xref: /linux/lib/sbitmap.c (revision f66227de5924ed0fde1823f5cbc4d8b8f45faaa2)
188459642SOmar Sandoval /*
288459642SOmar Sandoval  * Copyright (C) 2016 Facebook
388459642SOmar Sandoval  * Copyright (C) 2013-2014 Jens Axboe
488459642SOmar Sandoval  *
588459642SOmar Sandoval  * This program is free software; you can redistribute it and/or
688459642SOmar Sandoval  * modify it under the terms of the GNU General Public
788459642SOmar Sandoval  * License v2 as published by the Free Software Foundation.
888459642SOmar Sandoval  *
988459642SOmar Sandoval  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
1088459642SOmar Sandoval  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
1188459642SOmar Sandoval  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
1288459642SOmar Sandoval  * General Public License for more details.
1388459642SOmar Sandoval  *
1488459642SOmar Sandoval  * You should have received a copy of the GNU General Public License
1588459642SOmar Sandoval  * along with this program.  If not, see <https://www.gnu.org/licenses/>.
1688459642SOmar Sandoval  */
1788459642SOmar Sandoval 
1898d95416SOmar Sandoval #include <linux/random.h>
1988459642SOmar Sandoval #include <linux/sbitmap.h>
2088459642SOmar Sandoval 
2188459642SOmar Sandoval int sbitmap_init_node(struct sbitmap *sb, unsigned int depth, int shift,
2288459642SOmar Sandoval 		      gfp_t flags, int node)
2388459642SOmar Sandoval {
2488459642SOmar Sandoval 	unsigned int bits_per_word;
2588459642SOmar Sandoval 	unsigned int i;
2688459642SOmar Sandoval 
2788459642SOmar Sandoval 	if (shift < 0) {
2888459642SOmar Sandoval 		shift = ilog2(BITS_PER_LONG);
2988459642SOmar Sandoval 		/*
3088459642SOmar Sandoval 		 * If the bitmap is small, shrink the number of bits per word so
3188459642SOmar Sandoval 		 * we spread over a few cachelines, at least. If less than 4
3288459642SOmar Sandoval 		 * bits, just forget about it, it's not going to work optimally
3388459642SOmar Sandoval 		 * anyway.
3488459642SOmar Sandoval 		 */
3588459642SOmar Sandoval 		if (depth >= 4) {
3688459642SOmar Sandoval 			while ((4U << shift) > depth)
3788459642SOmar Sandoval 				shift--;
3888459642SOmar Sandoval 		}
3988459642SOmar Sandoval 	}
4088459642SOmar Sandoval 	bits_per_word = 1U << shift;
4188459642SOmar Sandoval 	if (bits_per_word > BITS_PER_LONG)
4288459642SOmar Sandoval 		return -EINVAL;
4388459642SOmar Sandoval 
4488459642SOmar Sandoval 	sb->shift = shift;
4588459642SOmar Sandoval 	sb->depth = depth;
4688459642SOmar Sandoval 	sb->map_nr = DIV_ROUND_UP(sb->depth, bits_per_word);
4788459642SOmar Sandoval 
4888459642SOmar Sandoval 	if (depth == 0) {
4988459642SOmar Sandoval 		sb->map = NULL;
5088459642SOmar Sandoval 		return 0;
5188459642SOmar Sandoval 	}
5288459642SOmar Sandoval 
5388459642SOmar Sandoval 	sb->map = kzalloc_node(sb->map_nr * sizeof(*sb->map), flags, node);
5488459642SOmar Sandoval 	if (!sb->map)
5588459642SOmar Sandoval 		return -ENOMEM;
5688459642SOmar Sandoval 
5788459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < sb->map_nr; i++) {
5888459642SOmar Sandoval 		sb->map[i].depth = min(depth, bits_per_word);
5988459642SOmar Sandoval 		depth -= sb->map[i].depth;
6088459642SOmar Sandoval 	}
6188459642SOmar Sandoval 	return 0;
6288459642SOmar Sandoval }
6388459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_init_node);
6488459642SOmar Sandoval 
6588459642SOmar Sandoval void sbitmap_resize(struct sbitmap *sb, unsigned int depth)
6688459642SOmar Sandoval {
6788459642SOmar Sandoval 	unsigned int bits_per_word = 1U << sb->shift;
6888459642SOmar Sandoval 	unsigned int i;
6988459642SOmar Sandoval 
7088459642SOmar Sandoval 	sb->depth = depth;
7188459642SOmar Sandoval 	sb->map_nr = DIV_ROUND_UP(sb->depth, bits_per_word);
7288459642SOmar Sandoval 
7388459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < sb->map_nr; i++) {
7488459642SOmar Sandoval 		sb->map[i].depth = min(depth, bits_per_word);
7588459642SOmar Sandoval 		depth -= sb->map[i].depth;
7688459642SOmar Sandoval 	}
7788459642SOmar Sandoval }
7888459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_resize);
7988459642SOmar Sandoval 
8088459642SOmar Sandoval static int __sbitmap_get_word(struct sbitmap_word *word, unsigned int hint,
8188459642SOmar Sandoval 			      bool wrap)
8288459642SOmar Sandoval {
8388459642SOmar Sandoval 	unsigned int orig_hint = hint;
8488459642SOmar Sandoval 	int nr;
8588459642SOmar Sandoval 
8688459642SOmar Sandoval 	while (1) {
8788459642SOmar Sandoval 		nr = find_next_zero_bit(&word->word, word->depth, hint);
8888459642SOmar Sandoval 		if (unlikely(nr >= word->depth)) {
8988459642SOmar Sandoval 			/*
9088459642SOmar Sandoval 			 * We started with an offset, and we didn't reset the
9188459642SOmar Sandoval 			 * offset to 0 in a failure case, so start from 0 to
9288459642SOmar Sandoval 			 * exhaust the map.
9388459642SOmar Sandoval 			 */
9488459642SOmar Sandoval 			if (orig_hint && hint && wrap) {
9588459642SOmar Sandoval 				hint = orig_hint = 0;
9688459642SOmar Sandoval 				continue;
9788459642SOmar Sandoval 			}
9888459642SOmar Sandoval 			return -1;
9988459642SOmar Sandoval 		}
10088459642SOmar Sandoval 
10188459642SOmar Sandoval 		if (!test_and_set_bit(nr, &word->word))
10288459642SOmar Sandoval 			break;
10388459642SOmar Sandoval 
10488459642SOmar Sandoval 		hint = nr + 1;
10588459642SOmar Sandoval 		if (hint >= word->depth - 1)
10688459642SOmar Sandoval 			hint = 0;
10788459642SOmar Sandoval 	}
10888459642SOmar Sandoval 
10988459642SOmar Sandoval 	return nr;
11088459642SOmar Sandoval }
11188459642SOmar Sandoval 
11288459642SOmar Sandoval int sbitmap_get(struct sbitmap *sb, unsigned int alloc_hint, bool round_robin)
11388459642SOmar Sandoval {
11488459642SOmar Sandoval 	unsigned int i, index;
11588459642SOmar Sandoval 	int nr = -1;
11688459642SOmar Sandoval 
11788459642SOmar Sandoval 	index = SB_NR_TO_INDEX(sb, alloc_hint);
11888459642SOmar Sandoval 
11988459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < sb->map_nr; i++) {
12088459642SOmar Sandoval 		nr = __sbitmap_get_word(&sb->map[index],
12188459642SOmar Sandoval 					SB_NR_TO_BIT(sb, alloc_hint),
12288459642SOmar Sandoval 					!round_robin);
12388459642SOmar Sandoval 		if (nr != -1) {
12488459642SOmar Sandoval 			nr += index << sb->shift;
12588459642SOmar Sandoval 			break;
12688459642SOmar Sandoval 		}
12788459642SOmar Sandoval 
12888459642SOmar Sandoval 		/* Jump to next index. */
12988459642SOmar Sandoval 		index++;
13088459642SOmar Sandoval 		alloc_hint = index << sb->shift;
13188459642SOmar Sandoval 
13288459642SOmar Sandoval 		if (index >= sb->map_nr) {
13388459642SOmar Sandoval 			index = 0;
13488459642SOmar Sandoval 			alloc_hint = 0;
13588459642SOmar Sandoval 		}
13688459642SOmar Sandoval 	}
13788459642SOmar Sandoval 
13888459642SOmar Sandoval 	return nr;
13988459642SOmar Sandoval }
14088459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_get);
14188459642SOmar Sandoval 
14288459642SOmar Sandoval bool sbitmap_any_bit_set(const struct sbitmap *sb)
14388459642SOmar Sandoval {
14488459642SOmar Sandoval 	unsigned int i;
14588459642SOmar Sandoval 
14688459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < sb->map_nr; i++) {
14788459642SOmar Sandoval 		if (sb->map[i].word)
14888459642SOmar Sandoval 			return true;
14988459642SOmar Sandoval 	}
15088459642SOmar Sandoval 	return false;
15188459642SOmar Sandoval }
15288459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_any_bit_set);
15388459642SOmar Sandoval 
15488459642SOmar Sandoval bool sbitmap_any_bit_clear(const struct sbitmap *sb)
15588459642SOmar Sandoval {
15688459642SOmar Sandoval 	unsigned int i;
15788459642SOmar Sandoval 
15888459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < sb->map_nr; i++) {
15988459642SOmar Sandoval 		const struct sbitmap_word *word = &sb->map[i];
16088459642SOmar Sandoval 		unsigned long ret;
16188459642SOmar Sandoval 
16288459642SOmar Sandoval 		ret = find_first_zero_bit(&word->word, word->depth);
16388459642SOmar Sandoval 		if (ret < word->depth)
16488459642SOmar Sandoval 			return true;
16588459642SOmar Sandoval 	}
16688459642SOmar Sandoval 	return false;
16788459642SOmar Sandoval }
16888459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_any_bit_clear);
16988459642SOmar Sandoval 
17088459642SOmar Sandoval unsigned int sbitmap_weight(const struct sbitmap *sb)
17188459642SOmar Sandoval {
17260658e0dSColin Ian King 	unsigned int i, weight = 0;
17388459642SOmar Sandoval 
17488459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < sb->map_nr; i++) {
17588459642SOmar Sandoval 		const struct sbitmap_word *word = &sb->map[i];
17688459642SOmar Sandoval 
17788459642SOmar Sandoval 		weight += bitmap_weight(&word->word, word->depth);
17888459642SOmar Sandoval 	}
17988459642SOmar Sandoval 	return weight;
18088459642SOmar Sandoval }
18188459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_weight);
18288459642SOmar Sandoval 
18388459642SOmar Sandoval static unsigned int sbq_calc_wake_batch(unsigned int depth)
18488459642SOmar Sandoval {
18588459642SOmar Sandoval 	unsigned int wake_batch;
18688459642SOmar Sandoval 
18788459642SOmar Sandoval 	/*
18888459642SOmar Sandoval 	 * For each batch, we wake up one queue. We need to make sure that our
18988459642SOmar Sandoval 	 * batch size is small enough that the full depth of the bitmap is
19088459642SOmar Sandoval 	 * enough to wake up all of the queues.
19188459642SOmar Sandoval 	 */
19288459642SOmar Sandoval 	wake_batch = SBQ_WAKE_BATCH;
19388459642SOmar Sandoval 	if (wake_batch > depth / SBQ_WAIT_QUEUES)
19488459642SOmar Sandoval 		wake_batch = max(1U, depth / SBQ_WAIT_QUEUES);
19588459642SOmar Sandoval 
19688459642SOmar Sandoval 	return wake_batch;
19788459642SOmar Sandoval }
19888459642SOmar Sandoval 
19988459642SOmar Sandoval int sbitmap_queue_init_node(struct sbitmap_queue *sbq, unsigned int depth,
200f4a644dbSOmar Sandoval 			    int shift, bool round_robin, gfp_t flags, int node)
20188459642SOmar Sandoval {
20288459642SOmar Sandoval 	int ret;
20388459642SOmar Sandoval 	int i;
20488459642SOmar Sandoval 
20588459642SOmar Sandoval 	ret = sbitmap_init_node(&sbq->sb, depth, shift, flags, node);
20688459642SOmar Sandoval 	if (ret)
20788459642SOmar Sandoval 		return ret;
20888459642SOmar Sandoval 
20940aabb67SOmar Sandoval 	sbq->alloc_hint = alloc_percpu_gfp(unsigned int, flags);
21040aabb67SOmar Sandoval 	if (!sbq->alloc_hint) {
21140aabb67SOmar Sandoval 		sbitmap_free(&sbq->sb);
21240aabb67SOmar Sandoval 		return -ENOMEM;
21340aabb67SOmar Sandoval 	}
21440aabb67SOmar Sandoval 
21598d95416SOmar Sandoval 	if (depth && !round_robin) {
21698d95416SOmar Sandoval 		for_each_possible_cpu(i)
21798d95416SOmar Sandoval 			*per_cpu_ptr(sbq->alloc_hint, i) = prandom_u32() % depth;
21898d95416SOmar Sandoval 	}
21998d95416SOmar Sandoval 
22088459642SOmar Sandoval 	sbq->wake_batch = sbq_calc_wake_batch(depth);
22188459642SOmar Sandoval 	atomic_set(&sbq->wake_index, 0);
22288459642SOmar Sandoval 
22348e28166SOmar Sandoval 	sbq->ws = kzalloc_node(SBQ_WAIT_QUEUES * sizeof(*sbq->ws), flags, node);
22488459642SOmar Sandoval 	if (!sbq->ws) {
22540aabb67SOmar Sandoval 		free_percpu(sbq->alloc_hint);
22688459642SOmar Sandoval 		sbitmap_free(&sbq->sb);
22788459642SOmar Sandoval 		return -ENOMEM;
22888459642SOmar Sandoval 	}
22988459642SOmar Sandoval 
23088459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < SBQ_WAIT_QUEUES; i++) {
23188459642SOmar Sandoval 		init_waitqueue_head(&sbq->ws[i].wait);
23288459642SOmar Sandoval 		atomic_set(&sbq->ws[i].wait_cnt, sbq->wake_batch);
23388459642SOmar Sandoval 	}
234f4a644dbSOmar Sandoval 
235f4a644dbSOmar Sandoval 	sbq->round_robin = round_robin;
23688459642SOmar Sandoval 	return 0;
23788459642SOmar Sandoval }
23888459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_queue_init_node);
23988459642SOmar Sandoval 
24088459642SOmar Sandoval void sbitmap_queue_resize(struct sbitmap_queue *sbq, unsigned int depth)
24188459642SOmar Sandoval {
24288459642SOmar Sandoval 	sbq->wake_batch = sbq_calc_wake_batch(depth);
24388459642SOmar Sandoval 	sbitmap_resize(&sbq->sb, depth);
24488459642SOmar Sandoval }
24588459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_queue_resize);
24688459642SOmar Sandoval 
247f4a644dbSOmar Sandoval int __sbitmap_queue_get(struct sbitmap_queue *sbq)
24840aabb67SOmar Sandoval {
24905fd095dSOmar Sandoval 	unsigned int hint, depth;
25040aabb67SOmar Sandoval 	int nr;
25140aabb67SOmar Sandoval 
25240aabb67SOmar Sandoval 	hint = this_cpu_read(*sbq->alloc_hint);
25305fd095dSOmar Sandoval 	depth = READ_ONCE(sbq->sb.depth);
25405fd095dSOmar Sandoval 	if (unlikely(hint >= depth)) {
25505fd095dSOmar Sandoval 		hint = depth ? prandom_u32() % depth : 0;
25605fd095dSOmar Sandoval 		this_cpu_write(*sbq->alloc_hint, hint);
25705fd095dSOmar Sandoval 	}
258f4a644dbSOmar Sandoval 	nr = sbitmap_get(&sbq->sb, hint, sbq->round_robin);
25940aabb67SOmar Sandoval 
26040aabb67SOmar Sandoval 	if (nr == -1) {
26140aabb67SOmar Sandoval 		/* If the map is full, a hint won't do us much good. */
26240aabb67SOmar Sandoval 		this_cpu_write(*sbq->alloc_hint, 0);
263f4a644dbSOmar Sandoval 	} else if (nr == hint || unlikely(sbq->round_robin)) {
26440aabb67SOmar Sandoval 		/* Only update the hint if we used it. */
26540aabb67SOmar Sandoval 		hint = nr + 1;
26605fd095dSOmar Sandoval 		if (hint >= depth - 1)
26740aabb67SOmar Sandoval 			hint = 0;
26840aabb67SOmar Sandoval 		this_cpu_write(*sbq->alloc_hint, hint);
26940aabb67SOmar Sandoval 	}
27040aabb67SOmar Sandoval 
27140aabb67SOmar Sandoval 	return nr;
27240aabb67SOmar Sandoval }
27340aabb67SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(__sbitmap_queue_get);
27440aabb67SOmar Sandoval 
27588459642SOmar Sandoval static struct sbq_wait_state *sbq_wake_ptr(struct sbitmap_queue *sbq)
27688459642SOmar Sandoval {
27788459642SOmar Sandoval 	int i, wake_index;
27888459642SOmar Sandoval 
27988459642SOmar Sandoval 	wake_index = atomic_read(&sbq->wake_index);
28088459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < SBQ_WAIT_QUEUES; i++) {
28188459642SOmar Sandoval 		struct sbq_wait_state *ws = &sbq->ws[wake_index];
28288459642SOmar Sandoval 
28388459642SOmar Sandoval 		if (waitqueue_active(&ws->wait)) {
28488459642SOmar Sandoval 			int o = atomic_read(&sbq->wake_index);
28588459642SOmar Sandoval 
28688459642SOmar Sandoval 			if (wake_index != o)
28788459642SOmar Sandoval 				atomic_cmpxchg(&sbq->wake_index, o, wake_index);
28888459642SOmar Sandoval 			return ws;
28988459642SOmar Sandoval 		}
29088459642SOmar Sandoval 
29188459642SOmar Sandoval 		wake_index = sbq_index_inc(wake_index);
29288459642SOmar Sandoval 	}
29388459642SOmar Sandoval 
29488459642SOmar Sandoval 	return NULL;
29588459642SOmar Sandoval }
29688459642SOmar Sandoval 
29788459642SOmar Sandoval static void sbq_wake_up(struct sbitmap_queue *sbq)
29888459642SOmar Sandoval {
29988459642SOmar Sandoval 	struct sbq_wait_state *ws;
30088459642SOmar Sandoval 	int wait_cnt;
30188459642SOmar Sandoval 
302*f66227deSOmar Sandoval 	/*
303*f66227deSOmar Sandoval 	 * Pairs with the memory barrier in set_current_state() to ensure the
304*f66227deSOmar Sandoval 	 * proper ordering of clear_bit()/waitqueue_active() in the waker and
305*f66227deSOmar Sandoval 	 * test_and_set_bit()/prepare_to_wait()/finish_wait() in the waiter. See
306*f66227deSOmar Sandoval 	 * the comment on waitqueue_active(). This is __after_atomic because we
307*f66227deSOmar Sandoval 	 * just did clear_bit() in the caller.
308*f66227deSOmar Sandoval 	 */
309*f66227deSOmar Sandoval 	smp_mb__after_atomic();
31088459642SOmar Sandoval 
31188459642SOmar Sandoval 	ws = sbq_wake_ptr(sbq);
31288459642SOmar Sandoval 	if (!ws)
31388459642SOmar Sandoval 		return;
31488459642SOmar Sandoval 
31588459642SOmar Sandoval 	wait_cnt = atomic_dec_return(&ws->wait_cnt);
31688459642SOmar Sandoval 	if (unlikely(wait_cnt < 0))
31788459642SOmar Sandoval 		wait_cnt = atomic_inc_return(&ws->wait_cnt);
31888459642SOmar Sandoval 	if (wait_cnt == 0) {
31988459642SOmar Sandoval 		atomic_add(sbq->wake_batch, &ws->wait_cnt);
32088459642SOmar Sandoval 		sbq_index_atomic_inc(&sbq->wake_index);
32188459642SOmar Sandoval 		wake_up(&ws->wait);
32288459642SOmar Sandoval 	}
32388459642SOmar Sandoval }
32488459642SOmar Sandoval 
32540aabb67SOmar Sandoval void sbitmap_queue_clear(struct sbitmap_queue *sbq, unsigned int nr,
326f4a644dbSOmar Sandoval 			 unsigned int cpu)
32788459642SOmar Sandoval {
32888459642SOmar Sandoval 	sbitmap_clear_bit(&sbq->sb, nr);
32988459642SOmar Sandoval 	sbq_wake_up(sbq);
3305c64a8dfSOmar Sandoval 	if (likely(!sbq->round_robin && nr < sbq->sb.depth))
33140aabb67SOmar Sandoval 		*per_cpu_ptr(sbq->alloc_hint, cpu) = nr;
33288459642SOmar Sandoval }
33388459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_queue_clear);
33488459642SOmar Sandoval 
33588459642SOmar Sandoval void sbitmap_queue_wake_all(struct sbitmap_queue *sbq)
33688459642SOmar Sandoval {
33788459642SOmar Sandoval 	int i, wake_index;
33888459642SOmar Sandoval 
33988459642SOmar Sandoval 	/*
340*f66227deSOmar Sandoval 	 * Pairs with the memory barrier in set_current_state() like in
341*f66227deSOmar Sandoval 	 * sbq_wake_up().
34288459642SOmar Sandoval 	 */
34388459642SOmar Sandoval 	smp_mb();
34488459642SOmar Sandoval 	wake_index = atomic_read(&sbq->wake_index);
34588459642SOmar Sandoval 	for (i = 0; i < SBQ_WAIT_QUEUES; i++) {
34688459642SOmar Sandoval 		struct sbq_wait_state *ws = &sbq->ws[wake_index];
34788459642SOmar Sandoval 
34888459642SOmar Sandoval 		if (waitqueue_active(&ws->wait))
34988459642SOmar Sandoval 			wake_up(&ws->wait);
35088459642SOmar Sandoval 
35188459642SOmar Sandoval 		wake_index = sbq_index_inc(wake_index);
35288459642SOmar Sandoval 	}
35388459642SOmar Sandoval }
35488459642SOmar Sandoval EXPORT_SYMBOL_GPL(sbitmap_queue_wake_all);
355