mm/readahead.c

   1 /*
   2  * mm/readahead.c - address_space-level file readahead.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2002, Linus Torvalds
   5  *
   6  * 09Apr2002    Andrew Morton
   7  *              Initial version.
   8  */
   9
  10 #include <linux/kernel.h>
  11 #include <linux/gfp.h>
  12 #include <linux/export.h>
  13 #include <linux/blkdev.h>
  14 #include <linux/backing-dev.h>
  15 #include <linux/task_io_accounting_ops.h>
  16 #include <linux/pagevec.h>
  17 #include <linux/pagemap.h>
  18 #include <linux/syscalls.h>
  19 #include <linux/file.h>
  20
  21 #include "internal.h"
  22
  23 /*
  24  * Initialise a struct file's readahead state.  Assumes that the caller has
  25  * memset *ra to zero.
  26  */
  27 void
  28 file_ra_state_init(struct file_ra_state *ra, struct address_space *mapping)
  29 {
  30         ra->ra_pages = inode_to_bdi(mapping->host)->ra_pages;
  31         ra->prev_pos = -1;
  32 }
  33 EXPORT_SYMBOL_GPL(file_ra_state_init);
  34
  35 #define list_to_page(head) (list_entry((head)->prev, struct page, lru))
  36
  37 /*
  38  * see if a page needs releasing upon read_cache_pages() failure
  39  * - the caller of read_cache_pages() may have set PG_private or PG_fscache
  40  *   before calling, such as the NFS fs marking pages that are cached locally
  41  *   on disk, thus we need to give the fs a chance to clean up in the event of
  42  *   an error
  43  */
  44 static void read_cache_pages_invalidate_page(struct address_space *mapping,
  45                                              struct page *page)
  46 {
  47         if (page_has_private(page)) {
  48                 if (!trylock_page(page))
  49                         BUG();
  50                 page->mapping = mapping;
  51                 do_invalidatepage(page, 0, PAGE_CACHE_SIZE);
  52                 page->mapping = NULL;
  53                 unlock_page(page);
  54         }
  55         page_cache_release(page);
  56 }
  57
  58 /*
  59  * release a list of pages, invalidating them first if need be
  60  */
  61 static void read_cache_pages_invalidate_pages(struct address_space *mapping,
  62                                               struct list_head *pages)
  63 {
  64         struct page *victim;
  65
  66         while (!list_empty(pages)) {
  67                 victim = list_to_page(pages);
  68                 list_del(&victim->lru);
  69                 read_cache_pages_invalidate_page(mapping, victim);
  70         }
  71 }
  72
  73 /**
  74  * read_cache_pages - populate an address space with some pages & start reads against them
  75  * @mapping: the address_space
  76  * @pages: The address of a list_head which contains the target pages.  These
  77  *   pages have their ->index populated and are otherwise uninitialised.
  78  * @filler: callback routine for filling a single page.
  79  * @data: private data for the callback routine.
  80  *
  81  * Hides the details of the LRU cache etc from the filesystems.
  82  */
  83 int read_cache_pages(struct address_space *mapping, struct list_head *pages,
  84                         int (*filler)(void *, struct page *), void *data)
  85 {
  86         struct page *page;
  87         int ret = 0;
  88
  89         while (!list_empty(pages)) {
  90                 page = list_to_page(pages);
  91                 list_del(&page->lru);
  92                 if (add_to_page_cache_lru(page, mapping, page->index,
  93                                 mapping_gfp_constraint(mapping, GFP_KERNEL))) {
  94                         read_cache_pages_invalidate_page(mapping, page);
  95                         continue;
  96                 }
  97                 page_cache_release(page);
  98
  99                 ret = filler(data, page);
 100                 if (unlikely(ret)) {
 101                         read_cache_pages_invalidate_pages(mapping, pages);
 102                         break;
 103                 }
 104                 task_io_account_read(PAGE_CACHE_SIZE);
 105         }
 106         return ret;
 107 }
 108
 109 EXPORT_SYMBOL(read_cache_pages);
 110
 111 static int read_pages(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 112                 struct list_head *pages, unsigned nr_pages)
 113 {
 114         struct blk_plug plug;
 115         unsigned page_idx;
 116         int ret;
 117
 118         blk_start_plug(&plug);
 119
 120         if (mapping->a_ops->readpages) {
 121                 ret = mapping->a_ops->readpages(filp, mapping, pages, nr_pages);
 122                 /* Clean up the remaining pages */
 123                 put_pages_list(pages);
 124                 goto out;
 125         }
 126
 127         for (page_idx = 0; page_idx < nr_pages; page_idx++) {
 128                 struct page *page = list_to_page(pages);
 129                 list_del(&page->lru);
 130                 if (!add_to_page_cache_lru(page, mapping, page->index,
 131                                 mapping_gfp_constraint(mapping, GFP_KERNEL))) {
 132                         mapping->a_ops->readpage(filp, page);
 133                 }
 134                 page_cache_release(page);
 135         }
 136         ret = 0;
 137
 138 out:
 139         blk_finish_plug(&plug);
 140
 141         return ret;
 142 }
 143
 144 /*
 145  * __do_page_cache_readahead() actually reads a chunk of disk.  It allocates all
 146  * the pages first, then submits them all for I/O. This avoids the very bad
 147  * behaviour which would occur if page allocations are causing VM writeback.
 148  * We really don't want to intermingle reads and writes like that.
 149  *
 150  * Returns the number of pages requested, or the maximum amount of I/O allowed.
 151  */
 152 int __do_page_cache_readahead(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 153                         pgoff_t offset, unsigned long nr_to_read,
 154                         unsigned long lookahead_size)
 155 {
 156         struct inode *inode = mapping->host;
 157         struct page *page;
 158         unsigned long end_index;        /* The last page we want to read */
 159         LIST_HEAD(page_pool);
 160         int page_idx;
 161         int ret = 0;
 162         loff_t isize = i_size_read(inode);
 163
 164         if (isize == 0)
 165                 goto out;
 166
 167         end_index = ((isize - 1) >> PAGE_CACHE_SHIFT);
 168
 169         /*
 170          * Preallocate as many pages as we will need.
 171          */
 172         for (page_idx = 0; page_idx < nr_to_read; page_idx++) {
 173                 pgoff_t page_offset = offset + page_idx;
 174
 175                 if (page_offset > end_index)
 176                         break;
 177
 178                 rcu_read_lock();
 179                 page = radix_tree_lookup(&mapping->page_tree, page_offset);
 180                 rcu_read_unlock();
 181                 if (page && !radix_tree_exceptional_entry(page))
 182                         continue;
 183
 184                 page = page_cache_alloc_readahead(mapping);
 185                 if (!page)
 186                         break;
 187                 page->index = page_offset;
 188                 list_add(&page->lru, &page_pool);
 189                 if (page_idx == nr_to_read - lookahead_size)
 190                         SetPageReadahead(page);
 191                 ret++;
 192         }
 193
 194         /*
 195          * Now start the IO.  We ignore I/O errors - if the page is not
 196          * uptodate then the caller will launch readpage again, and
 197          * will then handle the error.
 198          */
 199         if (ret)
 200                 read_pages(mapping, filp, &page_pool, ret);
 201         BUG_ON(!list_empty(&page_pool));
 202 out:
 203         return ret;
 204 }
 205
 206 /*
 207  * Chunk the readahead into 2 megabyte units, so that we don't pin too much
 208  * memory at once.
 209  */
 210 int force_page_cache_readahead(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 211                 pgoff_t offset, unsigned long nr_to_read)
 212 {
 213         if (unlikely(!mapping->a_ops->readpage && !mapping->a_ops->readpages))
 214                 return -EINVAL;
 215
 216         nr_to_read = min(nr_to_read, inode_to_bdi(mapping->host)->ra_pages);
 217         while (nr_to_read) {
 218                 int err;
 219
 220                 unsigned long this_chunk = (2 * 1024 * 1024) / PAGE_CACHE_SIZE;
 221
 222                 if (this_chunk > nr_to_read)
 223                         this_chunk = nr_to_read;
 224                 err = __do_page_cache_readahead(mapping, filp,
 225                                                 offset, this_chunk, 0);
 226                 if (err < 0)
 227                         return err;
 228
 229                 offset += this_chunk;
 230                 nr_to_read -= this_chunk;
 231         }
 232         return 0;
 233 }
 234
 235 /*
 236  * Set the initial window size, round to next power of 2 and square
 237  * for small size, x 4 for medium, and x 2 for large
 238  * for 128k (32 page) max ra
 239  * 1-8 page = 32k initial, > 8 page = 128k initial
 240  */
 241 static unsigned long get_init_ra_size(unsigned long size, unsigned long max)
 242 {
 243         unsigned long newsize = roundup_pow_of_two(size);
 244
 245         if (newsize <= max / 32)
 246                 newsize = newsize * 4;
 247         else if (newsize <= max / 4)
 248                 newsize = newsize * 2;
 249         else
 250                 newsize = max;
 251
 252         return newsize;
 253 }
 254
 255 /*
 256  *  Get the previous window size, ramp it up, and
 257  *  return it as the new window size.
 258  */
 259 static unsigned long get_next_ra_size(struct file_ra_state *ra,
 260                                                 unsigned long max)
 261 {
 262         unsigned long cur = ra->size;
 263         unsigned long newsize;
 264
 265         if (cur < max / 16)
 266                 newsize = 4 * cur;
 267         else
 268                 newsize = 2 * cur;
 269
 270         return min(newsize, max);
 271 }
 272
 273 /*
 274  * On-demand readahead design.
 275  *
 276  * The fields in struct file_ra_state represent the most-recently-executed
 277  * readahead attempt:
 278  *
 279  *                        |<----- async_size ---------|
 280  *     |------------------- size -------------------->|
 281  *     |==================#===========================|
 282  *     ^start             ^page marked with PG_readahead
 283  *
 284  * To overlap application thinking time and disk I/O time, we do
 285  * `readahead pipelining': Do not wait until the application consumed all
 286  * readahead pages and stalled on the missing page at readahead_index;
 287  * Instead, submit an asynchronous readahead I/O as soon as there are
 288  * only async_size pages left in the readahead window. Normally async_size
 289  * will be equal to size, for maximum pipelining.
 290  *
 291  * In interleaved sequential reads, concurrent streams on the same fd can
 292  * be invalidating each other's readahead state. So we flag the new readahead
 293  * page at (start+size-async_size) with PG_readahead, and use it as readahead
 294  * indicator. The flag won't be set on already cached pages, to avoid the
 295  * readahead-for-nothing fuss, saving pointless page cache lookups.
 296  *
 297  * prev_pos tracks the last visited byte in the _previous_ read request.
 298  * It should be maintained by the caller, and will be used for detecting
 299  * small random reads. Note that the readahead algorithm checks loosely
 300  * for sequential patterns. Hence interleaved reads might be served as
 301  * sequential ones.
 302  *
 303  * There is a special-case: if the first page which the application tries to
 304  * read happens to be the first page of the file, it is assumed that a linear
 305  * read is about to happen and the window is immediately set to the initial size
 306  * based on I/O request size and the max_readahead.
 307  *
 308  * The code ramps up the readahead size aggressively at first, but slow down as
 309  * it approaches max_readhead.
 310  */
 311
 312 /*
 313  * Count contiguously cached pages from @offset-1 to @offset-@max,
 314  * this count is a conservative estimation of
 315  *      - length of the sequential read sequence, or
 316  *      - thrashing threshold in memory tight systems
 317  */
 318 static pgoff_t count_history_pages(struct address_space *mapping,
 319                                    pgoff_t offset, unsigned long max)
 320 {
 321         pgoff_t head;
 322
 323         rcu_read_lock();
 324         head = page_cache_prev_hole(mapping, offset - 1, max);
 325         rcu_read_unlock();
 326
 327         return offset - 1 - head;
 328 }
 329
 330 /*
 331  * page cache context based read-ahead
 332  */
 333 static int try_context_readahead(struct address_space *mapping,
 334                                  struct file_ra_state *ra,
 335                                  pgoff_t offset,
 336                                  unsigned long req_size,
 337                                  unsigned long max)
 338 {
 339         pgoff_t size;
 340
 341         size = count_history_pages(mapping, offset, max);
 342
 343         /*
 344          * not enough history pages:
 345          * it could be a random read
 346          */
 347         if (size <= req_size)
 348                 return 0;
 349
 350         /*
 351          * starts from beginning of file:
 352          * it is a strong indication of long-run stream (or whole-file-read)
 353          */
 354         if (size >= offset)
 355                 size *= 2;
 356
 357         ra->start = offset;
 358         ra->size = min(size + req_size, max);
 359         ra->async_size = 1;
 360
 361         return 1;
 362 }
 363
 364 /*
 365  * A minimal readahead algorithm for trivial sequential/random reads.
 366  */
 367 static unsigned long
 368 ondemand_readahead(struct address_space *mapping,
 369                    struct file_ra_state *ra, struct file *filp,
 370                    bool hit_readahead_marker, pgoff_t offset,
 371                    unsigned long req_size)
 372 {
 373         unsigned long max = ra->ra_pages;
 374         pgoff_t prev_offset;
 375
 376         /*
 377          * start of file
 378          */
 379         if (!offset)
 380                 goto initial_readahead;
 381
 382         /*
 383          * It's the expected callback offset, assume sequential access.
 384          * Ramp up sizes, and push forward the readahead window.
 385          */
 386         if ((offset == (ra->start + ra->size - ra->async_size) ||
 387              offset == (ra->start + ra->size))) {
 388                 ra->start += ra->size;
 389                 ra->size = get_next_ra_size(ra, max);
 390                 ra->async_size = ra->size;
 391                 goto readit;
 392         }
 393
 394         /*
 395          * Hit a marked page without valid readahead state.
 396          * E.g. interleaved reads.
 397          * Query the pagecache for async_size, which normally equals to
 398          * readahead size. Ramp it up and use it as the new readahead size.
 399          */
 400         if (hit_readahead_marker) {
 401                 pgoff_t start;
 402
 403                 rcu_read_lock();
 404                 start = page_cache_next_hole(mapping, offset + 1, max);
 405                 rcu_read_unlock();
 406
 407                 if (!start || start - offset > max)
 408                         return 0;
 409
 410                 ra->start = start;
 411                 ra->size = start - offset;      /* old async_size */
 412                 ra->size += req_size;
 413                 ra->size = get_next_ra_size(ra, max);
 414                 ra->async_size = ra->size;
 415                 goto readit;
 416         }
 417
 418         /*
 419          * oversize read
 420          */
 421         if (req_size > max)
 422                 goto initial_readahead;
 423
 424         /*
 425          * sequential cache miss
 426          * trivial case: (offset - prev_offset) == 1
 427          * unaligned reads: (offset - prev_offset) == 0
 428          */
 429         prev_offset = (unsigned long long)ra->prev_pos >> PAGE_CACHE_SHIFT;
 430         if (offset - prev_offset <= 1UL)
 431                 goto initial_readahead;
 432
 433         /*
 434          * Query the page cache and look for the traces(cached history pages)
 435          * that a sequential stream would leave behind.
 436          */
 437         if (try_context_readahead(mapping, ra, offset, req_size, max))
 438                 goto readit;
 439
 440         /*
 441          * standalone, small random read
 442          * Read as is, and do not pollute the readahead state.
 443          */
 444         return __do_page_cache_readahead(mapping, filp, offset, req_size, 0);
 445
 446 initial_readahead:
 447         ra->start = offset;
 448         ra->size = get_init_ra_size(req_size, max);
 449         ra->async_size = ra->size > req_size ? ra->size - req_size : ra->size;
 450
 451 readit:
 452         /*
 453          * Will this read hit the readahead marker made by itself?
 454          * If so, trigger the readahead marker hit now, and merge
 455          * the resulted next readahead window into the current one.
 456          */
 457         if (offset == ra->start && ra->size == ra->async_size) {
 458                 ra->async_size = get_next_ra_size(ra, max);
 459                 ra->size += ra->async_size;
 460         }
 461
 462         return ra_submit(ra, mapping, filp);
 463 }
 464
 465 /**
 466  * page_cache_sync_readahead - generic file readahead
 467  * @mapping: address_space which holds the pagecache and I/O vectors
 468  * @ra: file_ra_state which holds the readahead state
 469  * @filp: passed on to ->readpage() and ->readpages()
 470  * @offset: start offset into @mapping, in pagecache page-sized units
 471  * @req_size: hint: total size of the read which the caller is performing in
 472  *            pagecache pages
 473  *
 474  * page_cache_sync_readahead() should be called when a cache miss happened:
 475  * it will submit the read.  The readahead logic may decide to piggyback more
 476  * pages onto the read request if access patterns suggest it will improve
 477  * performance.
 478  */
 479 void page_cache_sync_readahead(struct address_space *mapping,
 480                                struct file_ra_state *ra, struct file *filp,
 481                                pgoff_t offset, unsigned long req_size)
 482 {
 483         /* no read-ahead */
 484         if (!ra->ra_pages)
 485                 return;
 486
 487         /* be dumb */
 488         if (filp && (filp->f_mode & FMODE_RANDOM)) {
 489                 force_page_cache_readahead(mapping, filp, offset, req_size);
 490                 return;
 491         }
 492
 493         /* do read-ahead */
 494         ondemand_readahead(mapping, ra, filp, false, offset, req_size);
 495 }
 496 EXPORT_SYMBOL_GPL(page_cache_sync_readahead);
 497
 498 /**
 499  * page_cache_async_readahead - file readahead for marked pages
 500  * @mapping: address_space which holds the pagecache and I/O vectors
 501  * @ra: file_ra_state which holds the readahead state
 502  * @filp: passed on to ->readpage() and ->readpages()
 503  * @page: the page at @offset which has the PG_readahead flag set
 504  * @offset: start offset into @mapping, in pagecache page-sized units
 505  * @req_size: hint: total size of the read which the caller is performing in
 506  *            pagecache pages
 507  *
 508  * page_cache_async_readahead() should be called when a page is used which
 509  * has the PG_readahead flag; this is a marker to suggest that the application
 510  * has used up enough of the readahead window that we should start pulling in
 511  * more pages.
 512  */
 513 void
 514 page_cache_async_readahead(struct address_space *mapping,
 515                            struct file_ra_state *ra, struct file *filp,
 516                            struct page *page, pgoff_t offset,
 517                            unsigned long req_size)
 518 {
 519         /* no read-ahead */
 520         if (!ra->ra_pages)
 521                 return;
 522
 523         /*
 524          * Same bit is used for PG_readahead and PG_reclaim.
 525          */
 526         if (PageWriteback(page))
 527                 return;
 528
 529         ClearPageReadahead(page);
 530
 531         /*
 532          * Defer asynchronous read-ahead on IO congestion.
 533          */
 534         if (inode_read_congested(mapping->host))
 535                 return;
 536
 537         /* do read-ahead */
 538         ondemand_readahead(mapping, ra, filp, true, offset, req_size);
 539 }
 540 EXPORT_SYMBOL_GPL(page_cache_async_readahead);
 541
 542 static ssize_t
 543 do_readahead(struct address_space *mapping, struct file *filp,
 544              pgoff_t index, unsigned long nr)
 545 {
 546         if (!mapping || !mapping->a_ops)
 547                 return -EINVAL;
 548
 549         return force_page_cache_readahead(mapping, filp, index, nr);
 550 }
 551
 552 SYSCALL_DEFINE3(readahead, int, fd, loff_t, offset, size_t, count)
 553 {
 554         ssize_t ret;
 555         struct fd f;
 556
 557         ret = -EBADF;
 558         f = fdget(fd);
 559         if (f.file) {
 560                 if (f.file->f_mode & FMODE_READ) {
 561                         struct address_space *mapping = f.file->f_mapping;
 562                         pgoff_t start = offset >> PAGE_CACHE_SHIFT;
 563                         pgoff_t end = (offset + count - 1) >> PAGE_CACHE_SHIFT;
 564                         unsigned long len = end - start + 1;
 565                         ret = do_readahead(mapping, f.file, start, len);
 566                 }
 567                 fdput(f);
 568         }
 569         return ret;
 570 }