// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * Copyright (c) 2016-present, Facebook, Inc.
 * All rights reserved.
 *
 */

#include <linux/bio.h>
#include <linux/bitmap.h>
#include <linux/err.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched/mm.h>
#include <linux/pagemap.h>
#include <linux/refcount.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/zstd.h>
#include "misc.h"
#include "fs.h"
#include "btrfs_inode.h"
#include "compression.h"
#include "super.h"

#define ZSTD_BTRFS_MAX_WINDOWLOG 17
#define ZSTD_BTRFS_MAX_INPUT (1U << ZSTD_BTRFS_MAX_WINDOWLOG)
#define ZSTD_BTRFS_DEFAULT_LEVEL 3
#define ZSTD_BTRFS_MIN_LEVEL -15
#define ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL 15
/* 307s to avoid pathologically clashing with transaction commit */
#define ZSTD_BTRFS_RECLAIM_JIFFIES (307 * HZ)

static zstd_parameters zstd_get_btrfs_parameters(int level,
       size_t src_len)
{
 zstd_parameters params = zstd_get_params(level, src_len);

 if (params.cParams.windowLog > ZSTD_BTRFS_MAX_WINDOWLOG)
  params.cParams.windowLog = ZSTD_BTRFS_MAX_WINDOWLOG;
 WARN_ON(src_len > ZSTD_BTRFS_MAX_INPUT);
 return params;
}

struct workspace {
 void *mem;
 size_t size;
 char *buf;
 int level;
 int req_level;
 unsigned long last_used; /* jiffies */
 struct list_head list;
 struct list_head lru_list;
 zstd_in_buffer in_buf;
 zstd_out_buffer out_buf;
 zstd_parameters params;
};

/*
 * Zstd Workspace Management
 *
 * Zstd workspaces have different memory requirements depending on the level.
 * The zstd workspaces are managed by having individual lists for each level
 * and a global lru.  Forward progress is maintained by protecting a max level
 * workspace.
 *
 * Getting a workspace is done by using the bitmap to identify the levels that
 * have available workspaces and scans up.  This lets us recycle higher level
 * workspaces because of the monotonic memory guarantee.  A workspace's
 * last_used is only updated if it is being used by the corresponding memory
 * level.  Putting a workspace involves adding it back to the appropriate places
 * and adding it back to the lru if necessary.
 *
 * A timer is used to reclaim workspaces if they have not been used for
 * ZSTD_BTRFS_RECLAIM_JIFFIES.  This helps keep only active workspaces around.
 * The upper bound is provided by the workqueue limit which is 2 (percpu limit).
 */

struct zstd_workspace_manager {
 const struct btrfs_compress_op *ops;
 spinlock_t lock;
 struct list_head lru_list;
 struct list_head idle_ws[ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL];
 unsigned long active_map;
 wait_queue_head_t wait;
 struct timer_list timer;
};

static struct zstd_workspace_manager wsm;

static size_t zstd_ws_mem_sizes[ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL];

static inline struct workspace *list_to_workspace(struct list_head *list)
{
 return container_of(list, struct workspace, list);
}

static inline int clip_level(int level)
{
 return max(0, level - 1);
}

/*
 * Timer callback to free unused workspaces.
 *
 * @t: timer
 *
 * This scans the lru_list and attempts to reclaim any workspace that hasn't
 * been used for ZSTD_BTRFS_RECLAIM_JIFFIES.
 *
 * The context is softirq and does not need the _bh locking primitives.
 */
static void zstd_reclaim_timer_fn(struct timer_list *timer)
{
 unsigned long reclaim_threshold = jiffies - ZSTD_BTRFS_RECLAIM_JIFFIES;
 struct list_head *pos, *next;

 ASSERT(timer == &wsm.timer);

 spin_lock(&wsm.lock);

 if (list_empty(&wsm.lru_list)) {
  spin_unlock(&wsm.lock);
  return;
 }

 list_for_each_prev_safe(pos, next, &wsm.lru_list) {
  struct workspace *victim = container_of(pos, struct workspace,
       lru_list);
  int level;

  if (time_after(victim->last_used, reclaim_threshold))
   break;

  /* workspace is in use */
  if (victim->req_level)
   continue;

  level = victim->level;
  list_del(&victim->lru_list);
  list_del(&victim->list);
  zstd_free_workspace(&victim->list);

  if (list_empty(&wsm.idle_ws[level]))
   clear_bit(level, &wsm.active_map);

 }

 if (!list_empty(&wsm.lru_list))
  mod_timer(&wsm.timer, jiffies + ZSTD_BTRFS_RECLAIM_JIFFIES);

 spin_unlock(&wsm.lock);
}

/*
 * Calculate monotonic memory bounds.
 *
 * It is possible based on the level configurations that a higher level
 * workspace uses less memory than a lower level workspace.  In order to reuse
 * workspaces, this must be made a monotonic relationship.  This precomputes
 * the required memory for each level and enforces the monotonicity between
 * level and memory required.
 */
static void zstd_calc_ws_mem_sizes(void)
{
 size_t max_size = 0;
 int level;

 for (level = ZSTD_BTRFS_MIN_LEVEL; level <= ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL; level++) {
  if (level == 0)
   continue;
  zstd_parameters params =
   zstd_get_btrfs_parameters(level, ZSTD_BTRFS_MAX_INPUT);
  size_t level_size =
   max_t(size_t,
         zstd_cstream_workspace_bound(¶ms.cParams),
         zstd_dstream_workspace_bound(ZSTD_BTRFS_MAX_INPUT));

  max_size = max_t(size_t, max_size, level_size);
  /* Use level 1 workspace size for all the fast mode negative levels. */
  zstd_ws_mem_sizes[clip_level(level)] = max_size;
 }
}

void zstd_init_workspace_manager(void)
{
 struct list_head *ws;
 int i;

 zstd_calc_ws_mem_sizes();

 wsm.ops = &btrfs_zstd_compress;
 spin_lock_init(&wsm.lock);
 init_waitqueue_head(&wsm.wait);
 timer_setup(&wsm.timer, zstd_reclaim_timer_fn, 0);

 INIT_LIST_HEAD(&wsm.lru_list);
 for (i = 0; i < ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL; i++)
  INIT_LIST_HEAD(&wsm.idle_ws[i]);

 ws = zstd_alloc_workspace(ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL);
 if (IS_ERR(ws)) {
  btrfs_warn(NULL, "cannot preallocate zstd compression workspace");
 } else {
  set_bit(ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL - 1, &wsm.active_map);
  list_add(ws, &wsm.idle_ws[ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL - 1]);
 }
}

void zstd_cleanup_workspace_manager(void)
{
 struct workspace *workspace;
 int i;

 spin_lock_bh(&wsm.lock);
 for (i = 0; i < ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL; i++) {
  while (!list_empty(&wsm.idle_ws[i])) {
   workspace = container_of(wsm.idle_ws[i].next,
       struct workspace, list);
   list_del(&workspace->list);
   list_del(&workspace->lru_list);
   zstd_free_workspace(&workspace->list);
  }
 }
 spin_unlock_bh(&wsm.lock);

 timer_delete_sync(&wsm.timer);
}

/*
 * Find workspace for given level.
 *
 * @level: compression level
 *
 * This iterates over the set bits in the active_map beginning at the requested
 * compression level.  This lets us utilize already allocated workspaces before
 * allocating a new one.  If the workspace is of a larger size, it is used, but
 * the place in the lru_list and last_used times are not updated.  This is to
 * offer the opportunity to reclaim the workspace in favor of allocating an
 * appropriately sized one in the future.
 */
static struct list_head *zstd_find_workspace(int level)
{
 struct list_head *ws;
 struct workspace *workspace;
 int i = clip_level(level);

 spin_lock_bh(&wsm.lock);
 for_each_set_bit_from(i, &wsm.active_map, ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL) {
  if (!list_empty(&wsm.idle_ws[i])) {
   ws = wsm.idle_ws[i].next;
   workspace = list_to_workspace(ws);
   list_del_init(ws);
   /* keep its place if it's a lower level using this */
   workspace->req_level = level;
   if (clip_level(level) == workspace->level)
    list_del(&workspace->lru_list);
   if (list_empty(&wsm.idle_ws[i]))
    clear_bit(i, &wsm.active_map);
   spin_unlock_bh(&wsm.lock);
   return ws;
  }
 }
 spin_unlock_bh(&wsm.lock);

 return NULL;
}

/*
 * Zstd get_workspace for level.
 *
 * @level: compression level
 *
 * If @level is 0, then any compression level can be used.  Therefore, we begin
 * scanning from 1.  We first scan through possible workspaces and then after
 * attempt to allocate a new workspace.  If we fail to allocate one due to
 * memory pressure, go to sleep waiting for the max level workspace to free up.
 */
struct list_head *zstd_get_workspace(int level)
{
 struct list_head *ws;
 unsigned int nofs_flag;

 /* level == 0 means we can use any workspace */
 if (!level)
  level = 1;

again:
 ws = zstd_find_workspace(level);
 if (ws)
  return ws;

 nofs_flag = memalloc_nofs_save();
 ws = zstd_alloc_workspace(level);
 memalloc_nofs_restore(nofs_flag);

 if (IS_ERR(ws)) {
  DEFINE_WAIT(wait);

  prepare_to_wait(&wsm.wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
  schedule();
  finish_wait(&wsm.wait, &wait);

  goto again;
 }

 return ws;
}

/*
 * Zstd put_workspace.
 *
 * @ws: list_head for the workspace
 *
 * When putting back a workspace, we only need to update the LRU if we are of
 * the requested compression level.  Here is where we continue to protect the
 * max level workspace or update last_used accordingly.  If the reclaim timer
 * isn't set, it is also set here.  Only the max level workspace tries and wakes
 * up waiting workspaces.
 */
void zstd_put_workspace(struct list_head *ws)
{
 struct workspace *workspace = list_to_workspace(ws);

 spin_lock_bh(&wsm.lock);

 /* A node is only taken off the lru if we are the corresponding level */
 if (clip_level(workspace->req_level) == workspace->level) {
  /* Hide a max level workspace from reclaim */
  if (list_empty(&wsm.idle_ws[ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL - 1])) {
   INIT_LIST_HEAD(&workspace->lru_list);
  } else {
   workspace->last_used = jiffies;
   list_add(&workspace->lru_list, &wsm.lru_list);
   if (!timer_pending(&wsm.timer))
    mod_timer(&wsm.timer,
       jiffies + ZSTD_BTRFS_RECLAIM_JIFFIES);
  }
 }

 set_bit(workspace->level, &wsm.active_map);
 list_add(&workspace->list, &wsm.idle_ws[workspace->level]);
 workspace->req_level = 0;

 spin_unlock_bh(&wsm.lock);

 if (workspace->level == clip_level(ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL))
  cond_wake_up(&wsm.wait);
}

void zstd_free_workspace(struct list_head *ws)
{
 struct workspace *workspace = list_entry(ws, struct workspace, list);

 kvfree(workspace->mem);
 kfree(workspace->buf);
 kfree(workspace);
}

struct list_head *zstd_alloc_workspace(int level)
{
 struct workspace *workspace;

 workspace = kzalloc(sizeof(*workspace), GFP_KERNEL);
 if (!workspace)
  return ERR_PTR(-ENOMEM);

 /* Use level 1 workspace size for all the fast mode negative levels. */
 workspace->size = zstd_ws_mem_sizes[clip_level(level)];
 workspace->level = clip_level(level);
 workspace->req_level = level;
 workspace->last_used = jiffies;
 workspace->mem = kvmalloc(workspace->size, GFP_KERNEL | __GFP_NOWARN);
 workspace->buf = kmalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL);
 if (!workspace->mem || !workspace->buf)
  goto fail;

 INIT_LIST_HEAD(&workspace->list);
 INIT_LIST_HEAD(&workspace->lru_list);

 return &workspace->list;
fail:
 zstd_free_workspace(&workspace->list);
 return ERR_PTR(-ENOMEM);
}

int zstd_compress_folios(struct list_head *ws, struct address_space *mapping,
    u64 start, struct folio **folios, unsigned long *out_folios,
    unsigned long *total_in, unsigned long *total_out)
{
 struct workspace *workspace = list_entry(ws, struct workspace, list);
 zstd_cstream *stream;
 int ret = 0;
 int nr_folios = 0;
 struct folio *in_folio = NULL;  /* The current folio to read. */
 struct folio *out_folio = NULL; /* The current folio to write to. */
 unsigned long tot_in = 0;
 unsigned long tot_out = 0;
 unsigned long len = *total_out;
 const unsigned long nr_dest_folios = *out_folios;
 const u64 orig_end = start + len;
 unsigned long max_out = nr_dest_folios * PAGE_SIZE;
 unsigned int cur_len;

 workspace->params = zstd_get_btrfs_parameters(workspace->req_level, len);
 *out_folios = 0;
 *total_out = 0;
 *total_in = 0;

 /* Initialize the stream */
 stream = zstd_init_cstream(&workspace->params, len, workspace->mem,
   workspace->size);
 if (unlikely(!stream)) {
  struct btrfs_inode *inode = BTRFS_I(mapping->host);

  btrfs_err(inode->root->fs_info,
 "zstd compression init level %d failed, root %llu inode %llu offset %llu",
     workspace->req_level, btrfs_root_id(inode->root),
     btrfs_ino(inode), start);
  ret = -EIO;
  goto out;
 }

 /* map in the first page of input data */
 ret = btrfs_compress_filemap_get_folio(mapping, start, &in_folio);
 if (ret < 0)
  goto out;
 cur_len = btrfs_calc_input_length(in_folio, orig_end, start);
 workspace->in_buf.src = kmap_local_folio(in_folio, offset_in_folio(in_folio, start));
 workspace->in_buf.pos = 0;
 workspace->in_buf.size = cur_len;

 /* Allocate and map in the output buffer */
 out_folio = btrfs_alloc_compr_folio();
 if (out_folio == NULL) {
  ret = -ENOMEM;
  goto out;
 }
 folios[nr_folios++] = out_folio;
 workspace->out_buf.dst = folio_address(out_folio);
 workspace->out_buf.pos = 0;
 workspace->out_buf.size = min_t(size_t, max_out, PAGE_SIZE);

 while (1) {
  size_t ret2;

  ret2 = zstd_compress_stream(stream, &workspace->out_buf,
    &workspace->in_buf);
  if (unlikely(zstd_is_error(ret2))) {
   struct btrfs_inode *inode = BTRFS_I(mapping->host);

   btrfs_warn(inode->root->fs_info,
"zstd compression level %d failed, error %d root %llu inode %llu offset %llu",
       workspace->req_level, zstd_get_error_code(ret2),
       btrfs_root_id(inode->root), btrfs_ino(inode),
       start);
   ret = -EIO;
   goto out;
  }

  /* Check to see if we are making it bigger */
  if (tot_in + workspace->in_buf.pos > 8192 &&
    tot_in + workspace->in_buf.pos <
    tot_out + workspace->out_buf.pos) {
   ret = -E2BIG;
   goto out;
  }

  /* We've reached the end of our output range */
  if (workspace->out_buf.pos >= max_out) {
   tot_out += workspace->out_buf.pos;
   ret = -E2BIG;
   goto out;
  }

  /* Check if we need more output space */
  if (workspace->out_buf.pos == workspace->out_buf.size) {
   tot_out += PAGE_SIZE;
   max_out -= PAGE_SIZE;
   if (nr_folios == nr_dest_folios) {
    ret = -E2BIG;
    goto out;
   }
   out_folio = btrfs_alloc_compr_folio();
   if (out_folio == NULL) {
    ret = -ENOMEM;
    goto out;
   }
   folios[nr_folios++] = out_folio;
   workspace->out_buf.dst = folio_address(out_folio);
   workspace->out_buf.pos = 0;
   workspace->out_buf.size = min_t(size_t, max_out,
       PAGE_SIZE);
  }

  /* We've reached the end of the input */
  if (workspace->in_buf.pos >= len) {
   tot_in += workspace->in_buf.pos;
   break;
  }

  /* Check if we need more input */
  if (workspace->in_buf.pos == workspace->in_buf.size) {
   tot_in += workspace->in_buf.size;
   kunmap_local(workspace->in_buf.src);
   workspace->in_buf.src = NULL;
   folio_put(in_folio);
   start += cur_len;
   len -= cur_len;
   ret = btrfs_compress_filemap_get_folio(mapping, start, &in_folio);
   if (ret < 0)
    goto out;
   cur_len = btrfs_calc_input_length(in_folio, orig_end, start);
   workspace->in_buf.src = kmap_local_folio(in_folio,
        offset_in_folio(in_folio, start));
   workspace->in_buf.pos = 0;
   workspace->in_buf.size = cur_len;
  }
 }
 while (1) {
  size_t ret2;

  ret2 = zstd_end_stream(stream, &workspace->out_buf);
  if (unlikely(zstd_is_error(ret2))) {
   struct btrfs_inode *inode = BTRFS_I(mapping->host);

   btrfs_err(inode->root->fs_info,
"zstd compression end level %d failed, error %d root %llu inode %llu offset %llu",
      workspace->req_level, zstd_get_error_code(ret2),
      btrfs_root_id(inode->root), btrfs_ino(inode),
      start);
   ret = -EIO;
   goto out;
  }
  if (ret2 == 0) {
   tot_out += workspace->out_buf.pos;
   break;
  }
  if (workspace->out_buf.pos >= max_out) {
   tot_out += workspace->out_buf.pos;
   ret = -E2BIG;
   goto out;
  }

  tot_out += PAGE_SIZE;
  max_out -= PAGE_SIZE;
  if (nr_folios == nr_dest_folios) {
   ret = -E2BIG;
   goto out;
  }
  out_folio = btrfs_alloc_compr_folio();
  if (out_folio == NULL) {
   ret = -ENOMEM;
   goto out;
  }
  folios[nr_folios++] = out_folio;
  workspace->out_buf.dst = folio_address(out_folio);
  workspace->out_buf.pos = 0;
  workspace->out_buf.size = min_t(size_t, max_out, PAGE_SIZE);
 }

 if (tot_out >= tot_in) {
  ret = -E2BIG;
  goto out;
 }

 ret = 0;
 *total_in = tot_in;
 *total_out = tot_out;
out:
 *out_folios = nr_folios;
 if (workspace->in_buf.src) {
  kunmap_local(workspace->in_buf.src);
  folio_put(in_folio);
 }
 return ret;
}

int zstd_decompress_bio(struct list_head *ws, struct compressed_bio *cb)
{
 struct workspace *workspace = list_entry(ws, struct workspace, list);
 struct folio **folios_in = cb->compressed_folios;
 size_t srclen = cb->compressed_len;
 zstd_dstream *stream;
 int ret = 0;
 unsigned long folio_in_index = 0;
 unsigned long total_folios_in = DIV_ROUND_UP(srclen, PAGE_SIZE);
 unsigned long buf_start;
 unsigned long total_out = 0;

 stream = zstd_init_dstream(
   ZSTD_BTRFS_MAX_INPUT, workspace->mem, workspace->size);
 if (unlikely(!stream)) {
  struct btrfs_inode *inode = cb->bbio.inode;

  btrfs_err(inode->root->fs_info,
  "zstd decompression init failed, root %llu inode %llu offset %llu",
     btrfs_root_id(inode->root), btrfs_ino(inode), cb->start);
  ret = -EIO;
  goto done;
 }

 workspace->in_buf.src = kmap_local_folio(folios_in[folio_in_index], 0);
 workspace->in_buf.pos = 0;
 workspace->in_buf.size = min_t(size_t, srclen, PAGE_SIZE);

 workspace->out_buf.dst = workspace->buf;
 workspace->out_buf.pos = 0;
 workspace->out_buf.size = PAGE_SIZE;

 while (1) {
  size_t ret2;

  ret2 = zstd_decompress_stream(stream, &workspace->out_buf,
    &workspace->in_buf);
  if (unlikely(zstd_is_error(ret2))) {
   struct btrfs_inode *inode = cb->bbio.inode;

   btrfs_err(inode->root->fs_info,
  "zstd decompression failed, error %d root %llu inode %llu offset %llu",
      zstd_get_error_code(ret2), btrfs_root_id(inode->root),
      btrfs_ino(inode), cb->start);
   ret = -EIO;
   goto done;
  }
  buf_start = total_out;
  total_out += workspace->out_buf.pos;
  workspace->out_buf.pos = 0;

  ret = btrfs_decompress_buf2page(workspace->out_buf.dst,
    total_out - buf_start, cb, buf_start);
  if (ret == 0)
   break;

  if (workspace->in_buf.pos >= srclen)
   break;

  /* Check if we've hit the end of a frame */
  if (ret2 == 0)
   break;

  if (workspace->in_buf.pos == workspace->in_buf.size) {
   kunmap_local(workspace->in_buf.src);
   folio_in_index++;
   if (folio_in_index >= total_folios_in) {
    workspace->in_buf.src = NULL;
    ret = -EIO;
    goto done;
   }
   srclen -= PAGE_SIZE;
   workspace->in_buf.src =
    kmap_local_folio(folios_in[folio_in_index], 0);
   workspace->in_buf.pos = 0;
   workspace->in_buf.size = min_t(size_t, srclen, PAGE_SIZE);
  }
 }
 ret = 0;
done:
 if (workspace->in_buf.src)
  kunmap_local(workspace->in_buf.src);
 return ret;
}

int zstd_decompress(struct list_head *ws, const u8 *data_in,
  struct folio *dest_folio, unsigned long dest_pgoff, size_t srclen,
  size_t destlen)
{
 struct workspace *workspace = list_entry(ws, struct workspace, list);
 struct btrfs_fs_info *fs_info = btrfs_sb(folio_inode(dest_folio)->i_sb);
 const u32 sectorsize = fs_info->sectorsize;
 zstd_dstream *stream;
 int ret = 0;
 unsigned long to_copy = 0;

 stream = zstd_init_dstream(
   ZSTD_BTRFS_MAX_INPUT, workspace->mem, workspace->size);
 if (unlikely(!stream)) {
  struct btrfs_inode *inode = folio_to_inode(dest_folio);

  btrfs_err(inode->root->fs_info,
  "zstd decompression init failed, root %llu inode %llu offset %llu",
     btrfs_root_id(inode->root), btrfs_ino(inode),
     folio_pos(dest_folio));
  ret = -EIO;
  goto finish;
 }

 workspace->in_buf.src = data_in;
 workspace->in_buf.pos = 0;
 workspace->in_buf.size = srclen;

 workspace->out_buf.dst = workspace->buf;
 workspace->out_buf.pos = 0;
 workspace->out_buf.size = sectorsize;

 /*
  * Since both input and output buffers should not exceed one sector,
  * one call should end the decompression.
 */
 ret = zstd_decompress_stream(stream, &workspace->out_buf, &workspace->in_buf);
 if (unlikely(zstd_is_error(ret))) {
  struct btrfs_inode *inode = folio_to_inode(dest_folio);

  btrfs_err(inode->root->fs_info,
  "zstd decompression failed, error %d root %llu inode %llu offset %llu",
     zstd_get_error_code(ret), btrfs_root_id(inode->root),
     btrfs_ino(inode), folio_pos(dest_folio));
  goto finish;
 }
 to_copy = workspace->out_buf.pos;
 memcpy_to_folio(dest_folio, dest_pgoff, workspace->out_buf.dst, to_copy);
finish:
 /* Error or early end. */
 if (unlikely(to_copy < destlen)) {
  ret = -EIO;
  folio_zero_range(dest_folio, dest_pgoff + to_copy, destlen - to_copy);
 }
 return ret;
}

const struct btrfs_compress_op btrfs_zstd_compress = {
 /* ZSTD uses own workspace manager */
 .workspace_manager = NULL,
 .min_level = ZSTD_BTRFS_MIN_LEVEL,
 .max_level = ZSTD_BTRFS_MAX_LEVEL,
 .default_level = ZSTD_BTRFS_DEFAULT_LEVEL,
};