]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
cdn-patch: offer option to mount /etc/keys before attaching geli devices
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cam / cam_iosched.c
1 /*-
2  * CAM IO Scheduler Interface
3  *
4  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
5  *
6  * Copyright (c) 2015 Netflix, Inc.
7  *
8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
9  * modification, are permitted provided that the following conditions
10  * are met:
11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
12  *    notice, this list of conditions, and the following disclaimer,
13  *    without modification, immediately at the beginning of the file.
14  * 2. The name of the author may not be used to endorse or promote products
15  *    derived from this software without specific prior written permission.
16  *
17  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
18  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
19  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
20  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR
21  * ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
22  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
23  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
24  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
25  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
26  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
27  * SUCH DAMAGE.
28  *
29  * $FreeBSD$
30  */
31
32 #include "opt_cam.h"
33 #include "opt_ddb.h"
34
35 #include <sys/cdefs.h>
36 __FBSDID("$FreeBSD$");
37
38 #include <sys/param.h>
39
40 #include <sys/systm.h>
41 #include <sys/kernel.h>
42 #include <sys/bio.h>
43 #include <sys/lock.h>
44 #include <sys/malloc.h>
45 #include <sys/mutex.h>
46 #include <sys/sbuf.h>
47 #include <sys/sysctl.h>
48
49 #include <cam/cam.h>
50 #include <cam/cam_ccb.h>
51 #include <cam/cam_periph.h>
52 #include <cam/cam_xpt_periph.h>
53 #include <cam/cam_xpt_internal.h>
54 #include <cam/cam_iosched.h>
55
56 #include <ddb/ddb.h>
57
58 static MALLOC_DEFINE(M_CAMSCHED, "CAM I/O Scheduler",
59     "CAM I/O Scheduler buffers");
60
61 /*
62  * Default I/O scheduler for FreeBSD. This implementation is just a thin-vineer
63  * over the bioq_* interface, with notions of separate calls for normal I/O and
64  * for trims.
65  *
66  * When CAM_IOSCHED_DYNAMIC is defined, the scheduler is enhanced to dynamically
67  * steer the rate of one type of traffic to help other types of traffic (eg
68  * limit writes when read latency deteriorates on SSDs).
69  */
70
71 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
72
73 static int do_dynamic_iosched = 1;
74 TUNABLE_INT("kern.cam.do_dynamic_iosched", &do_dynamic_iosched);
75 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, do_dynamic_iosched, CTLFLAG_RD,
76     &do_dynamic_iosched, 1,
77     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
78
79 /*
80  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
81  *      alpha = 2 / (N + 1)
82  * or
83  *      N = 1 + (2 / alpha)
84  * where N is the number of samples that 86% of the current
85  * EMA is derived from.
86  *
87  * So we invent[*] alpha_bits:
88  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
89  *      alpha = 2^-alpha_bits
90  * So
91  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
92  *
93  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
94  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
95  *
96  * [*] Steal from the load average code and many other places.
97  * Note: See computation of EMA and EMVAR for acceptable ranges of alpha.
98  */
99 static int alpha_bits = 9;
100 TUNABLE_INT("kern.cam.iosched_alpha_bits", &alpha_bits);
101 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, iosched_alpha_bits, CTLFLAG_RW,
102     &alpha_bits, 1,
103     "Bits in EMA's alpha.");
104
105 struct iop_stats;
106 struct cam_iosched_softc;
107
108 int iosched_debug = 0;
109
110 typedef enum {
111         none = 0,                               /* No limits */
112         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
113         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
114         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
115         limiter_max
116 } io_limiter;
117
118 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
119     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
120
121 /*
122  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
123  * limiter. Called just after the limiter is set.
124  */
125 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
126
127 /*
128  * Called every tick.
129  */
130 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
131
132 /*
133  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
134  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
135  * and makes any accounting of it that's needed.
136  */
137 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
138
139 /*
140  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
141  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
142  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
143  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
144  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
145  */
146 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
147
148 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
149 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
150 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
151
152 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
153 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
154 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
155 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
156
157 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
158 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
159 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
160 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
161
162 struct limswitch {
163         l_init_t        *l_init;
164         l_tick_t        *l_tick;
165         l_iop_t         *l_iop;
166         l_iop_t         *l_caniop;
167         l_iodone_t      *l_iodone;
168 } limsw[] =
169 {
170         {       /* none */
171                 .l_init = NULL,
172                 .l_tick = NULL,
173                 .l_iop = NULL,
174                 .l_iodone= NULL,
175         },
176         {       /* queue_depth */
177                 .l_init = NULL,
178                 .l_tick = NULL,
179                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
180                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
181                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
182         },
183         {       /* iops */
184                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
185                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
186                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
187                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
188                 .l_iodone= NULL,
189         },
190         {       /* bandwidth */
191                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
192                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
193                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
194                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
195                 .l_iodone= NULL,
196         },
197 };
198
199 struct iop_stats {
200         /*
201          * sysctl state for this subnode.
202          */
203         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
204         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
205
206         /*
207          * Information about the current rate limiters, if any
208          */
209         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
210         int             min;            /* Low range of limit */
211         int             max;            /* High range of limit */
212         int             current;        /* Current rate limiter */
213         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
214         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
215
216         /*
217          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
218          * scheduler.
219          */
220         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
221         int             queued;         /* number currently in the queue */
222         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
223         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
224         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
225         int             errs;           /* Number of I/Os completed with error --  wraps */
226
227         /*
228          * Statistics on different bits of the process.
229          */
230                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
231         sbintime_t      ema;
232         sbintime_t      emvar;
233         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
234
235         uint32_t        state_flags;
236 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
237
238 #define LAT_BUCKETS 15                  /* < 1ms < 2ms ... < 2^(n-1)ms >= 2^(n-1)ms*/
239         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
240
241         struct cam_iosched_softc *softc;
242 };
243
244
245 typedef enum {
246         set_max = 0,                    /* current = max */
247         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
248         cl_max                          /* Keep last */
249 } control_type;
250
251 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
252     { "set_max", "read_latency" };
253
254 struct control_loop {
255         /*
256          * sysctl state for this subnode.
257          */
258         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
259         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
260
261         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
262         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
263         sbintime_t      lolat;
264         sbintime_t      hilat;
265         int             alpha;
266         control_type    type;                   /* What type of control? */
267         int             last_count;             /* Last I/O count */
268
269         struct cam_iosched_softc *softc;
270 };
271
272 #endif
273
274 struct cam_iosched_softc {
275         struct bio_queue_head bio_queue;
276         struct bio_queue_head trim_queue;
277                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
278         uint32_t        flags;
279         int             sort_io_queue;
280 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
281         int             read_bias;              /* Read bias setting */
282         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
283         int             total_ticks;
284         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
285
286         struct bio_queue_head write_queue;
287         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
288         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
289         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
290
291         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
292         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
293         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
294         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
295         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
296         struct control_loop cl;
297 #endif
298 };
299
300 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
301 /*
302  * helper functions to call the limsw functions.
303  */
304 static int
305 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
306 {
307         int lim = ios->limiter;
308
309         /* maybe this should be a kassert */
310         if (lim < none || lim >= limiter_max)
311                 return EINVAL;
312
313         if (limsw[lim].l_init)
314                 return limsw[lim].l_init(ios);
315
316         return 0;
317 }
318
319 static int
320 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
321 {
322         int lim = ios->limiter;
323
324         /* maybe this should be a kassert */
325         if (lim < none || lim >= limiter_max)
326                 return EINVAL;
327
328         if (limsw[lim].l_tick)
329                 return limsw[lim].l_tick(ios);
330
331         return 0;
332 }
333
334 static int
335 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
336 {
337         int lim = ios->limiter;
338
339         /* maybe this should be a kassert */
340         if (lim < none || lim >= limiter_max)
341                 return EINVAL;
342
343         if (limsw[lim].l_iop)
344                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
345
346         return 0;
347 }
348
349 static int
350 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
351 {
352         int lim = ios->limiter;
353
354         /* maybe this should be a kassert */
355         if (lim < none || lim >= limiter_max)
356                 return EINVAL;
357
358         if (limsw[lim].l_caniop)
359                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
360
361         return 0;
362 }
363
364 static int
365 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
366 {
367         int lim = ios->limiter;
368
369         /* maybe this should be a kassert */
370         if (lim < none || lim >= limiter_max)
371                 return 0;
372
373         if (limsw[lim].l_iodone)
374                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
375
376         return 0;
377 }
378
379 /*
380  * Functions to implement the different kinds of limiters
381  */
382
383 static int
384 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
385 {
386
387         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
388                 return 0;
389
390         return EAGAIN;
391 }
392
393 static int
394 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
395 {
396
397         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
398                 return 0;
399
400         return EAGAIN;
401 }
402
403 static int
404 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
405 {
406
407         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
408                 return 0;
409
410         return 1;
411 }
412
413 static int
414 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
415 {
416
417         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
418         if (ios->l_value1 <= 0)
419                 ios->l_value1 = 1;
420         ios->l_value2 = 0;
421
422         return 0;
423 }
424
425 static int
426 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
427 {
428         int new_ios;
429
430         /*
431          * Allow at least one IO per tick until all
432          * the IOs for this interval have been spent.
433          */
434         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
435         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
436                 new_ios = 1;
437                 ios->l_value2++;
438         }
439
440         /*
441          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
442          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
443          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
444          */
445         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
446                 ios->l_value1 = new_ios;
447                 ios->l_value2 = 1;
448         } else {
449                 ios->l_value1 += new_ios;
450         }
451
452
453         return 0;
454 }
455
456 static int
457 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
458 {
459
460         /*
461          * So if we have any more IOPs left, allow it,
462          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
463          * as unlimited as a failsafe.
464          */
465         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
466                 return EAGAIN;
467         return 0;
468 }
469
470 static int
471 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
472 {
473         int rv;
474
475         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
476         if (rv == 0)
477                 ios->l_value1--;
478
479         return rv;
480 }
481
482 static int
483 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
484 {
485
486         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
487         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
488
489         return 0;
490 }
491
492 static int
493 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
494 {
495         int bw;
496
497         /*
498          * If we're in the hole for available quota from
499          * the last time, then add the quantum for this.
500          * If we have any left over from last quantum,
501          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
502          * is in kB/s, so scale.
503          *
504          * We also allow up to 4 quanta of credits to
505          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
506          * arbitrary.
507          */
508         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
509         if (ios->l_value1 < bw * 4)
510                 ios->l_value1 += bw;
511
512         return 0;
513 }
514
515 static int
516 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
517 {
518         /*
519          * So if we have any more bw quota left, allow it,
520          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
521          * OK. We'll just get a little less next quota.
522          *
523          * Note on going negative: that allows us to process
524          * requests in order better, since we won't allow
525          * shorter reads to get around the long one that we
526          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
527          * starvation by being a little more permissive about
528          * what we let through this quantum (to prevent the
529          * starvation), at the cost of getting a little less
530          * next quantum.
531          *
532          * Also note that if the current limit is <= 0,
533          * we treat it as unlimited as a failsafe.
534          */
535         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
536                 return EAGAIN;
537
538
539         return 0;
540 }
541
542 static int
543 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
544 {
545         int rv;
546
547         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
548         if (rv == 0)
549                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
550
551         return rv;
552 }
553
554 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
555
556 static void
557 cam_iosched_ticker(void *arg)
558 {
559         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
560         sbintime_t now, delta;
561         int pending;
562
563         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
564
565         now = sbinuptime();
566         delta = now - isc->last_time;
567         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
568         isc->last_time = now;
569
570         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
571
572         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
573         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
574         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
575
576         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
577
578         /*
579          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
580          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
581          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
582          * were slots.
583          *
584          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
585          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
586          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
587          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
588          *
589          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
590          * aren't part of the software queued load (since we could
591          * give them to hardware, but choose not to).
592          *
593          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
594          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
595          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
596          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
597          * so the counts get off.
598          */
599         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
600         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
601             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
602             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
603         pending <<= 16;
604         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
605
606         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
607
608         isc->total_ticks++;
609 }
610
611
612 static void
613 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
614 {
615
616         clp->next_steer = sbinuptime();
617         clp->softc = isc;
618         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
619         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
620         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
621         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
622         clp->type = set_max;
623 }
624
625 static void
626 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
627 {
628         struct cam_iosched_softc *isc;
629         sbintime_t now, lat;
630         int old;
631
632         isc = clp->softc;
633         now = isc->last_time;
634         if (now < clp->next_steer)
635                 return;
636
637         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
638         switch (clp->type) {
639         case set_max:
640                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
641                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
642                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
643                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
644                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
645                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
646                 break;
647         case read_latency:
648                 old = isc->write_stats.current;
649                 lat = isc->read_stats.ema;
650                 /*
651                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
652                  * the SP (set point) that makes things a little more
653                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
654                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
655                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
656                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
657                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
658                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
659                  * the device which change how responsive read latency will be
660                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
661                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
662                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
663                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
664                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
665                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
666                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
667                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
668                  * seconds before latency drops regardless of the new write
669                  * rate. Careful observation will be required to tune this
670                  * effectively.
671                  *
672                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
673                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
674                  * somewhat arbitrary.
675                  */
676                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
677                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
678                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
679                 else if (lat > clp->hilat)
680                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
681                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
682                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
683
684                 /*
685                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
686                  * those may have changed.
687                  */
688                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
689                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
690                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
691                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
692                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
693                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
694                             old, isc->write_stats.current,
695                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
696                 break;
697         case cl_max:
698                 break;
699         }
700 }
701 #endif
702
703 /*
704  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
705  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
706  */
707 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
708                         /* Callout active, and needs to be torn down */
709 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
710
711                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
712 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
713
714 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
715 static void
716 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
717     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
718 #endif
719
720 static inline bool
721 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
722 {
723         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
724 }
725
726 static inline bool
727 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
728 {
729 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
730         if (do_dynamic_iosched) {
731                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
732                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
733                 bool can_write = wbp != NULL &&
734                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
735                 bool can_read = rbp != NULL &&
736                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
737                 if (iosched_debug > 2) {
738                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
739                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
740                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
741                 }
742                 return can_read || can_write;
743         }
744 #endif
745         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
746 }
747
748 static inline bool
749 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
750 {
751         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) &&
752             bioq_first(&isc->trim_queue);
753 }
754
755 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
756     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
757
758
759 static inline bool
760 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
761 {
762 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
763         if (iosched_debug > 2)
764                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
765                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
766                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
767 #endif
768
769         return cam_iosched_has_io(isc) ||
770                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
771                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
772 }
773
774 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
775 static void
776 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
777 {
778
779         ios->limiter = none;
780         ios->in = 0;
781         ios->max = ios->current = 300000;
782         ios->min = 1;
783         ios->out = 0;
784         ios->errs = 0;
785         ios->pending = 0;
786         ios->queued = 0;
787         ios->total = 0;
788         ios->ema = 0;
789         ios->emvar = 0;
790         ios->softc = isc;
791         cam_iosched_limiter_init(ios);
792 }
793
794 static int
795 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
796 {
797         char buf[16];
798         struct iop_stats *ios;
799         struct cam_iosched_softc *isc;
800         int value, i, error;
801         const char *p;
802
803         ios = arg1;
804         isc = ios->softc;
805         value = ios->limiter;
806         if (value < none || value >= limiter_max)
807                 p = "UNKNOWN";
808         else
809                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
810
811         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
812         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
813         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
814                 return error;
815
816         cam_periph_lock(isc->periph);
817
818         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
819                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
820                         continue;
821                 ios->limiter = i;
822                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
823                 if (error != 0) {
824                         ios->limiter = value;
825                         cam_periph_unlock(isc->periph);
826                         return error;
827                 }
828                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
829                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
830                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
831
832                 cam_periph_unlock(isc->periph);
833                 return 0;
834         }
835
836         cam_periph_unlock(isc->periph);
837         return EINVAL;
838 }
839
840 static int
841 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
842 {
843         char buf[16];
844         struct control_loop *clp;
845         struct cam_iosched_softc *isc;
846         int value, i, error;
847         const char *p;
848
849         clp = arg1;
850         isc = clp->softc;
851         value = clp->type;
852         if (value < none || value >= cl_max)
853                 p = "UNKNOWN";
854         else
855                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
856
857         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
858         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
859         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
860                 return error;
861
862         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
863                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
864                         continue;
865                 cam_periph_lock(isc->periph);
866                 clp->type = i;
867                 cam_periph_unlock(isc->periph);
868                 return 0;
869         }
870
871         return EINVAL;
872 }
873
874 static int
875 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
876 {
877         char buf[16];
878         sbintime_t value;
879         int error;
880         uint64_t us;
881
882         value = *(sbintime_t *)arg1;
883         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
884         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
885         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
886         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
887                 return error;
888         us = strtoul(buf, NULL, 10);
889         if (us == 0)
890                 return EINVAL;
891         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
892         return 0;
893 }
894
895 static int
896 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
897 {
898         int i, error;
899         struct sbuf sb;
900         uint64_t *latencies;
901
902         latencies = arg1;
903         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
904
905         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
906                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
907         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
908         error = sbuf_finish(&sb);
909         sbuf_delete(&sb);
910
911         return (error);
912 }
913
914 static int
915 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
916 {
917         int *quanta;
918         int error, value;
919
920         quanta = (unsigned *)arg1;
921         value = *quanta;
922
923         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
924         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
925                 return (error);
926
927         if (value < 1 || value > hz)
928                 return (EINVAL);
929
930         *quanta = value;
931
932         return (0);
933 }
934
935 static void
936 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
937 {
938         struct sysctl_oid_list *n;
939         struct sysctl_ctx_list *ctx;
940
941         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
942             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
943             CTLFLAG_RD, 0, name);
944         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
945         ctx = &ios->sysctl_ctx;
946
947         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
948             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
949             &ios->ema,
950             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
951         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
952             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
953             &ios->emvar,
954             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
955
956         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
957             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
958             &ios->pending, 0,
959             "Instantaneous # of pending transactions");
960         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
961             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
962             &ios->total, 0,
963             "# of transactions submitted to hardware");
964         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
965             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
966             &ios->queued, 0,
967             "# of transactions in the queue");
968         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
969             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
970             &ios->in, 0,
971             "# of transactions queued to driver");
972         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
973             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
974             &ios->out, 0,
975             "# of transactions completed (including with error)");
976         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
977             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
978             &ios->errs, 0,
979             "# of transactions completed with an error");
980
981         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
982             OID_AUTO, "limiter", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
983             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
984             "Current limiting type.");
985         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
986             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
987             &ios->min, 0,
988             "min resource");
989         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
990             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
991             &ios->max, 0,
992             "max resource");
993         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
994             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
995             &ios->current, 0,
996             "current resource");
997
998         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
999             OID_AUTO, "latencies", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD,
1000             &ios->latencies, 0,
1001             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1002             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1003 }
1004
1005 static void
1006 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1007 {
1008         if (ios->sysctl_tree)
1009                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1010                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1011 }
1012
1013 static void
1014 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1015 {
1016         struct sysctl_oid_list *n;
1017         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1018         struct control_loop *clp;
1019
1020         clp = &isc->cl;
1021         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1022             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1023             CTLFLAG_RD, 0, "Control loop info");
1024         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1025         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1026
1027         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1028             OID_AUTO, "type", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1029             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1030             "Control loop algorithm");
1031         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1032             OID_AUTO, "steer_interval", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1033             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1034             "How often to steer (in us)");
1035         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1036             OID_AUTO, "lolat", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1037             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1038             "Low water mark for Latency (in us)");
1039         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1040             OID_AUTO, "hilat", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1041             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1042             "Hi water mark for Latency (in us)");
1043         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1044             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1045             &clp->alpha, 0,
1046             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1047 }
1048
1049 static void
1050 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1051 {
1052         if (clp->sysctl_tree)
1053                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1054                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1055 }
1056 #endif
1057
1058 /*
1059  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1060  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1061  */
1062 int
1063 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1064 {
1065
1066         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1067         if (*iscp == NULL)
1068                 return ENOMEM;
1069 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1070         if (iosched_debug)
1071                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1072 #endif
1073         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1074         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1075         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1076 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1077         if (do_dynamic_iosched) {
1078                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1079                 (*iscp)->read_bias = 100;
1080                 (*iscp)->current_read_bias = 100;
1081                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1082                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1083                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1084                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1085                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1086                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1087                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1088                 (*iscp)->periph = periph;
1089                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1090                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1091                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1092         }
1093 #endif
1094
1095         return 0;
1096 }
1097
1098 /*
1099  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1100  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1101  */
1102 void
1103 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1104 {
1105         if (isc) {
1106                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1107 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1108                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1109                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1110                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1111                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1112                 if (isc->sysctl_tree)
1113                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1114                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1115                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1116                         callout_drain(&isc->ticker);
1117                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1118                 }
1119 #endif
1120                 free(isc, M_CAMSCHED);
1121         }
1122 }
1123
1124 /*
1125  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1126  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1127  */
1128 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1129     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1130 {
1131 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1132         struct sysctl_oid_list *n;
1133 #endif
1134
1135         SYSCTL_ADD_INT(ctx, SYSCTL_CHILDREN(node),
1136                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1137                 &isc->sort_io_queue, 0,
1138                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1139
1140 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1141         if (!do_dynamic_iosched)
1142                 return;
1143
1144         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1145             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1146             CTLFLAG_RD, 0, "I/O scheduler statistics");
1147         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1148         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1149
1150         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1151         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1152         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1153         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1154
1155         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1156             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1157             &isc->read_bias, 100,
1158             "How biased towards read should we be independent of limits");
1159
1160         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1161             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW,
1162             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1163             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1164
1165         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1166             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1167             &isc->total_ticks, 0,
1168             "Total number of ticks we've done");
1169
1170         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1171             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1172             &isc->load, 0,
1173             "scaled load average / 100");
1174 #endif
1175 }
1176
1177 /*
1178  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1179  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1180  * convenient call.
1181  */
1182 void
1183 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1184 {
1185         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1186         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1187 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1188         if (do_dynamic_iosched)
1189                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1190 #endif
1191 }
1192
1193 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1194 static struct bio *
1195 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1196 {
1197         struct bio *bp;
1198
1199         /*
1200          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1201          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1202          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1203          * amplification when each request is causing more than one write to
1204          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1205          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1206          * compete unfairly.
1207          */
1208         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1209         if (bp == NULL) {
1210                 if (iosched_debug > 3)
1211                         printf("No writes present in write_queue\n");
1212                 return NULL;
1213         }
1214
1215         /*
1216          * If pending read, prefer that based on current read bias
1217          * setting.
1218          */
1219         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1220                 if (iosched_debug)
1221                         printf(
1222                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1223                             "writes %d queued reads %d\n",
1224                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1225                             isc->read_stats.queued);
1226                 isc->current_read_bias--;
1227                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1228                 return NULL;
1229         }
1230
1231         /*
1232          * See if our current limiter allows this I/O.
1233          */
1234         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1235                 if (iosched_debug)
1236                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1237                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1238                 return NULL;
1239         }
1240
1241         /*
1242          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1243          * to schedule the I/O in the SIM.
1244          */
1245         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1246         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1247         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1248                 isc->write_stats.queued--;
1249                 isc->write_stats.total++;
1250                 isc->write_stats.pending++;
1251         }
1252         if (iosched_debug > 9)
1253                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1254         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1255         return bp;
1256 }
1257 #endif
1258
1259 /*
1260  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1261  */
1262 void
1263 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1264 {
1265         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1266 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1267         isc->trim_stats.queued++;
1268         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1269         isc->trim_stats.pending--;
1270 #endif
1271 }
1272
1273 /*
1274  * gets the next trim from the trim queue.
1275  *
1276  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1277  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1278  * should the need arise.
1279  */
1280 struct bio *
1281 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1282 {
1283         struct bio *bp;
1284
1285         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1286         if (bp == NULL)
1287                 return NULL;
1288         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1289 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1290         isc->trim_stats.queued--;
1291         isc->trim_stats.total++;
1292         isc->trim_stats.pending++;
1293 #endif
1294         return bp;
1295 }
1296
1297 /*
1298  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1299  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1300  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1301  *
1302  * Assumes we're called with the periph lock held.
1303  */
1304 struct bio *
1305 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1306 {
1307
1308         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1309                 return NULL;
1310 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1311         if (do_dynamic_iosched) {
1312                 /*
1313                  * If pending read, prefer that based on current read bias
1314                  * setting. The read bias is shared for both writes and
1315                  * TRIMs, but on TRIMs the bias is for a combined TRIM
1316                  * not a single TRIM request that's come in.
1317                  */
1318                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1319                         isc->current_read_bias--;
1320                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1321                         return NULL;
1322                 }
1323                 /*
1324                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1325                  */
1326                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1327         }
1328 #endif
1329         return cam_iosched_next_trim(isc);
1330 }
1331
1332 /*
1333  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1334  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1335  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1336  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1337  */
1338 struct bio *
1339 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1340 {
1341         struct bio *bp;
1342
1343         /*
1344          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1345          * at a time down, so this takes that into account.
1346          *
1347          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1348          * implement them.
1349          */
1350         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1351                 return bp;
1352
1353 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1354         /*
1355          * See if we have any pending writes, and room in the queue for them,
1356          * and if so, those are next.
1357          */
1358         if (do_dynamic_iosched) {
1359                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1360                         return bp;
1361         }
1362 #endif
1363
1364         /*
1365          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1366          */
1367         if ((bp = bioq_first(&isc->bio_queue)) == NULL)
1368                 return NULL;
1369
1370 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1371         /*
1372          * For the dynamic scheduler, bio_queue is only for reads, so enforce
1373          * the limits here. Enforce only for reads.
1374          */
1375         if (do_dynamic_iosched) {
1376                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ &&
1377                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1378                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1379                         return NULL;
1380                 }
1381         }
1382         isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1383 #endif
1384         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1385 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1386         if (do_dynamic_iosched) {
1387                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1388                         isc->read_stats.queued--;
1389                         isc->read_stats.total++;
1390                         isc->read_stats.pending++;
1391                 } else
1392                         printf("Found bio_cmd = %#x\n", bp->bio_cmd);
1393         }
1394         if (iosched_debug > 9)
1395                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1396 #endif
1397         return bp;
1398 }
1399
1400 /*
1401  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1402  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1403  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1404  * deferring work for various reasons.
1405  */
1406 void
1407 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1408 {
1409
1410         /*
1411          * Put all trims on the trim queue sorted, since we know
1412          * that the collapsing code requires this. Otherwise put
1413          * the work on the bio queue.
1414          */
1415         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1416                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1417 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1418                 isc->trim_stats.in++;
1419                 isc->trim_stats.queued++;
1420 #endif
1421         }
1422 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1423         else if (do_dynamic_iosched && (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1424                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1425                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1426                 else
1427                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1428                 if (iosched_debug > 9)
1429                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1430                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1431                         isc->write_stats.in++;
1432                         isc->write_stats.queued++;
1433                 }
1434         }
1435 #endif
1436         else {
1437                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1438                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1439                 else
1440                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1441 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1442                 if (iosched_debug > 9)
1443                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1444                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1445                         isc->read_stats.in++;
1446                         isc->read_stats.queued++;
1447                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1448                         isc->write_stats.in++;
1449                         isc->write_stats.queued++;
1450                 }
1451 #endif
1452         }
1453 }
1454
1455 /*
1456  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1457  */
1458 void
1459 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1460 {
1461
1462         if (cam_iosched_has_work(isc))
1463                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1464 }
1465
1466 /*
1467  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1468  */
1469 void
1470 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1471 {
1472
1473         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1474 }
1475
1476 /*
1477  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1478  * might use notes in the ccb for statistics.
1479  */
1480 int
1481 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1482     union ccb *done_ccb)
1483 {
1484         int retval = 0;
1485 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1486         if (!do_dynamic_iosched)
1487                 return retval;
1488
1489         if (iosched_debug > 10)
1490                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1491         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1492                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1493                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1494                         isc->write_stats.errs++;
1495                 isc->write_stats.out++;
1496                 isc->write_stats.pending--;
1497         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1498                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1499                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1500                         isc->read_stats.errs++;
1501                 isc->read_stats.out++;
1502                 isc->read_stats.pending--;
1503         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1504                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1505                         isc->trim_stats.errs++;
1506                 isc->trim_stats.out++;
1507                 isc->trim_stats.pending--;
1508         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1509                 if (iosched_debug)
1510                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1511         }
1512
1513         if (!(bp->bio_flags & BIO_ERROR) && done_ccb != NULL)
1514                 cam_iosched_io_metric_update(isc,
1515                     cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data),
1516                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1517 #endif
1518         return retval;
1519 }
1520
1521 /*
1522  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1523  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1524  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1525  */
1526 void
1527 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1528 {
1529
1530         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1531 }
1532
1533 /*
1534  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1535  */
1536 void
1537 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1538 {
1539
1540         isc->sort_io_queue = val;
1541 }
1542
1543 int
1544 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1545 {
1546         return isc->flags & flags;
1547 }
1548
1549 void
1550 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1551 {
1552         isc->flags |= flags;
1553 }
1554
1555 void
1556 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1557 {
1558         isc->flags &= ~flags;
1559 }
1560
1561 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1562 /*
1563  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1564  * Square Roots," reprinted at
1565  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1566  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1567  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1568  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1569  * the result by 2 which after successive application winds up
1570  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1571  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1572  * than that method. This method is also integer size invariant.
1573  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1574  * or equal to the square root.
1575  */
1576 static uint64_t
1577 isqrt64(uint64_t val)
1578 {
1579         uint64_t res = 0;
1580         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1581
1582         /*
1583          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1584          */
1585         while (bit > val)
1586                 bit >>= 2;
1587
1588         /*
1589          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1590          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1591          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1592          * the successive shifts land the bit in the right place
1593          * by the end.
1594          */
1595         while (bit != 0) {
1596                 if (val >= res + bit) {
1597                         val -= res + bit;
1598                         res = (res >> 1) + bit;
1599                 } else
1600                         res >>= 1;
1601                 bit >>= 2;
1602         }
1603
1604         return res;
1605 }
1606
1607 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1608         SBT_1MS <<  0,
1609         SBT_1MS <<  1,
1610         SBT_1MS <<  2,
1611         SBT_1MS <<  3,
1612         SBT_1MS <<  4,
1613         SBT_1MS <<  5,
1614         SBT_1MS <<  6,
1615         SBT_1MS <<  7,
1616         SBT_1MS <<  8,
1617         SBT_1MS <<  9,
1618         SBT_1MS << 10,
1619         SBT_1MS << 11,
1620         SBT_1MS << 12,
1621         SBT_1MS << 13           /* 8.192s */
1622 };
1623
1624 static void
1625 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1626 {
1627         sbintime_t y, deltasq, delta;
1628         int i;
1629
1630         /*
1631          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1632          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1633          */
1634         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1635                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1636                         iop->latencies[i]++;
1637                         break;
1638                 }
1639         }
1640         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1641                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 1024ms values into the last bucket. */
1642
1643         /*
1644          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1645          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1646          * handbook.
1647          *
1648          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1649          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1650          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1651          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1652          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1653          *      = y_t/b - e/b + be/b
1654          *      = (y_t - e + be) / b
1655          *      = (e + d) / b
1656          *
1657          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1658          * division.
1659          *
1660          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1661          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1662          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1663          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1664          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1665          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1666          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1667          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1668          */
1669         /*
1670          * XXX possible numeric issues
1671          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1672          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1673          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1674          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1675          *        few tens of seconds of representation.
1676          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1677          */
1678         y = sim_latency;
1679         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1680         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1681
1682         /*
1683          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1684          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1685          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1686          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1687          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1688          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1689          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1690          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1691          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1692          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1693          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1694          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1695          */
1696         delta >>= 12;
1697         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1698         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1699             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1700             deltasq)                                            /* dd */
1701             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1702         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1703 }
1704
1705 static void
1706 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1707     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1708 {
1709         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1710         switch (cmd) {
1711         case BIO_READ:
1712                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1713                 break;
1714         case BIO_WRITE:
1715                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
1716                 break;
1717         case BIO_DELETE:
1718                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
1719                 break;
1720         default:
1721                 break;
1722         }
1723 }
1724
1725 #ifdef DDB
1726 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
1727 {
1728         int i = 0;
1729         struct bio *bp;
1730
1731         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
1732                 i++;
1733         }
1734         return i;
1735 }
1736
1737 /*
1738  * Show the internal state of the I/O scheduler.
1739  */
1740 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
1741 {
1742         struct cam_iosched_softc *isc;
1743
1744         if (!have_addr) {
1745                 db_printf("Need addr\n");
1746                 return;
1747         }
1748         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
1749         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
1750         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
1751         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
1752         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
1753         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
1754         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
1755         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
1756         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
1757         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
1758         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
1759         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
1760         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
1761         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
1762         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
1763         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
1764         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->write_queue));
1765         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
1766         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
1767         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
1768         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
1769         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
1770         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
1771         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
1772         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
1773         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
1774         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
1775         db_printf("Trim active?       %s\n",
1776             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
1777 }
1778 #endif
1779 #endif