drivers/block/brd.c

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