Quelle  xfarray.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
/*
 * Copyright (C) 2021-2023 Oracle.  All Rights Reserved.
 * Author: Darrick J. Wong <djwong@kernel.org>
 */
#include "xfs.h"
#include "xfs_fs.h"
#include "xfs_shared.h"
#include "xfs_format.h"
#include "scrub/scrub.h"
#include "scrub/xfile.h"
#include "scrub/xfarray.h"
#include "scrub/trace.h"

/*
 * Large Arrays of Fixed-Size Records
 * ==================================
 *
 * This memory array uses an xfile (which itself is a shmem file) to store
 * large numbers of fixed-size records in memory that can be paged out.  This
 * puts less stress on the memory reclaim algorithms during an online repair
 * because we don't have to pin so much memory.  However, array access is less
 * direct than would be in a regular memory array.  Access to the array is
 * performed via indexed load and store methods, and an append method is
 * provided for convenience.  Array elements can be unset, which sets them to
 * all zeroes.  Unset entries are skipped during iteration, though direct loads
 * will return a zeroed buffer.  Callers are responsible for concurrency
 * control.
 */

/*
 * Pointer to scratch space.  Because we can't access the xfile data directly,
 * we allocate a small amount of memory on the end of the xfarray structure to
 * buffer array items when we need space to store values temporarily.
 */
static inline void *xfarray_scratch(struct xfarray *array)
{
 return (array + 1);
}

/* Compute array index given an xfile offset. */
static xfarray_idx_t
xfarray_idx(
 struct xfarray *array,
 loff_t  pos)
{
 if (array->obj_size_log >= 0)
  return (xfarray_idx_t)pos >> array->obj_size_log;

 return div_u64((xfarray_idx_t)pos, array->obj_size);
}

/* Compute xfile offset of array element. */
static inline loff_t xfarray_pos(struct xfarray *array, xfarray_idx_t idx)
{
 if (array->obj_size_log >= 0)
  return idx << array->obj_size_log;

 return idx * array->obj_size;
}

/*
 * Initialize a big memory array.  Array records cannot be larger than a
 * page, and the array cannot span more bytes than the page cache supports.
 * If @required_capacity is nonzero, the maximum array size will be set to this
 * quantity and the array creation will fail if the underlying storage cannot
 * support that many records.
 */
int
xfarray_create(
 const char  *description,
 unsigned long long required_capacity,
 size_t   obj_size,
 struct xfarray  **arrayp)
{
 struct xfarray  *array;
 struct xfile  *xfile;
 int   error;

 ASSERT(obj_size < PAGE_SIZE);

 error = xfile_create(description, 0, &xfile);
 if (error)
  return error;

 error = -ENOMEM;
 array = kzalloc(sizeof(struct xfarray) + obj_size, XCHK_GFP_FLAGS);
 if (!array)
  goto out_xfile;

 array->xfile = xfile;
 array->obj_size = obj_size;

 if (is_power_of_2(obj_size))
  array->obj_size_log = ilog2(obj_size);
 else
  array->obj_size_log = -1;

 array->max_nr = xfarray_idx(array, MAX_LFS_FILESIZE);
 trace_xfarray_create(array, required_capacity);

 if (required_capacity > 0) {
  if (array->max_nr < required_capacity) {
   error = -ENOMEM;
   goto out_xfarray;
  }
  array->max_nr = required_capacity;
 }

 *arrayp = array;
 return 0;

out_xfarray:
 kfree(array);
out_xfile:
 xfile_destroy(xfile);
 return error;
}

/* Destroy the array. */
void
xfarray_destroy(
 struct xfarray *array)
{
 xfile_destroy(array->xfile);
 kfree(array);
}

/* Load an element from the array. */
int
xfarray_load(
 struct xfarray *array,
 xfarray_idx_t idx,
 void  *ptr)
{
 if (idx >= array->nr)
  return -ENODATA;

 return xfile_load(array->xfile, ptr, array->obj_size,
   xfarray_pos(array, idx));
}

/* Is this array element potentially unset? */
static inline bool
xfarray_is_unset(
 struct xfarray *array,
 loff_t  pos)
{
 void  *temp = xfarray_scratch(array);
 int  error;

 if (array->unset_slots == 0)
  return false;

 error = xfile_load(array->xfile, temp, array->obj_size, pos);
 if (!error && xfarray_element_is_null(array, temp))
  return true;

 return false;
}

/*
 * Unset an array element.  If @idx is the last element in the array, the
 * array will be truncated.  Otherwise, the entry will be zeroed.
 */
int
xfarray_unset(
 struct xfarray *array,
 xfarray_idx_t idx)
{
 void  *temp = xfarray_scratch(array);
 loff_t  pos = xfarray_pos(array, idx);
 int  error;

 if (idx >= array->nr)
  return -ENODATA;

 if (idx == array->nr - 1) {
  array->nr--;
  return 0;
 }

 if (xfarray_is_unset(array, pos))
  return 0;

 memset(temp, 0, array->obj_size);
 error = xfile_store(array->xfile, temp, array->obj_size, pos);
 if (error)
  return error;

 array->unset_slots++;
 return 0;
}

/*
 * Store an element in the array.  The element must not be completely zeroed,
 * because those are considered unset sparse elements.
 */
int
xfarray_store(
 struct xfarray *array,
 xfarray_idx_t idx,
 const void *ptr)
{
 int  ret;

 if (idx >= array->max_nr)
  return -EFBIG;

 ASSERT(!xfarray_element_is_null(array, ptr));

 ret = xfile_store(array->xfile, ptr, array->obj_size,
   xfarray_pos(array, idx));
 if (ret)
  return ret;

 array->nr = max(array->nr, idx + 1);
 return 0;
}

/* Is this array element NULL? */
bool
xfarray_element_is_null(
 struct xfarray *array,
 const void *ptr)
{
 return !memchr_inv(ptr, 0, array->obj_size);
}

/*
 * Store an element anywhere in the array that is unset.  If there are no
 * unset slots, append the element to the array.
 */
int
xfarray_store_anywhere(
 struct xfarray *array,
 const void *ptr)
{
 void  *temp = xfarray_scratch(array);
 loff_t  endpos = xfarray_pos(array, array->nr);
 loff_t  pos;
 int  error;

 /* Find an unset slot to put it in. */
 for (pos = 0;
      pos < endpos && array->unset_slots > 0;
      pos += array->obj_size) {
  error = xfile_load(array->xfile, temp, array->obj_size,
    pos);
  if (error || !xfarray_element_is_null(array, temp))
   continue;

  error = xfile_store(array->xfile, ptr, array->obj_size,
    pos);
  if (error)
   return error;

  array->unset_slots--;
  return 0;
 }

 /* No unset slots found; attach it on the end. */
 array->unset_slots = 0;
 return xfarray_append(array, ptr);
}

/* Return length of array. */
uint64_t
xfarray_length(
 struct xfarray *array)
{
 return array->nr;
}

/*
 * Decide which array item we're going to read as part of an _iter_get.
 * @cur is the array index, and @pos is the file offset of that array index in
 * the backing xfile.  Returns ENODATA if we reach the end of the records.
 *
 * Reading from a hole in a sparse xfile causes page instantiation, so for
 * iterating a (possibly sparse) array we need to figure out if the cursor is
 * pointing at a totally uninitialized hole and move the cursor up if
 * necessary.
 */
static inline int
xfarray_find_data(
 struct xfarray *array,
 xfarray_idx_t *cur,
 loff_t  *pos)
{
 unsigned int pgoff = offset_in_page(*pos);
 loff_t  end_pos = *pos + array->obj_size - 1;
 loff_t  new_pos;

 /*
 * If the current array record is not adjacent to a page boundary, we
 * are in the middle of the page.  We do not need to move the cursor.
 */
 if (pgoff != 0 && pgoff + array->obj_size - 1 < PAGE_SIZE)
  return 0;

 /*
 * Call SEEK_DATA on the last byte in the record we're about to read.
 * If the record ends at (or crosses) the end of a page then we know
 * that the first byte of the record is backed by pages and don't need
 * to query it.  If instead the record begins at the start of the page
 * then we know that querying the last byte is just as good as querying
 * the first byte, since records cannot be larger than a page.
 *
 * If the call returns the same file offset, we know this record is
 * backed by real pages.  We do not need to move the cursor.
 */
 new_pos = xfile_seek_data(array->xfile, end_pos);
 if (new_pos == -ENXIO)
  return -ENODATA;
 if (new_pos < 0)
  return new_pos;
 if (new_pos == end_pos)
  return 0;

 /*
 * Otherwise, SEEK_DATA told us how far up to move the file pointer to
 * find more data.  Move the array index to the first record past the
 * byte offset we were given.
 */
 new_pos = roundup_64(new_pos, array->obj_size);
 *cur = xfarray_idx(array, new_pos);
 *pos = xfarray_pos(array, *cur);
 return 0;
}

/*
 * Starting at *idx, fetch the next non-null array entry and advance the index
 * to set up the next _load_next call.  Returns ENODATA if we reach the end of
 * the array.  Callers must set @*idx to XFARRAY_CURSOR_INIT before the first
 * call to this function.
 */
int
xfarray_load_next(
 struct xfarray *array,
 xfarray_idx_t *idx,
 void  *rec)
{
 xfarray_idx_t cur = *idx;
 loff_t  pos = xfarray_pos(array, cur);
 int  error;

 do {
  if (cur >= array->nr)
   return -ENODATA;

  /*
 * Ask the backing store for the location of next possible
 * written record, then retrieve that record.
 */
  error = xfarray_find_data(array, &cur, &pos);
  if (error)
   return error;
  error = xfarray_load(array, cur, rec);
  if (error)
   return error;

  cur++;
  pos += array->obj_size;
 } while (xfarray_element_is_null(array, rec));

 *idx = cur;
 return 0;
}

/* Sorting functions */

#ifdef DEBUG
# define xfarray_sort_bump_loads(si) do { (si)->loads++; } while (0)
# define xfarray_sort_bump_stores(si) do { (si)->stores++; } while (0)
# define xfarray_sort_bump_compares(si) do { (si)->compares++; } while (0)
# define xfarray_sort_bump_heapsorts(si) do { (si)->heapsorts++; } while (0)
#else
# define xfarray_sort_bump_loads(si)
# define xfarray_sort_bump_stores(si)
# define xfarray_sort_bump_compares(si)
# define xfarray_sort_bump_heapsorts(si)
#endif /* DEBUG */

/* Load an array element for sorting. */
static inline int
xfarray_sort_load(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  idx,
 void   *ptr)
{
 xfarray_sort_bump_loads(si);
 return xfarray_load(si->array, idx, ptr);
}

/* Store an array element for sorting. */
static inline int
xfarray_sort_store(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  idx,
 void   *ptr)
{
 xfarray_sort_bump_stores(si);
 return xfarray_store(si->array, idx, ptr);
}

/* Compare an array element for sorting. */
static inline int
xfarray_sort_cmp(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 const void  *a,
 const void  *b)
{
 xfarray_sort_bump_compares(si);
 return si->cmp_fn(a, b);
}

/* Return a pointer to the low index stack for quicksort partitioning. */
static inline xfarray_idx_t *xfarray_sortinfo_lo(struct xfarray_sortinfo *si)
{
 return (xfarray_idx_t *)(si + 1);
}

/* Return a pointer to the high index stack for quicksort partitioning. */
static inline xfarray_idx_t *xfarray_sortinfo_hi(struct xfarray_sortinfo *si)
{
 return xfarray_sortinfo_lo(si) + si->max_stack_depth;
}

/* Size of each element in the quicksort pivot array. */
static inline size_t
xfarray_pivot_rec_sz(
 struct xfarray  *array)
{
 return round_up(array->obj_size, 8) + sizeof(xfarray_idx_t);
}

/* Allocate memory to handle the sort. */
static inline int
xfarray_sortinfo_alloc(
 struct xfarray  *array,
 xfarray_cmp_fn  cmp_fn,
 unsigned int  flags,
 struct xfarray_sortinfo **infop)
{
 struct xfarray_sortinfo *si;
 size_t   nr_bytes = sizeof(struct xfarray_sortinfo);
 size_t   pivot_rec_sz = xfarray_pivot_rec_sz(array);
 int   max_stack_depth;

 /*
 * The median-of-nine pivot algorithm doesn't work if a subset has
 * fewer than 9 items.  Make sure the in-memory sort will always take
 * over for subsets where this wouldn't be the case.
 */
 BUILD_BUG_ON(XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR >= XFARRAY_ISORT_NR);

 /*
 * Tail-call recursion during the partitioning phase means that
 * quicksort will never recurse more than log2(nr) times.  We need one
 * extra level of stack to hold the initial parameters.  In-memory
 * sort will always take care of the last few levels of recursion for
 * us, so we can reduce the stack depth by that much.
 */
 max_stack_depth = ilog2(array->nr) + 1 - (XFARRAY_ISORT_SHIFT - 1);
 if (max_stack_depth < 1)
  max_stack_depth = 1;

 /* Each level of quicksort uses a lo and a hi index */
 nr_bytes += max_stack_depth * sizeof(xfarray_idx_t) * 2;

 /* Scratchpad for in-memory sort, or finding the pivot */
 nr_bytes += max_t(size_t,
   (XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR + 1) * pivot_rec_sz,
   XFARRAY_ISORT_NR * array->obj_size);

 si = kvzalloc(nr_bytes, XCHK_GFP_FLAGS);
 if (!si)
  return -ENOMEM;

 si->array = array;
 si->cmp_fn = cmp_fn;
 si->flags = flags;
 si->max_stack_depth = max_stack_depth;
 si->max_stack_used = 1;

 xfarray_sortinfo_lo(si)[0] = 0;
 xfarray_sortinfo_hi(si)[0] = array->nr - 1;
 si->relax = INIT_XCHK_RELAX;
 if (flags & XFARRAY_SORT_KILLABLE)
  si->relax.interruptible = false;

 trace_xfarray_sort(si, nr_bytes);
 *infop = si;
 return 0;
}

/* Should this sort be terminated by a fatal signal? */
static inline bool
xfarray_sort_terminated(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 int   *error)
{
 /*
 * If preemption is disabled, we need to yield to the scheduler every
 * few seconds so that we don't run afoul of the soft lockup watchdog
 * or RCU stall detector.
 */
 if (xchk_maybe_relax(&si->relax)) {
  if (*error == 0)
   *error = -EINTR;
  return true;
 }
 return false;
}

/* Do we want an in-memory sort? */
static inline bool
xfarray_want_isort(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  start,
 xfarray_idx_t  end)
{
 /*
 * For array subsets that fit in the scratchpad, it's much faster to
 * use the kernel's heapsort than quicksort's stack machine.
 */
 return (end - start) < XFARRAY_ISORT_NR;
}

/* Return the scratch space within the sortinfo structure. */
static inline void *xfarray_sortinfo_isort_scratch(struct xfarray_sortinfo *si)
{
 return xfarray_sortinfo_hi(si) + si->max_stack_depth;
}

/*
 * Sort a small number of array records using scratchpad memory.  The records
 * need not be contiguous in the xfile's memory pages.
 */
STATIC int
xfarray_isort(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  lo,
 xfarray_idx_t  hi)
{
 void   *scratch = xfarray_sortinfo_isort_scratch(si);
 loff_t   lo_pos = xfarray_pos(si->array, lo);
 loff_t   len = xfarray_pos(si->array, hi - lo + 1);
 int   error;

 trace_xfarray_isort(si, lo, hi);

 xfarray_sort_bump_loads(si);
 error = xfile_load(si->array->xfile, scratch, len, lo_pos);
 if (error)
  return error;

 xfarray_sort_bump_heapsorts(si);
 sort(scratch, hi - lo + 1, si->array->obj_size, si->cmp_fn, NULL);

 xfarray_sort_bump_stores(si);
 return xfile_store(si->array->xfile, scratch, len, lo_pos);
}

/*
 * Sort the records from lo to hi (inclusive) if they are all backed by the
 * same memory folio.  Returns 1 if it sorted, 0 if it did not, or a negative
 * errno.
 */
STATIC int
xfarray_foliosort(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  lo,
 xfarray_idx_t  hi)
{
 struct folio  *folio;
 void   *startp;
 loff_t   lo_pos = xfarray_pos(si->array, lo);
 uint64_t  len = xfarray_pos(si->array, hi - lo + 1);

 /* No single folio could back this many records. */
 if (len > XFILE_MAX_FOLIO_SIZE)
  return 0;

 xfarray_sort_bump_loads(si);
 folio = xfile_get_folio(si->array->xfile, lo_pos, len, XFILE_ALLOC);
 if (IS_ERR(folio))
  return PTR_ERR(folio);
 if (!folio)
  return 0;

 trace_xfarray_foliosort(si, lo, hi);

 xfarray_sort_bump_heapsorts(si);
 startp = folio_address(folio) + offset_in_folio(folio, lo_pos);
 sort(startp, hi - lo + 1, si->array->obj_size, si->cmp_fn, NULL);

 xfarray_sort_bump_stores(si);
 xfile_put_folio(si->array->xfile, folio);
 return 1;
}

/* Return a pointer to the xfarray pivot record within the sortinfo struct. */
static inline void *xfarray_sortinfo_pivot(struct xfarray_sortinfo *si)
{
 return xfarray_sortinfo_hi(si) + si->max_stack_depth;
}

/* Return a pointer to the start of the pivot array. */
static inline void *
xfarray_sortinfo_pivot_array(
 struct xfarray_sortinfo *si)
{
 return xfarray_sortinfo_pivot(si) + si->array->obj_size;
}

/* The xfarray record is stored at the start of each pivot array element. */
static inline void *
xfarray_pivot_array_rec(
 void   *pa,
 size_t   pa_recsz,
 unsigned int  pa_idx)
{
 return pa + (pa_recsz * pa_idx);
}

/* The xfarray index is stored at the end of each pivot array element. */
static inline xfarray_idx_t *
xfarray_pivot_array_idx(
 void   *pa,
 size_t   pa_recsz,
 unsigned int  pa_idx)
{
 return xfarray_pivot_array_rec(pa, pa_recsz, pa_idx + 1) -
   sizeof(xfarray_idx_t);
}

/*
 * Find a pivot value for quicksort partitioning, swap it with a[lo], and save
 * the cached pivot record for the next step.
 *
 * Load evenly-spaced records within the given range into memory, sort them,
 * and choose the pivot from the median record.  Using multiple points will
 * improve the quality of the pivot selection, and hopefully avoid the worst
 * quicksort behavior, since our array values are nearly always evenly sorted.
 */
STATIC int
xfarray_qsort_pivot(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  lo,
 xfarray_idx_t  hi)
{
 void   *pivot = xfarray_sortinfo_pivot(si);
 void   *parray = xfarray_sortinfo_pivot_array(si);
 void   *recp;
 xfarray_idx_t  *idxp;
 xfarray_idx_t  step = (hi - lo) / (XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR - 1);
 size_t   pivot_rec_sz = xfarray_pivot_rec_sz(si->array);
 int   i, j;
 int   error;

 ASSERT(step > 0);

 /*
 * Load the xfarray indexes of the records we intend to sample into the
 * pivot array.
 */
 idxp = xfarray_pivot_array_idx(parray, pivot_rec_sz, 0);
 *idxp = lo;
 for (i = 1; i < XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR - 1; i++) {
  idxp = xfarray_pivot_array_idx(parray, pivot_rec_sz, i);
  *idxp = lo + (i * step);
 }
 idxp = xfarray_pivot_array_idx(parray, pivot_rec_sz,
   XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR - 1);
 *idxp = hi;

 /* Load the selected xfarray records into the pivot array. */
 for (i = 0; i < XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR; i++) {
  xfarray_idx_t idx;

  recp = xfarray_pivot_array_rec(parray, pivot_rec_sz, i);
  idxp = xfarray_pivot_array_idx(parray, pivot_rec_sz, i);

  /* No unset records; load directly into the array. */
  if (likely(si->array->unset_slots == 0)) {
   error = xfarray_sort_load(si, *idxp, recp);
   if (error)
    return error;
   continue;
  }

  /*
 * Load non-null records into the scratchpad without changing
 * the xfarray_idx_t in the pivot array.
 */
  idx = *idxp;
  xfarray_sort_bump_loads(si);
  error = xfarray_load_next(si->array, &idx, recp);
  if (error)
   return error;
 }

 xfarray_sort_bump_heapsorts(si);
 sort(parray, XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR, pivot_rec_sz, si->cmp_fn, NULL);

 /*
 * We sorted the pivot array records (which includes the xfarray
 * indices) in xfarray record order.  The median element of the pivot
 * array contains the xfarray record that we will use as the pivot.
 * Copy that xfarray record to the designated space.
 */
 recp = xfarray_pivot_array_rec(parray, pivot_rec_sz,
   XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR / 2);
 memcpy(pivot, recp, si->array->obj_size);

 /* If the pivot record we chose was already in a[lo] then we're done. */
 idxp = xfarray_pivot_array_idx(parray, pivot_rec_sz,
   XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR / 2);
 if (*idxp == lo)
  return 0;

 /*
 * Find the cached copy of a[lo] in the pivot array so that we can swap
 * a[lo] and a[pivot].
 */
 for (i = 0, j = -1; i < XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR; i++) {
  idxp = xfarray_pivot_array_idx(parray, pivot_rec_sz, i);
  if (*idxp == lo)
   j = i;
 }
 if (j < 0) {
  ASSERT(j >= 0);
  return -EFSCORRUPTED;
 }

 /* Swap a[lo] and a[pivot]. */
 error = xfarray_sort_store(si, lo, pivot);
 if (error)
  return error;

 recp = xfarray_pivot_array_rec(parray, pivot_rec_sz, j);
 idxp = xfarray_pivot_array_idx(parray, pivot_rec_sz,
   XFARRAY_QSORT_PIVOT_NR / 2);
 return xfarray_sort_store(si, *idxp, recp);
}

/*
 * Set up the pointers for the next iteration.  We push onto the stack all of
 * the unsorted values between a[lo + 1] and a[end[i]], and we tweak the
 * current stack frame to point to the unsorted values between a[beg[i]] and
 * a[lo] so that those values will be sorted when we pop the stack.
 */
static inline int
xfarray_qsort_push(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  *si_lo,
 xfarray_idx_t  *si_hi,
 xfarray_idx_t  lo,
 xfarray_idx_t  hi)
{
 /* Check for stack overflows */
 if (si->stack_depth >= si->max_stack_depth - 1) {
  ASSERT(si->stack_depth < si->max_stack_depth - 1);
  return -EFSCORRUPTED;
 }

 si->max_stack_used = max_t(uint8_t, si->max_stack_used,
         si->stack_depth + 2);

 si_lo[si->stack_depth + 1] = lo + 1;
 si_hi[si->stack_depth + 1] = si_hi[si->stack_depth];
 si_hi[si->stack_depth++] = lo - 1;

 /*
 * Always start with the smaller of the two partitions to keep the
 * amount of recursion in check.
 */
 if (si_hi[si->stack_depth]     - si_lo[si->stack_depth] >
     si_hi[si->stack_depth - 1] - si_lo[si->stack_depth - 1]) {
  swap(si_lo[si->stack_depth], si_lo[si->stack_depth - 1]);
  swap(si_hi[si->stack_depth], si_hi[si->stack_depth - 1]);
 }

 return 0;
}

static inline void
xfarray_sort_scan_done(
 struct xfarray_sortinfo *si)
{
 if (si->folio)
  xfile_put_folio(si->array->xfile, si->folio);
 si->folio = NULL;
}

/*
 * Cache the folio backing the start of the given array element.  If the array
 * element is contained entirely within the folio, return a pointer to the
 * cached folio.  Otherwise, load the element into the scratchpad and return a
 * pointer to the scratchpad.
 */
static inline int
xfarray_sort_scan(
 struct xfarray_sortinfo *si,
 xfarray_idx_t  idx,
 void   **ptrp)
{
 loff_t   idx_pos = xfarray_pos(si->array, idx);
 int   error = 0;

 if (xfarray_sort_terminated(si, &error))
  return error;

 trace_xfarray_sort_scan(si, idx);

 /* If the cached folio doesn't cover this index, release it. */
 if (si->folio &&
     (idx < si->first_folio_idx || idx > si->last_folio_idx))
  xfarray_sort_scan_done(si);

 /* Grab the first folio that backs this array element. */
 if (!si->folio) {
  struct folio *folio;
  loff_t  next_pos;

  folio = xfile_get_folio(si->array->xfile, idx_pos,
    si->array->obj_size, XFILE_ALLOC);
  if (IS_ERR(folio))
   return PTR_ERR(folio);
  si->folio = folio;

  si->first_folio_idx = xfarray_idx(si->array,
    folio_pos(si->folio) + si->array->obj_size - 1);

  next_pos = folio_pos(si->folio) + folio_size(si->folio);
  si->last_folio_idx = xfarray_idx(si->array, next_pos - 1);
  if (xfarray_pos(si->array, si->last_folio_idx + 1) > next_pos)
   si->last_folio_idx--;

  trace_xfarray_sort_scan(si, idx);
 }

 /*
 * If this folio still doesn't cover the desired element, it must cross
 * a folio boundary.  Read into the scratchpad and we're done.
 */
 if (idx < si->first_folio_idx || idx > si->last_folio_idx) {
  void  *temp = xfarray_scratch(si->array);

  error = xfile_load(si->array->xfile, temp, si->array->obj_size,
    idx_pos);
  if (error)
   return error;

  *ptrp = temp;
  return 0;
 }

 /* Otherwise return a pointer to the array element in the folio. */
 *ptrp = folio_address(si->folio) + offset_in_folio(si->folio, idx_pos);
 return 0;
}

/*
 * Sort the array elements via quicksort.  This implementation incorporates
 * four optimizations discussed in Sedgewick:
 *
 * 1. Use an explicit stack of array indices to store the next array partition
 *    to sort.  This helps us to avoid recursion in the call stack, which is
 *    particularly expensive in the kernel.
 *
 * 2. For arrays with records in arbitrary or user-controlled order, choose the
 *    pivot element using a median-of-nine decision tree.  This reduces the
 *    probability of selecting a bad pivot value which causes worst case
 *    behavior (i.e. partition sizes of 1).
 *
 * 3. The smaller of the two sub-partitions is pushed onto the stack to start
 *    the next level of recursion, and the larger sub-partition replaces the
 *    current stack frame.  This guarantees that we won't need more than
 *    log2(nr) stack space.
 *
 * 4. For small sets, load the records into the scratchpad and run heapsort on
 *    them because that is very fast.  In the author's experience, this yields
 *    a ~10% reduction in runtime.
 *
 *    If a small set is contained entirely within a single xfile memory page,
 *    map the page directly and run heap sort directly on the xfile page
 *    instead of using the load/store interface.  This halves the runtime.
 *
 * 5. This optimization is specific to the implementation.  When converging lo
 *    and hi after selecting a pivot, we will try to retain the xfile memory
 *    page between load calls, which reduces run time by 50%.
 */

/*
 * Due to the use of signed indices, we can only support up to 2^63 records.
 * Files can only grow to 2^63 bytes, so this is not much of a limitation.
 */
#define QSORT_MAX_RECS  (1ULL << 63)

int
xfarray_sort(
 struct xfarray  *array,
 xfarray_cmp_fn  cmp_fn,
 unsigned int  flags)
{
 struct xfarray_sortinfo *si;
 xfarray_idx_t  *si_lo, *si_hi;
 void   *pivot;
 void   *scratch = xfarray_scratch(array);
 xfarray_idx_t  lo, hi;
 int   error = 0;

 if (array->nr < 2)
  return 0;
 if (array->nr >= QSORT_MAX_RECS)
  return -E2BIG;

 error = xfarray_sortinfo_alloc(array, cmp_fn, flags, &si);
 if (error)
  return error;
 si_lo = xfarray_sortinfo_lo(si);
 si_hi = xfarray_sortinfo_hi(si);
 pivot = xfarray_sortinfo_pivot(si);

 while (si->stack_depth >= 0) {
  int  ret;

  lo = si_lo[si->stack_depth];
  hi = si_hi[si->stack_depth];

  trace_xfarray_qsort(si, lo, hi);

  /* Nothing left in this partition to sort; pop stack. */
  if (lo >= hi) {
   si->stack_depth--;
   continue;
  }

  /*
 * If directly mapping the folio and sorting can solve our
 * problems, we're done.
 */
  ret = xfarray_foliosort(si, lo, hi);
  if (ret < 0)
   goto out_free;
  if (ret == 1) {
   si->stack_depth--;
   continue;
  }

  /* If insertion sort can solve our problems, we're done. */
  if (xfarray_want_isort(si, lo, hi)) {
   error = xfarray_isort(si, lo, hi);
   if (error)
    goto out_free;
   si->stack_depth--;
   continue;
  }

  /* Pick a pivot, move it to a[lo] and stash it. */
  error = xfarray_qsort_pivot(si, lo, hi);
  if (error)
   goto out_free;

  /*
 * Rearrange a[lo..hi] such that everything smaller than the
 * pivot is on the left side of the range and everything larger
 * than the pivot is on the right side of the range.
 */
  while (lo < hi) {
   void *p;

   /*
 * Decrement hi until it finds an a[hi] less than the
 * pivot value.
 */
   error = xfarray_sort_scan(si, hi, &p);
   if (error)
    goto out_free;
   while (xfarray_sort_cmp(si, p, pivot) >= 0 && lo < hi) {
    hi--;
    error = xfarray_sort_scan(si, hi, &p);
    if (error)
     goto out_free;
   }
   if (p != scratch)
    memcpy(scratch, p, si->array->obj_size);
   xfarray_sort_scan_done(si);
   if (xfarray_sort_terminated(si, &error))
    goto out_free;

   /* Copy that item (a[hi]) to a[lo]. */
   if (lo < hi) {
    error = xfarray_sort_store(si, lo++, scratch);
    if (error)
     goto out_free;
   }

   /*
 * Increment lo until it finds an a[lo] greater than
 * the pivot value.
 */
   error = xfarray_sort_scan(si, lo, &p);
   if (error)
    goto out_free;
   while (xfarray_sort_cmp(si, p, pivot) <= 0 && lo < hi) {
    lo++;
    error = xfarray_sort_scan(si, lo, &p);
    if (error)
     goto out_free;
   }
   if (p != scratch)
    memcpy(scratch, p, si->array->obj_size);
   xfarray_sort_scan_done(si);
   if (xfarray_sort_terminated(si, &error))
    goto out_free;

   /* Copy that item (a[lo]) to a[hi]. */
   if (lo < hi) {
    error = xfarray_sort_store(si, hi--, scratch);
    if (error)
     goto out_free;
   }

   if (xfarray_sort_terminated(si, &error))
    goto out_free;
  }

  /*
 * Put our pivot value in the correct place at a[lo].  All
 * values between a[beg[i]] and a[lo - 1] should be less than
 * the pivot; and all values between a[lo + 1] and a[end[i]-1]
 * should be greater than the pivot.
 */
  error = xfarray_sort_store(si, lo, pivot);
  if (error)
   goto out_free;

  /* Set up the stack frame to process the two partitions. */
  error = xfarray_qsort_push(si, si_lo, si_hi, lo, hi);
  if (error)
   goto out_free;

  if (xfarray_sort_terminated(si, &error))
   goto out_free;
 }

out_free:
 trace_xfarray_sort_stats(si, error);
 xfarray_sort_scan_done(si);
 kvfree(si);
 return error;
}

/* How many bytes is this array consuming? */
unsigned long long
xfarray_bytes(
 struct xfarray  *array)
{
 return xfile_bytes(array->xfile);
}

/* Empty the entire array. */
void
xfarray_truncate(
 struct xfarray *array)
{
 xfile_discard(array->xfile, 0, MAX_LFS_FILESIZE);
 array->nr = 0;
}