// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
#include <linux/delay.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kthread.h>
#include <linux/trace_clock.h>

#define CREATE_TRACE_POINTS
#include "trace_benchmark.h"

static struct task_struct *bm_event_thread;

static char bm_str[BENCHMARK_EVENT_STRLEN] = "START";

static u64 bm_total;
static u64 bm_totalsq;
static u64 bm_last;
static u64 bm_max;
static u64 bm_min;
static u64 bm_first;
static u64 bm_cnt;
static u64 bm_stddev;
static unsigned int bm_avg;
static unsigned int bm_std;

static bool ok_to_run;

/*
 * This gets called in a loop recording the time it took to write
 * the tracepoint. What it writes is the time statistics of the last
 * tracepoint write. As there is nothing to write the first time
 * it simply writes "START". As the first write is cold cache and
 * the rest is hot, we save off that time in bm_first and it is
 * reported as "first", which is shown in the second write to the
 * tracepoint. The "first" field is written within the statics from
 * then on but never changes.
 */
static void trace_do_benchmark(void)
{
 u64 start;
 u64 stop;
 u64 delta;
 u64 stddev;
 u64 seed;
 u64 last_seed;
 unsigned int avg;
 unsigned int std = 0;

 /* Only run if the tracepoint is actually active */
 if (!trace_benchmark_event_enabled() || !tracing_is_on())
  return;

 local_irq_disable();
 start = trace_clock_local();
 trace_benchmark_event(bm_str, bm_last);
 stop = trace_clock_local();
 local_irq_enable();

 bm_cnt++;

 delta = stop - start;

 /*
  * The first read is cold cached, keep it separate from the
  * other calculations.
 */
 if (bm_cnt == 1) {
  bm_first = delta;
  scnprintf(bm_str, BENCHMARK_EVENT_STRLEN,
     "first=%llu [COLD CACHED]", bm_first);
  return;
 }

 bm_last = delta;

 if (delta > bm_max)
  bm_max = delta;
 if (!bm_min || delta < bm_min)
  bm_min = delta;

 /*
  * When bm_cnt is greater than UINT_MAX, it breaks the statistics
  * accounting. Freeze the statistics when that happens.
  * We should have enough data for the avg and stddev anyway.
 */
 if (bm_cnt > UINT_MAX) {
  scnprintf(bm_str, BENCHMARK_EVENT_STRLEN,
      "last=%llu first=%llu max=%llu min=%llu ** avg=%u std=%d std^2=%lld",
     bm_last, bm_first, bm_max, bm_min, bm_avg, bm_std, bm_stddev);
  return;
 }

 bm_total += delta;
 bm_totalsq += delta * delta;

 if (bm_cnt > 1) {
  /*
   * Apply Welford's method to calculate standard deviation:
   * s^2 = 1 / (n * (n-1)) * (n * \Sum (x_i)^2 - (\Sum x_i)^2)
 */
  stddev = (u64)bm_cnt * bm_totalsq - bm_total * bm_total;
  do_div(stddev, (u32)bm_cnt);
  do_div(stddev, (u32)bm_cnt - 1);
 } else
  stddev = 0;

 delta = bm_total;
 do_div(delta, (u32)bm_cnt);
 avg = delta;

 if (stddev > 0) {
  int i = 0;
  /*
   * stddev is the square of standard deviation but
   * we want the actually number. Use the average
   * as our seed to find the std.
   *
   * The next try is:
   *  x = (x + N/x) / 2
   *
   * Where N is the squared number to find the square
   * root of.
 */
  seed = avg;
  do {
   last_seed = seed;
   seed = stddev;
   if (!last_seed)
    break;
   seed = div64_u64(seed, last_seed);
   seed += last_seed;
   do_div(seed, 2);
  } while (i++ < 10 && last_seed != seed);

  std = seed;
 }

 scnprintf(bm_str, BENCHMARK_EVENT_STRLEN,
    "last=%llu first=%llu max=%llu min=%llu avg=%u std=%d std^2=%lld",
    bm_last, bm_first, bm_max, bm_min, avg, std, stddev);

 bm_std = std;
 bm_avg = avg;
 bm_stddev = stddev;
}

static int benchmark_event_kthread(void *arg)
{
 /* sleep a bit to make sure the tracepoint gets activated */
 msleep(100);

 while (!kthread_should_stop()) {

  trace_do_benchmark();

  /*
   * We don't go to sleep, but let others run as well.
   * This is basically a "yield()" to let any task that
   * wants to run, schedule in, but if the CPU is idle,
   * we'll keep burning cycles.
   *
   * Note the tasks_rcu_qs() version of cond_resched() will
   * notify synchronize_rcu_tasks() that this thread has
   * passed a quiescent state for rcu_tasks. Otherwise
   * this thread will never voluntarily schedule which would
   * block synchronize_rcu_tasks() indefinitely.
 */
  cond_resched_tasks_rcu_qs();
 }

 return 0;
}

/*
 * When the benchmark tracepoint is enabled, it calls this
 * function and the thread that calls the tracepoint is created.
 */
int trace_benchmark_reg(void)
{
 if (!ok_to_run) {
  pr_warn("trace benchmark cannot be started via kernel command line\n");
  return -EBUSY;
 }

 bm_event_thread = kthread_run(benchmark_event_kthread,
          NULL, "event_benchmark");
 if (IS_ERR(bm_event_thread)) {
  pr_warn("trace benchmark failed to create kernel thread\n");
  return PTR_ERR(bm_event_thread);
 }

 return 0;
}

/*
 * When the benchmark tracepoint is disabled, it calls this
 * function and the thread that calls the tracepoint is deleted
 * and all the numbers are reset.
 */
void trace_benchmark_unreg(void)
{
 if (!bm_event_thread)
  return;

 kthread_stop(bm_event_thread);
 bm_event_thread = NULL;

 strcpy(bm_str, "START");
 bm_total = 0;
 bm_totalsq = 0;
 bm_last = 0;
 bm_max = 0;
 bm_min = 0;
 bm_cnt = 0;
 /* These don't need to be reset but reset them anyway */
 bm_first = 0;
 bm_std = 0;
 bm_avg = 0;
 bm_stddev = 0;
}

static __init int ok_to_run_trace_benchmark(void)
{
 ok_to_run = true;

 return 0;
}

early_initcall(ok_to_run_trace_benchmark);