * Assuming that elv.priv[1] is set only if everything is set
6603          * for this rq. This holds true, because this function is
6604          * invoked only for insertion or merging, and, after such
6605          * events, a request cannot be manipulated any longer before
6606          * being removed from bfq.
6607          */
6608         if (rq->elv.priv[1])
6609                 return rq->elv.priv[1];
6610
6611         bic = icq_to_bic(rq->elv.icq);
6612
6613         bfq_check_ioprio_change(bic, bio);
6614
6615         bfq_bic_update_cgroup(bic, bio);
6616
6617         bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio, false, is_sync,
6618                                          &new_queue);
6619
6620         if (likely(!new_queue)) {
6621                 /* If the queue was seeky for too long, break it apart. */
6622                 if (bfq_bfqq_coop(bfqq) && bfq_bfqq_split_coop(bfqq) &&
6623                         !bic->stably_merged) {
6624                         struct bfq_queue *old_bfqq = bfqq;
6625
6626                         /* Update bic before losing reference to bfqq */
6627                         if (bfq_bfqq_in_large_burst(bfqq))
6628                                 bic->saved_in_large_burst = true;
6629
6630                         bfqq = bfq_split_bfqq(bic, bfqq);
6631                         split = true;
6632
6633                         if (!bfqq) {
6634                                 bfqq = bfq_get_bfqq_handle_split(bfqd, bic, bio,
6635                                                                  true, is_sync,
6636                                                                  NULL);
6637                                 bfqq->waker_bfqq = old_bfqq->waker_bfqq;
6638                                 bfqq->tentative_waker_bfqq = NULL;
6639
6640                                 /*
6641                                  * If the waker queue disappears, then
6642                                  * new_bfqq->waker_bfqq must be
6643                                  * reset. So insert new_bfqq into the
6644                                  * woken_list of the waker. See
6645                                  * bfq_check_waker for details.
6646                                  */
6647                                 if (bfqq->waker_bfqq)
6648                                         hlist_add_head(&bfqq->woken_list_node,
6649                                                        &bfqq->waker_bfqq->woken_list);
6650                         } else
6651                                 bfqq_already_existing = true;
6652                 }
6653         }
6654
6655         bfqq->allocated++;
6656         bfqq->ref++;
6657         bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "get_request %p: bfqq %p, %d",
6658                      rq, bfqq, bfqq->ref);
6659
6660         rq->elv.priv[0] = bic;
6661         rq->elv.priv[1] = bfqq;
6662
6663         /*
6664          * If a bfq_queue has only one process reference, it is owned
6665          * by only this bic: we can then set bfqq->bic = bic. in
6666          * addition, if the queue has also just been split, we have to
6667          * resume its state.
6668          */
6669         if (likely(bfqq != &bfqd->oom_bfqq) && bfqq_process_refs(bfqq) == 1) {
6670                 bfqq->bic = bic;
6671                 if (split) {
6672                         /*
6673                          * The queue has just been split from a shared
6674                          * queue: restore the idle window and the
6675                          * possible weight raising period.
6676                          */
6677                         bfq_bfqq_resume_state(bfqq, bfqd, bic,
6678                                               bfqq_already_existing);
6679                 }
6680         }
6681
6682         /*
6683          * Consider bfqq as possibly belonging to a burst of newly
6684          * created queues only if:
6685          * 1) A burst is actually happening (bfqd->burst_size > 0)
6686          * or
6687          * 2) There is no other active queue. In fact, if, in
6688          *    contrast, there are active queues not belonging to the
6689          *    possible burst bfqq may belong to, then there is no gain
6690          *    in considering bfqq as belonging to a burst, and
6691          *    therefore in not weight-raising bfqq. See comments on
6692          *    bfq_handle_burst().
6693          *
6694          * This filtering also helps eliminating false positives,
6695          * occurring when bfqq does not belong to an actual large
6696          * burst, but some background task (e.g., a service) happens
6697          * to trigger the creation of new queues very close to when
6698          * bfqq and its possible companion queues are created. See
6699          * comments on bfq_handle_burst() for further details also on
6700          * this issue.
6701          */
6702         if (unlikely(bfq_bfqq_just_created(bfqq) &&
6703                      (bfqd->burst_size > 0 ||
6704                       bfq_tot_busy_queues(bfqd) == 0)))
6705                 bfq_handle_burst(bfqd, bfqq);
6706
6707         return bfqq;
6708 }
6709
6710 static void
6711 bfq_idle_slice_timer_body(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_queue *bfqq)
6712 {
6713         enum bfqq_expiration reason;
6714         unsigned long flags;
6715
6716         spin_lock_irqsave(&bfqd->lock, flags);
6717
6718         /*
6719          * Considering that bfqq may be in race, we should firstly check
6720          * whether bfqq is in service before doing something on it. If
6721          * the bfqq in race is not in service, it has already been expired
6722          * through __bfq_bfqq_expire func and its wait_request flags has
6723          * been cleared in __bfq_bfqd_reset_in_service func.
6724          */
6725         if (bfqq != bfqd->in_service_queue) {
6726                 spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6727                 return;
6728         }
6729
6730         bfq_clear_bfqq_wait_request(bfqq);
6731
6732         if (bfq_bfqq_budget_timeout(bfqq))
6733                 /*
6734                  * Also here the queue can be safely expired
6735                  * for budget timeout without wasting
6736                  * guarantees
6737                  */
6738                 reason = BFQQE_BUDGET_TIMEOUT;
6739         else if (bfqq->queued[0] == 0 && bfqq->queued[1] == 0)
6740                 /*
6741                  * The queue may not be empty upon timer expiration,
6742                  * because we may not disable the timer when the
6743                  * first request of the in-service queue arrives
6744                  * during disk idling.
6745                  */
6746                 reason = BFQQE_TOO_IDLE;
6747         else
6748                 goto schedule_dispatch;
6749
6750         bfq_bfqq_expire(bfqd, bfqq, true, reason);
6751
6752 schedule_dispatch:
6753         spin_unlock_irqrestore(&bfqd->lock, flags);
6754         bfq_schedule_dispatch(bfqd);
6755 }
6756
6757 /*
6758  * Handler of the expiration of the timer running if the in-service queue
6759  * is idling inside its time slice.
6760  */
6761 static enum hrtimer_restart bfq_idle_slice_timer(struct hrtimer *timer)
6762 {
6763         struct bfq_data *bfqd = container_of(timer, struct bfq_data,
6764                                              idle_slice_timer);
6765         struct bfq_queue *bfqq = bfqd->in_service_queue;
6766
6767         /*
6768          * Theoretical race here: the in-service queue can be NULL or
6769          * different from the queue that was idling if a new request
6770          * arrives for the current queue and there is a full dispatch
6771          * cycle that changes the in-service queue.  This can hardly
6772          * happen, but in the worst case we just expire a queue too
6773          * early.
6774          */
6775         if (bfqq)
6776                 bfq_idle_slice_timer_body(bfqd, bfqq);
6777
6778         return HRTIMER_NORESTART;
6779 }
6780
6781 static void __bfq_put_async_bfqq(struct bfq_data *bfqd,
6782                                  struct bfq_queue **bfqq_ptr)
6783 {
6784         struct bfq_queue *bfqq = *bfqq_ptr;
6785
6786         bfq_log(bfqd, "put_async_bfqq: %p", bfqq);
6787         if (bfqq) {
6788                 bfq_bfqq_move(bfqd, bfqq, bfqd->root_group);
6789
6790                 bfq_log_bfqq(bfqd, bfqq, "put_async_bfqq: putting %p, %d",
6791                              bfqq, bfqq->ref);
6792                 bfq_put_queue(bfqq);
6793                 *bfqq_ptr = NULL;
6794         }
6795 }
6796
6797 /*
6798  * Release all the bfqg references to its async queues.  If we are
6799  * deallocating the group these queues may still contain requests, so
6800  * we reparent them to the root cgroup (i.e., the only one that will
6801  * exist for sure until all the requests on a device are gone).
6802  */
6803 void bfq_put_async_queues(struct bfq_data *bfqd, struct bfq_group *bfqg)
6804 {
6805         int i, j;
6806
6807         for (i = 0; i < 2; i++)
6808                 for (j = 0; j < IOPRIO_BE_NR; j++)
6809                         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_bfqq[i][j]);
6810
6811         __bfq_put_async_bfqq(bfqd, &bfqg->async_idle_bfqq);
6812 }
6813
6814 /*
6815  * See the comments on bfq_limit_depth for the purpose of
6816  * the depths set in the function. Return minimum shallow depth we'll use.
6817  */
6818 static unsigned int bfq_update_depths(struct bfq_data *bfqd,
6819                                       struct sbitmap_queue *bt)
6820 {
6821         unsigned int i, j, min_shallow = UINT_MAX;
6822
6823         /*
6824          * In-word depths if no bfq_queue is being weight-raised:
6825          * leaving 25% of tags only for sync reads.
6826          *
6827          * In next formulas, right-shift the value
6828          * (1U<<bt->sb.shift), instead of computing directly
6829          * (1U<<(bt->sb.shift - something)), to be robust against
6830          * any possible value of bt->sb.shift, without having to
6831          * limit 'something'.
6832          */
6833         /* no more than 50% of tags for async I/O */
6834         bfqd->word_depths[0][0] = max((1U << bt->sb.shift) >> 1, 1U);
6835         /*
6836          * no more than 75% of tags for sync writes (25% extra tags
6837          * w.r.t. async I/O, to prevent async I/O from starving sync
6838          * writes)
6839          */
6840         bfqd->word_depths[0][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 2, 1U);
6841
6842         /*
6843          * In-word depths in case some bfq_queue is being weight-
6844          * raised: leaving ~63% of tags for sync reads. This is the
6845          * highest percentage for which, in our tests, application
6846          * start-up times didn't suffer from any regression due to tag
6847          * shortage.
6848          */
6849         /* no more than ~18% of tags for async I/O */
6850         bfqd->word_depths[1][0] = max(((1U << bt->sb.shift) * 3) >> 4, 1U);
6851         /* no more than ~37% of tags for sync writes (~20% extra tags) */
6852         bfqd->word_depths[1][1] = max(((1U << bt->sb.shift) * 6) >> 4, 1U);
6853
6854         for (i = 0; i < 2; i++)
6855                 for (j = 0; j < 2; j++)
6856                         min_shallow = min(min_shallow, bfqd->word_depths[i][j]);
6857
6858         return min_shallow;
6859 }
6860
6861 static void bfq_depth_updated(struct blk_mq_hw_ctx *hctx)
6862 {
6863         struct bfq_data *bfqd = hctx->queue->elevator->elevator_data;
6864         struct blk_mq_tags *tags = hctx->sched_tags;
6865         unsigned int min_shallow;
6866
6867         min_shallow = bfq_update_depths(bfqd, tags->bitmap_tags);
6868         sbitmap_queue_min_shallow_depth(tags->bitmap_tags, min_shallow);
6869 }
6870
6871 static int bfq_init_hctx(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, unsigned int index)
6872 {
6873         bfq_depth_updated(hctx);
6874         return 0;
6875 }
6876
6877 static void bfq_exit_queue(struct elevator_queue *e)
6878 {
6879         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
6880         struct bfq_queue *bfqq, *n;
6881
6882         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6883
6884         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6885         list_for_each_entry_safe(bfqq, n, &bfqd->idle_list, bfqq_list)
6886                 bfq_deactivate_bfqq(bfqd, bfqq, false, false);
6887         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6888
6889         hrtimer_cancel(&bfqd->idle_slice_timer);
6890
6891         /* release oom-queue reference to root group */
6892         bfqg_and_blkg_put(bfqd->root_group);
6893
6894 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6895         blkcg_deactivate_policy(bfqd->queue, &blkcg_policy_bfq);
6896 #else
6897         spin_lock_irq(&bfqd->lock);
6898         bfq_put_async_queues(bfqd, bfqd->root_group);
6899         kfree(bfqd->root_group);
6900         spin_unlock_irq(&bfqd->lock);
6901 #endif
6902
6903         kfree(bfqd);
6904 }
6905
6906 static void bfq_init_root_group(struct bfq_group *root_group,
6907                                 struct bfq_data *bfqd)
6908 {
6909         int i;
6910
6911 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
6912         root_group->entity.parent = NULL;
6913         root_group->my_entity = NULL;
6914         root_group->bfqd = bfqd;
6915 #endif
6916         root_group->rq_pos_tree = RB_ROOT;
6917         for (i = 0; i < BFQ_IOPRIO_CLASSES; i++)
6918                 root_group->sched_data.service_tree[i] = BFQ_SERVICE_TREE_INIT;
6919         root_group->sched_data.bfq_class_idle_last_service = jiffies;
6920 }
6921
6922 static int bfq_init_queue(struct request_queue *q, struct elevator_type *e)
6923 {
6924         struct bfq_data *bfqd;
6925         struct elevator_queue *eq;
6926
6927         eq = elevator_alloc(q, e);
6928         if (!eq)
6929                 return -ENOMEM;
6930
6931         bfqd = kzalloc_node(sizeof(*bfqd), GFP_KERNEL, q->node);
6932         if (!bfqd) {
6933                 kobject_put(&eq->kobj);
6934                 return -ENOMEM;
6935         }
6936         eq->elevator_data = bfqd;
6937
6938         spin_lock_irq(&q->queue_lock);
6939         q->elevator = eq;
6940         spin_unlock_irq(&q->queue_lock);
6941
6942         /*
6943          * Our fallback bfqq if bfq_find_alloc_queue() runs into OOM issues.
6944          * Grab a permanent reference to it, so that the normal code flow
6945          * will not attempt to free it.
6946          */
6947         bfq_init_bfqq(bfqd, &bfqd->oom_bfqq, NULL, 1, 0);
6948         bfqd->oom_bfqq.ref++;
6949         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio = BFQ_DEFAULT_QUEUE_IOPRIO;
6950         bfqd->oom_bfqq.new_ioprio_class = IOPRIO_CLASS_BE;
6951         bfqd->oom_bfqq.entity.new_weight =
6952                 bfq_ioprio_to_weight(bfqd->oom_bfqq.new_ioprio);
6953
6954         /* oom_bfqq does not participate to bursts */
6955         bfq_clear_bfqq_just_created(&bfqd->oom_bfqq);
6956
6957         /*
6958          * Trigger weight initialization, according to ioprio, at the
6959          * oom_bfqq's first activation. The oom_bfqq's ioprio and ioprio
6960          * class won't be changed any more.
6961          */
6962         bfqd->oom_bfqq.entity.prio_changed = 1;
6963
6964         bfqd->queue = q;
6965
6966         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->dispatch);
6967
6968         hrtimer_init(&bfqd->idle_slice_timer, CLOCK_MONOTONIC,
6969                      HRTIMER_MODE_REL);
6970         bfqd->idle_slice_timer.function = bfq_idle_slice_timer;
6971
6972         bfqd->queue_weights_tree = RB_ROOT_CACHED;
6973         bfqd->num_groups_with_pending_reqs = 0;
6974
6975         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->active_list);
6976         INIT_LIST_HEAD(&bfqd->idle_list);
6977         INIT_HLIST_HEAD(&bfqd->burst_list);
6978
6979         bfqd->hw_tag = -1;
6980         bfqd->nonrot_with_queueing = blk_queue_nonrot(bfqd->queue);
6981
6982         bfqd->bfq_max_budget = bfq_default_max_budget;
6983
6984         bfqd->bfq_fifo_expire[0] = bfq_fifo_expire[0];
6985         bfqd->bfq_fifo_expire[1] = bfq_fifo_expire[1];
6986         bfqd->bfq_back_max = bfq_back_max;
6987         bfqd->bfq_back_penalty = bfq_back_penalty;
6988         bfqd->bfq_slice_idle = bfq_slice_idle;
6989         bfqd->bfq_timeout = bfq_timeout;
6990
6991         bfqd->bfq_large_burst_thresh = 8;
6992         bfqd->bfq_burst_interval = msecs_to_jiffies(180);
6993
6994         bfqd->low_latency = true;
6995
6996         /*
6997          * Trade-off between responsiveness and fairness.
6998          */
6999         bfqd->bfq_wr_coeff = 30;
7000         bfqd->bfq_wr_rt_max_time = msecs_to_jiffies(300);
7001         bfqd->bfq_wr_max_time = 0;
7002         bfqd->bfq_wr_min_idle_time = msecs_to_jiffies(2000);
7003         bfqd->bfq_wr_min_inter_arr_async = msecs_to_jiffies(500);
7004         bfqd->bfq_wr_max_softrt_rate = 7000; /*
7005                                               * Approximate rate required
7006                                               * to playback or record a
7007                                               * high-definition compressed
7008                                               * video.
7009                                               */
7010         bfqd->wr_busy_queues = 0;
7011
7012         /*
7013          * Begin by assuming, optimistically, that the device peak
7014          * rate is equal to 2/3 of the highest reference rate.
7015          */
7016         bfqd->rate_dur_prod = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] *
7017                 ref_wr_duration[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)];
7018         bfqd->peak_rate = ref_rate[blk_queue_nonrot(bfqd->queue)] * 2 / 3;
7019
7020         spin_lock_init(&bfqd->lock);
7021
7022         /*
7023          * The invocation of the next bfq_create_group_hierarchy
7024          * function is the head of a chain of function calls
7025          * (bfq_create_group_hierarchy->blkcg_activate_policy->
7026          * blk_mq_freeze_queue) that may lead to the invocation of the
7027          * has_work hook function. For this reason,
7028          * bfq_create_group_hierarchy is invoked only after all
7029          * scheduler data has been initialized, apart from the fields
7030          * that can be initialized only after invoking
7031          * bfq_create_group_hierarchy. This, in particular, enables
7032          * has_work to correctly return false. Of course, to avoid
7033          * other inconsistencies, the blk-mq stack must then refrain
7034          * from invoking further scheduler hooks before this init
7035          * function is finished.
7036          */
7037         bfqd->root_group = bfq_create_group_hierarchy(bfqd, q->node);
7038         if (!bfqd->root_group)
7039                 goto out_free;
7040         bfq_init_root_group(bfqd->root_group, bfqd);
7041         bfq_init_entity(&bfqd->oom_bfqq.entity, bfqd->root_group);
7042
7043         wbt_disable_default(q);
7044         return 0;
7045
7046 out_free:
7047         kfree(bfqd);
7048         kobject_put(&eq->kobj);
7049         return -ENOMEM;
7050 }
7051
7052 static void bfq_slab_kill(void)
7053 {
7054         kmem_cache_destroy(bfq_pool);
7055 }
7056
7057 static int __init bfq_slab_setup(void)
7058 {
7059         bfq_pool = KMEM_CACHE(bfq_queue, 0);
7060         if (!bfq_pool)
7061                 return -ENOMEM;
7062         return 0;
7063 }
7064
7065 static ssize_t bfq_var_show(unsigned int var, char *page)
7066 {
7067         return sprintf(page, "%u\n", var);
7068 }
7069
7070 static int bfq_var_store(unsigned long *var, const char *page)
7071 {
7072         unsigned long new_val;
7073         int ret = kstrtoul(page, 10, &new_val);
7074
7075         if (ret)
7076                 return ret;
7077         *var = new_val;
7078         return 0;
7079 }
7080
7081 #define SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR, __CONV)                            \
7082 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7083 {                                                                       \
7084         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7085         u64 __data = __VAR;                                             \
7086         if (__CONV == 1)                                                \
7087                 __data = jiffies_to_msecs(__data);                      \
7088         else if (__CONV == 2)                                           \
7089                 __data = div_u64(__data, NSEC_PER_MSEC);                \
7090         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7091 }
7092 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_show, bfqd->bfq_fifo_expire[1], 2);
7093 SHOW_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_show, bfqd->bfq_fifo_expire[0], 2);
7094 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_max_show, bfqd->bfq_back_max, 0);
7095 SHOW_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_show, bfqd->bfq_back_penalty, 0);
7096 SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_show, bfqd->bfq_slice_idle, 2);
7097 SHOW_FUNCTION(bfq_max_budget_show, bfqd->bfq_user_max_budget, 0);
7098 SHOW_FUNCTION(bfq_timeout_sync_show, bfqd->bfq_timeout, 1);
7099 SHOW_FUNCTION(bfq_strict_guarantees_show, bfqd->strict_guarantees, 0);
7100 SHOW_FUNCTION(bfq_low_latency_show, bfqd->low_latency, 0);
7101 #undef SHOW_FUNCTION
7102
7103 #define USEC_SHOW_FUNCTION(__FUNC, __VAR)                               \
7104 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, char *page)             \
7105 {                                                                       \
7106         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7107         u64 __data = __VAR;                                             \
7108         __data = div_u64(__data, NSEC_PER_USEC);                        \
7109         return bfq_var_show(__data, (page));                            \
7110 }
7111 USEC_SHOW_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_show, bfqd->bfq_slice_idle);
7112 #undef USEC_SHOW_FUNCTION
7113
7114 #define STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX, __CONV)                 \
7115 static ssize_t                                                          \
7116 __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)        \
7117 {                                                                       \
7118         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7119         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7120         int ret;                                                        \
7121                                                                         \
7122         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7123         if (ret)                                                        \
7124                 return ret;                                             \
7125         if (__data < __min)                                             \
7126                 __data = __min;                                         \
7127         else if (__data > __max)                                        \
7128                 __data = __max;                                         \
7129         if (__CONV == 1)                                                \
7130                 *(__PTR) = msecs_to_jiffies(__data);                    \
7131         else if (__CONV == 2)                                           \
7132                 *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_MSEC;                 \
7133         else                                                            \
7134                 *(__PTR) = __data;                                      \
7135         return count;                                                   \
7136 }
7137 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_sync_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[1], 1,
7138                 INT_MAX, 2);
7139 STORE_FUNCTION(bfq_fifo_expire_async_store, &bfqd->bfq_fifo_expire[0], 1,
7140                 INT_MAX, 2);
7141 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_max_store, &bfqd->bfq_back_max, 0, INT_MAX, 0);
7142 STORE_FUNCTION(bfq_back_seek_penalty_store, &bfqd->bfq_back_penalty, 1,
7143                 INT_MAX, 0);
7144 STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0, INT_MAX, 2);
7145 #undef STORE_FUNCTION
7146
7147 #define USEC_STORE_FUNCTION(__FUNC, __PTR, MIN, MAX)                    \
7148 static ssize_t __FUNC(struct elevator_queue *e, const char *page, size_t count)\
7149 {                                                                       \
7150         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;                       \
7151         unsigned long __data, __min = (MIN), __max = (MAX);             \
7152         int ret;                                                        \
7153                                                                         \
7154         ret = bfq_var_store(&__data, (page));                           \
7155         if (ret)                                                        \
7156                 return ret;                                             \
7157         if (__data < __min)                                             \
7158                 __data = __min;                                         \
7159         else if (__data > __max)                                        \
7160                 __data = __max;                                         \
7161         *(__PTR) = (u64)__data * NSEC_PER_USEC;                         \
7162         return count;                                                   \
7163 }
7164 USEC_STORE_FUNCTION(bfq_slice_idle_us_store, &bfqd->bfq_slice_idle, 0,
7165                     UINT_MAX);
7166 #undef USEC_STORE_FUNCTION
7167
7168 static ssize_t bfq_max_budget_store(struct elevator_queue *e,
7169                                     const char *page, size_t count)
7170 {
7171         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7172         unsigned long __data;
7173         int ret;
7174
7175         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7176         if (ret)
7177                 return ret;
7178
7179         if (__data == 0)
7180                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7181         else {
7182                 if (__data > INT_MAX)
7183                         __data = INT_MAX;
7184                 bfqd->bfq_max_budget = __data;
7185         }
7186
7187         bfqd->bfq_user_max_budget = __data;
7188
7189         return count;
7190 }
7191
7192 /*
7193  * Leaving this name to preserve name compatibility with cfq
7194  * parameters, but this timeout is used for both sync and async.
7195  */
7196 static ssize_t bfq_timeout_sync_store(struct elevator_queue *e,
7197                                       const char *page, size_t count)
7198 {
7199         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7200         unsigned long __data;
7201         int ret;
7202
7203         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7204         if (ret)
7205                 return ret;
7206
7207         if (__data < 1)
7208                 __data = 1;
7209         else if (__data > INT_MAX)
7210                 __data = INT_MAX;
7211
7212         bfqd->bfq_timeout = msecs_to_jiffies(__data);
7213         if (bfqd->bfq_user_max_budget == 0)
7214                 bfqd->bfq_max_budget = bfq_calc_max_budget(bfqd);
7215
7216         return count;
7217 }
7218
7219 static ssize_t bfq_strict_guarantees_store(struct elevator_queue *e,
7220                                      const char *page, size_t count)
7221 {
7222         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7223         unsigned long __data;
7224         int ret;
7225
7226         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7227         if (ret)
7228                 return ret;
7229
7230         if (__data > 1)
7231                 __data = 1;
7232         if (!bfqd->strict_guarantees && __data == 1
7233             && bfqd->bfq_slice_idle < 8 * NSEC_PER_MSEC)
7234                 bfqd->bfq_slice_idle = 8 * NSEC_PER_MSEC;
7235
7236         bfqd->strict_guarantees = __data;
7237
7238         return count;
7239 }
7240
7241 static ssize_t bfq_low_latency_store(struct elevator_queue *e,
7242                                      const char *page, size_t count)
7243 {
7244         struct bfq_data *bfqd = e->elevator_data;
7245         unsigned long __data;
7246         int ret;
7247
7248         ret = bfq_var_store(&__data, (page));
7249         if (ret)
7250                 return ret;
7251
7252         if (__data > 1)
7253                 __data = 1;
7254         if (__data == 0 && bfqd->low_latency != 0)
7255                 bfq_end_wr(bfqd);
7256         bfqd->low_latency = __data;
7257
7258         return count;
7259 }
7260
7261 #define BFQ_ATTR(name) \
7262         __ATTR(name, 0644, bfq_##name##_show, bfq_##name##_store)
7263
7264 static struct elv_fs_entry bfq_attrs[] = {
7265         BFQ_ATTR(fifo_expire_sync),
7266         BFQ_ATTR(fifo_expire_async),
7267         BFQ_ATTR(back_seek_max),
7268         BFQ_ATTR(back_seek_penalty),
7269         BFQ_ATTR(slice_idle),
7270         BFQ_ATTR(slice_idle_us),
7271         BFQ_ATTR(max_budget),
7272         BFQ_ATTR(timeout_sync),
7273         BFQ_ATTR(strict_guarantees),
7274         BFQ_ATTR(low_latency),
7275         __ATTR_NULL
7276 };
7277
7278 static struct elevator_type iosched_bfq_mq = {
7279         .ops = {
7280                 .limit_depth            = bfq_limit_depth,
7281                 .prepare_request        = bfq_prepare_request,
7282                 .requeue_request        = bfq_finish_requeue_request,
7283                 .finish_request         = bfq_finish_requeue_request,
7284                 .exit_icq               = bfq_exit_icq,
7285                 .insert_requests        = bfq_insert_requests,
7286                 .dispatch_request       = bfq_dispatch_request,
7287                 .next_request           = elv_rb_latter_request,
7288                 .former_request         = elv_rb_former_request,
7289                 .allow_merge            = bfq_allow_bio_merge,
7290                 .bio_merge              = bfq_bio_merge,
7291                 .request_merge          = bfq_request_merge,
7292                 .requests_merged        = bfq_requests_merged,
7293                 .request_merged         = bfq_request_merged,
7294                 .has_work               = bfq_has_work,
7295                 .depth_updated          = bfq_depth_updated,
7296                 .init_hctx              = bfq_init_hctx,
7297                 .init_sched             = bfq_init_queue,
7298                 .exit_sched             = bfq_exit_queue,
7299         },
7300
7301         .icq_size =             sizeof(struct bfq_io_cq),
7302         .icq_align =            __alignof__(struct bfq_io_cq),
7303         .elevator_attrs =       bfq_attrs,
7304         .elevator_name =        "bfq",
7305         .elevator_owner =       THIS_MODULE,
7306 };
7307 MODULE_ALIAS("bfq-iosched");
7308
7309 static int __init bfq_init(void)
7310 {
7311         int ret;
7312
7313 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7314         ret = blkcg_policy_register(&blkcg_policy_bfq);
7315         if (ret)
7316                 return ret;
7317 #endif
7318
7319         ret = -ENOMEM;
7320         if (bfq_slab_setup())
7321                 goto err_pol_unreg;
7322
7323         /*
7324          * Times to load large popular applications for the typical
7325          * systems installed on the reference devices (see the
7326          * comments before the definition of the next
7327          * array). Actually, we use slightly lower values, as the
7328          * estimated peak rate tends to be smaller than the actual
7329          * peak rate.  The reason for this last fact is that estimates
7330          * are computed over much shorter time intervals than the long
7331          * intervals typically used for benchmarking. Why? First, to
7332          * adapt more quickly to variations. Second, because an I/O
7333          * scheduler cannot rely on a peak-rate-evaluation workload to
7334          * be run for a long time.
7335          */
7336         ref_wr_duration[0] = msecs_to_jiffies(7000); /* actually 8 sec */
7337         ref_wr_duration[1] = msecs_to_jiffies(2500); /* actually 3 sec */
7338
7339         ret = elv_register(&iosched_bfq_mq);
7340         if (ret)
7341                 goto slab_kill;
7342
7343         return 0;
7344
7345 slab_kill:
7346         bfq_slab_kill();
7347 err_pol_unreg:
7348 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7349         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7350 #endif
7351         return ret;
7352 }
7353
7354 static void __exit bfq_exit(void)
7355 {
7356         elv_unregister(&iosched_bfq_mq);
7357 #ifdef CONFIG_BFQ_GROUP_IOSCHED
7358         blkcg_policy_unregister(&blkcg_policy_bfq);
7359 #endif
7360         bfq_slab_kill();
7361 }
7362
7363 module_init(bfq_init);
7364 module_exit(bfq_exit);
7365
7366 MODULE_AUTHOR("Paolo Valente");
7367 MODULE_LICENSE("GPL");
7368 MODULE_DESCRIPTION("MQ Budget Fair Queueing I/O Scheduler");