block/blk-zoned.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * Zoned block device handling
   4  *
   5  * Copyright (c) 2015, Hannes Reinecke
   6  * Copyright (c) 2015, SUSE Linux GmbH
   7  *
   8  * Copyright (c) 2016, Damien Le Moal
   9  * Copyright (c) 2016, Western Digital
  10  */
  11
  12 #include <linux/kernel.h>
  13 #include <linux/module.h>
  14 #include <linux/rbtree.h>
  15 #include <linux/blkdev.h>
  16 #include <linux/blk-mq.h>
  17 #include <linux/mm.h>
  18 #include <linux/vmalloc.h>
  19 #include <linux/sched/mm.h>
  20
  21 #include "blk.h"
  22
  23 #define ZONE_COND_NAME(name) [BLK_ZONE_COND_##name] = #name
  24 static const char *const zone_cond_name[] = {
  25         ZONE_COND_NAME(NOT_WP),
  26         ZONE_COND_NAME(EMPTY),
  27         ZONE_COND_NAME(IMP_OPEN),
  28         ZONE_COND_NAME(EXP_OPEN),
  29         ZONE_COND_NAME(CLOSED),
  30         ZONE_COND_NAME(READONLY),
  31         ZONE_COND_NAME(FULL),
  32         ZONE_COND_NAME(OFFLINE),
  33 };
  34 #undef ZONE_COND_NAME
  35
  36 /**
  37  * blk_zone_cond_str - Return string XXX in BLK_ZONE_COND_XXX.
  38  * @zone_cond: BLK_ZONE_COND_XXX.
  39  *
  40  * Description: Centralize block layer function to convert BLK_ZONE_COND_XXX
  41  * into string format. Useful in the debugging and tracing zone conditions. For
  42  * invalid BLK_ZONE_COND_XXX it returns string "UNKNOWN".
  43  */
  44 const char *blk_zone_cond_str(enum blk_zone_cond zone_cond)
  45 {
  46         static const char *zone_cond_str = "UNKNOWN";
  47
  48         if (zone_cond < ARRAY_SIZE(zone_cond_name) && zone_cond_name[zone_cond])
  49                 zone_cond_str = zone_cond_name[zone_cond];
  50
  51         return zone_cond_str;
  52 }
  53 EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_zone_cond_str);
  54
  55 static inline sector_t blk_zone_start(struct request_queue *q,
  56                                       sector_t sector)
  57 {
  58         sector_t zone_mask = blk_queue_zone_sectors(q) - 1;
  59
  60         return sector & ~zone_mask;
  61 }
  62
  63 /*
  64  * Return true if a request is a write requests that needs zone write locking.
  65  */
  66 bool blk_req_needs_zone_write_lock(struct request *rq)
  67 {
  68         if (!rq->q->seq_zones_wlock)
  69                 return false;
  70
  71         if (blk_rq_is_passthrough(rq))
  72                 return false;
  73
  74         switch (req_op(rq)) {
  75         case REQ_OP_WRITE_ZEROES:
  76         case REQ_OP_WRITE_SAME:
  77         case REQ_OP_WRITE:
  78                 return blk_rq_zone_is_seq(rq);
  79         default:
  80                 return false;
  81         }
  82 }
  83 EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_req_needs_zone_write_lock);
  84
  85 bool blk_req_zone_write_trylock(struct request *rq)
  86 {
  87         unsigned int zno = blk_rq_zone_no(rq);
  88
  89         if (test_and_set_bit(zno, rq->q->seq_zones_wlock))
  90                 return false;
  91
  92         WARN_ON_ONCE(rq->rq_flags & RQF_ZONE_WRITE_LOCKED);
  93         rq->rq_flags |= RQF_ZONE_WRITE_LOCKED;
  94
  95         return true;
  96 }
  97 EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_req_zone_write_trylock);
  98
  99 void __blk_req_zone_write_lock(struct request *rq)
 100 {
 101         if (WARN_ON_ONCE(test_and_set_bit(blk_rq_zone_no(rq),
 102                                           rq->q->seq_zones_wlock)))
 103                 return;
 104
 105         WARN_ON_ONCE(rq->rq_flags & RQF_ZONE_WRITE_LOCKED);
 106         rq->rq_flags |= RQF_ZONE_WRITE_LOCKED;
 107 }
 108 EXPORT_SYMBOL_GPL(__blk_req_zone_write_lock);
 109
 110 void __blk_req_zone_write_unlock(struct request *rq)
 111 {
 112         rq->rq_flags &= ~RQF_ZONE_WRITE_LOCKED;
 113         if (rq->q->seq_zones_wlock)
 114                 WARN_ON_ONCE(!test_and_clear_bit(blk_rq_zone_no(rq),
 115                                                  rq->q->seq_zones_wlock));
 116 }
 117 EXPORT_SYMBOL_GPL(__blk_req_zone_write_unlock);
 118
 119 /**
 120  * blkdev_nr_zones - Get number of zones
 121  * @disk:       Target gendisk
 122  *
 123  * Return the total number of zones of a zoned block device.  For a block
 124  * device without zone capabilities, the number of zones is always 0.
 125  */
 126 unsigned int blkdev_nr_zones(struct gendisk *disk)
 127 {
 128         sector_t zone_sectors = blk_queue_zone_sectors(disk->queue);
 129
 130         if (!blk_queue_is_zoned(disk->queue))
 131                 return 0;
 132         return (get_capacity(disk) + zone_sectors - 1) >> ilog2(zone_sectors);
 133 }
 134 EXPORT_SYMBOL_GPL(blkdev_nr_zones);
 135
 136 /**
 137  * blkdev_report_zones - Get zones information
 138  * @bdev:       Target block device
 139  * @sector:     Sector from which to report zones
 140  * @nr_zones:   Maximum number of zones to report
 141  * @cb:         Callback function called for each reported zone
 142  * @data:       Private data for the callback
 143  *
 144  * Description:
 145  *    Get zone information starting from the zone containing @sector for at most
 146  *    @nr_zones, and call @cb for each zone reported by the device.
 147  *    To report all zones in a device starting from @sector, the BLK_ALL_ZONES
 148  *    constant can be passed to @nr_zones.
 149  *    Returns the number of zones reported by the device, or a negative errno
 150  *    value in case of failure.
 151  *
 152  *    Note: The caller must use memalloc_noXX_save/restore() calls to control
 153  *    memory allocations done within this function.
 154  */
 155 int blkdev_report_zones(struct block_device *bdev, sector_t sector,
 156                         unsigned int nr_zones, report_zones_cb cb, void *data)
 157 {
 158         struct gendisk *disk = bdev->bd_disk;
 159         sector_t capacity = get_capacity(disk);
 160
 161         if (!blk_queue_is_zoned(bdev_get_queue(bdev)) ||
 162             WARN_ON_ONCE(!disk->fops->report_zones))
 163                 return -EOPNOTSUPP;
 164
 165         if (!nr_zones || sector >= capacity)
 166                 return 0;
 167
 168         return disk->fops->report_zones(disk, sector, nr_zones, cb, data);
 169 }
 170 EXPORT_SYMBOL_GPL(blkdev_report_zones);
 171
 172 static inline bool blkdev_allow_reset_all_zones(struct block_device *bdev,
 173                                                 sector_t sector,
 174                                                 sector_t nr_sectors)
 175 {
 176         if (!blk_queue_zone_resetall(bdev_get_queue(bdev)))
 177                 return false;
 178
 179         /*
 180          * REQ_OP_ZONE_RESET_ALL can be executed only if the number of sectors
 181          * of the applicable zone range is the entire disk.
 182          */
 183         return !sector && nr_sectors == get_capacity(bdev->bd_disk);
 184 }
 185
 186 /**
 187  * blkdev_zone_mgmt - Execute a zone management operation on a range of zones
 188  * @bdev:       Target block device
 189  * @op:         Operation to be performed on the zones
 190  * @sector:     Start sector of the first zone to operate on
 191  * @nr_sectors: Number of sectors, should be at least the length of one zone and
 192  *              must be zone size aligned.
 193  * @gfp_mask:   Memory allocation flags (for bio_alloc)
 194  *
 195  * Description:
 196  *    Perform the specified operation on the range of zones specified by
 197  *    @sector..@sector+@nr_sectors. Specifying the entire disk sector range
 198  *    is valid, but the specified range should not contain conventional zones.
 199  *    The operation to execute on each zone can be a zone reset, open, close
 200  *    or finish request.
 201  */
 202 int blkdev_zone_mgmt(struct block_device *bdev, enum req_opf op,
 203                      sector_t sector, sector_t nr_sectors,
 204                      gfp_t gfp_mask)
 205 {
 206         struct request_queue *q = bdev_get_queue(bdev);
 207         sector_t zone_sectors = blk_queue_zone_sectors(q);
 208         sector_t capacity = get_capacity(bdev->bd_disk);
 209         sector_t end_sector = sector + nr_sectors;
 210         struct bio *bio = NULL;
 211         int ret;
 212
 213         if (!blk_queue_is_zoned(q))
 214                 return -EOPNOTSUPP;
 215
 216         if (bdev_read_only(bdev))
 217                 return -EPERM;
 218
 219         if (!op_is_zone_mgmt(op))
 220                 return -EOPNOTSUPP;
 221
 222         if (end_sector <= sector || end_sector > capacity)
 223                 /* Out of range */
 224                 return -EINVAL;
 225
 226         /* Check alignment (handle eventual smaller last zone) */
 227         if (sector & (zone_sectors - 1))
 228                 return -EINVAL;
 229
 230         if ((nr_sectors & (zone_sectors - 1)) && end_sector != capacity)
 231                 return -EINVAL;
 232
 233         while (sector < end_sector) {
 234                 bio = blk_next_bio(bio, 0, gfp_mask);
 235                 bio_set_dev(bio, bdev);
 236
 237                 /*
 238                  * Special case for the zone reset operation that reset all
 239                  * zones, this is useful for applications like mkfs.
 240                  */
 241                 if (op == REQ_OP_ZONE_RESET &&
 242                     blkdev_allow_reset_all_zones(bdev, sector, nr_sectors)) {
 243                         bio->bi_opf = REQ_OP_ZONE_RESET_ALL | REQ_SYNC;
 244                         break;
 245                 }
 246
 247                 bio->bi_opf = op | REQ_SYNC;
 248                 bio->bi_iter.bi_sector = sector;
 249                 sector += zone_sectors;
 250
 251                 /* This may take a while, so be nice to others */
 252                 cond_resched();
 253         }
 254
 255         ret = submit_bio_wait(bio);
 256         bio_put(bio);
 257
 258         return ret;
 259 }
 260 EXPORT_SYMBOL_GPL(blkdev_zone_mgmt);
 261
 262 struct zone_report_args {
 263         struct blk_zone __user *zones;
 264 };
 265
 266 static int blkdev_copy_zone_to_user(struct blk_zone *zone, unsigned int idx,
 267                                     void *data)
 268 {
 269         struct zone_report_args *args = data;
 270
 271         if (copy_to_user(&args->zones[idx], zone, sizeof(struct blk_zone)))
 272                 return -EFAULT;
 273         return 0;
 274 }
 275
 276 /*
 277  * BLKREPORTZONE ioctl processing.
 278  * Called from blkdev_ioctl.
 279  */
 280 int blkdev_report_zones_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,
 281                               unsigned int cmd, unsigned long arg)
 282 {
 283         void __user *argp = (void __user *)arg;
 284         struct zone_report_args args;
 285         struct request_queue *q;
 286         struct blk_zone_report rep;
 287         int ret;
 288
 289         if (!argp)
 290                 return -EINVAL;
 291
 292         q = bdev_get_queue(bdev);
 293         if (!q)
 294                 return -ENXIO;
 295
 296         if (!blk_queue_is_zoned(q))
 297                 return -ENOTTY;
 298
 299         if (copy_from_user(&rep, argp, sizeof(struct blk_zone_report)))
 300                 return -EFAULT;
 301
 302         if (!rep.nr_zones)
 303                 return -EINVAL;
 304
 305         args.zones = argp + sizeof(struct blk_zone_report);
 306         ret = blkdev_report_zones(bdev, rep.sector, rep.nr_zones,
 307                                   blkdev_copy_zone_to_user, &args);
 308         if (ret < 0)
 309                 return ret;
 310
 311         rep.nr_zones = ret;
 312         rep.flags = BLK_ZONE_REP_CAPACITY;
 313         if (copy_to_user(argp, &rep, sizeof(struct blk_zone_report)))
 314                 return -EFAULT;
 315         return 0;
 316 }
 317
 318 static int blkdev_truncate_zone_range(struct block_device *bdev, fmode_t mode,
 319                                       const struct blk_zone_range *zrange)
 320 {
 321         loff_t start, end;
 322
 323         if (zrange->sector + zrange->nr_sectors <= zrange->sector ||
 324             zrange->sector + zrange->nr_sectors > get_capacity(bdev->bd_disk))
 325                 /* Out of range */
 326                 return -EINVAL;
 327
 328         start = zrange->sector << SECTOR_SHIFT;
 329         end = ((zrange->sector + zrange->nr_sectors) << SECTOR_SHIFT) - 1;
 330
 331         return truncate_bdev_range(bdev, mode, start, end);
 332 }
 333
 334 /*
 335  * BLKRESETZONE, BLKOPENZONE, BLKCLOSEZONE and BLKFINISHZONE ioctl processing.
 336  * Called from blkdev_ioctl.
 337  */
 338 int blkdev_zone_mgmt_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,
 339                            unsigned int cmd, unsigned long arg)
 340 {
 341         void __user *argp = (void __user *)arg;
 342         struct request_queue *q;
 343         struct blk_zone_range zrange;
 344         enum req_opf op;
 345         int ret;
 346
 347         if (!argp)
 348                 return -EINVAL;
 349
 350         q = bdev_get_queue(bdev);
 351         if (!q)
 352                 return -ENXIO;
 353
 354         if (!blk_queue_is_zoned(q))
 355                 return -ENOTTY;
 356
 357         if (!(mode & FMODE_WRITE))
 358                 return -EBADF;
 359
 360         if (copy_from_user(&zrange, argp, sizeof(struct blk_zone_range)))
 361                 return -EFAULT;
 362
 363         switch (cmd) {
 364         case BLKRESETZONE:
 365                 op = REQ_OP_ZONE_RESET;
 366
 367                 /* Invalidate the page cache, including dirty pages. */
 368                 ret = blkdev_truncate_zone_range(bdev, mode, &zrange);
 369                 if (ret)
 370                         return ret;
 371                 break;
 372         case BLKOPENZONE:
 373                 op = REQ_OP_ZONE_OPEN;
 374                 break;
 375         case BLKCLOSEZONE:
 376                 op = REQ_OP_ZONE_CLOSE;
 377                 break;
 378         case BLKFINISHZONE:
 379                 op = REQ_OP_ZONE_FINISH;
 380                 break;
 381         default:
 382                 return -ENOTTY;
 383         }
 384
 385         ret = blkdev_zone_mgmt(bdev, op, zrange.sector, zrange.nr_sectors,
 386                                GFP_KERNEL);
 387
 388         /*
 389          * Invalidate the page cache again for zone reset: writes can only be
 390          * direct for zoned devices so concurrent writes would not add any page
 391          * to the page cache after/during reset. The page cache may be filled
 392          * again due to concurrent reads though and dropping the pages for
 393          * these is fine.
 394          */
 395         if (!ret && cmd == BLKRESETZONE)
 396                 ret = blkdev_truncate_zone_range(bdev, mode, &zrange);
 397
 398         return ret;
 399 }
 400
 401 static inline unsigned long *blk_alloc_zone_bitmap(int node,
 402                                                    unsigned int nr_zones)
 403 {
 404         return kcalloc_node(BITS_TO_LONGS(nr_zones), sizeof(unsigned long),
 405                             GFP_NOIO, node);
 406 }
 407
 408 void blk_queue_free_zone_bitmaps(struct request_queue *q)
 409 {
 410         kfree(q->conv_zones_bitmap);
 411         q->conv_zones_bitmap = NULL;
 412         kfree(q->seq_zones_wlock);
 413         q->seq_zones_wlock = NULL;
 414 }
 415
 416 struct blk_revalidate_zone_args {
 417         struct gendisk  *disk;
 418         unsigned long   *conv_zones_bitmap;
 419         unsigned long   *seq_zones_wlock;
 420         unsigned int    nr_zones;
 421         sector_t        zone_sectors;
 422         sector_t        sector;
 423 };
 424
 425 /*
 426  * Helper function to check the validity of zones of a zoned block device.
 427  */
 428 static int blk_revalidate_zone_cb(struct blk_zone *zone, unsigned int idx,
 429                                   void *data)
 430 {
 431         struct blk_revalidate_zone_args *args = data;
 432         struct gendisk *disk = args->disk;
 433         struct request_queue *q = disk->queue;
 434         sector_t capacity = get_capacity(disk);
 435
 436         /*
 437          * All zones must have the same size, with the exception on an eventual
 438          * smaller last zone.
 439          */
 440         if (zone->start == 0) {
 441                 if (zone->len == 0 || !is_power_of_2(zone->len)) {
 442                         pr_warn("%s: Invalid zoned device with non power of two zone size (%llu)\n",
 443                                 disk->disk_name, zone->len);
 444                         return -ENODEV;
 445                 }
 446
 447                 args->zone_sectors = zone->len;
 448                 args->nr_zones = (capacity + zone->len - 1) >> ilog2(zone->len);
 449         } else if (zone->start + args->zone_sectors < capacity) {
 450                 if (zone->len != args->zone_sectors) {
 451                         pr_warn("%s: Invalid zoned device with non constant zone size\n",
 452                                 disk->disk_name);
 453                         return -ENODEV;
 454                 }
 455         } else {
 456                 if (zone->len > args->zone_sectors) {
 457                         pr_warn("%s: Invalid zoned device with larger last zone size\n",
 458                                 disk->disk_name);
 459                         return -ENODEV;
 460                 }
 461         }
 462
 463         /* Check for holes in the zone report */
 464         if (zone->start != args->sector) {
 465                 pr_warn("%s: Zone gap at sectors %llu..%llu\n",
 466                         disk->disk_name, args->sector, zone->start);
 467                 return -ENODEV;
 468         }
 469
 470         /* Check zone type */
 471         switch (zone->type) {
 472         case BLK_ZONE_TYPE_CONVENTIONAL:
 473                 if (!args->conv_zones_bitmap) {
 474                         args->conv_zones_bitmap =
 475                                 blk_alloc_zone_bitmap(q->node, args->nr_zones);
 476                         if (!args->conv_zones_bitmap)
 477                                 return -ENOMEM;
 478                 }
 479                 set_bit(idx, args->conv_zones_bitmap);
 480                 break;
 481         case BLK_ZONE_TYPE_SEQWRITE_REQ:
 482         case BLK_ZONE_TYPE_SEQWRITE_PREF:
 483                 if (!args->seq_zones_wlock) {
 484                         args->seq_zones_wlock =
 485                                 blk_alloc_zone_bitmap(q->node, args->nr_zones);
 486                         if (!args->seq_zones_wlock)
 487                                 return -ENOMEM;
 488                 }
 489                 break;
 490         default:
 491                 pr_warn("%s: Invalid zone type 0x%x at sectors %llu\n",
 492                         disk->disk_name, (int)zone->type, zone->start);
 493                 return -ENODEV;
 494         }
 495
 496         args->sector += zone->len;
 497         return 0;
 498 }
 499
 500 /**
 501  * blk_revalidate_disk_zones - (re)allocate and initialize zone bitmaps
 502  * @disk:       Target disk
 503  * @update_driver_data: Callback to update driver data on the frozen disk
 504  *
 505  * Helper function for low-level device drivers to (re) allocate and initialize
 506  * a disk request queue zone bitmaps. This functions should normally be called
 507  * within the disk ->revalidate method for blk-mq based drivers.  For BIO based
 508  * drivers only q->nr_zones needs to be updated so that the sysfs exposed value
 509  * is correct.
 510  * If the @update_driver_data callback function is not NULL, the callback is
 511  * executed with the device request queue frozen after all zones have been
 512  * checked.
 513  */
 514 int blk_revalidate_disk_zones(struct gendisk *disk,
 515                               void (*update_driver_data)(struct gendisk *disk))
 516 {
 517         struct request_queue *q = disk->queue;
 518         struct blk_revalidate_zone_args args = {
 519                 .disk           = disk,
 520         };
 521         unsigned int noio_flag;
 522         int ret;
 523
 524         if (WARN_ON_ONCE(!blk_queue_is_zoned(q)))
 525                 return -EIO;
 526         if (WARN_ON_ONCE(!queue_is_mq(q)))
 527                 return -EIO;
 528
 529         if (!get_capacity(disk))
 530                 return -EIO;
 531
 532         /*
 533          * Ensure that all memory allocations in this context are done as if
 534          * GFP_NOIO was specified.
 535          */
 536         noio_flag = memalloc_noio_save();
 537         ret = disk->fops->report_zones(disk, 0, UINT_MAX,
 538                                        blk_revalidate_zone_cb, &args);
 539         memalloc_noio_restore(noio_flag);
 540
 541         /*
 542          * Install the new bitmaps and update nr_zones only once the queue is
 543          * stopped and all I/Os are completed (i.e. a scheduler is not
 544          * referencing the bitmaps).
 545          */
 546         blk_mq_freeze_queue(q);
 547         if (ret >= 0) {
 548                 blk_queue_chunk_sectors(q, args.zone_sectors);
 549                 q->nr_zones = args.nr_zones;
 550                 swap(q->seq_zones_wlock, args.seq_zones_wlock);
 551                 swap(q->conv_zones_bitmap, args.conv_zones_bitmap);
 552                 if (update_driver_data)
 553                         update_driver_data(disk);
 554                 ret = 0;
 555         } else {
 556                 pr_warn("%s: failed to revalidate zones\n", disk->disk_name);
 557                 blk_queue_free_zone_bitmaps(q);
 558         }
 559         blk_mq_unfreeze_queue(q);
 560
 561         kfree(args.seq_zones_wlock);
 562         kfree(args.conv_zones_bitmap);
 563         return ret;
 564 }
 565 EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_revalidate_disk_zones);