// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
/*
 * Ram backed block device driver.
 *
 * Copyright (C) 2007 Nick Piggin
 * Copyright (C) 2007 Novell Inc.
 *
 * Parts derived from drivers/block/rd.c, and drivers/block/loop.c, copyright
 * of their respective owners.
 */

#include <linux/init.h>
#include <linux/initrd.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/bio.h>
#include <linux/highmem.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/pagemap.h>
#include <linux/xarray.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/backing-dev.h>
#include <linux/debugfs.h>

#include <linux/uaccess.h>

/*
 * Each block ramdisk device has a xarray brd_pages of pages that stores
 * the pages containing the block device's contents.
 */
struct brd_device {
 int   brd_number;
 struct gendisk  *brd_disk;
 struct list_head brd_list;

 /*
  * Backing store of pages. This is the contents of the block device.
 */
 struct xarray         brd_pages;
 u64   brd_nr_pages;
};

/*
 * Look up and return a brd's page for a given sector.
 */
static struct page *brd_lookup_page(struct brd_device *brd, sector_t sector)
{
 return xa_load(&brd->brd_pages, sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT);
}

/*
 * Insert a new page for a given sector, if one does not already exist.
 */
static struct page *brd_insert_page(struct brd_device *brd, sector_t sector,
  blk_opf_t opf)
 __releases(rcu)
 __acquires(rcu)
{
 gfp_t gfp = (opf & REQ_NOWAIT) ? GFP_NOWAIT : GFP_NOIO;
 struct page *page, *ret;

 rcu_read_unlock();
 page = alloc_page(gfp | __GFP_ZERO | __GFP_HIGHMEM);
 if (!page) {
  rcu_read_lock();
  return ERR_PTR(-ENOMEM);
 }

 xa_lock(&brd->brd_pages);
 ret = __xa_cmpxchg(&brd->brd_pages, sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT, NULL,
   page, gfp);
 rcu_read_lock();
 if (ret) {
  xa_unlock(&brd->brd_pages);
  __free_page(page);
  if (xa_is_err(ret))
   return ERR_PTR(xa_err(ret));
  return ret;
 }
 brd->brd_nr_pages++;
 xa_unlock(&brd->brd_pages);
 return page;
}

/*
 * Free all backing store pages and xarray. This must only be called when
 * there are no other users of the device.
 */
static void brd_free_pages(struct brd_device *brd)
{
 struct page *page;
 pgoff_t idx;

 xa_for_each(&brd->brd_pages, idx, page) {
  __free_page(page);
  cond_resched();
 }

 xa_destroy(&brd->brd_pages);
}

/*
 * Process a single segment.  The segment is capped to not cross page boundaries
 * in both the bio and the brd backing memory.
 */
static bool brd_rw_bvec(struct brd_device *brd, struct bio *bio)
{
 struct bio_vec bv = bio_iter_iovec(bio, bio->bi_iter);
 sector_t sector = bio->bi_iter.bi_sector;
 u32 offset = (sector & (PAGE_SECTORS - 1)) << SECTOR_SHIFT;
 blk_opf_t opf = bio->bi_opf;
 struct page *page;
 void *kaddr;

 bv.bv_len = min_t(u32, bv.bv_len, PAGE_SIZE - offset);

 rcu_read_lock();
 page = brd_lookup_page(brd, sector);
 if (!page && op_is_write(opf)) {
  page = brd_insert_page(brd, sector, opf);
  if (IS_ERR(page))
   goto out_error;
 }

 kaddr = bvec_kmap_local(&bv);
 if (op_is_write(opf)) {
  memcpy_to_page(page, offset, kaddr, bv.bv_len);
 } else {
  if (page)
   memcpy_from_page(kaddr, page, offset, bv.bv_len);
  else
   memset(kaddr, 0, bv.bv_len);
 }
 kunmap_local(kaddr);
 rcu_read_unlock();

 bio_advance_iter_single(bio, &bio->bi_iter, bv.bv_len);
 return true;

out_error:
 rcu_read_unlock();
 if (PTR_ERR(page) == -ENOMEM && (opf & REQ_NOWAIT))
  bio_wouldblock_error(bio);
 else
  bio_io_error(bio);
 return false;
}

static void brd_free_one_page(struct rcu_head *head)
{
 struct page *page = container_of(head, struct page, rcu_head);

 __free_page(page);
}

static void brd_do_discard(struct brd_device *brd, sector_t sector, u32 size)
{
 sector_t aligned_sector = round_up(sector, PAGE_SECTORS);
 sector_t aligned_end = round_down(
   sector + (size >> SECTOR_SHIFT), PAGE_SECTORS);
 struct page *page;

 if (aligned_end <= aligned_sector)
  return;

 xa_lock(&brd->brd_pages);
 while (aligned_sector < aligned_end && aligned_sector < rd_size * 2) {
  page = __xa_erase(&brd->brd_pages, aligned_sector >> PAGE_SECTORS_SHIFT);
  if (page) {
   call_rcu(&page->rcu_head, brd_free_one_page);
   brd->brd_nr_pages--;
  }
  aligned_sector += PAGE_SECTORS;
 }
 xa_unlock(&brd->brd_pages);
}

static void brd_submit_bio(struct bio *bio)
{
 struct brd_device *brd = bio->bi_bdev->bd_disk->private_data;

 if (unlikely(op_is_discard(bio->bi_opf))) {
  brd_do_discard(brd, bio->bi_iter.bi_sector,
    bio->bi_iter.bi_size);
  bio_endio(bio);
  return;
 }

 do {
  if (!brd_rw_bvec(brd, bio))
   return;
 } while (bio->bi_iter.bi_size);

 bio_endio(bio);
}

static const struct block_device_operations brd_fops = {
 .owner =  THIS_MODULE,
 .submit_bio =  brd_submit_bio,
};

/*
 * And now the modules code and kernel interface.
 */
static int rd_nr = CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT;
module_param(rd_nr, int, 0444);
MODULE_PARM_DESC(rd_nr, "Maximum number of brd devices");

unsigned long rd_size = CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE;
module_param(rd_size, ulong, 0444);
MODULE_PARM_DESC(rd_size, "Size of each RAM disk in kbytes.");

static int max_part = 1;
module_param(max_part, int, 0444);
MODULE_PARM_DESC(max_part, "Num Minors to reserve between devices");

MODULE_DESCRIPTION("Ram backed block device driver");
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_ALIAS_BLOCKDEV_MAJOR(RAMDISK_MAJOR);
MODULE_ALIAS("rd");

#ifndef MODULE
/* Legacy boot options - nonmodular */
static int __init ramdisk_size(char *str)
{
 rd_size = simple_strtol(str, NULL, 0);
 return 1;
}
__setup("ramdisk_size=", ramdisk_size);
#endif

/*
 * The device scheme is derived from loop.c. Keep them in synch where possible
 * (should share code eventually).
 */
static LIST_HEAD(brd_devices);
static DEFINE_MUTEX(brd_devices_mutex);
static struct dentry *brd_debugfs_dir;

static struct brd_device *brd_find_or_alloc_device(int i)
{
 struct brd_device *brd;

 mutex_lock(&brd_devices_mutex);
 list_for_each_entry(brd, &brd_devices, brd_list) {
  if (brd->brd_number == i) {
   mutex_unlock(&brd_devices_mutex);
   return ERR_PTR(-EEXIST);
  }
 }

 brd = kzalloc(sizeof(*brd), GFP_KERNEL);
 if (!brd) {
  mutex_unlock(&brd_devices_mutex);
  return ERR_PTR(-ENOMEM);
 }
 brd->brd_number = i;
 list_add_tail(&brd->brd_list, &brd_devices);
 mutex_unlock(&brd_devices_mutex);
 return brd;
}

static void brd_free_device(struct brd_device *brd)
{
 mutex_lock(&brd_devices_mutex);
 list_del(&brd->brd_list);
 mutex_unlock(&brd_devices_mutex);
 kfree(brd);
}

static int brd_alloc(int i)
{
 struct brd_device *brd;
 struct gendisk *disk;
 char buf[DISK_NAME_LEN];
 int err = -ENOMEM;
 struct queue_limits lim = {
  /*
   * This is so fdisk will align partitions on 4k, because of
   * direct_access API needing 4k alignment, returning a PFN
   * (This is only a problem on very small devices <= 4M,
   *  otherwise fdisk will align on 1M. Regardless this call
   *  is harmless)
 */
  .physical_block_size = PAGE_SIZE,
  .max_hw_discard_sectors = UINT_MAX,
  .max_discard_segments = 1,
  .discard_granularity = PAGE_SIZE,
  .features  = BLK_FEAT_SYNCHRONOUS |
       BLK_FEAT_NOWAIT,
 };

 brd = brd_find_or_alloc_device(i);
 if (IS_ERR(brd))
  return PTR_ERR(brd);

 xa_init(&brd->brd_pages);

 snprintf(buf, DISK_NAME_LEN, "ram%d", i);
 if (!IS_ERR_OR_NULL(brd_debugfs_dir))
  debugfs_create_u64(buf, 0444, brd_debugfs_dir,
    &brd->brd_nr_pages);

 disk = brd->brd_disk = blk_alloc_disk(&lim, NUMA_NO_NODE);
 if (IS_ERR(disk)) {
  err = PTR_ERR(disk);
  goto out_free_dev;
 }
 disk->major  = RAMDISK_MAJOR;
 disk->first_minor = i * max_part;
 disk->minors  = max_part;
 disk->fops  = &brd_fops;
 disk->private_data = brd;
 strscpy(disk->disk_name, buf, DISK_NAME_LEN);
 set_capacity(disk, rd_size * 2);
 
 err = add_disk(disk);
 if (err)
  goto out_cleanup_disk;

 return 0;

out_cleanup_disk:
 put_disk(disk);
out_free_dev:
 brd_free_device(brd);
 return err;
}

static void brd_probe(dev_t dev)
{
 brd_alloc(MINOR(dev) / max_part);
}

static void brd_cleanup(void)
{
 struct brd_device *brd, *next;

 debugfs_remove_recursive(brd_debugfs_dir);

 list_for_each_entry_safe(brd, next, &brd_devices, brd_list) {
  del_gendisk(brd->brd_disk);
  put_disk(brd->brd_disk);
  brd_free_pages(brd);
  brd_free_device(brd);
 }
}

static inline void brd_check_and_reset_par(void)
{
 if (unlikely(!max_part))
  max_part = 1;

 /*
  * make sure 'max_part' can be divided exactly by (1U << MINORBITS),
  * otherwise, it is possiable to get same dev_t when adding partitions.
 */
 if ((1U << MINORBITS) % max_part != 0)
  max_part = 1UL << fls(max_part);

 if (max_part > DISK_MAX_PARTS) {
  pr_info("brd: max_part can't be larger than %d, reset max_part = %d.\n",
   DISK_MAX_PARTS, DISK_MAX_PARTS);
  max_part = DISK_MAX_PARTS;
 }
}

static int __init brd_init(void)
{
 int err, i;

 /*
  * brd module now has a feature to instantiate underlying device
  * structure on-demand, provided that there is an access dev node.
  *
  * (1) if rd_nr is specified, create that many upfront. else
  *     it defaults to CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT
  * (2) User can further extend brd devices by create dev node themselves
  *     and have kernel automatically instantiate actual device
  *     on-demand. Example:
  *  mknod /path/devnod_name b 1 X # 1 is the rd major
  *  fdisk -l /path/devnod_name
  * If (X / max_part) was not already created it will be created
  * dynamically.
 */

 brd_check_and_reset_par();

 brd_debugfs_dir = debugfs_create_dir("ramdisk_pages", NULL);

 if (__register_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk", brd_probe)) {
  err = -EIO;
  goto out_free;
 }

 for (i = 0; i < rd_nr; i++)
  brd_alloc(i);

 pr_info("brd: module loaded\n");
 return 0;

out_free:
 brd_cleanup();

 pr_info("brd: module NOT loaded !!!\n");
 return err;
}

static void __exit brd_exit(void)
{

 unregister_blkdev(RAMDISK_MAJOR, "ramdisk");
 brd_cleanup();

 pr_info("brd: module unloaded\n");
}

module_init(brd_init);
module_exit(brd_exit);