drivers/block/brd.c

   1 /*
   2  * Ram backed block device driver.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2007 Nick Piggin
   5  * Copyright (C) 2007 Novell Inc.
   6  *
   7  * Parts derived from drivers/block/rd.c, and drivers/block/loop.c, copyright
   8  * of their respective owners.
   9  */
  10
  11 #include <linux/init.h>
  12 #include <linux/module.h>
  13 #include <linux/moduleparam.h>
  14 #include <linux/major.h>
  15 #include <linux/blkdev.h>
  16 #include <linux/bio.h>
  17 #include <linux/highmem.h>
  18 #include <linux/mutex.h>
  19 #include <linux/radix-tree.h>
  20 #include <linux/buffer_head.h> /* invalidate_bh_lrus() */
  21 #include <linux/slab.h>
  22
  23 #include <asm/uaccess.h>
  24
  25 #define SECTOR_SHIFT            9
  26 #define PAGE_SECTORS_SHIFT      (PAGE_SHIFT - SECTOR_SHIFT)
  27 #define PAGE_SECTORS            (1 << PAGE_SECTORS_SHIFT)
  28
  29 /*
  30  * Each block ramdisk device has a radix_tree brd_pages of pages that stores
  31  * the pages containing the block device's contents. A brd page's ->index is
  32  * its offset in PAGE_SIZE units. This is similar to, but in no way connected
  33  * with, the kernel's pagecache or buffer cache (which sit above our block
  34  * device).
  35  */
  36 struct brd_device {
  37         int             brd_number;
  38
  39         struct request_queue    *brd_queue;
  40         struct gendisk          *brd_disk;
  41         struct list_head        brd_list;
  42
  43         /*
  44          * Backing store of pages and lock to protect it. This is the contents
  45          * of the block device.
  46          */
  47         spinlock_t              brd_lock;
  48         struct radix_tree_root  brd_pages;
  49 };
  50
  51 /*
  52  * Look up and return a brd's page for a given sector.
  53  */
  54 static DEFINE_MUTEX(brd_mutex);
  55 static struct page *brd_lookup_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
  56 {
  57         pgoff_t idx;
  58         struct page *page;
  59
  60         /*
  61          * The page lifetime is protected by the fact that we have opened the
  62          * device node -- brd pages will never be deleted under us, so we
  63          * don't need any further locking or refcounting.
  64          *
  65          * This is strictly true for the radix-tree nodes as well (ie. we
  66          * don't actually need the rcu_read_lock()), however that is not a
  67          * documented feature of the radix-tree API so it is better to be
  68          * safe here (we don't have total exclusion from radix tree updates
  69          * here, only deletes).
  70          */
  71         rcu_read_lock();
  72         idx = sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT; /* sector to page index */
  73         page = radix_tree_lookup(&brd->brd_pages, idx);
  74         rcu_read_unlock();
  75
  76         BUG_ON(page && page->index != idx);
  77
  78         return page;
  79 }
  80
  81 /*
  82  * Look up and return a brd's page for a given sector.
  83  * If one does not exist, allocate an empty page, and insert that. Then
  84  * return it.
  85  */
  86 static struct page *brd_insert_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
  87 {
  88         pgoff_t idx;
  89         struct page *page;
  90         gfp_t gfp_flags;
  91
  92         page = brd_lookup_page(brd, sector);
  93         if (page)
  94                 return page;
  95
  96         /*
  97          * Must use NOIO because we don't want to recurse back into the
  98          * block or filesystem layers from page reclaim.
  99          *
 100          * Cannot support XIP and highmem, because our ->direct_access
 101          * routine for XIP must return memory that is always addressable.
 102          * If XIP was reworked to use pfns and kmap throughout, this
 103          * restriction might be able to be lifted.
 104          */
 105         gfp_flags = GFP_NOIO | __GFP_ZERO;
 106 #ifndef CONFIG_BLK_DEV_XIP
 107         gfp_flags |= __GFP_HIGHMEM;
 108 #endif
 109         page = alloc_page(gfp_flags);
 110         if (!page)
 111                 return NULL;
 112
 113         if (radix_tree_preload(GFP_NOIO)) {
 114                 __free_page(page);
 115                 return NULL;
 116         }
 117
 118         spin_lock(&brd->brd_lock);
 119         idx = sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT;
 120         if (radix_tree_insert(&brd->brd_pages, idx, page)) {
 121                 __free_page(page);
 122                 page = radix_tree_lookup(&brd->brd_pages, idx);
 123                 BUG_ON(!page);
 124                 BUG_ON(page->index != idx);
 125         } else
 126                 page->index = idx;
 127         spin_unlock(&brd->brd_lock);
 128
 129         radix_tree_preload_end();
 130
 131         return page;
 132 }
 133
 134 static void brd_free_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
 135 {
 136         struct page *page;
 137         pgoff_t idx;
 138
 139         spin_lock(&brd->brd_lock);
 140         idx = sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT;
 141         page = radix_tree_delete(&brd->brd_pages, idx);
 142         spin_unlock(&brd->brd_lock);
 143         if (page)
 144                 __free_page(page);
 145 }
 146
 147 static void brd_zero_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
 148 {
 149         struct page *page;
 150
 151         page = brd_lookup_page(brd, sector);
 152         if (page)
 153                 clear_highpage(page);
 154 }
 155
 156 /*
 157  * Free all backing store pages and radix tree. This must only be called when
 158  * there are no other users of the device.
 159  */
 160 #define FREE_BATCH 16
 161 static void brd_free_pages(struct brd_device *brd)
 162 {
 163         unsigned long pos = 0;
 164         struct page *pages[FREE_BATCH];
 165         int nr_pages;
 166
 167         do {
 168                 int i;
 169
 170                 nr_pages = radix_tree_gang_lookup(&brd->brd_pages,
 171                                 (void **)pages, pos, FREE_BATCH);
 172
 173                 for (i = 0; i < nr_pages; i++) {
 174                         void *ret;
 175
 176                         BUG_ON(pages[i]->index < pos);
 177                         pos = pages[i]->index;
 178                         ret = radix_tree_delete(&brd->brd_pages, pos);
 179                         BUG_ON(!ret || ret != pages[i]);
 180                         __free_page(pages[i]);
 181                 }
 182
 183                 pos++;
 184
 185                 /*
 186                  * This assumes radix_tree_gang_lookup always returns as
 187                  * many pages as possible. If the radix-tree code changes,
 188                  * so will this have to.
 189                  */
 190         } while (nr_pages == FREE_BATCH);
 191 }
 192
 193 /*
 194  * copy_to_brd_setup must be called before copy_to_brd. It may sleep.
 195  */
 196 static int copy_to_brd_setup(struct brd_device *brd, sector_t sector, size_t n)
 197 {
 198         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 199         size_t copy;
 200
 201         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 202         if (!brd_insert_page(brd, sector))
 203                 return -ENOMEM;
 204         if (copy < n) {
 205                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 206                 if (!brd_insert_page(brd, sector))
 207                         return -ENOMEM;
 208         }
 209         return 0;
 210 }
 211
 212 static void discard_from_brd(struct brd_device *brd,
 213                         sector_t sector, size_t n)
 214 {
 215         while (n >= PAGE_SIZE) {
 216                 /*
 217                  * Don't want to actually discard pages here because
 218                  * re-allocating the pages can result in writeback
 219                  * deadlocks under heavy load.
 220                  */
 221                 if (0)
 222                         brd_free_page(brd, sector);
 223                 else
 224                         brd_zero_page(brd, sector);
 225                 sector += PAGE_SIZE >> SECTOR_SHIFT;
 226                 n -= PAGE_SIZE;
 227         }
 228 }
 229
 230 /*
 231  * Copy n bytes from src to the brd starting at sector. Does not sleep.
 232  */
 233 static void copy_to_brd(struct brd_device *brd, const void *src,
 234                         sector_t sector, size_t n)
 235 {
 236         struct page *page;
 237         void *dst;
 238         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 239         size_t copy;
 240
 241         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 242         page = brd_lookup_page(brd, sector);
 243         BUG_ON(!page);
 244
 245         dst = kmap_atomic(page, KM_USER1);
 246         memcpy(dst + offset, src, copy);
 247         kunmap_atomic(dst, KM_USER1);
 248
 249         if (copy < n) {
 250                 src += copy;
 251                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 252                 copy = n - copy;
 253                 page = brd_lookup_page(brd, sector);
 254                 BUG_ON(!page);
 255
 256                 dst = kmap_atomic(page, KM_USER1);
 257                 memcpy(dst, src, copy);
 258                 kunmap_atomic(dst, KM_USER1);
 259         }
 260 }
 261
 262 /*
 263  * Copy n bytes to dst from the brd starting at sector. Does not sleep.
 264  */
 265 static void copy_from_brd(void *dst, struct brd_device *brd,
 266                         sector_t sector, size_t n)
 267 {
 268         struct page *page;
 269         void *src;
 270         unsigned int offset = (sector & (PAGE_SECTORS-1)) << SECTOR_SHIFT;
 271         size_t copy;
 272
 273         copy = min_t(size_t, n, PAGE_SIZE - offset);
 274         page = brd_lookup_page(brd, sector);
 275         if (page) {
 276                 src = kmap_atomic(page, KM_USER1);
 277                 memcpy(dst, src + offset, copy);
 278                 kunmap_atomic(src, KM_USER1);
 279         } else
 280                 memset(dst, 0, copy);
 281
 282         if (copy < n) {
 283                 dst += copy;
 284                 sector += copy >> SECTOR_SHIFT;
 285                 copy = n - copy;
 286                 page = brd_lookup_page(brd, sector);
 287                 if (page) {
 288                         src = kmap_atomic(page, KM_USER1);
 289                         memcpy(dst, src, copy);
 290                         kunmap_atomic(src, KM_USER1);
 291                 } else
 292                         memset(dst, 0, copy);
 293         }
 294 }
 295
 296 /*
 297  * Process a single bvec of a bio.
 298  */
 299 static int brd_do_bvec(struct brd_device *brd, struct page *page,
 300                         unsigned int len, unsigned int off, int rw,
 301                         sector_t sector)
 302 {
 303         void *mem;
 304         int err = 0;
 305
 306         if (rw != READ) {
 307                 err = copy_to_brd_setup(brd, sector, len);
 308                 if (err)
 309                         goto out;
 310         }
 311
 312         mem = kmap_atomic(page, KM_USER0);
 313         if (rw == READ) {
 314                 copy_from_brd(mem + off, brd, sector, len);
 315                 flush_dcache_page(page);
 316         } else {
 317                 flush_dcache_page(page);
 318                 copy_to_brd(brd, mem + off, sector, len);
 319         }
 320         kunmap_atomic(mem, KM_USER0);
 321
 322 out:
 323         return err;
 324 }
 325
 326 static void brd_make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio)
 327 {
 328         struct block_device *bdev = bio->bi_bdev;
 329         struct brd_device *brd = bdev->bd_disk->private_data;
 330         int rw;
 331         struct bio_vec *bvec;
 332         sector_t sector;
 333         int i;
 334         int err = -EIO;
 335
 336         sector = bio->bi_sector;
 337         if (sector + (bio->bi_size >> SECTOR_SHIFT) >
 338                                                 get_capacity(bdev->bd_disk))
 339                 goto out;
 340
 341         if (unlikely(bio->bi_rw & REQ_DISCARD)) {
 342                 err = 0;
 343                 discard_from_brd(brd, sector, bio->bi_size);
 344                 goto out;
 345         }
 346
 347         rw = bio_rw(bio);
 348         if (rw == READA)
 349                 rw = READ;
 350
 351         bio_for_each_segment(bvec, bio, i) {
 352                 unsigned int len = bvec->bv_len;
 353                 err = brd_do_bvec(brd, bvec->bv_page, len,
 354                                         bvec->bv_offset, rw, sector);
 355                 if (err)
 356                         break;
 357                 sector += len >> SECTOR_SHIFT;
 358         }
 359
 360 out:
 361         bio_endio(bio, err);
 362 }
 363
 364 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_XIP
 365 static int brd_direct_access(struct block_device *bdev, sector_t sector,
 366                         void **kaddr, unsigned long *pfn)
 367 {
 368         struct brd_device *brd = bdev->bd_disk->private_data;
 369         struct page *page;
 370
 371         if (!brd)
 372                 return -ENODEV;
 373         if (sector & (PAGE_SECTORS-1))
 374                 return -EINVAL;
 375         if (sector + PAGE_SECTORS > get_capacity(bdev->bd_disk))
 376                 return -ERANGE;
 377         page = brd_insert_page(brd, sector);
 378         if (!page)
 379                 return -ENOMEM;
 380         *kaddr = page_address(page);
 381         *pfn = page_to_pfn(page);
 382
 383         return 0;
 384 }
 385 #endif
 386
 387 static int brd_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,
 388                         unsigned int cmd, unsigned long arg)
 389 {
 390         int error;
 391         struct brd_device *brd = bdev->bd_disk->private_data;
 392
 393         if (cmd != BLKFLSBUF)
 394                 return -ENOTTY;
 395
 396         /*
 397          * ram device BLKFLSBUF has special semantics, we want to actually
 398          * release and destroy the ramdisk data.
 399          */
 400         mutex_lock(&brd_mutex);
 401         mutex_lock(&bdev->bd_mutex);
 402         error = -EBUSY;
 403         if (bdev->bd_openers <= 1) {
 404                 /*
 405                  * Invalidate the cache first, so it isn't written
 406                  * back to the device.
 407                  *
 408                  * Another thread might instantiate more buffercache here,
 409                  * but there is not much we can do to close that race.
 410                  */
 411                 invalidate_bh_lrus();
 412                 truncate_inode_pages(bdev->bd_inode->i_mapping, 0);
 413                 brd_free_pages(brd);
 414                 error = 0;
 415         }
 416         mutex_unlock(&bdev->bd_mutex);
 417         mutex_unlock(&brd_mutex);
 418
 419         return error;
 420 }
 421
 422 static const struct block_device_operations brd_fops = {
 423         .owner =                THIS_MODULE,
 424         .ioctl =                brd_ioctl,
 425 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_XIP
 426         .direct_access =        brd_direct_access,
 427 #endif
 428 };
 429
 430 /*
 431  * And now the modules code and kernel interface.
 432  */
 433 static int rd_nr;
 434 int rd_size = CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE;
 435 static int max_part;
 436 static int part_shift;
 437 module_param(rd_nr, int, S_IRUGO);
 438 MODULE_PARM_DESC(rd_nr, "Maximum number of brd devices");
 439 module_param(rd_size, int, S_IRUGO);
 440 MODULE_PARM_DESC(rd_size, "Size of each RAM disk in kbytes.");
 441 module_param(max_part, int, S_IRUGO);
 442 MODULE_PARM_DESC(max_part, "Maximum number of partitions per RAM disk");
 443 MODULE_LICENSE("GPL");
 444 MODULE_ALIAS_BLOCKDEV_MAJOR(RAMDISK_MAJOR);
 445 MODULE_ALIAS("rd");
 446
 447 #ifndef MODULE
 448 /* Legacy boot options - nonmodular */
 449 static int __init ramdisk_size(char *str)
 450 {
 451         rd_size = simple_strtol(str, NULL, 0);
 452         return 1;
 453 }
 454 __setup("ramdisk_size=", ramdisk_size);
 455 #endif
 456
 457 /*
 458  * The device scheme is derived from loop.c. Keep them in synch where possible
 459  * (should share code eventually).
 460  */
 461 static LIST_HEAD(brd_devices);
 462 static DEFINE_MUTEX(brd_devices_mutex);
 463
 464 static struct brd_device *brd_alloc(int i)
 465 {
 466         struct brd_device *brd;
 467         struct gendisk *disk;
 468
 469         brd = kzalloc(sizeof(*brd), GFP_KERNEL);
 470         if (!brd)
 471                 goto out;
 472         brd->brd_number         = i;
 473         spin_lock_init(&brd->brd_lock);
 474         INIT_RADIX_TREE(&brd->brd_pages, GFP_ATOMIC);
 475
 476         brd->brd_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
 477         if (!brd->brd_queue)
 478                 goto out_free_dev;
 479         blk_queue_make_request(brd->brd_queue, brd_make_request);
 480         blk_queue_max_hw_sectors(brd->brd_queue, 1024);
 481         blk_queue_bounce_limit(brd->brd_queue, BLK_BOUNCE_ANY);
 482
 483         brd->brd_queue->limits.discard_granularity = PAGE_SIZE;
 484         brd->brd_queue->limits.max_discard_sectors = UINT_MAX;
 485         brd->brd_queue->limits.discard_zeroes_data = 1;
 486         queue_flag_set_unlocked(QUEUE_FLAG_DISCARD, brd->brd_queue);
 487
 488         disk = brd->brd_disk = alloc_disk(1 << part_shift);
 489         if (!disk)
 490                 goto out_free_queue;
 491         disk->major             = RAMDISK_MAJOR;
 492         disk->first_minor       = i << part_shift;
 493         disk->fops              = &brd_fops;
 494         disk->private_data      = brd;
 495         disk->queue             = brd->brd_queue;
 496         disk->flags |= GENHD_FL_SUPPRESS_PARTITION_INFO;
 497         sprintf(disk->disk_name, "ram%d", i);
 498         set_capacity(disk, rd_size * 2);
 499
 500         return brd;
 501
 502 out_free_queue:
 503         blk_cleanup_queue(brd->brd_queue);
 504 out_free_dev:
 505         kfree(brd);
 506 out:
 507         return NULL;
 508 }
 509
 510 static void brd_free(struct brd_device *brd)
 511 {
 512         put_disk(brd->brd_disk);
 513         blk_cleanup_queue(brd->brd_queue);
 514         brd_free_pages(brd);
 515         kfree(brd);
 516 }
 517
 518 static struct brd_device *brd_init_one(int i)
 519 {
 520         struct brd_device *brd;
 521
 522         list_for_each_entry(brd, &brd_devices, brd_list) {
 523                 if (brd->brd_number == i)
 524                         goto out;
 525         }
 526
 527         brd = brd_alloc(i);
 528         if (brd) {
 529                 add_disk(brd->brd_disk);
 530                 list_add_tail(&brd->brd_list, &brd_devices);
 531         }
 532 out:
 533         return brd;
 534 }
 535
 536 static void brd_del_one(struct brd_device *brd)
 537 {
 538         list_del(&brd->brd_list);
 539         del_gendisk(brd->brd_disk);
 540         brd_free(brd);
 541 }
 542
 543 static struct kobject *brd_probe(dev_t dev, int *part, void *data)
 544 {
 545         struct brd_device *brd;
 546         struct kobject *kobj;
 547
 548         mutex_lock(&brd_devices_mutex);
 549         brd = brd_init_one(MINOR(dev) >> part_shift);
 550         kobj = brd ? get_disk(brd->brd_disk) : ERR_PTR(-ENOMEM);
 551         mutex_unlock(&brd_devices_mutex);
 552
 553         *part = 0;
 554         return kobj;
 555 }
 556
 557 static int __init brd_init(void)
 558 {
 559         int i, nr;
 560         unsigned long range;
 561         struct brd_device *brd, *next;
 562
 563         /*
 564          * brd module now has a feature to instantiate underlying device
 565          * structure on-demand, provided that there is an access dev node.
 566          * However, this will not work well with user space tool that doesn't
 567          * know about such "feature".  In order to not break any existing
 568          * tool, we do the following:
 569          *
 570          * (1) if rd_nr is specified, create that many upfront, and this
 571          *     also becomes a hard limit.
 572          * (2) if rd_nr is not specified, create CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT
 573          *     (default 16) rd device on module load, user can further
 574          *     extend brd device by create dev node themselves and have
 575          *     kernel automatically instantiate actual device on-demand.
 576          */
 577
 578         part_shift = 0;
 579         if (max_part > 0) {
 580                 part_shift = fls(max_part);
 581
 582                 /*
 583                  * Adjust max_part according to part_shift as it is exported
 584                  * to user space so that user can decide correct minor number
 585                  * if [s]he want to create more devices.
 586                  *
 587                  * Note that -1 is required because partition 0 is reserved
 588                  * for the whole disk.
 589                  */
 590                 max_part = (1UL << part_shift) - 1;
 591         }
 592
 593         if ((1UL << part_shift) > DISK_MAX_PARTS)
 594                 return -EINVAL;
 595
 596         if (rd_nr > 1UL << (MINORBITS - part_shift))
 597                 return -EINVAL;
 598
 599         if (rd_nr) {
 600                 nr = rd_nr;
 601                 range = rd_nr << part_shift;
 602         } else {
 603                 nr = CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT;
 604                 range = 1UL << MINORBITS;
 605         }
 606
 607         if (register_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk"))
 608                 return -EIO;
 609
 610         for (i = 0; i < nr; i++) {
 611                 brd = brd_alloc(i);
 612                 if (!brd)
 613                         goto out_free;
 614                 list_add_tail(&brd->brd_list, &brd_devices);
 615         }
 616
 617         /* point of no return */
 618
 619         list_for_each_entry(brd, &brd_devices, brd_list)
 620                 add_disk(brd->brd_disk);
 621
 622         blk_register_region(MKDEV(RAMDISK_MAJOR, 0), range,
 623                                   THIS_MODULE, brd_probe, NULL, NULL);
 624
 625         printk(KERN_INFO "brd: module loaded\n");
 626         return 0;
 627
 628 out_free:
 629         list_for_each_entry_safe(brd, next, &brd_devices, brd_list) {
 630                 list_del(&brd->brd_list);
 631                 brd_free(brd);
 632         }
 633         unregister_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk");
 634
 635         return -ENOMEM;
 636 }
 637
 638 static void __exit brd_exit(void)
 639 {
 640         unsigned long range;
 641         struct brd_device *brd, *next;
 642
 643         range = rd_nr ? rd_nr << part_shift : 1UL << MINORBITS;
 644
 645         list_for_each_entry_safe(brd, next, &brd_devices, brd_list)
 646                 brd_del_one(brd);
 647
 648         blk_unregister_region(MKDEV(RAMDISK_MAJOR, 0), range);
 649         unregister_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk");
 650 }
 651
 652 module_init(brd_init);
 653 module_exit(brd_exit);
 654