]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
Merge ^/head r323559 through r325504.
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cam / cam_iosched.c
1 /*-
2  * CAM IO Scheduler Interface
3  *
4  * Copyright (c) 2015 Netflix, Inc.
5  * All rights reserved.
6  *
7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
8  * modification, are permitted provided that the following conditions
9  * are met:
10  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
11  *    notice, this list of conditions, and the following disclaimer,
12  *    without modification, immediately at the beginning of the file.
13  * 2. The name of the author may not be used to endorse or promote products
14  *    derived from this software without specific prior written permission.
15  *
16  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
17  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
18  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
19  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR
20  * ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
21  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
22  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
23  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
24  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
25  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
26  * SUCH DAMAGE.
27  *
28  * $FreeBSD$
29  */
30
31 #include "opt_cam.h"
32 #include "opt_ddb.h"
33
34 #include <sys/cdefs.h>
35 __FBSDID("$FreeBSD$");
36
37 #include <sys/param.h>
38
39 #include <sys/systm.h>
40 #include <sys/kernel.h>
41 #include <sys/bio.h>
42 #include <sys/lock.h>
43 #include <sys/malloc.h>
44 #include <sys/mutex.h>
45 #include <sys/sbuf.h>
46 #include <sys/sysctl.h>
47
48 #include <cam/cam.h>
49 #include <cam/cam_ccb.h>
50 #include <cam/cam_periph.h>
51 #include <cam/cam_xpt_periph.h>
52 #include <cam/cam_xpt_internal.h>
53 #include <cam/cam_iosched.h>
54
55 #include <ddb/ddb.h>
56
57 static MALLOC_DEFINE(M_CAMSCHED, "CAM I/O Scheduler",
58     "CAM I/O Scheduler buffers");
59
60 /*
61  * Default I/O scheduler for FreeBSD. This implementation is just a thin-vineer
62  * over the bioq_* interface, with notions of separate calls for normal I/O and
63  * for trims.
64  *
65  * When CAM_IOSCHED_DYNAMIC is defined, the scheduler is enhanced to dynamically
66  * steer the rate of one type of traffic to help other types of traffic (eg
67  * limit writes when read latency deteriorates on SSDs).
68  */
69
70 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
71
72 static int do_dynamic_iosched = 1;
73 TUNABLE_INT("kern.cam.do_dynamic_iosched", &do_dynamic_iosched);
74 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, do_dynamic_iosched, CTLFLAG_RD,
75     &do_dynamic_iosched, 1,
76     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
77
78 /*
79  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
80  *      alpha = 2 / (N + 1)
81  * or
82  *      N = 1 + (2 / alpha)
83  * where N is the number of samples that 86% of the current
84  * EMA is derived from.
85  *
86  * So we invent[*] alpha_bits:
87  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
88  *      alpha = 2^-alpha_bits
89  * So
90  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
91  *
92  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
93  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
94  *
95  * [*] Steal from the load average code and many other places.
96  * Note: See computation of EMA and EMVAR for acceptable ranges of alpha.
97  */
98 static int alpha_bits = 9;
99 TUNABLE_INT("kern.cam.iosched_alpha_bits", &alpha_bits);
100 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, iosched_alpha_bits, CTLFLAG_RW,
101     &alpha_bits, 1,
102     "Bits in EMA's alpha.");
103
104 struct iop_stats;
105 struct cam_iosched_softc;
106
107 int iosched_debug = 0;
108
109 typedef enum {
110         none = 0,                               /* No limits */
111         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
112         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
113         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
114         limiter_max
115 } io_limiter;
116
117 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
118     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
119
120 /*
121  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
122  * limiter. Called just after the limiter is set.
123  */
124 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
125
126 /*
127  * Called every tick.
128  */
129 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
130
131 /*
132  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
133  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
134  * and makes any accounting of it that's needed.
135  */
136 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
137
138 /*
139  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
140  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
141  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
142  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
143  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
144  */
145 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
146
147 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
148 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
149 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
150
151 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
152 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
153 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
154 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
155
156 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
157 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
158 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
159 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
160
161 struct limswitch {
162         l_init_t        *l_init;
163         l_tick_t        *l_tick;
164         l_iop_t         *l_iop;
165         l_iop_t         *l_caniop;
166         l_iodone_t      *l_iodone;
167 } limsw[] =
168 {
169         {       /* none */
170                 .l_init = NULL,
171                 .l_tick = NULL,
172                 .l_iop = NULL,
173                 .l_iodone= NULL,
174         },
175         {       /* queue_depth */
176                 .l_init = NULL,
177                 .l_tick = NULL,
178                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
179                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
180                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
181         },
182         {       /* iops */
183                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
184                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
185                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
186                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
187                 .l_iodone= NULL,
188         },
189         {       /* bandwidth */
190                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
191                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
192                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
193                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
194                 .l_iodone= NULL,
195         },
196 };
197
198 struct iop_stats {
199         /*
200          * sysctl state for this subnode.
201          */
202         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
203         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
204
205         /*
206          * Information about the current rate limiters, if any
207          */
208         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
209         int             min;            /* Low range of limit */
210         int             max;            /* High range of limit */
211         int             current;        /* Current rate limiter */
212         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
213         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
214
215         /*
216          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
217          * scheduler.
218          */
219         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
220         int             queued;         /* number currently in the queue */
221         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
222         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
223         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
224
225         /*
226          * Statistics on different bits of the process.
227          */
228                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
229         sbintime_t      ema;
230         sbintime_t      emvar;
231         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
232
233         uint32_t        state_flags;
234 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
235
236 #define LAT_BUCKETS 15                  /* < 1ms < 2ms ... < 2^(n-1)ms >= 2^(n-1)ms*/
237         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
238
239         struct cam_iosched_softc *softc;
240 };
241
242
243 typedef enum {
244         set_max = 0,                    /* current = max */
245         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
246         cl_max                          /* Keep last */
247 } control_type;
248
249 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
250     { "set_max", "read_latency" };
251
252 struct control_loop {
253         /*
254          * sysctl state for this subnode.
255          */
256         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
257         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
258
259         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
260         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
261         sbintime_t      lolat;
262         sbintime_t      hilat;
263         int             alpha;
264         control_type    type;                   /* What type of control? */
265         int             last_count;             /* Last I/O count */
266
267         struct cam_iosched_softc *softc;
268 };
269
270 #endif
271
272 struct cam_iosched_softc {
273         struct bio_queue_head bio_queue;
274         struct bio_queue_head trim_queue;
275                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
276         uint32_t        flags;
277         int             sort_io_queue;
278 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
279         int             read_bias;              /* Read bias setting */
280         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
281         int             total_ticks;
282         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
283
284         struct bio_queue_head write_queue;
285         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
286         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
287         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
288
289         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
290         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
291         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
292         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
293         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
294         struct control_loop cl;
295 #endif
296 };
297
298 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
299 /*
300  * helper functions to call the limsw functions.
301  */
302 static int
303 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
304 {
305         int lim = ios->limiter;
306
307         /* maybe this should be a kassert */
308         if (lim < none || lim >= limiter_max)
309                 return EINVAL;
310
311         if (limsw[lim].l_init)
312                 return limsw[lim].l_init(ios);
313
314         return 0;
315 }
316
317 static int
318 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
319 {
320         int lim = ios->limiter;
321
322         /* maybe this should be a kassert */
323         if (lim < none || lim >= limiter_max)
324                 return EINVAL;
325
326         if (limsw[lim].l_tick)
327                 return limsw[lim].l_tick(ios);
328
329         return 0;
330 }
331
332 static int
333 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
334 {
335         int lim = ios->limiter;
336
337         /* maybe this should be a kassert */
338         if (lim < none || lim >= limiter_max)
339                 return EINVAL;
340
341         if (limsw[lim].l_iop)
342                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
343
344         return 0;
345 }
346
347 static int
348 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
349 {
350         int lim = ios->limiter;
351
352         /* maybe this should be a kassert */
353         if (lim < none || lim >= limiter_max)
354                 return EINVAL;
355
356         if (limsw[lim].l_caniop)
357                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
358
359         return 0;
360 }
361
362 static int
363 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
364 {
365         int lim = ios->limiter;
366
367         /* maybe this should be a kassert */
368         if (lim < none || lim >= limiter_max)
369                 return 0;
370
371         if (limsw[lim].l_iodone)
372                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
373
374         return 0;
375 }
376
377 /*
378  * Functions to implement the different kinds of limiters
379  */
380
381 static int
382 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
383 {
384
385         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
386                 return 0;
387
388         return EAGAIN;
389 }
390
391 static int
392 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
393 {
394
395         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
396                 return 0;
397
398         return EAGAIN;
399 }
400
401 static int
402 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
403 {
404
405         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
406                 return 0;
407
408         return 1;
409 }
410
411 static int
412 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
413 {
414
415         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
416         if (ios->l_value1 <= 0)
417                 ios->l_value1 = 1;
418         ios->l_value2 = 0;
419
420         return 0;
421 }
422
423 static int
424 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
425 {
426         int new_ios;
427
428         /*
429          * Allow at least one IO per tick until all
430          * the IOs for this interval have been spent.
431          */
432         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
433         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
434                 new_ios = 1;
435                 ios->l_value2++;
436         }
437
438         /*
439          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
440          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
441          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
442          */
443         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
444                 ios->l_value1 = new_ios;
445                 ios->l_value2 = 1;
446         } else {
447                 ios->l_value1 += new_ios;
448         }
449
450
451         return 0;
452 }
453
454 static int
455 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
456 {
457
458         /*
459          * So if we have any more IOPs left, allow it,
460          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
461          * as unlimited as a failsafe.
462          */
463         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
464                 return EAGAIN;
465         return 0;
466 }
467
468 static int
469 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
470 {
471         int rv;
472
473         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
474         if (rv == 0)
475                 ios->l_value1--;
476
477         return rv;
478 }
479
480 static int
481 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
482 {
483
484         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
485         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
486
487         return 0;
488 }
489
490 static int
491 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
492 {
493         int bw;
494
495         /*
496          * If we're in the hole for available quota from
497          * the last time, then add the quantum for this.
498          * If we have any left over from last quantum,
499          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
500          * is in kB/s, so scale.
501          *
502          * We also allow up to 4 quanta of credits to
503          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
504          * arbitrary.
505          */
506         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
507         if (ios->l_value1 < bw * 4)
508                 ios->l_value1 += bw;
509
510         return 0;
511 }
512
513 static int
514 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
515 {
516         /*
517          * So if we have any more bw quota left, allow it,
518          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
519          * OK. We'll just get a little less next quota.
520          *
521          * Note on going negative: that allows us to process
522          * requests in order better, since we won't allow
523          * shorter reads to get around the long one that we
524          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
525          * starvation by being a little more permissive about
526          * what we let through this quantum (to prevent the
527          * starvation), at the cost of getting a little less
528          * next quantum.
529          *
530          * Also note that if the current limit is <= 0,
531          * we treat it as unlimited as a failsafe.
532          */
533         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
534                 return EAGAIN;
535
536
537         return 0;
538 }
539
540 static int
541 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
542 {
543         int rv;
544
545         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
546         if (rv == 0)
547                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
548
549         return rv;
550 }
551
552 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
553
554 static void
555 cam_iosched_ticker(void *arg)
556 {
557         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
558         sbintime_t now, delta;
559         int pending;
560
561         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
562
563         now = sbinuptime();
564         delta = now - isc->last_time;
565         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
566         isc->last_time = now;
567
568         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
569
570         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
571         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
572         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
573
574         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
575
576         /*
577          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
578          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
579          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
580          * were slots.
581          *
582          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
583          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
584          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
585          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
586          *
587          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
588          * aren't part of the software queued load (since we could
589          * give them to hardware, but choose not to).
590          *
591          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
592          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
593          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
594          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
595          * so the counts get off.
596          */
597         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
598         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
599             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
600             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
601         pending <<= 16;
602         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
603
604         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
605
606         isc->total_ticks++;
607 }
608
609
610 static void
611 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
612 {
613
614         clp->next_steer = sbinuptime();
615         clp->softc = isc;
616         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
617         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
618         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
619         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
620         clp->type = set_max;
621 }
622
623 static void
624 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
625 {
626         struct cam_iosched_softc *isc;
627         sbintime_t now, lat;
628         int old;
629
630         isc = clp->softc;
631         now = isc->last_time;
632         if (now < clp->next_steer)
633                 return;
634
635         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
636         switch (clp->type) {
637         case set_max:
638                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
639                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
640                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
641                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
642                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
643                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
644                 break;
645         case read_latency:
646                 old = isc->write_stats.current;
647                 lat = isc->read_stats.ema;
648                 /*
649                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
650                  * the SP (set point) that makes things a little more
651                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
652                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
653                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
654                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
655                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
656                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
657                  * the device which change how responsive read latency will be
658                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
659                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
660                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
661                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
662                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
663                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
664                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
665                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
666                  * seconds before latency drops regardless of the new write
667                  * rate. Careful observation will be required to tune this
668                  * effectively.
669                  *
670                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
671                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
672                  * somewhat arbitrary.
673                  */
674                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
675                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
676                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
677                 else if (lat > clp->hilat)
678                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
679                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
680                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
681
682                 /*
683                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
684                  * those may have changed.
685                  */
686                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
687                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
688                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
689                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
690                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
691                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
692                             old, isc->write_stats.current,
693                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
694                 break;
695         case cl_max:
696                 break;
697         }
698 }
699 #endif
700
701 /*
702  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
703  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
704  */
705 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
706                         /* Callout active, and needs to be torn down */
707 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
708
709                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
710 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
711
712 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
713 static void
714 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
715     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
716 #endif
717
718 static inline int
719 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
720 {
721         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
722 }
723
724 static inline int
725 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
726 {
727 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
728         if (do_dynamic_iosched) {
729                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
730                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
731                 int can_write = wbp != NULL &&
732                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
733                 int can_read = rbp != NULL &&
734                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
735                 if (iosched_debug > 2) {
736                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
737                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
738                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
739                 }
740                 return can_read || can_write;
741         }
742 #endif
743         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
744 }
745
746 static inline int
747 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
748 {
749         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) &&
750             bioq_first(&isc->trim_queue);
751 }
752
753 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
754     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
755
756
757 static inline int
758 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
759 {
760 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
761         if (iosched_debug > 2)
762                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
763                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
764                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
765 #endif
766
767         return cam_iosched_has_io(isc) ||
768                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
769                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
770 }
771
772 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
773 static void
774 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
775 {
776
777         ios->limiter = none;
778         ios->in = 0;
779         ios->max = ios->current = 300000;
780         ios->min = 1;
781         ios->out = 0;
782         ios->pending = 0;
783         ios->queued = 0;
784         ios->total = 0;
785         ios->ema = 0;
786         ios->emvar = 0;
787         ios->softc = isc;
788         cam_iosched_limiter_init(ios);
789 }
790
791 static int
792 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
793 {
794         char buf[16];
795         struct iop_stats *ios;
796         struct cam_iosched_softc *isc;
797         int value, i, error;
798         const char *p;
799
800         ios = arg1;
801         isc = ios->softc;
802         value = ios->limiter;
803         if (value < none || value >= limiter_max)
804                 p = "UNKNOWN";
805         else
806                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
807
808         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
809         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
810         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
811                 return error;
812
813         cam_periph_lock(isc->periph);
814
815         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
816                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
817                         continue;
818                 ios->limiter = i;
819                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
820                 if (error != 0) {
821                         ios->limiter = value;
822                         cam_periph_unlock(isc->periph);
823                         return error;
824                 }
825                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
826                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
827                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
828
829                 cam_periph_unlock(isc->periph);
830                 return 0;
831         }
832
833         cam_periph_unlock(isc->periph);
834         return EINVAL;
835 }
836
837 static int
838 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
839 {
840         char buf[16];
841         struct control_loop *clp;
842         struct cam_iosched_softc *isc;
843         int value, i, error;
844         const char *p;
845
846         clp = arg1;
847         isc = clp->softc;
848         value = clp->type;
849         if (value < none || value >= cl_max)
850                 p = "UNKNOWN";
851         else
852                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
853
854         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
855         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
856         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
857                 return error;
858
859         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
860                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
861                         continue;
862                 cam_periph_lock(isc->periph);
863                 clp->type = i;
864                 cam_periph_unlock(isc->periph);
865                 return 0;
866         }
867
868         return EINVAL;
869 }
870
871 static int
872 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
873 {
874         char buf[16];
875         sbintime_t value;
876         int error;
877         uint64_t us;
878
879         value = *(sbintime_t *)arg1;
880         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
881         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
882         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
883         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
884                 return error;
885         us = strtoul(buf, NULL, 10);
886         if (us == 0)
887                 return EINVAL;
888         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
889         return 0;
890 }
891
892 static int
893 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
894 {
895         int i, error;
896         struct sbuf sb;
897         uint64_t *latencies;
898
899         latencies = arg1;
900         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
901
902         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
903                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
904         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
905         error = sbuf_finish(&sb);
906         sbuf_delete(&sb);
907
908         return (error);
909 }
910
911 static int
912 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
913 {
914         int *quanta;
915         int error, value;
916
917         quanta = (unsigned *)arg1;
918         value = *quanta;
919
920         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
921         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
922                 return (error);
923
924         if (value < 1 || value > hz)
925                 return (EINVAL);
926
927         *quanta = value;
928
929         return (0);
930 }
931
932 static void
933 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
934 {
935         struct sysctl_oid_list *n;
936         struct sysctl_ctx_list *ctx;
937
938         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
939             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
940             CTLFLAG_RD, 0, name);
941         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
942         ctx = &ios->sysctl_ctx;
943
944         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
945             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
946             &ios->ema,
947             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
948         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
949             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
950             &ios->emvar,
951             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
952
953         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
954             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
955             &ios->pending, 0,
956             "Instantaneous # of pending transactions");
957         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
958             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
959             &ios->total, 0,
960             "# of transactions submitted to hardware");
961         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
962             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
963             &ios->queued, 0,
964             "# of transactions in the queue");
965         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
966             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
967             &ios->in, 0,
968             "# of transactions queued to driver");
969         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
970             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
971             &ios->out, 0,
972             "# of transactions completed");
973
974         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
975             OID_AUTO, "limiter", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
976             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
977             "Current limiting type.");
978         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
979             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
980             &ios->min, 0,
981             "min resource");
982         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
983             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
984             &ios->max, 0,
985             "max resource");
986         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
987             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
988             &ios->current, 0,
989             "current resource");
990
991         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
992             OID_AUTO, "latencies", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD,
993             &ios->latencies, 0,
994             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
995             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
996 }
997
998 static void
999 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1000 {
1001         if (ios->sysctl_tree)
1002                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1003                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1004 }
1005
1006 static void
1007 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1008 {
1009         struct sysctl_oid_list *n;
1010         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1011         struct control_loop *clp;
1012
1013         clp = &isc->cl;
1014         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1015             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1016             CTLFLAG_RD, 0, "Control loop info");
1017         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1018         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1019
1020         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1021             OID_AUTO, "type", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1022             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1023             "Control loop algorithm");
1024         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1025             OID_AUTO, "steer_interval", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1026             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1027             "How often to steer (in us)");
1028         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1029             OID_AUTO, "lolat", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1030             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1031             "Low water mark for Latency (in us)");
1032         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1033             OID_AUTO, "hilat", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
1034             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1035             "Hi water mark for Latency (in us)");
1036         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1037             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1038             &clp->alpha, 0,
1039             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1040 }
1041
1042 static void
1043 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1044 {
1045         if (clp->sysctl_tree)
1046                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1047                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1048 }
1049 #endif
1050
1051 /*
1052  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1053  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1054  */
1055 int
1056 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1057 {
1058
1059         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1060         if (*iscp == NULL)
1061                 return ENOMEM;
1062 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1063         if (iosched_debug)
1064                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1065 #endif
1066         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1067         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1068         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1069 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1070         if (do_dynamic_iosched) {
1071                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1072                 (*iscp)->read_bias = 100;
1073                 (*iscp)->current_read_bias = 100;
1074                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1075                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1076                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1077                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1078                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1079                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1080                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1081                 (*iscp)->periph = periph;
1082                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1083                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1084                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1085         }
1086 #endif
1087
1088         return 0;
1089 }
1090
1091 /*
1092  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1093  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1094  */
1095 void
1096 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1097 {
1098         if (isc) {
1099                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1100 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1101                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1102                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1103                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1104                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1105                 if (isc->sysctl_tree)
1106                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1107                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1108                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1109                         callout_drain(&isc->ticker);
1110                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1111                 }
1112 #endif
1113                 free(isc, M_CAMSCHED);
1114         }
1115 }
1116
1117 /*
1118  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1119  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1120  */
1121 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1122     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1123 {
1124 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1125         struct sysctl_oid_list *n;
1126 #endif
1127
1128         SYSCTL_ADD_INT(ctx, SYSCTL_CHILDREN(node),
1129                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1130                 &isc->sort_io_queue, 0,
1131                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1132
1133 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1134         if (!do_dynamic_iosched)
1135                 return;
1136
1137         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1138             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1139             CTLFLAG_RD, 0, "I/O scheduler statistics");
1140         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1141         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1142
1143         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1144         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1145         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1146         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1147
1148         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1149             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1150             &isc->read_bias, 100,
1151             "How biased towards read should we be independent of limits");
1152
1153         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1154             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW,
1155             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1156             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1157
1158         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1159             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1160             &isc->total_ticks, 0,
1161             "Total number of ticks we've done");
1162
1163         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1164             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1165             &isc->load, 0,
1166             "scaled load average / 100");
1167 #endif
1168 }
1169
1170 /*
1171  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1172  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1173  * convenient call.
1174  */
1175 void
1176 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1177 {
1178         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1179         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1180 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1181         if (do_dynamic_iosched)
1182                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1183 #endif
1184 }
1185
1186 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1187 static struct bio *
1188 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1189 {
1190         struct bio *bp;
1191
1192         /*
1193          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1194          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1195          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1196          * amplification when each request is causing more than one write to
1197          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1198          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1199          * compete unfairly.
1200          */
1201         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1202         if (bp == NULL) {
1203                 if (iosched_debug > 3)
1204                         printf("No writes present in write_queue\n");
1205                 return NULL;
1206         }
1207
1208         /*
1209          * If pending read, prefer that based on current read bias
1210          * setting.
1211          */
1212         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1213                 if (iosched_debug)
1214                         printf("Reads present and current_read_bias is %d queued writes %d queued reads %d\n", isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued, isc->read_stats.queued);
1215                 isc->current_read_bias--;
1216                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1217                 return NULL;
1218         }
1219
1220         /*
1221          * See if our current limiter allows this I/O.
1222          */
1223         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1224                 if (iosched_debug)
1225                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1226                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1227                 return NULL;
1228         }
1229
1230         /*
1231          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1232          * to schedule the I/O in the SIM.
1233          */
1234         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1235         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1236         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1237                 isc->write_stats.queued--;
1238                 isc->write_stats.total++;
1239                 isc->write_stats.pending++;
1240         }
1241         if (iosched_debug > 9)
1242                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1243         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1244         return bp;
1245 }
1246 #endif
1247
1248 /*
1249  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1250  */
1251 void
1252 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1253 {
1254         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1255 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1256         isc->trim_stats.queued++;
1257         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1258         isc->trim_stats.pending--;
1259 #endif
1260 }
1261
1262 /*
1263  * gets the next trim from the trim queue.
1264  *
1265  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1266  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1267  * should the need arise.
1268  */
1269 struct bio *
1270 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1271 {
1272         struct bio *bp;
1273
1274         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1275         if (bp == NULL)
1276                 return NULL;
1277         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1278 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1279         isc->trim_stats.queued--;
1280         isc->trim_stats.total++;
1281         isc->trim_stats.pending++;
1282 #endif
1283         return bp;
1284 }
1285
1286 /*
1287  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1288  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1289  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1290  *
1291  * Assumes we're called with the periph lock held.
1292  */
1293 struct bio *
1294 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1295 {
1296
1297         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1298                 return NULL;
1299
1300         return cam_iosched_next_trim(isc);
1301 }
1302
1303 /*
1304  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1305  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1306  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1307  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1308  */
1309 struct bio *
1310 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1311 {
1312         struct bio *bp;
1313
1314         /*
1315          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1316          * at a time down, so this takes that into account.
1317          *
1318          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1319          * implement them.
1320          */
1321         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1322                 return bp;
1323
1324 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1325         /*
1326          * See if we have any pending writes, and room in the queue for them,
1327          * and if so, those are next.
1328          */
1329         if (do_dynamic_iosched) {
1330                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1331                         return bp;
1332         }
1333 #endif
1334
1335         /*
1336          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1337          */
1338         if ((bp = bioq_first(&isc->bio_queue)) == NULL)
1339                 return NULL;
1340
1341 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1342         /*
1343          * For the dynamic scheduler, bio_queue is only for reads, so enforce
1344          * the limits here. Enforce only for reads.
1345          */
1346         if (do_dynamic_iosched) {
1347                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ &&
1348                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1349                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1350                         return NULL;
1351                 }
1352         }
1353         isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1354 #endif
1355         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1356 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1357         if (do_dynamic_iosched) {
1358                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1359                         isc->read_stats.queued--;
1360                         isc->read_stats.total++;
1361                         isc->read_stats.pending++;
1362                 } else
1363                         printf("Found bio_cmd = %#x\n", bp->bio_cmd);
1364         }
1365         if (iosched_debug > 9)
1366                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1367 #endif
1368         return bp;
1369 }
1370
1371 /*
1372  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1373  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1374  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1375  * deferring work for various reasons.
1376  */
1377 void
1378 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1379 {
1380
1381         /*
1382          * Put all trims on the trim queue sorted, since we know
1383          * that the collapsing code requires this. Otherwise put
1384          * the work on the bio queue.
1385          */
1386         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1387                 bioq_disksort(&isc->trim_queue, bp);
1388 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1389                 isc->trim_stats.in++;
1390                 isc->trim_stats.queued++;
1391 #endif
1392         }
1393 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1394         else if (do_dynamic_iosched && (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1395                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1396                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1397                 else
1398                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1399                 if (iosched_debug > 9)
1400                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1401                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1402                         isc->write_stats.in++;
1403                         isc->write_stats.queued++;
1404                 }
1405         }
1406 #endif
1407         else {
1408                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1409                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1410                 else
1411                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1412 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1413                 if (iosched_debug > 9)
1414                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1415                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1416                         isc->read_stats.in++;
1417                         isc->read_stats.queued++;
1418                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1419                         isc->write_stats.in++;
1420                         isc->write_stats.queued++;
1421                 }
1422 #endif
1423         }
1424 }
1425
1426 /*
1427  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1428  */
1429 void
1430 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1431 {
1432
1433         if (cam_iosched_has_work(isc))
1434                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1435 }
1436
1437 /*
1438  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1439  */
1440 void
1441 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1442 {
1443
1444         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1445 }
1446
1447 /*
1448  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1449  * might use notes in the ccb for statistics.
1450  */
1451 int
1452 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1453     union ccb *done_ccb)
1454 {
1455         int retval = 0;
1456 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1457         if (!do_dynamic_iosched)
1458                 return retval;
1459
1460         if (iosched_debug > 10)
1461                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1462         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1463                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1464                 isc->write_stats.out++;
1465                 isc->write_stats.pending--;
1466         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1467                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1468                 isc->read_stats.out++;
1469                 isc->read_stats.pending--;
1470         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1471                 isc->trim_stats.out++;
1472                 isc->trim_stats.pending--;
1473         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1474                 if (iosched_debug)
1475                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1476         }
1477
1478         if (!(bp->bio_flags & BIO_ERROR))
1479                 cam_iosched_io_metric_update(isc,
1480                     cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data),
1481                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1482 #endif
1483         return retval;
1484 }
1485
1486 /*
1487  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1488  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1489  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1490  */
1491 void
1492 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1493 {
1494
1495         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1496 }
1497
1498 /*
1499  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1500  */
1501 void
1502 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1503 {
1504
1505         isc->sort_io_queue = val;
1506 }
1507
1508 int
1509 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1510 {
1511         return isc->flags & flags;
1512 }
1513
1514 void
1515 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1516 {
1517         isc->flags |= flags;
1518 }
1519
1520 void
1521 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1522 {
1523         isc->flags &= ~flags;
1524 }
1525
1526 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1527 /*
1528  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1529  * Square Roots," reprinted at
1530  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1531  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1532  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1533  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1534  * the result by 2 which after successive application winds up
1535  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1536  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1537  * than that method. This method is also integer size invariant.
1538  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1539  * or equal to the square root.
1540  */
1541 static uint64_t
1542 isqrt64(uint64_t val)
1543 {
1544         uint64_t res = 0;
1545         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1546
1547         /*
1548          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1549          */
1550         while (bit > val)
1551                 bit >>= 2;
1552
1553         /*
1554          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1555          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1556          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1557          * the successive shifts land the bit in the right place
1558          * by the end.
1559          */
1560         while (bit != 0) {
1561                 if (val >= res + bit) {
1562                         val -= res + bit;
1563                         res = (res >> 1) + bit;
1564                 } else
1565                         res >>= 1;
1566                 bit >>= 2;
1567         }
1568
1569         return res;
1570 }
1571
1572 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1573         SBT_1MS <<  0,
1574         SBT_1MS <<  1,
1575         SBT_1MS <<  2,
1576         SBT_1MS <<  3,
1577         SBT_1MS <<  4,
1578         SBT_1MS <<  5,
1579         SBT_1MS <<  6,
1580         SBT_1MS <<  7,
1581         SBT_1MS <<  8,
1582         SBT_1MS <<  9,
1583         SBT_1MS << 10,
1584         SBT_1MS << 11,
1585         SBT_1MS << 12,
1586         SBT_1MS << 13           /* 8.192s */
1587 };
1588
1589 static void
1590 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1591 {
1592         sbintime_t y, deltasq, delta;
1593         int i;
1594
1595         /*
1596          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1597          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1598          */
1599         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1600                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1601                         iop->latencies[i]++;
1602                         break;
1603                 }
1604         }
1605         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1606                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 1024ms values into the last bucket. */
1607
1608         /*
1609          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1610          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1611          * handbook.
1612          *
1613          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1614          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1615          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1616          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1617          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1618          *      = y_t/b - e/b + be/b
1619          *      = (y_t - e + be) / b
1620          *      = (e + d) / b
1621          *
1622          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1623          * division.
1624          *
1625          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1626          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1627          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1628          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1629          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1630          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1631          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1632          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1633          */
1634         /*
1635          * XXX possible numeric issues
1636          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1637          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1638          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1639          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1640          *        few tens of seconds of representation.
1641          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1642          */
1643         y = sim_latency;
1644         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1645         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1646
1647         /*
1648          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1649          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1650          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1651          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1652          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1653          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1654          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1655          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1656          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1657          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1658          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1659          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1660          */
1661         delta >>= 12;
1662         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1663         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1664             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1665             deltasq)                                            /* dd */
1666             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1667         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1668 }
1669
1670 static void
1671 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1672     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1673 {
1674         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1675         switch (cmd) {
1676         case BIO_READ:
1677                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1678                 break;
1679         case BIO_WRITE:
1680                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
1681                 break;
1682         case BIO_DELETE:
1683                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
1684                 break;
1685         default:
1686                 break;
1687         }
1688 }
1689
1690 #ifdef DDB
1691 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
1692 {
1693         int i = 0;
1694         struct bio *bp;
1695
1696         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
1697                 i++;
1698         }
1699         return i;
1700 }
1701
1702 /*
1703  * Show the internal state of the I/O scheduler.
1704  */
1705 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
1706 {
1707         struct cam_iosched_softc *isc;
1708
1709         if (!have_addr) {
1710                 db_printf("Need addr\n");
1711                 return;
1712         }
1713         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
1714         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
1715         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
1716         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
1717         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
1718         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
1719         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
1720         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
1721         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
1722         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
1723         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
1724         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
1725         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
1726         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
1727         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
1728         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
1729         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->write_queue));
1730         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
1731         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
1732         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
1733         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
1734         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
1735         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
1736         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
1737         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
1738         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
1739         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
1740         db_printf("Trim active?       %s\n",
1741             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
1742 }
1743 #endif
1744 #endif