f2fs: add bitmaps for empty or full NAT blocks
authorJaegeuk Kim <jaegeuk@kernel.org>
Thu, 9 Feb 2017 18:38:09 +0000 (10:38 -0800)
committerJaegeuk Kim <jaegeuk@kernel.org>
Mon, 27 Feb 2017 17:59:54 +0000 (09:59 -0800)
This patches adds bitmaps to represent empty or full NAT blocks containing
free nid entries.

If we can find valid crc|cp_ver in the last block of checkpoint pack, we'll
use these bitmaps when building free nids. In order to avoid checkpointing
burden, up-to-date bitmaps will be flushed only during umount time. So,
normally we can get this gain, but when power-cut happens, we rely on fsck.f2fs
which recovers this bitmap again.

After this patch, we build free nids from nid #0 at mount time to make more
full NAT blocks, but in runtime, we check empty NAT blocks to load free nids
without loading any NAT pages from disk.

Signed-off-by: Jaegeuk Kim <jaegeuk@kernel.org>
fs/f2fs/checkpoint.c
fs/f2fs/debug.c
fs/f2fs/f2fs.h
fs/f2fs/node.c
fs/f2fs/segment.c
include/linux/f2fs_fs.h

index 042f8d9afe44817cee00412aa169476562782e53..cd7132121573003dae69d3794f7dbda0d5b06c69 100644 (file)
@@ -1024,6 +1024,10 @@ static void update_ckpt_flags(struct f2fs_sb_info *sbi, struct cp_control *cpc)
 
        spin_lock(&sbi->cp_lock);
 
+       if (cpc->reason == CP_UMOUNT && ckpt->cp_pack_total_block_count >
+                       sbi->blocks_per_seg - NM_I(sbi)->nat_bits_blocks)
+               disable_nat_bits(sbi, false);
+
        if (cpc->reason == CP_UMOUNT)
                __set_ckpt_flags(ckpt, CP_UMOUNT_FLAG);
        else
@@ -1136,6 +1140,28 @@ static int do_checkpoint(struct f2fs_sb_info *sbi, struct cp_control *cpc)
 
        start_blk = __start_cp_next_addr(sbi);
 
+       /* write nat bits */
+       if (enabled_nat_bits(sbi, cpc)) {
+               __u64 cp_ver = cur_cp_version(ckpt);
+               unsigned int i;
+               block_t blk;
+
+               cp_ver |= ((__u64)crc32 << 32);
+               *(__le64 *)nm_i->nat_bits = cpu_to_le64(cp_ver);
+
+               blk = start_blk + sbi->blocks_per_seg - nm_i->nat_bits_blocks;
+               for (i = 0; i < nm_i->nat_bits_blocks; i++)
+                       update_meta_page(sbi, nm_i->nat_bits +
+                                       (i << F2FS_BLKSIZE_BITS), blk + i);
+
+               /* Flush all the NAT BITS pages */
+               while (get_pages(sbi, F2FS_DIRTY_META)) {
+                       sync_meta_pages(sbi, META, LONG_MAX);
+                       if (unlikely(f2fs_cp_error(sbi)))
+                               return -EIO;
+               }
+       }
+
        /* need to wait for end_io results */
        wait_on_all_pages_writeback(sbi);
        if (unlikely(f2fs_cp_error(sbi)))
@@ -1272,7 +1298,7 @@ int write_checkpoint(struct f2fs_sb_info *sbi, struct cp_control *cpc)
        ckpt->checkpoint_ver = cpu_to_le64(++ckpt_ver);
 
        /* write cached NAT/SIT entries to NAT/SIT area */
-       flush_nat_entries(sbi);
+       flush_nat_entries(sbi, cpc);
        flush_sit_entries(sbi, cpc);
 
        /* unlock all the fs_lock[] in do_checkpoint() */
index de8da9fc5c992b9e2a1cb9bf7add9ee32c294fd6..015ad2b73a927f0332cb6eccaee6548d86986495 100644 (file)
@@ -193,6 +193,7 @@ static void update_mem_info(struct f2fs_sb_info *sbi)
        /* build nm */
        si->base_mem += sizeof(struct f2fs_nm_info);
        si->base_mem += __bitmap_size(sbi, NAT_BITMAP);
+       si->base_mem += (NM_I(sbi)->nat_bits_blocks << F2FS_BLKSIZE_BITS);
 
 get_cache:
        si->cache_mem = 0;
index e26cc6909a543ef2428360b3df420d5f107a0937..d1156cdd211edcad5e6d2bbd169db40d1258ae96 100644 (file)
@@ -554,6 +554,7 @@ struct f2fs_nm_info {
        struct list_head nat_entries;   /* cached nat entry list (clean) */
        unsigned int nat_cnt;           /* the # of cached nat entries */
        unsigned int dirty_nat_cnt;     /* total num of nat entries in set */
+       unsigned int nat_blocks;        /* # of nat blocks */
 
        /* free node ids management */
        struct radix_tree_root free_nid_root;/* root of the free_nid cache */
@@ -564,6 +565,11 @@ struct f2fs_nm_info {
 
        /* for checkpoint */
        char *nat_bitmap;               /* NAT bitmap pointer */
+
+       unsigned int nat_bits_blocks;   /* # of nat bits blocks */
+       unsigned char *nat_bits;        /* NAT bits blocks */
+       unsigned char *full_nat_bits;   /* full NAT pages */
+       unsigned char *empty_nat_bits;  /* empty NAT pages */
 #ifdef CONFIG_F2FS_CHECK_FS
        char *nat_bitmap_mir;           /* NAT bitmap mirror */
 #endif
@@ -1171,6 +1177,27 @@ static inline void clear_ckpt_flags(struct f2fs_sb_info *sbi, unsigned int f)
        spin_unlock(&sbi->cp_lock);
 }
 
+static inline void disable_nat_bits(struct f2fs_sb_info *sbi, bool lock)
+{
+       set_sbi_flag(sbi, SBI_NEED_FSCK);
+
+       if (lock)
+               spin_lock(&sbi->cp_lock);
+       __clear_ckpt_flags(F2FS_CKPT(sbi), CP_NAT_BITS_FLAG);
+       kfree(NM_I(sbi)->nat_bits);
+       NM_I(sbi)->nat_bits = NULL;
+       if (lock)
+               spin_unlock(&sbi->cp_lock);
+}
+
+static inline bool enabled_nat_bits(struct f2fs_sb_info *sbi,
+                                       struct cp_control *cpc)
+{
+       bool set = is_set_ckpt_flags(sbi, CP_NAT_BITS_FLAG);
+
+       return (cpc) ? (cpc->reason == CP_UMOUNT) && set : set;
+}
+
 static inline void f2fs_lock_op(struct f2fs_sb_info *sbi)
 {
        down_read(&sbi->cp_rwsem);
@@ -2131,7 +2158,7 @@ void move_node_page(struct page *node_page, int gc_type);
 int fsync_node_pages(struct f2fs_sb_info *sbi, struct inode *inode,
                        struct writeback_control *wbc, bool atomic);
 int sync_node_pages(struct f2fs_sb_info *sbi, struct writeback_control *wbc);
-void build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync);
+void build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync, bool mount);
 bool alloc_nid(struct f2fs_sb_info *sbi, nid_t *nid);
 void alloc_nid_done(struct f2fs_sb_info *sbi, nid_t nid);
 void alloc_nid_failed(struct f2fs_sb_info *sbi, nid_t nid);
@@ -2142,7 +2169,7 @@ int recover_xattr_data(struct inode *inode, struct page *page,
 int recover_inode_page(struct f2fs_sb_info *sbi, struct page *page);
 int restore_node_summary(struct f2fs_sb_info *sbi,
                        unsigned int segno, struct f2fs_summary_block *sum);
-void flush_nat_entries(struct f2fs_sb_info *sbi);
+void flush_nat_entries(struct f2fs_sb_info *sbi, struct cp_control *cpc);
 int build_node_manager(struct f2fs_sb_info *sbi);
 void destroy_node_manager(struct f2fs_sb_info *sbi);
 int __init create_node_manager_caches(void);
index 8ebc4c78e6a4882b95304eaecaf433af56e431fb..43d35ec11851c3295beb2c36b6463b402beffd67 100644 (file)
@@ -338,6 +338,9 @@ static void set_node_addr(struct f2fs_sb_info *sbi, struct node_info *ni,
                set_nat_flag(e, IS_CHECKPOINTED, false);
        __set_nat_cache_dirty(nm_i, e);
 
+       if (enabled_nat_bits(sbi, NULL) && new_blkaddr == NEW_ADDR)
+               clear_bit_le(NAT_BLOCK_OFFSET(ni->nid), nm_i->empty_nat_bits);
+
        /* update fsync_mark if its inode nat entry is still alive */
        if (ni->nid != ni->ino)
                e = __lookup_nat_cache(nm_i, ni->ino);
@@ -1841,7 +1844,60 @@ static void scan_nat_page(struct f2fs_sb_info *sbi,
        }
 }
 
-static void __build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync)
+static int scan_nat_bits(struct f2fs_sb_info *sbi)
+{
+       struct f2fs_nm_info *nm_i = NM_I(sbi);
+       struct page *page;
+       unsigned int i = 0;
+       nid_t target = FREE_NID_PAGES * NAT_ENTRY_PER_BLOCK;
+       nid_t nid;
+
+       if (!enabled_nat_bits(sbi, NULL))
+               return -EAGAIN;
+
+       down_read(&nm_i->nat_tree_lock);
+check_empty:
+       i = find_next_bit_le(nm_i->empty_nat_bits, nm_i->nat_blocks, i);
+       if (i >= nm_i->nat_blocks) {
+               i = 0;
+               goto check_partial;
+       }
+
+       for (nid = i * NAT_ENTRY_PER_BLOCK; nid < (i + 1) * NAT_ENTRY_PER_BLOCK;
+                                                                       nid++) {
+               if (unlikely(nid >= nm_i->max_nid))
+                       break;
+               add_free_nid(sbi, nid, true);
+       }
+
+       if (nm_i->nid_cnt[FREE_NID_LIST] >= target)
+               goto out;
+       i++;
+       goto check_empty;
+
+check_partial:
+       i = find_next_zero_bit_le(nm_i->full_nat_bits, nm_i->nat_blocks, i);
+       if (i >= nm_i->nat_blocks) {
+               disable_nat_bits(sbi, true);
+               up_read(&nm_i->nat_tree_lock);
+               return -EINVAL;
+       }
+
+       nid = i * NAT_ENTRY_PER_BLOCK;
+       page = get_current_nat_page(sbi, nid);
+       scan_nat_page(sbi, page, nid);
+       f2fs_put_page(page, 1);
+
+       if (nm_i->nid_cnt[FREE_NID_LIST] < target) {
+               i++;
+               goto check_partial;
+       }
+out:
+       up_read(&nm_i->nat_tree_lock);
+       return 0;
+}
+
+static void __build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync, bool mount)
 {
        struct f2fs_nm_info *nm_i = NM_I(sbi);
        struct curseg_info *curseg = CURSEG_I(sbi, CURSEG_HOT_DATA);
@@ -1856,6 +1912,21 @@ static void __build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync)
        if (!sync && !available_free_memory(sbi, FREE_NIDS))
                return;
 
+       /* try to find free nids with nat_bits */
+       if (!mount && !scan_nat_bits(sbi) && nm_i->nid_cnt[FREE_NID_LIST])
+               return;
+
+       /* find next valid candidate */
+       if (enabled_nat_bits(sbi, NULL)) {
+               int idx = find_next_zero_bit_le(nm_i->full_nat_bits,
+                                       nm_i->nat_blocks, 0);
+
+               if (idx >= nm_i->nat_blocks)
+                       set_sbi_flag(sbi, SBI_NEED_FSCK);
+               else
+                       nid = idx * NAT_ENTRY_PER_BLOCK;
+       }
+
        /* readahead nat pages to be scanned */
        ra_meta_pages(sbi, NAT_BLOCK_OFFSET(nid), FREE_NID_PAGES,
                                                        META_NAT, true);
@@ -1898,10 +1969,10 @@ static void __build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync)
                                        nm_i->ra_nid_pages, META_NAT, false);
 }
 
-void build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync)
+void build_free_nids(struct f2fs_sb_info *sbi, bool sync, bool mount)
 {
        mutex_lock(&NM_I(sbi)->build_lock);
-       __build_free_nids(sbi, sync);
+       __build_free_nids(sbi, sync, mount);
        mutex_unlock(&NM_I(sbi)->build_lock);
 }
 
@@ -1943,7 +2014,7 @@ retry:
        spin_unlock(&nm_i->nid_list_lock);
 
        /* Let's scan nat pages and its caches to get free nids */
-       build_free_nids(sbi, true);
+       build_free_nids(sbi, true, false);
        goto retry;
 }
 
@@ -2235,8 +2306,39 @@ add_out:
        list_add_tail(&nes->set_list, head);
 }
 
+void __update_nat_bits(struct f2fs_sb_info *sbi, nid_t start_nid,
+                                               struct page *page)
+{
+       struct f2fs_nm_info *nm_i = NM_I(sbi);
+       unsigned int nat_index = start_nid / NAT_ENTRY_PER_BLOCK;
+       struct f2fs_nat_block *nat_blk = page_address(page);
+       int valid = 0;
+       int i;
+
+       if (!enabled_nat_bits(sbi, NULL))
+               return;
+
+       for (i = 0; i < NAT_ENTRY_PER_BLOCK; i++) {
+               if (start_nid == 0 && i == 0)
+                       valid++;
+               if (nat_blk->entries[i].block_addr)
+                       valid++;
+       }
+       if (valid == 0) {
+               set_bit_le(nat_index, nm_i->empty_nat_bits);
+               clear_bit_le(nat_index, nm_i->full_nat_bits);
+               return;
+       }
+
+       clear_bit_le(nat_index, nm_i->empty_nat_bits);
+       if (valid == NAT_ENTRY_PER_BLOCK)
+               set_bit_le(nat_index, nm_i->full_nat_bits);
+       else
+               clear_bit_le(nat_index, nm_i->full_nat_bits);
+}
+
 static void __flush_nat_entry_set(struct f2fs_sb_info *sbi,
-                                       struct nat_entry_set *set)
+               struct nat_entry_set *set, struct cp_control *cpc)
 {
        struct curseg_info *curseg = CURSEG_I(sbi, CURSEG_HOT_DATA);
        struct f2fs_journal *journal = curseg->journal;
@@ -2251,7 +2353,8 @@ static void __flush_nat_entry_set(struct f2fs_sb_info *sbi,
         * #1, flush nat entries to journal in current hot data summary block.
         * #2, flush nat entries to nat page.
         */
-       if (!__has_cursum_space(journal, set->entry_cnt, NAT_JOURNAL))
+       if (enabled_nat_bits(sbi, cpc) ||
+               !__has_cursum_space(journal, set->entry_cnt, NAT_JOURNAL))
                to_journal = false;
 
        if (to_journal) {
@@ -2291,10 +2394,12 @@ static void __flush_nat_entry_set(struct f2fs_sb_info *sbi,
                }
        }
 
-       if (to_journal)
+       if (to_journal) {
                up_write(&curseg->journal_rwsem);
-       else
+       } else {
+               __update_nat_bits(sbi, start_nid, page);
                f2fs_put_page(page, 1);
+       }
 
        f2fs_bug_on(sbi, set->entry_cnt);
 
@@ -2305,7 +2410,7 @@ static void __flush_nat_entry_set(struct f2fs_sb_info *sbi,
 /*
  * This function is called during the checkpointing process.
  */
-void flush_nat_entries(struct f2fs_sb_info *sbi)
+void flush_nat_entries(struct f2fs_sb_info *sbi, struct cp_control *cpc)
 {
        struct f2fs_nm_info *nm_i = NM_I(sbi);
        struct curseg_info *curseg = CURSEG_I(sbi, CURSEG_HOT_DATA);
@@ -2326,7 +2431,8 @@ void flush_nat_entries(struct f2fs_sb_info *sbi)
         * entries, remove all entries from journal and merge them
         * into nat entry set.
         */
-       if (!__has_cursum_space(journal, nm_i->dirty_nat_cnt, NAT_JOURNAL))
+       if (cpc->reason == CP_UMOUNT ||
+               !__has_cursum_space(journal, nm_i->dirty_nat_cnt, NAT_JOURNAL))
                remove_nats_in_journal(sbi);
 
        while ((found = __gang_lookup_nat_set(nm_i,
@@ -2340,27 +2446,72 @@ void flush_nat_entries(struct f2fs_sb_info *sbi)
 
        /* flush dirty nats in nat entry set */
        list_for_each_entry_safe(set, tmp, &sets, set_list)
-               __flush_nat_entry_set(sbi, set);
+               __flush_nat_entry_set(sbi, set, cpc);
 
        up_write(&nm_i->nat_tree_lock);
 
        f2fs_bug_on(sbi, nm_i->dirty_nat_cnt);
 }
 
+static int __get_nat_bitmaps(struct f2fs_sb_info *sbi)
+{
+       struct f2fs_checkpoint *ckpt = F2FS_CKPT(sbi);
+       struct f2fs_nm_info *nm_i = NM_I(sbi);
+       unsigned int nat_bits_bytes = nm_i->nat_blocks / BITS_PER_BYTE;
+       unsigned int i;
+       __u64 cp_ver = cur_cp_version(ckpt);
+       size_t crc_offset = le32_to_cpu(ckpt->checksum_offset);
+       __u64 crc = le32_to_cpu(*((__le32 *)
+                               ((unsigned char *)ckpt + crc_offset)));
+       block_t nat_bits_addr;
+
+       if (!enabled_nat_bits(sbi, NULL))
+               return 0;
+
+       nm_i->nat_bits_blocks = F2FS_BYTES_TO_BLK((nat_bits_bytes << 1) + 8 +
+                                               F2FS_BLKSIZE - 1);
+       nm_i->nat_bits = kzalloc(nm_i->nat_bits_blocks << F2FS_BLKSIZE_BITS,
+                                               GFP_KERNEL);
+       if (!nm_i->nat_bits)
+               return -ENOMEM;
+
+       nat_bits_addr = __start_cp_addr(sbi) + sbi->blocks_per_seg -
+                                               nm_i->nat_bits_blocks;
+       for (i = 0; i < nm_i->nat_bits_blocks; i++) {
+               struct page *page = get_meta_page(sbi, nat_bits_addr++);
+
+               memcpy(nm_i->nat_bits + (i << F2FS_BLKSIZE_BITS),
+                                       page_address(page), F2FS_BLKSIZE);
+               f2fs_put_page(page, 1);
+       }
+
+       cp_ver |= (crc << 32);
+       if (cpu_to_le64(cp_ver) != *(__le64 *)nm_i->nat_bits) {
+               disable_nat_bits(sbi, true);
+               return 0;
+       }
+
+       nm_i->full_nat_bits = nm_i->nat_bits + 8;
+       nm_i->empty_nat_bits = nm_i->full_nat_bits + nat_bits_bytes;
+
+       f2fs_msg(sbi->sb, KERN_NOTICE, "Found nat_bits in checkpoint");
+       return 0;
+}
+
 static int init_node_manager(struct f2fs_sb_info *sbi)
 {
        struct f2fs_super_block *sb_raw = F2FS_RAW_SUPER(sbi);
        struct f2fs_nm_info *nm_i = NM_I(sbi);
        unsigned char *version_bitmap;
-       unsigned int nat_segs, nat_blocks;
+       unsigned int nat_segs;
+       int err;
 
        nm_i->nat_blkaddr = le32_to_cpu(sb_raw->nat_blkaddr);
 
        /* segment_count_nat includes pair segment so divide to 2. */
        nat_segs = le32_to_cpu(sb_raw->segment_count_nat) >> 1;
-       nat_blocks = nat_segs << le32_to_cpu(sb_raw->log_blocks_per_seg);
-
-       nm_i->max_nid = NAT_ENTRY_PER_BLOCK * nat_blocks;
+       nm_i->nat_blocks = nat_segs << le32_to_cpu(sb_raw->log_blocks_per_seg);
+       nm_i->max_nid = NAT_ENTRY_PER_BLOCK * nm_i->nat_blocks;
 
        /* not used nids: 0, node, meta, (and root counted as valid node) */
        nm_i->available_nids = nm_i->max_nid - sbi->total_valid_node_count -
@@ -2394,6 +2545,10 @@ static int init_node_manager(struct f2fs_sb_info *sbi)
        if (!nm_i->nat_bitmap)
                return -ENOMEM;
 
+       err = __get_nat_bitmaps(sbi);
+       if (err)
+               return err;
+
 #ifdef CONFIG_F2FS_CHECK_FS
        nm_i->nat_bitmap_mir = kmemdup(version_bitmap, nm_i->bitmap_size,
                                        GFP_KERNEL);
@@ -2416,7 +2571,7 @@ int build_node_manager(struct f2fs_sb_info *sbi)
        if (err)
                return err;
 
-       build_free_nids(sbi, true);
+       build_free_nids(sbi, true, true);
        return 0;
 }
 
@@ -2475,6 +2630,7 @@ void destroy_node_manager(struct f2fs_sb_info *sbi)
        up_write(&nm_i->nat_tree_lock);
 
        kfree(nm_i->nat_bitmap);
+       kfree(nm_i->nat_bits);
 #ifdef CONFIG_F2FS_CHECK_FS
        kfree(nm_i->nat_bitmap_mir);
 #endif
index 3e95db5375ed0d9ab762558d188b0c0935b531fb..9eb6d89bf9e22a2b0c26bace044bb29b21186071 100644 (file)
@@ -386,7 +386,7 @@ void f2fs_balance_fs_bg(struct f2fs_sb_info *sbi)
        if (!available_free_memory(sbi, FREE_NIDS))
                try_to_free_nids(sbi, MAX_FREE_NIDS);
        else
-               build_free_nids(sbi, false);
+               build_free_nids(sbi, false, false);
 
        if (!is_idle(sbi))
                return;
index f0748524ca8ce5199b5326a3fe582e93625464b0..1c92ace2e8f8e3ab16f28813fe8beb1734972e53 100644 (file)
@@ -114,6 +114,7 @@ struct f2fs_super_block {
 /*
  * For checkpoint
  */
+#define CP_NAT_BITS_FLAG       0x00000080
 #define CP_CRC_RECOVERY_FLAG   0x00000040
 #define CP_FASTBOOT_FLAG       0x00000020
 #define CP_FSCK_FLAG           0x00000010