Merge tag 'mips-fixes_6.4_1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/mips...
[linux.git] / fs / direct-io.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * fs/direct-io.c
4  *
5  * Copyright (C) 2002, Linus Torvalds.
6  *
7  * O_DIRECT
8  *
9  * 04Jul2002    Andrew Morton
10  *              Initial version
11  * 11Sep2002    janetinc@us.ibm.com
12  *              added readv/writev support.
13  * 29Oct2002    Andrew Morton
14  *              rewrote bio_add_page() support.
15  * 30Oct2002    pbadari@us.ibm.com
16  *              added support for non-aligned IO.
17  * 06Nov2002    pbadari@us.ibm.com
18  *              added asynchronous IO support.
19  * 21Jul2003    nathans@sgi.com
20  *              added IO completion notifier.
21  */
22
23 #include <linux/kernel.h>
24 #include <linux/module.h>
25 #include <linux/types.h>
26 #include <linux/fs.h>
27 #include <linux/mm.h>
28 #include <linux/slab.h>
29 #include <linux/highmem.h>
30 #include <linux/pagemap.h>
31 #include <linux/task_io_accounting_ops.h>
32 #include <linux/bio.h>
33 #include <linux/wait.h>
34 #include <linux/err.h>
35 #include <linux/blkdev.h>
36 #include <linux/buffer_head.h>
37 #include <linux/rwsem.h>
38 #include <linux/uio.h>
39 #include <linux/atomic.h>
40 #include <linux/prefetch.h>
41
42 #include "internal.h"
43
44 /*
45  * How many user pages to map in one call to get_user_pages().  This determines
46  * the size of a structure in the slab cache
47  */
48 #define DIO_PAGES       64
49
50 /*
51  * Flags for dio_complete()
52  */
53 #define DIO_COMPLETE_ASYNC              0x01    /* This is async IO */
54 #define DIO_COMPLETE_INVALIDATE         0x02    /* Can invalidate pages */
55
56 /*
57  * This code generally works in units of "dio_blocks".  A dio_block is
58  * somewhere between the hard sector size and the filesystem block size.  it
59  * is determined on a per-invocation basis.   When talking to the filesystem
60  * we need to convert dio_blocks to fs_blocks by scaling the dio_block quantity
61  * down by dio->blkfactor.  Similarly, fs-blocksize quantities are converted
62  * to bio_block quantities by shifting left by blkfactor.
63  *
64  * If blkfactor is zero then the user's request was aligned to the filesystem's
65  * blocksize.
66  */
67
68 /* dio_state only used in the submission path */
69
70 struct dio_submit {
71         struct bio *bio;                /* bio under assembly */
72         unsigned blkbits;               /* doesn't change */
73         unsigned blkfactor;             /* When we're using an alignment which
74                                            is finer than the filesystem's soft
75                                            blocksize, this specifies how much
76                                            finer.  blkfactor=2 means 1/4-block
77                                            alignment.  Does not change */
78         unsigned start_zero_done;       /* flag: sub-blocksize zeroing has
79                                            been performed at the start of a
80                                            write */
81         int pages_in_io;                /* approximate total IO pages */
82         sector_t block_in_file;         /* Current offset into the underlying
83                                            file in dio_block units. */
84         unsigned blocks_available;      /* At block_in_file.  changes */
85         int reap_counter;               /* rate limit reaping */
86         sector_t final_block_in_request;/* doesn't change */
87         int boundary;                   /* prev block is at a boundary */
88         get_block_t *get_block;         /* block mapping function */
89
90         loff_t logical_offset_in_bio;   /* current first logical block in bio */
91         sector_t final_block_in_bio;    /* current final block in bio + 1 */
92         sector_t next_block_for_io;     /* next block to be put under IO,
93                                            in dio_blocks units */
94
95         /*
96          * Deferred addition of a page to the dio.  These variables are
97          * private to dio_send_cur_page(), submit_page_section() and
98          * dio_bio_add_page().
99          */
100         struct page *cur_page;          /* The page */
101         unsigned cur_page_offset;       /* Offset into it, in bytes */
102         unsigned cur_page_len;          /* Nr of bytes at cur_page_offset */
103         sector_t cur_page_block;        /* Where it starts */
104         loff_t cur_page_fs_offset;      /* Offset in file */
105
106         struct iov_iter *iter;
107         /*
108          * Page queue.  These variables belong to dio_refill_pages() and
109          * dio_get_page().
110          */
111         unsigned head;                  /* next page to process */
112         unsigned tail;                  /* last valid page + 1 */
113         size_t from, to;
114 };
115
116 /* dio_state communicated between submission path and end_io */
117 struct dio {
118         int flags;                      /* doesn't change */
119         blk_opf_t opf;                  /* request operation type and flags */
120         struct gendisk *bio_disk;
121         struct inode *inode;
122         loff_t i_size;                  /* i_size when submitted */
123         dio_iodone_t *end_io;           /* IO completion function */
124
125         void *private;                  /* copy from map_bh.b_private */
126
127         /* BIO completion state */
128         spinlock_t bio_lock;            /* protects BIO fields below */
129         int page_errors;                /* errno from get_user_pages() */
130         int is_async;                   /* is IO async ? */
131         bool defer_completion;          /* defer AIO completion to workqueue? */
132         bool should_dirty;              /* if pages should be dirtied */
133         int io_error;                   /* IO error in completion path */
134         unsigned long refcount;         /* direct_io_worker() and bios */
135         struct bio *bio_list;           /* singly linked via bi_private */
136         struct task_struct *waiter;     /* waiting task (NULL if none) */
137
138         /* AIO related stuff */
139         struct kiocb *iocb;             /* kiocb */
140         ssize_t result;                 /* IO result */
141
142         /*
143          * pages[] (and any fields placed after it) are not zeroed out at
144          * allocation time.  Don't add new fields after pages[] unless you
145          * wish that they not be zeroed.
146          */
147         union {
148                 struct page *pages[DIO_PAGES];  /* page buffer */
149                 struct work_struct complete_work;/* deferred AIO completion */
150         };
151 } ____cacheline_aligned_in_smp;
152
153 static struct kmem_cache *dio_cache __read_mostly;
154
155 /*
156  * How many pages are in the queue?
157  */
158 static inline unsigned dio_pages_present(struct dio_submit *sdio)
159 {
160         return sdio->tail - sdio->head;
161 }
162
163 /*
164  * Go grab and pin some userspace pages.   Typically we'll get 64 at a time.
165  */
166 static inline int dio_refill_pages(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio)
167 {
168         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
169         ssize_t ret;
170
171         ret = iov_iter_get_pages2(sdio->iter, dio->pages, LONG_MAX, DIO_PAGES,
172                                 &sdio->from);
173
174         if (ret < 0 && sdio->blocks_available && dio_op == REQ_OP_WRITE) {
175                 struct page *page = ZERO_PAGE(0);
176                 /*
177                  * A memory fault, but the filesystem has some outstanding
178                  * mapped blocks.  We need to use those blocks up to avoid
179                  * leaking stale data in the file.
180                  */
181                 if (dio->page_errors == 0)
182                         dio->page_errors = ret;
183                 get_page(page);
184                 dio->pages[0] = page;
185                 sdio->head = 0;
186                 sdio->tail = 1;
187                 sdio->from = 0;
188                 sdio->to = PAGE_SIZE;
189                 return 0;
190         }
191
192         if (ret >= 0) {
193                 ret += sdio->from;
194                 sdio->head = 0;
195                 sdio->tail = (ret + PAGE_SIZE - 1) / PAGE_SIZE;
196                 sdio->to = ((ret - 1) & (PAGE_SIZE - 1)) + 1;
197                 return 0;
198         }
199         return ret;     
200 }
201
202 /*
203  * Get another userspace page.  Returns an ERR_PTR on error.  Pages are
204  * buffered inside the dio so that we can call get_user_pages() against a
205  * decent number of pages, less frequently.  To provide nicer use of the
206  * L1 cache.
207  */
208 static inline struct page *dio_get_page(struct dio *dio,
209                                         struct dio_submit *sdio)
210 {
211         if (dio_pages_present(sdio) == 0) {
212                 int ret;
213
214                 ret = dio_refill_pages(dio, sdio);
215                 if (ret)
216                         return ERR_PTR(ret);
217                 BUG_ON(dio_pages_present(sdio) == 0);
218         }
219         return dio->pages[sdio->head];
220 }
221
222 /*
223  * dio_complete() - called when all DIO BIO I/O has been completed
224  *
225  * This drops i_dio_count, lets interested parties know that a DIO operation
226  * has completed, and calculates the resulting return code for the operation.
227  *
228  * It lets the filesystem know if it registered an interest earlier via
229  * get_block.  Pass the private field of the map buffer_head so that
230  * filesystems can use it to hold additional state between get_block calls and
231  * dio_complete.
232  */
233 static ssize_t dio_complete(struct dio *dio, ssize_t ret, unsigned int flags)
234 {
235         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
236         loff_t offset = dio->iocb->ki_pos;
237         ssize_t transferred = 0;
238         int err;
239
240         /*
241          * AIO submission can race with bio completion to get here while
242          * expecting to have the last io completed by bio completion.
243          * In that case -EIOCBQUEUED is in fact not an error we want
244          * to preserve through this call.
245          */
246         if (ret == -EIOCBQUEUED)
247                 ret = 0;
248
249         if (dio->result) {
250                 transferred = dio->result;
251
252                 /* Check for short read case */
253                 if (dio_op == REQ_OP_READ &&
254                     ((offset + transferred) > dio->i_size))
255                         transferred = dio->i_size - offset;
256                 /* ignore EFAULT if some IO has been done */
257                 if (unlikely(ret == -EFAULT) && transferred)
258                         ret = 0;
259         }
260
261         if (ret == 0)
262                 ret = dio->page_errors;
263         if (ret == 0)
264                 ret = dio->io_error;
265         if (ret == 0)
266                 ret = transferred;
267
268         if (dio->end_io) {
269                 // XXX: ki_pos??
270                 err = dio->end_io(dio->iocb, offset, ret, dio->private);
271                 if (err)
272                         ret = err;
273         }
274
275         /*
276          * Try again to invalidate clean pages which might have been cached by
277          * non-direct readahead, or faulted in by get_user_pages() if the source
278          * of the write was an mmap'ed region of the file we're writing.  Either
279          * one is a pretty crazy thing to do, so we don't support it 100%.  If
280          * this invalidation fails, tough, the write still worked...
281          *
282          * And this page cache invalidation has to be after dio->end_io(), as
283          * some filesystems convert unwritten extents to real allocations in
284          * end_io() when necessary, otherwise a racing buffer read would cache
285          * zeros from unwritten extents.
286          */
287         if (flags & DIO_COMPLETE_INVALIDATE &&
288             ret > 0 && dio_op == REQ_OP_WRITE &&
289             dio->inode->i_mapping->nrpages) {
290                 err = invalidate_inode_pages2_range(dio->inode->i_mapping,
291                                         offset >> PAGE_SHIFT,
292                                         (offset + ret - 1) >> PAGE_SHIFT);
293                 if (err)
294                         dio_warn_stale_pagecache(dio->iocb->ki_filp);
295         }
296
297         inode_dio_end(dio->inode);
298
299         if (flags & DIO_COMPLETE_ASYNC) {
300                 /*
301                  * generic_write_sync expects ki_pos to have been updated
302                  * already, but the submission path only does this for
303                  * synchronous I/O.
304                  */
305                 dio->iocb->ki_pos += transferred;
306
307                 if (ret > 0 && dio_op == REQ_OP_WRITE)
308                         ret = generic_write_sync(dio->iocb, ret);
309                 dio->iocb->ki_complete(dio->iocb, ret);
310         }
311
312         kmem_cache_free(dio_cache, dio);
313         return ret;
314 }
315
316 static void dio_aio_complete_work(struct work_struct *work)
317 {
318         struct dio *dio = container_of(work, struct dio, complete_work);
319
320         dio_complete(dio, 0, DIO_COMPLETE_ASYNC | DIO_COMPLETE_INVALIDATE);
321 }
322
323 static blk_status_t dio_bio_complete(struct dio *dio, struct bio *bio);
324
325 /*
326  * Asynchronous IO callback. 
327  */
328 static void dio_bio_end_aio(struct bio *bio)
329 {
330         struct dio *dio = bio->bi_private;
331         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
332         unsigned long remaining;
333         unsigned long flags;
334         bool defer_completion = false;
335
336         /* cleanup the bio */
337         dio_bio_complete(dio, bio);
338
339         spin_lock_irqsave(&dio->bio_lock, flags);
340         remaining = --dio->refcount;
341         if (remaining == 1 && dio->waiter)
342                 wake_up_process(dio->waiter);
343         spin_unlock_irqrestore(&dio->bio_lock, flags);
344
345         if (remaining == 0) {
346                 /*
347                  * Defer completion when defer_completion is set or
348                  * when the inode has pages mapped and this is AIO write.
349                  * We need to invalidate those pages because there is a
350                  * chance they contain stale data in the case buffered IO
351                  * went in between AIO submission and completion into the
352                  * same region.
353                  */
354                 if (dio->result)
355                         defer_completion = dio->defer_completion ||
356                                            (dio_op == REQ_OP_WRITE &&
357                                             dio->inode->i_mapping->nrpages);
358                 if (defer_completion) {
359                         INIT_WORK(&dio->complete_work, dio_aio_complete_work);
360                         queue_work(dio->inode->i_sb->s_dio_done_wq,
361                                    &dio->complete_work);
362                 } else {
363                         dio_complete(dio, 0, DIO_COMPLETE_ASYNC);
364                 }
365         }
366 }
367
368 /*
369  * The BIO completion handler simply queues the BIO up for the process-context
370  * handler.
371  *
372  * During I/O bi_private points at the dio.  After I/O, bi_private is used to
373  * implement a singly-linked list of completed BIOs, at dio->bio_list.
374  */
375 static void dio_bio_end_io(struct bio *bio)
376 {
377         struct dio *dio = bio->bi_private;
378         unsigned long flags;
379
380         spin_lock_irqsave(&dio->bio_lock, flags);
381         bio->bi_private = dio->bio_list;
382         dio->bio_list = bio;
383         if (--dio->refcount == 1 && dio->waiter)
384                 wake_up_process(dio->waiter);
385         spin_unlock_irqrestore(&dio->bio_lock, flags);
386 }
387
388 static inline void
389 dio_bio_alloc(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio,
390               struct block_device *bdev,
391               sector_t first_sector, int nr_vecs)
392 {
393         struct bio *bio;
394
395         /*
396          * bio_alloc() is guaranteed to return a bio when allowed to sleep and
397          * we request a valid number of vectors.
398          */
399         bio = bio_alloc(bdev, nr_vecs, dio->opf, GFP_KERNEL);
400         bio->bi_iter.bi_sector = first_sector;
401         if (dio->is_async)
402                 bio->bi_end_io = dio_bio_end_aio;
403         else
404                 bio->bi_end_io = dio_bio_end_io;
405         sdio->bio = bio;
406         sdio->logical_offset_in_bio = sdio->cur_page_fs_offset;
407 }
408
409 /*
410  * In the AIO read case we speculatively dirty the pages before starting IO.
411  * During IO completion, any of these pages which happen to have been written
412  * back will be redirtied by bio_check_pages_dirty().
413  *
414  * bios hold a dio reference between submit_bio and ->end_io.
415  */
416 static inline void dio_bio_submit(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio)
417 {
418         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
419         struct bio *bio = sdio->bio;
420         unsigned long flags;
421
422         bio->bi_private = dio;
423
424         spin_lock_irqsave(&dio->bio_lock, flags);
425         dio->refcount++;
426         spin_unlock_irqrestore(&dio->bio_lock, flags);
427
428         if (dio->is_async && dio_op == REQ_OP_READ && dio->should_dirty)
429                 bio_set_pages_dirty(bio);
430
431         dio->bio_disk = bio->bi_bdev->bd_disk;
432
433         submit_bio(bio);
434
435         sdio->bio = NULL;
436         sdio->boundary = 0;
437         sdio->logical_offset_in_bio = 0;
438 }
439
440 /*
441  * Release any resources in case of a failure
442  */
443 static inline void dio_cleanup(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio)
444 {
445         while (sdio->head < sdio->tail)
446                 put_page(dio->pages[sdio->head++]);
447 }
448
449 /*
450  * Wait for the next BIO to complete.  Remove it and return it.  NULL is
451  * returned once all BIOs have been completed.  This must only be called once
452  * all bios have been issued so that dio->refcount can only decrease.  This
453  * requires that the caller hold a reference on the dio.
454  */
455 static struct bio *dio_await_one(struct dio *dio)
456 {
457         unsigned long flags;
458         struct bio *bio = NULL;
459
460         spin_lock_irqsave(&dio->bio_lock, flags);
461
462         /*
463          * Wait as long as the list is empty and there are bios in flight.  bio
464          * completion drops the count, maybe adds to the list, and wakes while
465          * holding the bio_lock so we don't need set_current_state()'s barrier
466          * and can call it after testing our condition.
467          */
468         while (dio->refcount > 1 && dio->bio_list == NULL) {
469                 __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
470                 dio->waiter = current;
471                 spin_unlock_irqrestore(&dio->bio_lock, flags);
472                 blk_io_schedule();
473                 /* wake up sets us TASK_RUNNING */
474                 spin_lock_irqsave(&dio->bio_lock, flags);
475                 dio->waiter = NULL;
476         }
477         if (dio->bio_list) {
478                 bio = dio->bio_list;
479                 dio->bio_list = bio->bi_private;
480         }
481         spin_unlock_irqrestore(&dio->bio_lock, flags);
482         return bio;
483 }
484
485 /*
486  * Process one completed BIO.  No locks are held.
487  */
488 static blk_status_t dio_bio_complete(struct dio *dio, struct bio *bio)
489 {
490         blk_status_t err = bio->bi_status;
491         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
492         bool should_dirty = dio_op == REQ_OP_READ && dio->should_dirty;
493
494         if (err) {
495                 if (err == BLK_STS_AGAIN && (bio->bi_opf & REQ_NOWAIT))
496                         dio->io_error = -EAGAIN;
497                 else
498                         dio->io_error = -EIO;
499         }
500
501         if (dio->is_async && should_dirty) {
502                 bio_check_pages_dirty(bio);     /* transfers ownership */
503         } else {
504                 bio_release_pages(bio, should_dirty);
505                 bio_put(bio);
506         }
507         return err;
508 }
509
510 /*
511  * Wait on and process all in-flight BIOs.  This must only be called once
512  * all bios have been issued so that the refcount can only decrease.
513  * This just waits for all bios to make it through dio_bio_complete.  IO
514  * errors are propagated through dio->io_error and should be propagated via
515  * dio_complete().
516  */
517 static void dio_await_completion(struct dio *dio)
518 {
519         struct bio *bio;
520         do {
521                 bio = dio_await_one(dio);
522                 if (bio)
523                         dio_bio_complete(dio, bio);
524         } while (bio);
525 }
526
527 /*
528  * A really large O_DIRECT read or write can generate a lot of BIOs.  So
529  * to keep the memory consumption sane we periodically reap any completed BIOs
530  * during the BIO generation phase.
531  *
532  * This also helps to limit the peak amount of pinned userspace memory.
533  */
534 static inline int dio_bio_reap(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio)
535 {
536         int ret = 0;
537
538         if (sdio->reap_counter++ >= 64) {
539                 while (dio->bio_list) {
540                         unsigned long flags;
541                         struct bio *bio;
542                         int ret2;
543
544                         spin_lock_irqsave(&dio->bio_lock, flags);
545                         bio = dio->bio_list;
546                         dio->bio_list = bio->bi_private;
547                         spin_unlock_irqrestore(&dio->bio_lock, flags);
548                         ret2 = blk_status_to_errno(dio_bio_complete(dio, bio));
549                         if (ret == 0)
550                                 ret = ret2;
551                 }
552                 sdio->reap_counter = 0;
553         }
554         return ret;
555 }
556
557 static int dio_set_defer_completion(struct dio *dio)
558 {
559         struct super_block *sb = dio->inode->i_sb;
560
561         if (dio->defer_completion)
562                 return 0;
563         dio->defer_completion = true;
564         if (!sb->s_dio_done_wq)
565                 return sb_init_dio_done_wq(sb);
566         return 0;
567 }
568
569 /*
570  * Call into the fs to map some more disk blocks.  We record the current number
571  * of available blocks at sdio->blocks_available.  These are in units of the
572  * fs blocksize, i_blocksize(inode).
573  *
574  * The fs is allowed to map lots of blocks at once.  If it wants to do that,
575  * it uses the passed inode-relative block number as the file offset, as usual.
576  *
577  * get_block() is passed the number of i_blkbits-sized blocks which direct_io
578  * has remaining to do.  The fs should not map more than this number of blocks.
579  *
580  * If the fs has mapped a lot of blocks, it should populate bh->b_size to
581  * indicate how much contiguous disk space has been made available at
582  * bh->b_blocknr.
583  *
584  * If *any* of the mapped blocks are new, then the fs must set buffer_new().
585  * This isn't very efficient...
586  *
587  * In the case of filesystem holes: the fs may return an arbitrarily-large
588  * hole by returning an appropriate value in b_size and by clearing
589  * buffer_mapped().  However the direct-io code will only process holes one
590  * block at a time - it will repeatedly call get_block() as it walks the hole.
591  */
592 static int get_more_blocks(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio,
593                            struct buffer_head *map_bh)
594 {
595         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
596         int ret;
597         sector_t fs_startblk;   /* Into file, in filesystem-sized blocks */
598         sector_t fs_endblk;     /* Into file, in filesystem-sized blocks */
599         unsigned long fs_count; /* Number of filesystem-sized blocks */
600         int create;
601         unsigned int i_blkbits = sdio->blkbits + sdio->blkfactor;
602         loff_t i_size;
603
604         /*
605          * If there was a memory error and we've overwritten all the
606          * mapped blocks then we can now return that memory error
607          */
608         ret = dio->page_errors;
609         if (ret == 0) {
610                 BUG_ON(sdio->block_in_file >= sdio->final_block_in_request);
611                 fs_startblk = sdio->block_in_file >> sdio->blkfactor;
612                 fs_endblk = (sdio->final_block_in_request - 1) >>
613                                         sdio->blkfactor;
614                 fs_count = fs_endblk - fs_startblk + 1;
615
616                 map_bh->b_state = 0;
617                 map_bh->b_size = fs_count << i_blkbits;
618
619                 /*
620                  * For writes that could fill holes inside i_size on a
621                  * DIO_SKIP_HOLES filesystem we forbid block creations: only
622                  * overwrites are permitted. We will return early to the caller
623                  * once we see an unmapped buffer head returned, and the caller
624                  * will fall back to buffered I/O.
625                  *
626                  * Otherwise the decision is left to the get_blocks method,
627                  * which may decide to handle it or also return an unmapped
628                  * buffer head.
629                  */
630                 create = dio_op == REQ_OP_WRITE;
631                 if (dio->flags & DIO_SKIP_HOLES) {
632                         i_size = i_size_read(dio->inode);
633                         if (i_size && fs_startblk <= (i_size - 1) >> i_blkbits)
634                                 create = 0;
635                 }
636
637                 ret = (*sdio->get_block)(dio->inode, fs_startblk,
638                                                 map_bh, create);
639
640                 /* Store for completion */
641                 dio->private = map_bh->b_private;
642
643                 if (ret == 0 && buffer_defer_completion(map_bh))
644                         ret = dio_set_defer_completion(dio);
645         }
646         return ret;
647 }
648
649 /*
650  * There is no bio.  Make one now.
651  */
652 static inline int dio_new_bio(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio,
653                 sector_t start_sector, struct buffer_head *map_bh)
654 {
655         sector_t sector;
656         int ret, nr_pages;
657
658         ret = dio_bio_reap(dio, sdio);
659         if (ret)
660                 goto out;
661         sector = start_sector << (sdio->blkbits - 9);
662         nr_pages = bio_max_segs(sdio->pages_in_io);
663         BUG_ON(nr_pages <= 0);
664         dio_bio_alloc(dio, sdio, map_bh->b_bdev, sector, nr_pages);
665         sdio->boundary = 0;
666 out:
667         return ret;
668 }
669
670 /*
671  * Attempt to put the current chunk of 'cur_page' into the current BIO.  If
672  * that was successful then update final_block_in_bio and take a ref against
673  * the just-added page.
674  *
675  * Return zero on success.  Non-zero means the caller needs to start a new BIO.
676  */
677 static inline int dio_bio_add_page(struct dio_submit *sdio)
678 {
679         int ret;
680
681         ret = bio_add_page(sdio->bio, sdio->cur_page,
682                         sdio->cur_page_len, sdio->cur_page_offset);
683         if (ret == sdio->cur_page_len) {
684                 /*
685                  * Decrement count only, if we are done with this page
686                  */
687                 if ((sdio->cur_page_len + sdio->cur_page_offset) == PAGE_SIZE)
688                         sdio->pages_in_io--;
689                 get_page(sdio->cur_page);
690                 sdio->final_block_in_bio = sdio->cur_page_block +
691                         (sdio->cur_page_len >> sdio->blkbits);
692                 ret = 0;
693         } else {
694                 ret = 1;
695         }
696         return ret;
697 }
698                 
699 /*
700  * Put cur_page under IO.  The section of cur_page which is described by
701  * cur_page_offset,cur_page_len is put into a BIO.  The section of cur_page
702  * starts on-disk at cur_page_block.
703  *
704  * We take a ref against the page here (on behalf of its presence in the bio).
705  *
706  * The caller of this function is responsible for removing cur_page from the
707  * dio, and for dropping the refcount which came from that presence.
708  */
709 static inline int dio_send_cur_page(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio,
710                 struct buffer_head *map_bh)
711 {
712         int ret = 0;
713
714         if (sdio->bio) {
715                 loff_t cur_offset = sdio->cur_page_fs_offset;
716                 loff_t bio_next_offset = sdio->logical_offset_in_bio +
717                         sdio->bio->bi_iter.bi_size;
718
719                 /*
720                  * See whether this new request is contiguous with the old.
721                  *
722                  * Btrfs cannot handle having logically non-contiguous requests
723                  * submitted.  For example if you have
724                  *
725                  * Logical:  [0-4095][HOLE][8192-12287]
726                  * Physical: [0-4095]      [4096-8191]
727                  *
728                  * We cannot submit those pages together as one BIO.  So if our
729                  * current logical offset in the file does not equal what would
730                  * be the next logical offset in the bio, submit the bio we
731                  * have.
732                  */
733                 if (sdio->final_block_in_bio != sdio->cur_page_block ||
734                     cur_offset != bio_next_offset)
735                         dio_bio_submit(dio, sdio);
736         }
737
738         if (sdio->bio == NULL) {
739                 ret = dio_new_bio(dio, sdio, sdio->cur_page_block, map_bh);
740                 if (ret)
741                         goto out;
742         }
743
744         if (dio_bio_add_page(sdio) != 0) {
745                 dio_bio_submit(dio, sdio);
746                 ret = dio_new_bio(dio, sdio, sdio->cur_page_block, map_bh);
747                 if (ret == 0) {
748                         ret = dio_bio_add_page(sdio);
749                         BUG_ON(ret != 0);
750                 }
751         }
752 out:
753         return ret;
754 }
755
756 /*
757  * An autonomous function to put a chunk of a page under deferred IO.
758  *
759  * The caller doesn't actually know (or care) whether this piece of page is in
760  * a BIO, or is under IO or whatever.  We just take care of all possible 
761  * situations here.  The separation between the logic of do_direct_IO() and
762  * that of submit_page_section() is important for clarity.  Please don't break.
763  *
764  * The chunk of page starts on-disk at blocknr.
765  *
766  * We perform deferred IO, by recording the last-submitted page inside our
767  * private part of the dio structure.  If possible, we just expand the IO
768  * across that page here.
769  *
770  * If that doesn't work out then we put the old page into the bio and add this
771  * page to the dio instead.
772  */
773 static inline int
774 submit_page_section(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio, struct page *page,
775                     unsigned offset, unsigned len, sector_t blocknr,
776                     struct buffer_head *map_bh)
777 {
778         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
779         int ret = 0;
780         int boundary = sdio->boundary;  /* dio_send_cur_page may clear it */
781
782         if (dio_op == REQ_OP_WRITE) {
783                 /*
784                  * Read accounting is performed in submit_bio()
785                  */
786                 task_io_account_write(len);
787         }
788
789         /*
790          * Can we just grow the current page's presence in the dio?
791          */
792         if (sdio->cur_page == page &&
793             sdio->cur_page_offset + sdio->cur_page_len == offset &&
794             sdio->cur_page_block +
795             (sdio->cur_page_len >> sdio->blkbits) == blocknr) {
796                 sdio->cur_page_len += len;
797                 goto out;
798         }
799
800         /*
801          * If there's a deferred page already there then send it.
802          */
803         if (sdio->cur_page) {
804                 ret = dio_send_cur_page(dio, sdio, map_bh);
805                 put_page(sdio->cur_page);
806                 sdio->cur_page = NULL;
807                 if (ret)
808                         return ret;
809         }
810
811         get_page(page);         /* It is in dio */
812         sdio->cur_page = page;
813         sdio->cur_page_offset = offset;
814         sdio->cur_page_len = len;
815         sdio->cur_page_block = blocknr;
816         sdio->cur_page_fs_offset = sdio->block_in_file << sdio->blkbits;
817 out:
818         /*
819          * If boundary then we want to schedule the IO now to
820          * avoid metadata seeks.
821          */
822         if (boundary) {
823                 ret = dio_send_cur_page(dio, sdio, map_bh);
824                 if (sdio->bio)
825                         dio_bio_submit(dio, sdio);
826                 put_page(sdio->cur_page);
827                 sdio->cur_page = NULL;
828         }
829         return ret;
830 }
831
832 /*
833  * If we are not writing the entire block and get_block() allocated
834  * the block for us, we need to fill-in the unused portion of the
835  * block with zeros. This happens only if user-buffer, fileoffset or
836  * io length is not filesystem block-size multiple.
837  *
838  * `end' is zero if we're doing the start of the IO, 1 at the end of the
839  * IO.
840  */
841 static inline void dio_zero_block(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio,
842                 int end, struct buffer_head *map_bh)
843 {
844         unsigned dio_blocks_per_fs_block;
845         unsigned this_chunk_blocks;     /* In dio_blocks */
846         unsigned this_chunk_bytes;
847         struct page *page;
848
849         sdio->start_zero_done = 1;
850         if (!sdio->blkfactor || !buffer_new(map_bh))
851                 return;
852
853         dio_blocks_per_fs_block = 1 << sdio->blkfactor;
854         this_chunk_blocks = sdio->block_in_file & (dio_blocks_per_fs_block - 1);
855
856         if (!this_chunk_blocks)
857                 return;
858
859         /*
860          * We need to zero out part of an fs block.  It is either at the
861          * beginning or the end of the fs block.
862          */
863         if (end) 
864                 this_chunk_blocks = dio_blocks_per_fs_block - this_chunk_blocks;
865
866         this_chunk_bytes = this_chunk_blocks << sdio->blkbits;
867
868         page = ZERO_PAGE(0);
869         if (submit_page_section(dio, sdio, page, 0, this_chunk_bytes,
870                                 sdio->next_block_for_io, map_bh))
871                 return;
872
873         sdio->next_block_for_io += this_chunk_blocks;
874 }
875
876 /*
877  * Walk the user pages, and the file, mapping blocks to disk and generating
878  * a sequence of (page,offset,len,block) mappings.  These mappings are injected
879  * into submit_page_section(), which takes care of the next stage of submission
880  *
881  * Direct IO against a blockdev is different from a file.  Because we can
882  * happily perform page-sized but 512-byte aligned IOs.  It is important that
883  * blockdev IO be able to have fine alignment and large sizes.
884  *
885  * So what we do is to permit the ->get_block function to populate bh.b_size
886  * with the size of IO which is permitted at this offset and this i_blkbits.
887  *
888  * For best results, the blockdev should be set up with 512-byte i_blkbits and
889  * it should set b_size to PAGE_SIZE or more inside get_block().  This gives
890  * fine alignment but still allows this function to work in PAGE_SIZE units.
891  */
892 static int do_direct_IO(struct dio *dio, struct dio_submit *sdio,
893                         struct buffer_head *map_bh)
894 {
895         const enum req_op dio_op = dio->opf & REQ_OP_MASK;
896         const unsigned blkbits = sdio->blkbits;
897         const unsigned i_blkbits = blkbits + sdio->blkfactor;
898         int ret = 0;
899
900         while (sdio->block_in_file < sdio->final_block_in_request) {
901                 struct page *page;
902                 size_t from, to;
903
904                 page = dio_get_page(dio, sdio);
905                 if (IS_ERR(page)) {
906                         ret = PTR_ERR(page);
907                         goto out;
908                 }
909                 from = sdio->head ? 0 : sdio->from;
910                 to = (sdio->head == sdio->tail - 1) ? sdio->to : PAGE_SIZE;
911                 sdio->head++;
912
913                 while (from < to) {
914                         unsigned this_chunk_bytes;      /* # of bytes mapped */
915                         unsigned this_chunk_blocks;     /* # of blocks */
916                         unsigned u;
917
918                         if (sdio->blocks_available == 0) {
919                                 /*
920                                  * Need to go and map some more disk
921                                  */
922                                 unsigned long blkmask;
923                                 unsigned long dio_remainder;
924
925                                 ret = get_more_blocks(dio, sdio, map_bh);
926                                 if (ret) {
927                                         put_page(page);
928                                         goto out;
929                                 }
930                                 if (!buffer_mapped(map_bh))
931                                         goto do_holes;
932
933                                 sdio->blocks_available =
934                                                 map_bh->b_size >> blkbits;
935                                 sdio->next_block_for_io =
936                                         map_bh->b_blocknr << sdio->blkfactor;
937                                 if (buffer_new(map_bh)) {
938                                         clean_bdev_aliases(
939                                                 map_bh->b_bdev,
940                                                 map_bh->b_blocknr,
941                                                 map_bh->b_size >> i_blkbits);
942                                 }
943
944                                 if (!sdio->blkfactor)
945                                         goto do_holes;
946
947                                 blkmask = (1 << sdio->blkfactor) - 1;
948                                 dio_remainder = (sdio->block_in_file & blkmask);
949
950                                 /*
951                                  * If we are at the start of IO and that IO
952                                  * starts partway into a fs-block,
953                                  * dio_remainder will be non-zero.  If the IO
954                                  * is a read then we can simply advance the IO
955                                  * cursor to the first block which is to be
956                                  * read.  But if the IO is a write and the
957                                  * block was newly allocated we cannot do that;
958                                  * the start of the fs block must be zeroed out
959                                  * on-disk
960                                  */
961                                 if (!buffer_new(map_bh))
962                                         sdio->next_block_for_io += dio_remainder;
963                                 sdio->blocks_available -= dio_remainder;
964                         }
965 do_holes:
966                         /* Handle holes */
967                         if (!buffer_mapped(map_bh)) {
968                                 loff_t i_size_aligned;
969
970                                 /* AKPM: eargh, -ENOTBLK is a hack */
971                                 if (dio_op == REQ_OP_WRITE) {
972                                         put_page(page);
973                                         return -ENOTBLK;
974                                 }
975
976                                 /*
977                                  * Be sure to account for a partial block as the
978                                  * last block in the file
979                                  */
980                                 i_size_aligned = ALIGN(i_size_read(dio->inode),
981                                                         1 << blkbits);
982                                 if (sdio->block_in_file >=
983                                                 i_size_aligned >> blkbits) {
984                                         /* We hit eof */
985                                         put_page(page);
986                                         goto out;
987                                 }
988                                 zero_user(page, from, 1 << blkbits);
989                                 sdio->block_in_file++;
990                                 from += 1 << blkbits;
991                                 dio->result += 1 << blkbits;
992                                 goto next_block;
993                         }
994
995                         /*
996                          * If we're performing IO which has an alignment which
997                          * is finer than the underlying fs, go check to see if
998                          * we must zero out the start of this block.
999                          */
1000                         if (unlikely(sdio->blkfactor && !sdio->start_zero_done))
1001                                 dio_zero_block(dio, sdio, 0, map_bh);
1002
1003                         /*
1004                          * Work out, in this_chunk_blocks, how much disk we
1005                          * can add to this page
1006                          */
1007                         this_chunk_blocks = sdio->blocks_available;
1008                         u = (to - from) >> blkbits;
1009                         if (this_chunk_blocks > u)
1010                                 this_chunk_blocks = u;
1011                         u = sdio->final_block_in_request - sdio->block_in_file;
1012                         if (this_chunk_blocks > u)
1013                                 this_chunk_blocks = u;
1014                         this_chunk_bytes = this_chunk_blocks << blkbits;
1015                         BUG_ON(this_chunk_bytes == 0);
1016
1017                         if (this_chunk_blocks == sdio->blocks_available)
1018                                 sdio->boundary = buffer_boundary(map_bh);
1019                         ret = submit_page_section(dio, sdio, page,
1020                                                   from,
1021                                                   this_chunk_bytes,
1022                                                   sdio->next_block_for_io,
1023                                                   map_bh);
1024                         if (ret) {
1025                                 put_page(page);
1026                                 goto out;
1027                         }
1028                         sdio->next_block_for_io += this_chunk_blocks;
1029
1030                         sdio->block_in_file += this_chunk_blocks;
1031                         from += this_chunk_bytes;
1032                         dio->result += this_chunk_bytes;
1033                         sdio->blocks_available -= this_chunk_blocks;
1034 next_block:
1035                         BUG_ON(sdio->block_in_file > sdio->final_block_in_request);
1036                         if (sdio->block_in_file == sdio->final_block_in_request)
1037                                 break;
1038                 }
1039
1040                 /* Drop the ref which was taken in get_user_pages() */
1041                 put_page(page);
1042         }
1043 out:
1044         return ret;
1045 }
1046
1047 static inline int drop_refcount(struct dio *dio)
1048 {
1049         int ret2;
1050         unsigned long flags;
1051
1052         /*
1053          * Sync will always be dropping the final ref and completing the
1054          * operation.  AIO can if it was a broken operation described above or
1055          * in fact if all the bios race to complete before we get here.  In
1056          * that case dio_complete() translates the EIOCBQUEUED into the proper
1057          * return code that the caller will hand to ->complete().
1058          *
1059          * This is managed by the bio_lock instead of being an atomic_t so that
1060          * completion paths can drop their ref and use the remaining count to
1061          * decide to wake the submission path atomically.
1062          */
1063         spin_lock_irqsave(&dio->bio_lock, flags);
1064         ret2 = --dio->refcount;
1065         spin_unlock_irqrestore(&dio->bio_lock, flags);
1066         return ret2;
1067 }
1068
1069 /*
1070  * This is a library function for use by filesystem drivers.
1071  *
1072  * The locking rules are governed by the flags parameter:
1073  *  - if the flags value contains DIO_LOCKING we use a fancy locking
1074  *    scheme for dumb filesystems.
1075  *    For writes this function is called under i_mutex and returns with
1076  *    i_mutex held, for reads, i_mutex is not held on entry, but it is
1077  *    taken and dropped again before returning.
1078  *  - if the flags value does NOT contain DIO_LOCKING we don't use any
1079  *    internal locking but rather rely on the filesystem to synchronize
1080  *    direct I/O reads/writes versus each other and truncate.
1081  *
1082  * To help with locking against truncate we incremented the i_dio_count
1083  * counter before starting direct I/O, and decrement it once we are done.
1084  * Truncate can wait for it to reach zero to provide exclusion.  It is
1085  * expected that filesystem provide exclusion between new direct I/O
1086  * and truncates.  For DIO_LOCKING filesystems this is done by i_mutex,
1087  * but other filesystems need to take care of this on their own.
1088  *
1089  * NOTE: if you pass "sdio" to anything by pointer make sure that function
1090  * is always inlined. Otherwise gcc is unable to split the structure into
1091  * individual fields and will generate much worse code. This is important
1092  * for the whole file.
1093  */
1094 ssize_t __blockdev_direct_IO(struct kiocb *iocb, struct inode *inode,
1095                 struct block_device *bdev, struct iov_iter *iter,
1096                 get_block_t get_block, dio_iodone_t end_io,
1097                 int flags)
1098 {
1099         unsigned i_blkbits = READ_ONCE(inode->i_blkbits);
1100         unsigned blkbits = i_blkbits;
1101         unsigned blocksize_mask = (1 << blkbits) - 1;
1102         ssize_t retval = -EINVAL;
1103         const size_t count = iov_iter_count(iter);
1104         loff_t offset = iocb->ki_pos;
1105         const loff_t end = offset + count;
1106         struct dio *dio;
1107         struct dio_submit sdio = { 0, };
1108         struct buffer_head map_bh = { 0, };
1109         struct blk_plug plug;
1110         unsigned long align = offset | iov_iter_alignment(iter);
1111
1112         /*
1113          * Avoid references to bdev if not absolutely needed to give
1114          * the early prefetch in the caller enough time.
1115          */
1116
1117         /* watch out for a 0 len io from a tricksy fs */
1118         if (iov_iter_rw(iter) == READ && !count)
1119                 return 0;
1120
1121         dio = kmem_cache_alloc(dio_cache, GFP_KERNEL);
1122         if (!dio)
1123                 return -ENOMEM;
1124         /*
1125          * Believe it or not, zeroing out the page array caused a .5%
1126          * performance regression in a database benchmark.  So, we take
1127          * care to only zero out what's needed.
1128          */
1129         memset(dio, 0, offsetof(struct dio, pages));
1130
1131         dio->flags = flags;
1132         if (dio->flags & DIO_LOCKING && iov_iter_rw(iter) == READ) {
1133                 /* will be released by direct_io_worker */
1134                 inode_lock(inode);
1135         }
1136
1137         /* Once we sampled i_size check for reads beyond EOF */
1138         dio->i_size = i_size_read(inode);
1139         if (iov_iter_rw(iter) == READ && offset >= dio->i_size) {
1140                 retval = 0;
1141                 goto fail_dio;
1142         }
1143
1144         if (align & blocksize_mask) {
1145                 if (bdev)
1146                         blkbits = blksize_bits(bdev_logical_block_size(bdev));
1147                 blocksize_mask = (1 << blkbits) - 1;
1148                 if (align & blocksize_mask)
1149                         goto fail_dio;
1150         }
1151
1152         if (dio->flags & DIO_LOCKING && iov_iter_rw(iter) == READ) {
1153                 struct address_space *mapping = iocb->ki_filp->f_mapping;
1154
1155                 retval = filemap_write_and_wait_range(mapping, offset, end - 1);
1156                 if (retval)
1157                         goto fail_dio;
1158         }
1159
1160         /*
1161          * For file extending writes updating i_size before data writeouts
1162          * complete can expose uninitialized blocks in dumb filesystems.
1163          * In that case we need to wait for I/O completion even if asked
1164          * for an asynchronous write.
1165          */
1166         if (is_sync_kiocb(iocb))
1167                 dio->is_async = false;
1168         else if (iov_iter_rw(iter) == WRITE && end > i_size_read(inode))
1169                 dio->is_async = false;
1170         else
1171                 dio->is_async = true;
1172
1173         dio->inode = inode;
1174         if (iov_iter_rw(iter) == WRITE) {
1175                 dio->opf = REQ_OP_WRITE | REQ_SYNC | REQ_IDLE;
1176                 if (iocb->ki_flags & IOCB_NOWAIT)
1177                         dio->opf |= REQ_NOWAIT;
1178         } else {
1179                 dio->opf = REQ_OP_READ;
1180         }
1181
1182         /*
1183          * For AIO O_(D)SYNC writes we need to defer completions to a workqueue
1184          * so that we can call ->fsync.
1185          */
1186         if (dio->is_async && iov_iter_rw(iter) == WRITE) {
1187                 retval = 0;
1188                 if (iocb_is_dsync(iocb))
1189                         retval = dio_set_defer_completion(dio);
1190                 else if (!dio->inode->i_sb->s_dio_done_wq) {
1191                         /*
1192                          * In case of AIO write racing with buffered read we
1193                          * need to defer completion. We can't decide this now,
1194                          * however the workqueue needs to be initialized here.
1195                          */
1196                         retval = sb_init_dio_done_wq(dio->inode->i_sb);
1197                 }
1198                 if (retval)
1199                         goto fail_dio;
1200         }
1201
1202         /*
1203          * Will be decremented at I/O completion time.
1204          */
1205         inode_dio_begin(inode);
1206
1207         retval = 0;
1208         sdio.blkbits = blkbits;
1209         sdio.blkfactor = i_blkbits - blkbits;
1210         sdio.block_in_file = offset >> blkbits;
1211
1212         sdio.get_block = get_block;
1213         dio->end_io = end_io;
1214         sdio.final_block_in_bio = -1;
1215         sdio.next_block_for_io = -1;
1216
1217         dio->iocb = iocb;
1218
1219         spin_lock_init(&dio->bio_lock);
1220         dio->refcount = 1;
1221
1222         dio->should_dirty = user_backed_iter(iter) && iov_iter_rw(iter) == READ;
1223         sdio.iter = iter;
1224         sdio.final_block_in_request = end >> blkbits;
1225
1226         /*
1227          * In case of non-aligned buffers, we may need 2 more
1228          * pages since we need to zero out first and last block.
1229          */
1230         if (unlikely(sdio.blkfactor))
1231                 sdio.pages_in_io = 2;
1232
1233         sdio.pages_in_io += iov_iter_npages(iter, INT_MAX);
1234
1235         blk_start_plug(&plug);
1236
1237         retval = do_direct_IO(dio, &sdio, &map_bh);
1238         if (retval)
1239                 dio_cleanup(dio, &sdio);
1240
1241         if (retval == -ENOTBLK) {
1242                 /*
1243                  * The remaining part of the request will be
1244                  * handled by buffered I/O when we return
1245                  */
1246                 retval = 0;
1247         }
1248         /*
1249          * There may be some unwritten disk at the end of a part-written
1250          * fs-block-sized block.  Go zero that now.
1251          */
1252         dio_zero_block(dio, &sdio, 1, &map_bh);
1253
1254         if (sdio.cur_page) {
1255                 ssize_t ret2;
1256
1257                 ret2 = dio_send_cur_page(dio, &sdio, &map_bh);
1258                 if (retval == 0)
1259                         retval = ret2;
1260                 put_page(sdio.cur_page);
1261                 sdio.cur_page = NULL;
1262         }
1263         if (sdio.bio)
1264                 dio_bio_submit(dio, &sdio);
1265
1266         blk_finish_plug(&plug);
1267
1268         /*
1269          * It is possible that, we return short IO due to end of file.
1270          * In that case, we need to release all the pages we got hold on.
1271          */
1272         dio_cleanup(dio, &sdio);
1273
1274         /*
1275          * All block lookups have been performed. For READ requests
1276          * we can let i_mutex go now that its achieved its purpose
1277          * of protecting us from looking up uninitialized blocks.
1278          */
1279         if (iov_iter_rw(iter) == READ && (dio->flags & DIO_LOCKING))
1280                 inode_unlock(dio->inode);
1281
1282         /*
1283          * The only time we want to leave bios in flight is when a successful
1284          * partial aio read or full aio write have been setup.  In that case
1285          * bio completion will call aio_complete.  The only time it's safe to
1286          * call aio_complete is when we return -EIOCBQUEUED, so we key on that.
1287          * This had *better* be the only place that raises -EIOCBQUEUED.
1288          */
1289         BUG_ON(retval == -EIOCBQUEUED);
1290         if (dio->is_async && retval == 0 && dio->result &&
1291             (iov_iter_rw(iter) == READ || dio->result == count))
1292                 retval = -EIOCBQUEUED;
1293         else
1294                 dio_await_completion(dio);
1295
1296         if (drop_refcount(dio) == 0) {
1297                 retval = dio_complete(dio, retval, DIO_COMPLETE_INVALIDATE);
1298         } else
1299                 BUG_ON(retval != -EIOCBQUEUED);
1300
1301         return retval;
1302
1303 fail_dio:
1304         if (dio->flags & DIO_LOCKING && iov_iter_rw(iter) == READ)
1305                 inode_unlock(inode);
1306
1307         kmem_cache_free(dio_cache, dio);
1308         return retval;
1309 }
1310 EXPORT_SYMBOL(__blockdev_direct_IO);
1311
1312 static __init int dio_init(void)
1313 {
1314         dio_cache = KMEM_CACHE(dio, SLAB_PANIC);
1315         return 0;
1316 }
1317 module_init(dio_init)