]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/kern/subr_blist.c
device_printf: Use sbuf for more coherent prints on SMP
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / kern / subr_blist.c
1 /*-
2  * SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
3  *
4  * Copyright (c) 1998 Matthew Dillon.  All Rights Reserved.
5  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6  * modification, are permitted provided that the following conditions
7  * are met:
8  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
9  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
12  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
13  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
14  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
15  *    without specific prior written permission.
16  *
17  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR ``AS IS'' AND ANY EXPRESS
18  * OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED
19  * WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
20  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY
21  * DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
22  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE
23  * GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS
24  * INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY,
25  * WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
26  * NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS
27  * SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
28  */
29 /*
30  * BLIST.C -    Bitmap allocator/deallocator, using a radix tree with hinting
31  *
32  *      This module implements a general bitmap allocator/deallocator.  The
33  *      allocator eats around 2 bits per 'block'.  The module does not
34  *      try to interpret the meaning of a 'block' other than to return
35  *      SWAPBLK_NONE on an allocation failure.
36  *
37  *      A radix tree controls access to pieces of the bitmap, and includes
38  *      auxiliary information at each interior node about the availabilty of
39  *      contiguous free blocks in the subtree rooted at that node.  Two radix
40  *      constants are involved: one for the size of the bitmaps contained in the
41  *      leaf nodes (BLIST_BMAP_RADIX), and one for the number of descendents of
42  *      each of the meta (interior) nodes (BLIST_META_RADIX).  Each subtree is
43  *      associated with a range of blocks.  The root of any subtree stores a
44  *      hint field that defines an upper bound on the size of the largest
45  *      allocation that can begin in the associated block range.  A hint is an
46  *      upper bound on a potential allocation, but not necessarily a tight upper
47  *      bound.
48  *
49  *      The bitmap field in each node directs the search for available blocks.
50  *      For a leaf node, a bit is set if the corresponding block is free.  For a
51  *      meta node, a bit is set if the corresponding subtree contains a free
52  *      block somewhere within it.  The search at a meta node considers only
53  *      children of that node that represent a range that includes a free block.
54  *
55  *      The hinting greatly increases code efficiency for allocations while
56  *      the general radix structure optimizes both allocations and frees.  The
57  *      radix tree should be able to operate well no matter how much
58  *      fragmentation there is and no matter how large a bitmap is used.
59  *
60  *      The blist code wires all necessary memory at creation time.  Neither
61  *      allocations nor frees require interaction with the memory subsystem.
62  *      The non-blocking nature of allocations and frees is required by swap
63  *      code (vm/swap_pager.c).
64  *
65  *      LAYOUT: The radix tree is laid out recursively using a linear array.
66  *      Each meta node is immediately followed (laid out sequentially in
67  *      memory) by BLIST_META_RADIX lower level nodes.  This is a recursive
68  *      structure but one that can be easily scanned through a very simple
69  *      'skip' calculation.  The memory allocation is only large enough to
70  *      cover the number of blocks requested at creation time.  Nodes that
71  *      represent blocks beyond that limit, nodes that would never be read
72  *      or written, are not allocated, so that the last of the
73  *      BLIST_META_RADIX lower level nodes of a some nodes may not be
74  *      allocated.
75  *
76  *      NOTE: the allocator cannot currently allocate more than
77  *      BLIST_BMAP_RADIX blocks per call.  It will panic with 'allocation too
78  *      large' if you try.  This is an area that could use improvement.  The
79  *      radix is large enough that this restriction does not effect the swap
80  *      system, though.  Currently only the allocation code is affected by
81  *      this algorithmic unfeature.  The freeing code can handle arbitrary
82  *      ranges.
83  *
84  *      This code can be compiled stand-alone for debugging.
85  */
86
87 #include <sys/cdefs.h>
88 __FBSDID("$FreeBSD$");
89
90 #ifdef _KERNEL
91
92 #include <sys/param.h>
93 #include <sys/systm.h>
94 #include <sys/lock.h>
95 #include <sys/kernel.h>
96 #include <sys/blist.h>
97 #include <sys/malloc.h>
98 #include <sys/sbuf.h>
99 #include <sys/proc.h>
100 #include <sys/mutex.h>
101
102 #else
103
104 #ifndef BLIST_NO_DEBUG
105 #define BLIST_DEBUG
106 #endif
107
108 #include <sys/errno.h>
109 #include <sys/types.h>
110 #include <sys/malloc.h>
111 #include <sys/sbuf.h>
112 #include <stdio.h>
113 #include <string.h>
114 #include <stddef.h>
115 #include <stdlib.h>
116 #include <stdarg.h>
117 #include <stdbool.h>
118
119 #define bitcount64(x)   __bitcount64((uint64_t)(x))
120 #define malloc(a,b,c)   calloc(a, 1)
121 #define free(a,b)       free(a)
122 #define ummin(a,b)      ((a) < (b) ? (a) : (b))
123
124 #include <sys/blist.h>
125
126 void panic(const char *ctl, ...);
127
128 #endif
129
130 /*
131  * static support functions
132  */
133 static daddr_t  blst_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count);
134 static daddr_t  blst_meta_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t cursor, daddr_t count,
135                     u_daddr_t radix);
136 static void blst_leaf_free(blmeta_t *scan, daddr_t relblk, int count);
137 static void blst_meta_free(blmeta_t *scan, daddr_t freeBlk, daddr_t count,
138                     u_daddr_t radix);
139 static void blst_copy(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix,
140                     blist_t dest, daddr_t count);
141 static daddr_t blst_leaf_fill(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count);
142 static daddr_t blst_meta_fill(blmeta_t *scan, daddr_t allocBlk, daddr_t count,
143                     u_daddr_t radix);
144 #ifndef _KERNEL
145 static void     blst_radix_print(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix,
146                     int tab);
147 #endif
148
149 #ifdef _KERNEL
150 static MALLOC_DEFINE(M_SWAP, "SWAP", "Swap space");
151 #endif
152
153 _Static_assert(BLIST_BMAP_RADIX % BLIST_META_RADIX == 0,
154     "radix divisibility error");
155 #define BLIST_BMAP_MASK (BLIST_BMAP_RADIX - 1)
156 #define BLIST_META_MASK (BLIST_META_RADIX - 1)
157
158 /*
159  * For a subtree that can represent the state of up to 'radix' blocks, the
160  * number of leaf nodes of the subtree is L=radix/BLIST_BMAP_RADIX.  If 'm'
161  * is short for BLIST_META_RADIX, then for a tree of height h with L=m**h
162  * leaf nodes, the total number of tree nodes is 1 + m + m**2 + ... + m**h,
163  * or, equivalently, (m**(h+1)-1)/(m-1).  This quantity is called 'skip'
164  * in the 'meta' functions that process subtrees.  Since integer division
165  * discards remainders, we can express this computation as
166  * skip = (m * m**h) / (m - 1)
167  * skip = (m * (radix / BLIST_BMAP_RADIX)) / (m - 1)
168  * and since m divides BLIST_BMAP_RADIX, we can simplify further to
169  * skip = (radix / (BLIST_BMAP_RADIX / m)) / (m - 1)
170  * skip = radix / ((BLIST_BMAP_RADIX / m) * (m - 1))
171  * so that simple integer division by a constant can safely be used for the
172  * calculation.
173  */
174 static inline daddr_t
175 radix_to_skip(daddr_t radix)
176 {
177
178         return (radix /
179             ((BLIST_BMAP_RADIX / BLIST_META_RADIX) * BLIST_META_MASK));
180 }
181
182 /*
183  * Provide a mask with count bits set, starting as position n.
184  */
185 static inline u_daddr_t
186 bitrange(int n, int count)
187 {
188
189         return (((u_daddr_t)-1 << n) &
190             ((u_daddr_t)-1 >> (BLIST_BMAP_RADIX - (n + count))));
191 }
192
193
194 /*
195  * Use binary search, or a faster method, to find the 1 bit in a u_daddr_t.
196  * Assumes that the argument has only one bit set.
197  */
198 static inline int
199 bitpos(u_daddr_t mask)
200 {
201         int hi, lo, mid;
202
203         switch (sizeof(mask)) {
204 #ifdef HAVE_INLINE_FFSLL
205         case sizeof(long long):
206                 return (ffsll(mask) - 1);
207 #endif
208         default:
209                 lo = 0;
210                 hi = BLIST_BMAP_RADIX;
211                 while (lo + 1 < hi) {
212                         mid = (lo + hi) >> 1;
213                         if ((mask >> mid) != 0)
214                                 lo = mid;
215                         else
216                                 hi = mid;
217                 }
218                 return (lo);
219         }
220 }
221
222 /*
223  * blist_create() - create a blist capable of handling up to the specified
224  *                  number of blocks
225  *
226  *      blocks - must be greater than 0
227  *      flags  - malloc flags
228  *
229  *      The smallest blist consists of a single leaf node capable of
230  *      managing BLIST_BMAP_RADIX blocks.
231  */
232 blist_t
233 blist_create(daddr_t blocks, int flags)
234 {
235         blist_t bl;
236         u_daddr_t nodes, radix;
237
238         if (blocks == 0)
239                 panic("invalid block count");
240
241         /*
242          * Calculate the radix and node count used for scanning.
243          */
244         nodes = 1;
245         radix = BLIST_BMAP_RADIX;
246         while (radix <= blocks) {
247                 nodes += 1 + (blocks - 1) / radix;
248                 radix *= BLIST_META_RADIX;
249         }
250
251         bl = malloc(offsetof(struct blist, bl_root[nodes]), M_SWAP, flags |
252             M_ZERO);
253         if (bl == NULL)
254                 return (NULL);
255
256         bl->bl_blocks = blocks;
257         bl->bl_radix = radix;
258
259 #if defined(BLIST_DEBUG)
260         printf(
261                 "BLIST representing %lld blocks (%lld MB of swap)"
262                 ", requiring %lldK of ram\n",
263                 (long long)bl->bl_blocks,
264                 (long long)bl->bl_blocks * 4 / 1024,
265                 (long long)(nodes * sizeof(blmeta_t) + 1023) / 1024
266         );
267         printf("BLIST raw radix tree contains %lld records\n",
268             (long long)nodes);
269 #endif
270
271         return (bl);
272 }
273
274 void
275 blist_destroy(blist_t bl)
276 {
277
278         free(bl, M_SWAP);
279 }
280
281 /*
282  * blist_alloc() -   reserve space in the block bitmap.  Return the base
283  *                   of a contiguous region or SWAPBLK_NONE if space could
284  *                   not be allocated.
285  */
286 daddr_t
287 blist_alloc(blist_t bl, daddr_t count)
288 {
289         daddr_t blk, cursor;
290
291         if (count > BLIST_MAX_ALLOC)
292                 panic("allocation too large");
293
294         /*
295          * This loop iterates at most twice.  An allocation failure in the
296          * first iteration leads to a second iteration only if the cursor was
297          * non-zero.  When the cursor is zero, an allocation failure will
298          * stop further iterations.
299          */
300         cursor = bl->bl_cursor;
301         for (;;) {
302                 blk = blst_meta_alloc(bl->bl_root, cursor, count,
303                     bl->bl_radix);
304                 if (blk != SWAPBLK_NONE) {
305                         bl->bl_avail -= count;
306                         bl->bl_cursor = blk + count;
307                         if (bl->bl_cursor == bl->bl_blocks)
308                                 bl->bl_cursor = 0;
309                         return (blk);
310                 } else if (cursor == 0)
311                         return (SWAPBLK_NONE);
312                 cursor = 0;
313         }
314 }
315
316 /*
317  * blist_avail() -      return the number of free blocks.
318  */
319 daddr_t
320 blist_avail(blist_t bl)
321 {
322
323         return (bl->bl_avail);
324 }
325
326 /*
327  * blist_free() -       free up space in the block bitmap.  Return the base
328  *                      of a contiguous region.  Panic if an inconsistancy is
329  *                      found.
330  */
331 void
332 blist_free(blist_t bl, daddr_t blkno, daddr_t count)
333 {
334
335         if (blkno < 0 || blkno + count > bl->bl_blocks)
336                 panic("freeing invalid range");
337         blst_meta_free(bl->bl_root, blkno, count, bl->bl_radix);
338         bl->bl_avail += count;
339 }
340
341 /*
342  * blist_fill() -       mark a region in the block bitmap as off-limits
343  *                      to the allocator (i.e. allocate it), ignoring any
344  *                      existing allocations.  Return the number of blocks
345  *                      actually filled that were free before the call.
346  */
347 daddr_t
348 blist_fill(blist_t bl, daddr_t blkno, daddr_t count)
349 {
350         daddr_t filled;
351
352         if (blkno < 0 || blkno + count > bl->bl_blocks)
353                 panic("filling invalid range");
354         filled = blst_meta_fill(bl->bl_root, blkno, count, bl->bl_radix);
355         bl->bl_avail -= filled;
356         return (filled);
357 }
358
359 /*
360  * blist_resize() -     resize an existing radix tree to handle the
361  *                      specified number of blocks.  This will reallocate
362  *                      the tree and transfer the previous bitmap to the new
363  *                      one.  When extending the tree you can specify whether
364  *                      the new blocks are to left allocated or freed.
365  */
366 void
367 blist_resize(blist_t *pbl, daddr_t count, int freenew, int flags)
368 {
369     blist_t newbl = blist_create(count, flags);
370     blist_t save = *pbl;
371
372     *pbl = newbl;
373     if (count > save->bl_blocks)
374             count = save->bl_blocks;
375     blst_copy(save->bl_root, 0, save->bl_radix, newbl, count);
376
377     /*
378      * If resizing upwards, should we free the new space or not?
379      */
380     if (freenew && count < newbl->bl_blocks) {
381             blist_free(newbl, count, newbl->bl_blocks - count);
382     }
383     blist_destroy(save);
384 }
385
386 #ifdef BLIST_DEBUG
387
388 /*
389  * blist_print()    - dump radix tree
390  */
391 void
392 blist_print(blist_t bl)
393 {
394         printf("BLIST avail = %jd, cursor = %08jx {\n",
395             (uintmax_t)bl->bl_avail, (uintmax_t)bl->bl_cursor);
396
397         if (bl->bl_root->bm_bitmap != 0)
398                 blst_radix_print(bl->bl_root, 0, bl->bl_radix, 4);
399         printf("}\n");
400 }
401
402 #endif
403
404 static const u_daddr_t fib[] = {
405         1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584,
406         4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811,
407         514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578,
408 };
409
410 /*
411  * Use 'gap' to describe a maximal range of unallocated blocks/bits.
412  */
413 struct gap_stats {
414         daddr_t start;          /* current gap start, or SWAPBLK_NONE */
415         daddr_t num;            /* number of gaps observed */
416         daddr_t max;            /* largest gap size */
417         daddr_t avg;            /* average gap size */
418         daddr_t err;            /* sum - num * avg */
419         daddr_t histo[nitems(fib)]; /* # gaps in each size range */
420         int     max_bucket;     /* last histo elt with nonzero val */
421 };
422
423 /*
424  * gap_stats_counting()    - is the state 'counting 1 bits'?
425  *                           or 'skipping 0 bits'?
426  */
427 static inline bool
428 gap_stats_counting(const struct gap_stats *stats)
429 {
430
431         return (stats->start != SWAPBLK_NONE);
432 }
433
434 /*
435  * init_gap_stats()    - initialize stats on gap sizes
436  */
437 static inline void
438 init_gap_stats(struct gap_stats *stats)
439 {
440
441         bzero(stats, sizeof(*stats));
442         stats->start = SWAPBLK_NONE;
443 }
444
445 /*
446  * update_gap_stats()    - update stats on gap sizes
447  */
448 static void
449 update_gap_stats(struct gap_stats *stats, daddr_t posn)
450 {
451         daddr_t size;
452         int hi, lo, mid;
453
454         if (!gap_stats_counting(stats)) {
455                 stats->start = posn;
456                 return;
457         }
458         size = posn - stats->start;
459         stats->start = SWAPBLK_NONE;
460         if (size > stats->max)
461                 stats->max = size;
462
463         /*
464          * Find the fibonacci range that contains size,
465          * expecting to find it in an early range.
466          */
467         lo = 0;
468         hi = 1;
469         while (hi < nitems(fib) && fib[hi] <= size) {
470                 lo = hi;
471                 hi *= 2;
472         }
473         if (hi >= nitems(fib))
474                 hi = nitems(fib);
475         while (lo + 1 != hi) {
476                 mid = (lo + hi) >> 1;
477                 if (fib[mid] <= size)
478                         lo = mid;
479                 else
480                         hi = mid;
481         }
482         stats->histo[lo]++;
483         if (lo > stats->max_bucket)
484                 stats->max_bucket = lo;
485         stats->err += size - stats->avg;
486         stats->num++;
487         stats->avg += stats->err / stats->num;
488         stats->err %= stats->num;
489 }
490
491 /*
492  * dump_gap_stats()    - print stats on gap sizes
493  */
494 static inline void
495 dump_gap_stats(const struct gap_stats *stats, struct sbuf *s)
496 {
497         int i;
498
499         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges: %jd\n",
500             (intmax_t)stats->num);
501         sbuf_printf(s, "largest free range: %jd\n", (intmax_t)stats->max);
502         sbuf_printf(s, "average maximal free range size: %jd\n",
503             (intmax_t)stats->avg);
504         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges of different sizes:\n");
505         sbuf_printf(s, "               count  |  size range\n");
506         sbuf_printf(s, "               -----  |  ----------\n");
507         for (i = 0; i < stats->max_bucket; i++) {
508                 if (stats->histo[i] != 0) {
509                         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ",
510                             (intmax_t)stats->histo[i]);
511                         if (fib[i] != fib[i + 1] - 1)
512                                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
513                                     (intmax_t)fib[i + 1] - 1);
514                         else
515                                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)fib[i]);
516                 }
517         }
518         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ", (intmax_t)stats->histo[i]);
519         if (stats->histo[i] > 1)
520                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
521                     (intmax_t)stats->max);
522         else
523                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)stats->max);
524 }
525
526 /*
527  * blist_stats()    - dump radix tree stats
528  */
529 void
530 blist_stats(blist_t bl, struct sbuf *s)
531 {
532         struct gap_stats gstats;
533         struct gap_stats *stats = &gstats;
534         daddr_t i, nodes, radix;
535         u_daddr_t bit, diff, mask;
536
537         init_gap_stats(stats);
538         nodes = 0;
539         i = bl->bl_radix;
540         while (i < bl->bl_radix + bl->bl_blocks) {
541                 /*
542                  * Find max size subtree starting at i.
543                  */
544                 radix = BLIST_BMAP_RADIX;
545                 while (((i / radix) & BLIST_META_MASK) == 0)
546                         radix *= BLIST_META_RADIX;
547
548                 /*
549                  * Check for skippable subtrees starting at i.
550                  */
551                 while (radix > BLIST_BMAP_RADIX) {
552                         if (bl->bl_root[nodes].bm_bitmap == 0) {
553                                 if (gap_stats_counting(stats))
554                                         update_gap_stats(stats, i);
555                                 break;
556                         }
557
558                         /*
559                          * Skip subtree root.
560                          */
561                         nodes++;
562                         radix /= BLIST_META_RADIX;
563                 }
564                 if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
565                         /*
566                          * Scan leaf.
567                          */
568                         mask = bl->bl_root[nodes].bm_bitmap;
569                         diff = mask ^ (mask << 1);
570                         if (gap_stats_counting(stats))
571                                 diff ^= 1;
572                         while (diff != 0) {
573                                 bit = diff & -diff;
574                                 update_gap_stats(stats, i + bitpos(bit));
575                                 diff ^= bit;
576                         }
577                 }
578                 nodes += radix_to_skip(radix);
579                 i += radix;
580         }
581         update_gap_stats(stats, i);
582         dump_gap_stats(stats, s);
583 }
584
585 /************************************************************************
586  *                        ALLOCATION SUPPORT FUNCTIONS                  *
587  ************************************************************************
588  *
589  *      These support functions do all the actual work.  They may seem
590  *      rather longish, but that's because I've commented them up.  The
591  *      actual code is straight forward.
592  *
593  */
594
595 /*
596  * BLST_NEXT_LEAF_ALLOC() - allocate the first few blocks in the next leaf.
597  *
598  *      'scan' is a leaf node, associated with a block containing 'blk'.
599  *      The next leaf node could be adjacent, or several nodes away if the
600  *      least common ancestor of 'scan' and its neighbor is several levels
601  *      up.  Use 'blk' to determine how many meta-nodes lie between the
602  *      leaves.  If the next leaf has enough initial bits set, clear them
603  *      and clear the bits in the meta nodes on the path up to the least
604  *      common ancestor to mark any subtrees made completely empty.
605  */
606 static int
607 blst_next_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
608 {
609         blmeta_t *next;
610         daddr_t skip;
611         u_daddr_t radix;
612         int digit;
613
614         next = scan + 1;
615         blk += BLIST_BMAP_RADIX;
616         radix = BLIST_BMAP_RADIX;
617         while ((digit = ((blk / radix) & BLIST_META_MASK)) == 0 &&
618             (next->bm_bitmap & 1) == 1) {
619                 next++;
620                 radix *= BLIST_META_RADIX;
621         }
622         if (((next->bm_bitmap + 1) & ~((u_daddr_t)-1 << count)) != 0) {
623                 /*
624                  * The next leaf doesn't have enough free blocks at the
625                  * beginning to complete the spanning allocation.
626                  */
627                 return (ENOMEM);
628         }
629         /* Clear the first 'count' bits in the next leaf to allocate. */
630         next->bm_bitmap &= (u_daddr_t)-1 << count;
631
632         /*
633          * Update bitmaps of next-ancestors, up to least common ancestor.
634          */
635         skip = radix_to_skip(radix);
636         while (radix != BLIST_BMAP_RADIX && next->bm_bitmap == 0) {
637                 (--next)->bm_bitmap ^= 1;
638                 radix /= BLIST_META_RADIX;
639         }
640         if (next->bm_bitmap == 0)
641                 scan[-digit * skip].bm_bitmap ^= (u_daddr_t)1 << digit;
642         return (0);
643 }
644
645 /*
646  * BLST_LEAF_ALLOC() -  allocate at a leaf in the radix tree (a bitmap).
647  *
648  *      This function is the core of the allocator.  Its execution time is
649  *      proportional to log(count), plus height of the tree if the allocation
650  *      crosses a leaf boundary.
651  */
652 static daddr_t
653 blst_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
654 {
655         u_daddr_t cursor_mask, mask;
656         int count1, hi, lo, num_shifts, range1, range_ext;
657
658         range1 = 0;
659         count1 = count - 1;
660         num_shifts = fls(count1);
661         mask = scan->bm_bitmap;
662         while ((-mask & ~mask) != 0 && num_shifts > 0) {
663                 /*
664                  * If bit i is set in mask, then bits in [i, i+range1] are set
665                  * in scan->bm_bitmap.  The value of range1 is equal to count1
666                  * >> num_shifts.  Grow range1 and reduce num_shifts to 0,
667                  * while preserving these invariants.  The updates to mask
668                  * leave fewer bits set, but each bit that remains set
669                  * represents a longer string of consecutive bits set in
670                  * scan->bm_bitmap.  If more updates to mask cannot clear more
671                  * bits, because mask is partitioned with all 0 bits preceding
672                  * all 1 bits, the loop terminates immediately.
673                  */
674                 num_shifts--;
675                 range_ext = range1 + ((count1 >> num_shifts) & 1);
676                 /*
677                  * mask is a signed quantity for the shift because when it is
678                  * shifted right, the sign bit should copied; when the last
679                  * block of the leaf is free, pretend, for a while, that all the
680                  * blocks that follow it are also free.
681                  */
682                 mask &= (daddr_t)mask >> range_ext;
683                 range1 += range_ext;
684         }
685         if (mask == 0) {
686                 /*
687                  * Update bighint.  There is no allocation bigger than range1
688                  * starting in this leaf.
689                  */
690                 scan->bm_bighint = range1;
691                 return (SWAPBLK_NONE);
692         }
693
694         /* Discard any candidates that appear before blk. */
695         if ((blk & BLIST_BMAP_MASK) != 0) {
696                 cursor_mask = mask & bitrange(0, blk & BLIST_BMAP_MASK);
697                 if (cursor_mask != 0) {
698                         mask ^= cursor_mask;
699                         if (mask == 0)
700                                 return (SWAPBLK_NONE);
701
702                         /*
703                          * Bighint change for last block allocation cannot
704                          * assume that any other blocks are allocated, so the
705                          * bighint cannot be reduced much.
706                          */
707                         range1 = BLIST_MAX_ALLOC - 1;
708                 }
709                 blk &= ~BLIST_BMAP_MASK;
710         }
711
712         /*
713          * The least significant set bit in mask marks the start of the first
714          * available range of sufficient size.  Clear all the bits but that one,
715          * and then find its position.
716          */
717         mask &= -mask;
718         lo = bitpos(mask);
719
720         hi = lo + count;
721         if (hi > BLIST_BMAP_RADIX) {
722                 /*
723                  * An allocation within this leaf is impossible, so a successful
724                  * allocation depends on the next leaf providing some of the blocks.
725                  */
726                 if (blst_next_leaf_alloc(scan, blk, hi - BLIST_BMAP_RADIX) != 0)
727                         /*
728                          * The hint cannot be updated, because the same
729                          * allocation request could be satisfied later, by this
730                          * leaf, if the state of the next leaf changes, and
731                          * without any changes to this leaf.
732                          */
733                         return (SWAPBLK_NONE);
734                 hi = BLIST_BMAP_RADIX;
735         }
736
737         /* Set the bits of mask at position 'lo' and higher. */
738         mask = -mask;
739         if (hi == BLIST_BMAP_RADIX) {
740                 /*
741                  * Update bighint.  There is no allocation bigger than range1
742                  * available in this leaf after this allocation completes.
743                  */
744                 scan->bm_bighint = range1;
745         } else {
746                 /* Clear the bits of mask at position 'hi' and higher. */
747                 mask &= (u_daddr_t)-1 >> (BLIST_BMAP_RADIX - hi);
748         }
749         /* Clear the allocated bits from this leaf. */
750         scan->bm_bitmap &= ~mask;
751         return (blk + lo);
752 }
753
754 /*
755  * blist_meta_alloc() - allocate at a meta in the radix tree.
756  *
757  *      Attempt to allocate at a meta node.  If we can't, we update
758  *      bighint and return a failure.  Updating bighint optimize future
759  *      calls that hit this node.  We have to check for our collapse cases
760  *      and we have a few optimizations strewn in as well.
761  */
762 static daddr_t
763 blst_meta_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t cursor, daddr_t count, u_daddr_t radix)
764 {
765         daddr_t blk, i, r, skip;
766         u_daddr_t bit, mask;
767         bool scan_from_start;
768         int digit;
769
770         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
771                 return (blst_leaf_alloc(scan, cursor, count));
772         blk = cursor & -radix;
773         scan_from_start = (cursor == blk);
774         radix /= BLIST_META_RADIX;
775         skip = radix_to_skip(radix);
776         mask = scan->bm_bitmap;
777
778         /* Discard any candidates that appear before cursor. */
779         digit = (cursor / radix) & BLIST_META_MASK;
780         mask &= (u_daddr_t)-1 << digit;
781         if (mask == 0)
782                 return (SWAPBLK_NONE);
783
784         /*
785          * If the first try is for a block that includes the cursor, pre-undo
786          * the digit * radix offset in the first call; otherwise, ignore the
787          * cursor entirely.
788          */
789         if (((mask >> digit) & 1) == 1)
790                 cursor -= digit * radix;
791         else
792                 cursor = blk;
793
794         /*
795          * Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask.
796          */
797         do {
798                 bit = mask & -mask;
799                 digit = bitpos(bit);
800                 i = 1 + digit * skip;
801                 if (count <= scan[i].bm_bighint) {
802                         /*
803                          * The allocation might fit beginning in the i'th subtree.
804                          */
805                         r = blst_meta_alloc(&scan[i], cursor + digit * radix,
806                             count, radix);
807                         if (r != SWAPBLK_NONE) {
808                                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
809                                         scan->bm_bitmap ^= bit;
810                                 return (r);
811                         }
812                 }
813                 cursor = blk;
814         } while ((mask ^= bit) != 0);
815
816         /*
817          * We couldn't allocate count in this subtree.  If the whole tree was
818          * scanned, and the last tree node is allocated, update bighint.
819          */
820         if (scan_from_start && !(digit == BLIST_META_RADIX - 1 &&
821             scan[i].bm_bighint == BLIST_MAX_ALLOC))
822                 scan->bm_bighint = count - 1;
823
824         return (SWAPBLK_NONE);
825 }
826
827 /*
828  * BLST_LEAF_FREE() -   free allocated block from leaf bitmap
829  *
830  */
831 static void
832 blst_leaf_free(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
833 {
834         u_daddr_t mask;
835
836         /*
837          * free some data in this bitmap
838          * mask=0000111111111110000
839          *          \_________/\__/
840          *              count   n
841          */
842         mask = bitrange(blk & BLIST_BMAP_MASK, count);
843         if (scan->bm_bitmap & mask)
844                 panic("freeing free block");
845         scan->bm_bitmap |= mask;
846 }
847
848 /*
849  * BLST_META_FREE() - free allocated blocks from radix tree meta info
850  *
851  *      This support routine frees a range of blocks from the bitmap.
852  *      The range must be entirely enclosed by this radix node.  If a
853  *      meta node, we break the range down recursively to free blocks
854  *      in subnodes (which means that this code can free an arbitrary
855  *      range whereas the allocation code cannot allocate an arbitrary
856  *      range).
857  */
858 static void
859 blst_meta_free(blmeta_t *scan, daddr_t freeBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
860 {
861         daddr_t blk, endBlk, i, skip;
862         int digit, endDigit;
863
864         /*
865          * We could probably do a better job here.  We are required to make
866          * bighint at least as large as the biggest allocable block of data.
867          * If we just shoehorn it, a little extra overhead will be incurred
868          * on the next allocation (but only that one typically).
869          */
870         scan->bm_bighint = BLIST_MAX_ALLOC;
871
872         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
873                 return (blst_leaf_free(scan, freeBlk, count));
874
875         endBlk = ummin(freeBlk + count, (freeBlk + radix) & -radix);
876         radix /= BLIST_META_RADIX;
877         skip = radix_to_skip(radix);
878         blk = freeBlk & -radix;
879         digit = (blk / radix) & BLIST_META_MASK;
880         endDigit = 1 + (((endBlk - 1) / radix) & BLIST_META_MASK);
881         scan->bm_bitmap |= bitrange(digit, endDigit - digit);
882         for (i = 1 + digit * skip; blk < endBlk; i += skip) {
883                 blk += radix;
884                 count = ummin(blk, endBlk) - freeBlk;
885                 blst_meta_free(&scan[i], freeBlk, count, radix);
886                 freeBlk = blk;
887         }
888 }
889
890 /*
891  * BLST_COPY() - copy one radix tree to another
892  *
893  *      Locates free space in the source tree and frees it in the destination
894  *      tree.  The space may not already be free in the destination.
895  */
896 static void
897 blst_copy(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, blist_t dest,
898     daddr_t count)
899 {
900         daddr_t endBlk, i, skip;
901
902         /*
903          * Leaf node
904          */
905
906         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
907                 u_daddr_t v = scan->bm_bitmap;
908
909                 if (v == (u_daddr_t)-1) {
910                         blist_free(dest, blk, count);
911                 } else if (v != 0) {
912                         int i;
913
914                         for (i = 0; i < count; ++i) {
915                                 if (v & ((u_daddr_t)1 << i))
916                                         blist_free(dest, blk + i, 1);
917                         }
918                 }
919                 return;
920         }
921
922         /*
923          * Meta node
924          */
925
926         if (scan->bm_bitmap == 0) {
927                 /*
928                  * Source all allocated, leave dest allocated
929                  */
930                 return;
931         }
932
933         endBlk = blk + count;
934         radix /= BLIST_META_RADIX;
935         skip = radix_to_skip(radix);
936         for (i = 1; blk < endBlk; i += skip) {
937                 blk += radix;
938                 count = radix;
939                 if (blk >= endBlk)
940                         count -= blk - endBlk;
941                 blst_copy(&scan[i], blk - radix, radix, dest, count);
942         }
943 }
944
945 /*
946  * BLST_LEAF_FILL() -   allocate specific blocks in leaf bitmap
947  *
948  *      This routine allocates all blocks in the specified range
949  *      regardless of any existing allocations in that range.  Returns
950  *      the number of blocks allocated by the call.
951  */
952 static daddr_t
953 blst_leaf_fill(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
954 {
955         daddr_t nblks;
956         u_daddr_t mask;
957
958         mask = bitrange(blk & BLIST_BMAP_MASK, count);
959
960         /* Count the number of blocks that we are allocating. */
961         nblks = bitcount64(scan->bm_bitmap & mask);
962
963         scan->bm_bitmap &= ~mask;
964         return (nblks);
965 }
966
967 /*
968  * BLIST_META_FILL() -  allocate specific blocks at a meta node
969  *
970  *      This routine allocates the specified range of blocks,
971  *      regardless of any existing allocations in the range.  The
972  *      range must be within the extent of this node.  Returns the
973  *      number of blocks allocated by the call.
974  */
975 static daddr_t
976 blst_meta_fill(blmeta_t *scan, daddr_t allocBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
977 {
978         daddr_t blk, endBlk, i, nblks, skip;
979         int digit;
980
981         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
982                 return (blst_leaf_fill(scan, allocBlk, count));
983
984         endBlk = ummin(allocBlk + count, (allocBlk + radix) & -radix);
985         radix /= BLIST_META_RADIX;
986         skip = radix_to_skip(radix);
987         blk = allocBlk & -radix;
988         nblks = 0;
989         while (blk < endBlk) {
990                 digit = (blk / radix) & BLIST_META_MASK;
991                 i = 1 + digit * skip;
992                 blk += radix;
993                 count = ummin(blk, endBlk) - allocBlk;
994                 nblks += blst_meta_fill(&scan[i], allocBlk, count, radix);
995                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
996                         scan->bm_bitmap &= ~((u_daddr_t)1 << digit);
997                 allocBlk = blk;
998         }
999         return (nblks);
1000 }
1001
1002 #ifdef BLIST_DEBUG
1003
1004 static void
1005 blst_radix_print(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, int tab)
1006 {
1007         daddr_t skip;
1008         u_daddr_t bit, mask;
1009         int digit;
1010
1011         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
1012                 printf(
1013                     "%*.*s(%08llx,%lld): bitmap %0*llx big=%lld\n",
1014                     tab, tab, "",
1015                     (long long)blk, (long long)radix,
1016                     1 + (BLIST_BMAP_RADIX - 1) / 4,
1017                     (long long)scan->bm_bitmap,
1018                     (long long)scan->bm_bighint
1019                 );
1020                 return;
1021         }
1022
1023         printf(
1024             "%*.*s(%08llx): subtree (%lld/%lld) bitmap %0*llx big=%lld {\n",
1025             tab, tab, "",
1026             (long long)blk, (long long)radix,
1027             (long long)radix,
1028             1 + (BLIST_META_RADIX - 1) / 4,
1029             (long long)scan->bm_bitmap,
1030             (long long)scan->bm_bighint
1031         );
1032
1033         radix /= BLIST_META_RADIX;
1034         skip = radix_to_skip(radix);
1035         tab += 4;
1036
1037         mask = scan->bm_bitmap;
1038         /* Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask */
1039         do {
1040                 bit = mask & -mask;
1041                 digit = bitpos(bit);
1042                 blst_radix_print(&scan[1 + digit * skip], blk + digit * radix,
1043                     radix, tab);
1044         } while ((mask ^= bit) != 0);
1045         tab -= 4;
1046
1047         printf(
1048             "%*.*s}\n",
1049             tab, tab, ""
1050         );
1051 }
1052
1053 #endif
1054
1055 #ifdef BLIST_DEBUG
1056
1057 int
1058 main(int ac, char **av)
1059 {
1060         int size = BLIST_META_RADIX * BLIST_BMAP_RADIX;
1061         int i;
1062         blist_t bl;
1063         struct sbuf *s;
1064
1065         for (i = 1; i < ac; ++i) {
1066                 const char *ptr = av[i];
1067                 if (*ptr != '-') {
1068                         size = strtol(ptr, NULL, 0);
1069                         continue;
1070                 }
1071                 ptr += 2;
1072                 fprintf(stderr, "Bad option: %s\n", ptr - 2);
1073                 exit(1);
1074         }
1075         bl = blist_create(size, M_WAITOK);
1076         blist_free(bl, 0, size);
1077
1078         for (;;) {
1079                 char buf[1024];
1080                 long long da = 0;
1081                 long long count = 0;
1082
1083                 printf("%lld/%lld/%lld> ", (long long)blist_avail(bl),
1084                     (long long)size, (long long)bl->bl_radix);
1085                 fflush(stdout);
1086                 if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL)
1087                         break;
1088                 switch(buf[0]) {
1089                 case 'r':
1090                         if (sscanf(buf + 1, "%lld", &count) == 1) {
1091                                 blist_resize(&bl, count, 1, M_WAITOK);
1092                         } else {
1093                                 printf("?\n");
1094                         }
1095                 case 'p':
1096                         blist_print(bl);
1097                         break;
1098                 case 's':
1099                         s = sbuf_new_auto();
1100                         blist_stats(bl, s);
1101                         sbuf_finish(s);
1102                         printf("%s", sbuf_data(s));
1103                         sbuf_delete(s);
1104                         break;
1105                 case 'a':
1106                         if (sscanf(buf + 1, "%lld", &count) == 1) {
1107                                 daddr_t blk = blist_alloc(bl, count);
1108                                 printf("    R=%08llx\n", (long long)blk);
1109                         } else {
1110                                 printf("?\n");
1111                         }
1112                         break;
1113                 case 'f':
1114                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %lld", &da, &count) == 2) {
1115                                 blist_free(bl, da, count);
1116                         } else {
1117                                 printf("?\n");
1118                         }
1119                         break;
1120                 case 'l':
1121                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %lld", &da, &count) == 2) {
1122                                 printf("    n=%jd\n",
1123                                     (intmax_t)blist_fill(bl, da, count));
1124                         } else {
1125                                 printf("?\n");
1126                         }
1127                         break;
1128                 case '?':
1129                 case 'h':
1130                         puts(
1131                             "p          -print\n"
1132                             "s          -stats\n"
1133                             "a %d       -allocate\n"
1134                             "f %x %d    -free\n"
1135                             "l %x %d    -fill\n"
1136                             "r %d       -resize\n"
1137                             "h/?        -help"
1138                         );
1139                         break;
1140                 default:
1141                         printf("?\n");
1142                         break;
1143                 }
1144         }
1145         return(0);
1146 }
1147
1148 void
1149 panic(const char *ctl, ...)
1150 {
1151         va_list va;
1152
1153         va_start(va, ctl);
1154         vfprintf(stderr, ctl, va);
1155         fprintf(stderr, "\n");
1156         va_end(va);
1157         exit(1);
1158 }
1159
1160 #endif