]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/kern/subr_blist.c
amd64: allow gdb(4) to write to most registers
[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.  A radix
40  *      constant defines the size of the bitmaps contained in a leaf node
41  *      and the number of descendents of each of the meta (interior) nodes.
42  *      Each subtree is associated with a range of blocks.  The root of any
43  *      subtree stores a hint field that defines an upper bound on the size
44  *      of the largest allocation that can begin in the associated block
45  *      range.  A hint is an upper bound on a potential allocation, but not
46  *      necessarily a tight upper bound.
47  *
48  *      The bitmap field in each node directs the search for available blocks.
49  *      For a leaf node, a bit is set if the corresponding block is free.  For a
50  *      meta node, a bit is set if the corresponding subtree contains a free
51  *      block somewhere within it.  The search at a meta node considers only
52  *      children of that node that represent a range that includes a free block.
53  *
54  *      The hinting greatly increases code efficiency for allocations while
55  *      the general radix structure optimizes both allocations and frees.  The
56  *      radix tree should be able to operate well no matter how much
57  *      fragmentation there is and no matter how large a bitmap is used.
58  *
59  *      The blist code wires all necessary memory at creation time.  Neither
60  *      allocations nor frees require interaction with the memory subsystem.
61  *      The non-blocking nature of allocations and frees is required by swap
62  *      code (vm/swap_pager.c).
63  *
64  *      LAYOUT: The radix tree is laid out recursively using a linear array.
65  *      Each meta node is immediately followed (laid out sequentially in
66  *      memory) by BLIST_RADIX lower-level nodes.  This is a recursive
67  *      structure but one that can be easily scanned through a very simple
68  *      'skip' calculation.  The memory allocation is only large enough to
69  *      cover the number of blocks requested at creation time.  Nodes that
70  *      represent blocks beyond that limit, nodes that would never be read
71  *      or written, are not allocated, so that the last of the
72  *      BLIST_RADIX lower-level nodes of a some nodes may not be allocated.
73  *
74  *      NOTE: the allocator cannot currently allocate more than
75  *      BLIST_RADIX blocks per call.  It will panic with 'allocation too
76  *      large' if you try.  This is an area that could use improvement.  The
77  *      radix is large enough that this restriction does not effect the swap
78  *      system, though.  Currently only the allocation code is affected by
79  *      this algorithmic unfeature.  The freeing code can handle arbitrary
80  *      ranges.
81  *
82  *      This code can be compiled stand-alone for debugging.
83  */
84
85 #include <sys/cdefs.h>
86 __FBSDID("$FreeBSD$");
87
88 #ifdef _KERNEL
89
90 #include <sys/param.h>
91 #include <sys/systm.h>
92 #include <sys/lock.h>
93 #include <sys/kernel.h>
94 #include <sys/blist.h>
95 #include <sys/malloc.h>
96 #include <sys/sbuf.h>
97 #include <sys/proc.h>
98 #include <sys/mutex.h>
99
100 #else
101
102 #ifndef BLIST_NO_DEBUG
103 #define BLIST_DEBUG
104 #endif
105
106 #include <sys/errno.h>
107 #include <sys/types.h>
108 #include <sys/malloc.h>
109 #include <sys/sbuf.h>
110 #include <assert.h>
111 #include <stdio.h>
112 #include <string.h>
113 #include <stddef.h>
114 #include <stdlib.h>
115 #include <stdarg.h>
116 #include <stdbool.h>
117
118 #define bitcount64(x)   __bitcount64((uint64_t)(x))
119 #define malloc(a,b,c)   calloc(a, 1)
120 #define free(a,b)       free(a)
121 #define ummin(a,b)      ((a) < (b) ? (a) : (b))
122 #define imin(a,b)       ((a) < (b) ? (a) : (b))
123 #define KASSERT(a,b)    assert(a)
124
125 #include <sys/blist.h>
126
127 #endif
128
129 /*
130  * static support functions
131  */
132 static daddr_t  blst_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk,
133     int *count, int maxcount);
134 static daddr_t  blst_meta_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t cursor, int *count,
135     int maxcount, 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 #define BLIST_MASK      (BLIST_RADIX - 1)
154
155 /*
156  * For a subtree that can represent the state of up to 'radix' blocks, the
157  * number of leaf nodes of the subtree is L=radix/BLIST_RADIX.  If 'm'
158  * is short for BLIST_RADIX, then for a tree of height h with L=m**h
159  * leaf nodes, the total number of tree nodes is 1 + m + m**2 + ... + m**h,
160  * or, equivalently, (m**(h+1)-1)/(m-1).  This quantity is called 'skip'
161  * in the 'meta' functions that process subtrees.  Since integer division
162  * discards remainders, we can express this computation as
163  * skip = (m * m**h) / (m - 1)
164  * skip = (m * (radix / m)) / (m - 1)
165  * skip = radix / (m - 1)
166  * so that simple integer division by a constant can safely be used for the
167  * calculation.
168  */
169 static inline daddr_t
170 radix_to_skip(daddr_t radix)
171 {
172
173         return (radix / BLIST_MASK);
174 }
175
176 /*
177  * Provide a mask with count bits set, starting as position n.
178  */
179 static inline u_daddr_t
180 bitrange(int n, int count)
181 {
182
183         return (((u_daddr_t)-1 << n) &
184             ((u_daddr_t)-1 >> (BLIST_RADIX - (n + count))));
185 }
186
187 /*
188  * Find the first bit set in a u_daddr_t.
189  */
190 static inline int
191 generic_bitpos(u_daddr_t mask)
192 {
193         int hi, lo, mid;
194
195         lo = 0;
196         hi = BLIST_RADIX;
197         while (lo + 1 < hi) {
198                 mid = (lo + hi) >> 1;
199                 if (mask & bitrange(0, mid))
200                         hi = mid;
201                 else
202                         lo = mid;
203         }
204         return (lo);
205 }
206
207 static inline int
208 bitpos(u_daddr_t mask)
209 {
210
211         switch (sizeof(mask)) {
212 #ifdef HAVE_INLINE_FFSLL
213         case sizeof(long long):
214                 return (ffsll(mask) - 1);
215 #endif
216 #ifdef HAVE_INLINE_FFS
217         case sizeof(int):
218                 return (ffs(mask) - 1);
219 #endif
220         default:
221                 return (generic_bitpos(mask));
222         }
223 }
224
225 /*
226  * blist_create() - create a blist capable of handling up to the specified
227  *                  number of blocks
228  *
229  *      blocks - must be greater than 0
230  *      flags  - malloc flags
231  *
232  *      The smallest blist consists of a single leaf node capable of
233  *      managing BLIST_RADIX blocks.
234  */
235 blist_t
236 blist_create(daddr_t blocks, int flags)
237 {
238         blist_t bl;
239         u_daddr_t nodes, radix;
240
241         KASSERT(blocks > 0, ("invalid block count"));
242
243         /*
244          * Calculate the radix and node count used for scanning.
245          */
246         nodes = 1;
247         for (radix = 1; radix <= blocks / BLIST_RADIX; radix *= BLIST_RADIX)
248                 nodes += 1 + (blocks - 1) / radix / BLIST_RADIX;
249
250         bl = malloc(offsetof(struct blist, bl_root[nodes]), M_SWAP, flags |
251             M_ZERO);
252         if (bl == NULL)
253                 return (NULL);
254
255         bl->bl_blocks = blocks;
256         bl->bl_radix = radix;
257
258 #if defined(BLIST_DEBUG)
259         printf(
260                 "BLIST representing %lld blocks (%lld MB of swap)"
261                 ", requiring %lldK of ram\n",
262                 (long long)bl->bl_blocks,
263                 (long long)bl->bl_blocks * 4 / 1024,
264                 (long long)(nodes * sizeof(blmeta_t) + 1023) / 1024
265         );
266         printf("BLIST raw radix tree contains %lld records\n",
267             (long long)nodes);
268 #endif
269
270         return (bl);
271 }
272
273 void
274 blist_destroy(blist_t bl)
275 {
276
277         free(bl, M_SWAP);
278 }
279
280 /*
281  * blist_alloc() -   reserve space in the block bitmap.  Return the base
282  *                   of a contiguous region or SWAPBLK_NONE if space could
283  *                   not be allocated.
284  */
285 daddr_t
286 blist_alloc(blist_t bl, int *count, int maxcount)
287 {
288         daddr_t blk, cursor;
289
290         KASSERT(*count <= maxcount,
291             ("invalid parameters %d > %d", *count, maxcount));
292         KASSERT(*count <= BLIST_MAX_ALLOC,
293             ("minimum allocation too large: %d", *count));
294
295         /*
296          * This loop iterates at most twice.  An allocation failure in the
297          * first iteration leads to a second iteration only if the cursor was
298          * non-zero.  When the cursor is zero, an allocation failure will
299          * stop further iterations.
300          */
301         for (cursor = bl->bl_cursor;; cursor = 0) {
302                 blk = blst_meta_alloc(bl->bl_root, cursor, count, maxcount,
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                 }
311                 if (cursor == 0)
312                         return (SWAPBLK_NONE);
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.
329  */
330 void
331 blist_free(blist_t bl, daddr_t blkno, daddr_t count)
332 {
333
334         KASSERT(blkno >= 0 && blkno + count <= bl->bl_blocks,
335             ("freeing invalid range: blkno %jx, count %d, blocks %jd",
336             (uintmax_t)blkno, (int)count, (uintmax_t)bl->bl_blocks));
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         KASSERT(blkno >= 0 && blkno + count <= bl->bl_blocks,
353             ("filling invalid range: blkno %jx, count %d, blocks %jd",
354             (uintmax_t)blkno, (int)count, (uintmax_t)bl->bl_blocks));
355         filled = blst_meta_fill(bl->bl_root, blkno, count, bl->bl_radix);
356         bl->bl_avail -= filled;
357         return (filled);
358 }
359
360 /*
361  * blist_resize() -     resize an existing radix tree to handle the
362  *                      specified number of blocks.  This will reallocate
363  *                      the tree and transfer the previous bitmap to the new
364  *                      one.  When extending the tree you can specify whether
365  *                      the new blocks are to left allocated or freed.
366  */
367 void
368 blist_resize(blist_t *pbl, daddr_t count, int freenew, int flags)
369 {
370     blist_t newbl = blist_create(count, flags);
371     blist_t save = *pbl;
372
373     *pbl = newbl;
374     if (count > save->bl_blocks)
375             count = save->bl_blocks;
376     blst_copy(save->bl_root, 0, save->bl_radix, newbl, count);
377
378     /*
379      * If resizing upwards, should we free the new space or not?
380      */
381     if (freenew && count < newbl->bl_blocks) {
382             blist_free(newbl, count, newbl->bl_blocks - count);
383     }
384     blist_destroy(save);
385 }
386
387 #ifdef BLIST_DEBUG
388
389 /*
390  * blist_print()    - dump radix tree
391  */
392 void
393 blist_print(blist_t bl)
394 {
395         printf("BLIST avail = %jd, cursor = %08jx {\n",
396             (uintmax_t)bl->bl_avail, (uintmax_t)bl->bl_cursor);
397
398         if (bl->bl_root->bm_bitmap != 0)
399                 blst_radix_print(bl->bl_root, 0, bl->bl_radix, 4);
400         printf("}\n");
401 }
402
403 #endif
404
405 static const u_daddr_t fib[] = {
406         1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584,
407         4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811,
408         514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578,
409 };
410
411 /*
412  * Use 'gap' to describe a maximal range of unallocated blocks/bits.
413  */
414 struct gap_stats {
415         daddr_t start;          /* current gap start, or SWAPBLK_NONE */
416         daddr_t num;            /* number of gaps observed */
417         daddr_t max;            /* largest gap size */
418         daddr_t avg;            /* average gap size */
419         daddr_t err;            /* sum - num * avg */
420         daddr_t histo[nitems(fib)]; /* # gaps in each size range */
421         int     max_bucket;     /* last histo elt with nonzero val */
422 };
423
424 /*
425  * gap_stats_counting()    - is the state 'counting 1 bits'?
426  *                           or 'skipping 0 bits'?
427  */
428 static inline bool
429 gap_stats_counting(const struct gap_stats *stats)
430 {
431
432         return (stats->start != SWAPBLK_NONE);
433 }
434
435 /*
436  * init_gap_stats()    - initialize stats on gap sizes
437  */
438 static inline void
439 init_gap_stats(struct gap_stats *stats)
440 {
441
442         bzero(stats, sizeof(*stats));
443         stats->start = SWAPBLK_NONE;
444 }
445
446 /*
447  * update_gap_stats()    - update stats on gap sizes
448  */
449 static void
450 update_gap_stats(struct gap_stats *stats, daddr_t posn)
451 {
452         daddr_t size;
453         int hi, lo, mid;
454
455         if (!gap_stats_counting(stats)) {
456                 stats->start = posn;
457                 return;
458         }
459         size = posn - stats->start;
460         stats->start = SWAPBLK_NONE;
461         if (size > stats->max)
462                 stats->max = size;
463
464         /*
465          * Find the fibonacci range that contains size,
466          * expecting to find it in an early range.
467          */
468         lo = 0;
469         hi = 1;
470         while (hi < nitems(fib) && fib[hi] <= size) {
471                 lo = hi;
472                 hi *= 2;
473         }
474         if (hi >= nitems(fib))
475                 hi = nitems(fib);
476         while (lo + 1 != hi) {
477                 mid = (lo + hi) >> 1;
478                 if (fib[mid] <= size)
479                         lo = mid;
480                 else
481                         hi = mid;
482         }
483         stats->histo[lo]++;
484         if (lo > stats->max_bucket)
485                 stats->max_bucket = lo;
486         stats->err += size - stats->avg;
487         stats->num++;
488         stats->avg += stats->err / stats->num;
489         stats->err %= stats->num;
490 }
491
492 /*
493  * dump_gap_stats()    - print stats on gap sizes
494  */
495 static inline void
496 dump_gap_stats(const struct gap_stats *stats, struct sbuf *s)
497 {
498         int i;
499
500         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges: %jd\n",
501             (intmax_t)stats->num);
502         sbuf_printf(s, "largest free range: %jd\n", (intmax_t)stats->max);
503         sbuf_printf(s, "average maximal free range size: %jd\n",
504             (intmax_t)stats->avg);
505         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges of different sizes:\n");
506         sbuf_printf(s, "               count  |  size range\n");
507         sbuf_printf(s, "               -----  |  ----------\n");
508         for (i = 0; i < stats->max_bucket; i++) {
509                 if (stats->histo[i] != 0) {
510                         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ",
511                             (intmax_t)stats->histo[i]);
512                         if (fib[i] != fib[i + 1] - 1)
513                                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
514                                     (intmax_t)fib[i + 1] - 1);
515                         else
516                                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)fib[i]);
517                 }
518         }
519         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ", (intmax_t)stats->histo[i]);
520         if (stats->histo[i] > 1)
521                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
522                     (intmax_t)stats->max);
523         else
524                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)stats->max);
525 }
526
527 /*
528  * blist_stats()    - dump radix tree stats
529  */
530 void
531 blist_stats(blist_t bl, struct sbuf *s)
532 {
533         struct gap_stats gstats;
534         struct gap_stats *stats = &gstats;
535         daddr_t i, nodes, radix;
536         u_daddr_t diff, mask;
537         int digit;
538
539         init_gap_stats(stats);
540         nodes = 0;
541         radix = bl->bl_radix;
542         for (i = 0; i < bl->bl_blocks; ) {
543                 /*
544                  * Check for skippable subtrees starting at i.
545                  */
546                 while (radix != 1) {
547                         if (bl->bl_root[nodes].bm_bitmap == 0) {
548                                 if (gap_stats_counting(stats))
549                                         update_gap_stats(stats, i);
550                                 break;
551                         }
552
553                         /*
554                          * Skip subtree root.
555                          */
556                         nodes++;
557                         radix /= BLIST_RADIX;
558                 }
559                 if (radix == 1) {
560                         /*
561                          * Scan leaf.
562                          */
563                         mask = bl->bl_root[nodes].bm_bitmap;
564                         diff = mask ^ (mask << 1);
565                         if (gap_stats_counting(stats))
566                                 diff ^= 1;
567                         while (diff != 0) {
568                                 digit = bitpos(diff);
569                                 update_gap_stats(stats, i + digit);
570                                 diff ^= bitrange(digit, 1);
571                         }
572                 }
573                 nodes += radix_to_skip(radix * BLIST_RADIX);
574                 i += radix * BLIST_RADIX;
575
576                 /*
577                  * Find max size subtree starting at i.
578                  */
579                 for (radix = 1; 
580                     ((i / BLIST_RADIX / radix) & BLIST_MASK) == 0;
581                     radix *= BLIST_RADIX)
582                         ;
583         }
584         update_gap_stats(stats, i);
585         dump_gap_stats(stats, s);
586 }
587
588 /************************************************************************
589  *                        ALLOCATION SUPPORT FUNCTIONS                  *
590  ************************************************************************
591  *
592  *      These support functions do all the actual work.  They may seem
593  *      rather longish, but that's because I've commented them up.  The
594  *      actual code is straight forward.
595  *
596  */
597
598 /*
599  * BLST_NEXT_LEAF_ALLOC() - allocate the blocks starting with the next leaf.
600  *
601  *      'scan' is a leaf node, and its first block is at address 'start'.  The
602  *      next leaf node could be adjacent, or several nodes away if the least
603  *      common ancestor of 'scan' and its neighbor is several levels up.  Use
604  *      addresses to determine how many meta-nodes lie between the leaves.  If
605  *      sequence of leaves starting with the next one has enough initial bits
606  *      set, clear them and clear the bits in the meta nodes on the path up to
607  *      the least common ancestor to mark any subtrees made completely empty.
608  */
609 static int
610 blst_next_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t start, int count, int maxcount)
611 {
612         u_daddr_t radix;
613         daddr_t blk;
614         int avail, digit;
615
616         start += BLIST_RADIX;
617         for (blk = start; blk - start < maxcount; blk += BLIST_RADIX) {
618                 /* Skip meta-nodes, as long as they promise more free blocks. */
619                 radix = BLIST_RADIX;
620                 while (((++scan)->bm_bitmap & 1) == 1 &&
621                     ((blk / radix) & BLIST_MASK) == 0)
622                         radix *= BLIST_RADIX;
623                 if (~scan->bm_bitmap != 0) {
624                         /*
625                          * Either there is no next leaf with any free blocks,
626                          * or we've reached the next leaf and found that some
627                          * of its blocks are not free.  In the first case,
628                          * bitpos() returns zero here.
629                          */
630                         avail = blk - start + bitpos(~scan->bm_bitmap);
631                         if (avail < count || avail == 0) {
632                                 /*
633                                  * There isn't a next leaf with enough free
634                                  * blocks at its beginning to bother
635                                  * allocating.
636                                  */
637                                 return (avail);
638                         }
639                         maxcount = imin(avail, maxcount);
640                         if (maxcount % BLIST_RADIX == 0) {
641                                 /*
642                                  * There was no next leaf.  Back scan up to
643                                  * last leaf.
644                                  */
645                                 do {
646                                         radix /= BLIST_RADIX;
647                                         --scan;
648                                 } while (radix != 1);
649                                 blk -= BLIST_RADIX;
650                         }
651                 }
652         }
653
654         /*
655          * 'scan' is the last leaf that provides blocks.  Clear from 1 to
656          * BLIST_RADIX bits to represent the allocation of those last blocks.
657          */
658         if (maxcount % BLIST_RADIX != 0)
659                 scan->bm_bitmap &= ~bitrange(0, maxcount % BLIST_RADIX);
660         else
661                 scan->bm_bitmap = 0;
662
663         for (;;) {
664                 /* Back up over meta-nodes, clearing bits if necessary. */
665                 blk -= BLIST_RADIX;
666                 for (radix = BLIST_RADIX;
667                     (digit = ((blk / radix) & BLIST_MASK)) == 0;
668                     radix *= BLIST_RADIX) {
669                         if ((scan--)->bm_bitmap == 0)
670                                 scan->bm_bitmap ^= 1;
671                 }
672                 if ((scan--)->bm_bitmap == 0)
673                         scan[-digit * radix_to_skip(radix)].bm_bitmap ^=
674                             (u_daddr_t)1 << digit;
675
676                 if (blk == start)
677                         break;
678                 /* Clear all the bits of this leaf. */
679                 scan->bm_bitmap = 0;
680         }
681         return (maxcount);
682 }
683
684 /*
685  * BLST_LEAF_ALLOC() -  allocate at a leaf in the radix tree (a bitmap).
686  *
687  *      This function is the core of the allocator.  Its execution time is
688  *      proportional to log(count), plus height of the tree if the allocation
689  *      crosses a leaf boundary.
690  */
691 static daddr_t
692 blst_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int *count, int maxcount)
693 {
694         u_daddr_t mask;
695         int bighint, count1, hi, lo, num_shifts;
696
697         count1 = *count - 1;
698         num_shifts = fls(count1);
699         mask = ~scan->bm_bitmap;
700         while ((mask & (mask + 1)) != 0 && num_shifts > 0) {
701                 /*
702                  * If bit i is 0 in mask, then bits in [i, i + (count1 >>
703                  * num_shifts)] are 1 in scan->bm_bitmap.  Reduce num_shifts to
704                  * 0, while preserving this invariant.  The updates to mask
705                  * leave fewer bits 0, but each bit that remains 0 represents a
706                  * longer string of consecutive 1-bits in scan->bm_bitmap.  If
707                  * more updates to mask cannot set more bits, because mask is
708                  * partitioned with all 1 bits following all 0 bits, the loop
709                  * terminates immediately.
710                  */
711                 num_shifts--;
712                 mask |= mask >> ((count1 >> num_shifts) + 1) / 2;
713         }
714         bighint = count1 >> num_shifts;
715         if (~mask == 0) {
716                 /*
717                  * Update bighint.  There is no allocation bigger than
718                  * count1 >> num_shifts starting in this leaf.
719                  */
720                 scan->bm_bighint = bighint;
721                 return (SWAPBLK_NONE);
722         }
723
724         /* Discard any candidates that appear before blk. */
725         if ((blk & BLIST_MASK) != 0) {
726                 if ((~mask & bitrange(0, blk & BLIST_MASK)) != 0) {
727                         /* Grow bighint in case all discarded bits are set. */
728                         bighint += blk & BLIST_MASK;
729                         mask |= bitrange(0, blk & BLIST_MASK);
730                         if (~mask == 0) {
731                                 scan->bm_bighint = bighint;
732                                 return (SWAPBLK_NONE);
733                         }
734                 }
735                 blk -= blk & BLIST_MASK;
736         }
737
738         /*
739          * The least significant set bit in mask marks the start of the first
740          * available range of sufficient size.  Find its position.
741          */
742         lo = bitpos(~mask);
743
744         /*
745          * Find how much space is available starting at that position.
746          */
747         if ((mask & (mask + 1)) != 0) {
748                 /* Count the 1 bits starting at position lo. */
749                 hi = bitpos(mask & (mask + 1)) + count1;
750                 if (maxcount < hi - lo)
751                         hi = lo + maxcount;
752                 *count = hi - lo;
753                 mask = ~bitrange(lo, *count);
754         } else if (maxcount <= BLIST_RADIX - lo) {
755                 /* All the blocks we can use are available here. */
756                 hi = lo + maxcount;
757                 *count = maxcount;
758                 mask = ~bitrange(lo, *count);
759                 if (hi == BLIST_RADIX)
760                         scan->bm_bighint = bighint;
761         } else {
762                 /* Check next leaf for some of the blocks we want or need. */
763                 count1 = *count - (BLIST_RADIX - lo);
764                 maxcount -= BLIST_RADIX - lo;
765                 hi = blst_next_leaf_alloc(scan, blk, count1, maxcount);
766                 if (hi < count1)
767                         /*
768                          * The next leaf cannot supply enough blocks to reach
769                          * the minimum required allocation.  The hint cannot be
770                          * updated, because the same allocation request could
771                          * be satisfied later, by this leaf, if the state of
772                          * the next leaf changes, and without any changes to
773                          * this leaf.
774                          */
775                         return (SWAPBLK_NONE);
776                 *count = BLIST_RADIX - lo + hi;
777                 scan->bm_bighint = bighint;
778         }
779
780         /* Clear the allocated bits from this leaf. */
781         scan->bm_bitmap &= mask;
782         return (blk + lo);
783 }
784
785 /*
786  * blist_meta_alloc() - allocate at a meta in the radix tree.
787  *
788  *      Attempt to allocate at a meta node.  If we can't, we update
789  *      bighint and return a failure.  Updating bighint optimize future
790  *      calls that hit this node.  We have to check for our collapse cases
791  *      and we have a few optimizations strewn in as well.
792  */
793 static daddr_t
794 blst_meta_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t cursor, int *count,
795     int maxcount, u_daddr_t radix)
796 {
797         daddr_t blk, i, r, skip;
798         u_daddr_t mask;
799         bool scan_from_start;
800         int digit;
801
802         if (radix == 1)
803                 return (blst_leaf_alloc(scan, cursor, count, maxcount));
804         blk = cursor & -(radix * BLIST_RADIX);
805         scan_from_start = (cursor == blk);
806         skip = radix_to_skip(radix);
807         mask = scan->bm_bitmap;
808
809         /* Discard any candidates that appear before cursor. */
810         digit = (cursor / radix) & BLIST_MASK;
811         mask &= (u_daddr_t)-1 << digit;
812         if (mask == 0)
813                 return (SWAPBLK_NONE);
814
815         /*
816          * If the first try is for a block that includes the cursor, pre-undo
817          * the digit * radix offset in the first call; otherwise, ignore the
818          * cursor entirely.
819          */
820         if (((mask >> digit) & 1) == 1)
821                 cursor -= digit * radix;
822         else
823                 cursor = blk;
824
825         /*
826          * Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask.
827          */
828         do {
829                 digit = bitpos(mask);
830                 i = 1 + digit * skip;
831                 if (*count <= scan[i].bm_bighint) {
832                         /*
833                          * The allocation might fit beginning in the i'th subtree.
834                          */
835                         r = blst_meta_alloc(&scan[i], cursor + digit * radix,
836                             count, maxcount, radix / BLIST_RADIX);
837                         if (r != SWAPBLK_NONE) {
838                                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
839                                         scan->bm_bitmap ^= bitrange(digit, 1);
840                                 return (r);
841                         }
842                 }
843                 cursor = blk;
844         } while ((mask ^= bitrange(digit, 1)) != 0);
845
846         /*
847          * We couldn't allocate count in this subtree.  If the whole tree was
848          * scanned, and the last tree node is allocated, update bighint.
849          */
850         if (scan_from_start && !(digit == BLIST_RADIX - 1 &&
851             scan[i].bm_bighint == BLIST_MAX_ALLOC))
852                 scan->bm_bighint = *count - 1;
853
854         return (SWAPBLK_NONE);
855 }
856
857 /*
858  * BLST_LEAF_FREE() -   free allocated block from leaf bitmap
859  *
860  */
861 static void
862 blst_leaf_free(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
863 {
864         u_daddr_t mask;
865
866         /*
867          * free some data in this bitmap
868          * mask=0000111111111110000
869          *          \_________/\__/
870          *              count   n
871          */
872         mask = bitrange(blk & BLIST_MASK, count);
873         KASSERT((scan->bm_bitmap & mask) == 0,
874             ("freeing free block: %jx, size %d, mask %jx",
875             (uintmax_t)blk, count, (uintmax_t)scan->bm_bitmap & mask));
876         scan->bm_bitmap |= mask;
877 }
878
879 /*
880  * BLST_META_FREE() - free allocated blocks from radix tree meta info
881  *
882  *      This support routine frees a range of blocks from the bitmap.
883  *      The range must be entirely enclosed by this radix node.  If a
884  *      meta node, we break the range down recursively to free blocks
885  *      in subnodes (which means that this code can free an arbitrary
886  *      range whereas the allocation code cannot allocate an arbitrary
887  *      range).
888  */
889 static void
890 blst_meta_free(blmeta_t *scan, daddr_t freeBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
891 {
892         daddr_t blk, endBlk, i, skip;
893         int digit, endDigit;
894
895         /*
896          * We could probably do a better job here.  We are required to make
897          * bighint at least as large as the biggest allocable block of data.
898          * If we just shoehorn it, a little extra overhead will be incurred
899          * on the next allocation (but only that one typically).
900          */
901         scan->bm_bighint = BLIST_MAX_ALLOC;
902
903         if (radix == 1)
904                 return (blst_leaf_free(scan, freeBlk, count));
905
906         endBlk = freeBlk + count;
907         blk = (freeBlk + radix * BLIST_RADIX) & -(radix * BLIST_RADIX);
908         /*
909          * blk is first block past the end of the range of this meta node,
910          * or 0 in case of overflow.
911          */
912         if (blk != 0)
913                 endBlk = ummin(endBlk, blk);
914         skip = radix_to_skip(radix);
915         blk = freeBlk & -radix;
916         digit = (blk / radix) & BLIST_MASK;
917         endDigit = 1 + (((endBlk - 1) / radix) & BLIST_MASK);
918         scan->bm_bitmap |= bitrange(digit, endDigit - digit);
919         for (i = 1 + digit * skip; blk < endBlk; i += skip) {
920                 blk += radix;
921                 count = ummin(blk, endBlk) - freeBlk;
922                 blst_meta_free(&scan[i], freeBlk, count, radix / BLIST_RADIX);
923                 freeBlk = blk;
924         }
925 }
926
927 /*
928  * BLST_COPY() - copy one radix tree to another
929  *
930  *      Locates free space in the source tree and frees it in the destination
931  *      tree.  The space may not already be free in the destination.
932  */
933 static void
934 blst_copy(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, blist_t dest,
935     daddr_t count)
936 {
937         daddr_t endBlk, i, skip;
938
939         /*
940          * Leaf node
941          */
942
943         if (radix == 1) {
944                 u_daddr_t v = scan->bm_bitmap;
945
946                 if (v == (u_daddr_t)-1) {
947                         blist_free(dest, blk, count);
948                 } else if (v != 0) {
949                         int i;
950
951                         for (i = 0; i < count; ++i) {
952                                 if (v & ((u_daddr_t)1 << i))
953                                         blist_free(dest, blk + i, 1);
954                         }
955                 }
956                 return;
957         }
958
959         /*
960          * Meta node
961          */
962
963         if (scan->bm_bitmap == 0) {
964                 /*
965                  * Source all allocated, leave dest allocated
966                  */
967                 return;
968         }
969
970         endBlk = blk + count;
971         skip = radix_to_skip(radix);
972         for (i = 1; blk < endBlk; i += skip) {
973                 blk += radix;
974                 count = radix;
975                 if (blk >= endBlk)
976                         count -= blk - endBlk;
977                 blst_copy(&scan[i], blk - radix,
978                     radix / BLIST_RADIX, dest, count);
979         }
980 }
981
982 /*
983  * BLST_LEAF_FILL() -   allocate specific blocks in leaf bitmap
984  *
985  *      This routine allocates all blocks in the specified range
986  *      regardless of any existing allocations in that range.  Returns
987  *      the number of blocks allocated by the call.
988  */
989 static daddr_t
990 blst_leaf_fill(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
991 {
992         daddr_t nblks;
993         u_daddr_t mask;
994
995         mask = bitrange(blk & BLIST_MASK, count);
996
997         /* Count the number of blocks that we are allocating. */
998         nblks = bitcount64(scan->bm_bitmap & mask);
999
1000         scan->bm_bitmap &= ~mask;
1001         return (nblks);
1002 }
1003
1004 /*
1005  * BLIST_META_FILL() -  allocate specific blocks at a meta node
1006  *
1007  *      This routine allocates the specified range of blocks,
1008  *      regardless of any existing allocations in the range.  The
1009  *      range must be within the extent of this node.  Returns the
1010  *      number of blocks allocated by the call.
1011  */
1012 static daddr_t
1013 blst_meta_fill(blmeta_t *scan, daddr_t allocBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
1014 {
1015         daddr_t blk, endBlk, i, nblks, skip;
1016         int digit;
1017
1018         if (radix == 1)
1019                 return (blst_leaf_fill(scan, allocBlk, count));
1020
1021         endBlk = allocBlk + count;
1022         blk = (allocBlk + radix * BLIST_RADIX) & -(radix * BLIST_RADIX);
1023         /*
1024          * blk is first block past the end of the range of this meta node,
1025          * or 0 in case of overflow.
1026          */
1027         if (blk != 0)
1028                 endBlk = ummin(endBlk, blk);
1029         skip = radix_to_skip(radix);
1030         blk = allocBlk & -radix;
1031         nblks = 0;
1032         while (blk < endBlk) {
1033                 digit = (blk / radix) & BLIST_MASK;
1034                 i = 1 + digit * skip;
1035                 blk += radix;
1036                 count = ummin(blk, endBlk) - allocBlk;
1037                 nblks += blst_meta_fill(&scan[i], allocBlk, count,
1038                     radix / BLIST_RADIX);
1039                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
1040                         scan->bm_bitmap &= ~((u_daddr_t)1 << digit);
1041                 allocBlk = blk;
1042         }
1043         return (nblks);
1044 }
1045
1046 #ifdef BLIST_DEBUG
1047
1048 static void
1049 blst_radix_print(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, int tab)
1050 {
1051         daddr_t skip;
1052         u_daddr_t mask;
1053         int digit;
1054
1055         if (radix == 1) {
1056                 printf(
1057                     "%*.*s(%08llx,%lld): bitmap %0*llx big=%lld\n",
1058                     tab, tab, "",
1059                     (long long)blk, (long long)BLIST_RADIX,
1060                     (int)(1 + (BLIST_RADIX - 1) / 4),
1061                     (long long)scan->bm_bitmap,
1062                     (long long)scan->bm_bighint
1063                 );
1064                 return;
1065         }
1066
1067         printf(
1068             "%*.*s(%08llx): subtree (%lld/%lld) bitmap %0*llx big=%lld {\n",
1069             tab, tab, "",
1070             (long long)blk, (long long)radix * BLIST_RADIX,
1071             (long long)radix * BLIST_RADIX,
1072             (int)(1 + (BLIST_RADIX - 1) / 4),
1073             (long long)scan->bm_bitmap,
1074             (long long)scan->bm_bighint
1075         );
1076
1077         skip = radix_to_skip(radix);
1078         tab += 4;
1079
1080         mask = scan->bm_bitmap;
1081         /* Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask */
1082         do {
1083                 digit = bitpos(mask);
1084                 blst_radix_print(&scan[1 + digit * skip], blk + digit * radix,
1085                     radix / BLIST_RADIX, tab);
1086         } while ((mask ^= bitrange(digit, 1)) != 0);
1087         tab -= 4;
1088
1089         printf(
1090             "%*.*s}\n",
1091             tab, tab, ""
1092         );
1093 }
1094
1095 #endif
1096
1097 #ifdef BLIST_DEBUG
1098
1099 int
1100 main(int ac, char **av)
1101 {
1102         daddr_t size = BLIST_RADIX * BLIST_RADIX;
1103         int i;
1104         blist_t bl;
1105         struct sbuf *s;
1106
1107         for (i = 1; i < ac; ++i) {
1108                 const char *ptr = av[i];
1109                 if (*ptr != '-') {
1110                         size = strtoll(ptr, NULL, 0);
1111                         continue;
1112                 }
1113                 ptr += 2;
1114                 fprintf(stderr, "Bad option: %s\n", ptr - 2);
1115                 exit(1);
1116         }
1117         bl = blist_create(size, M_WAITOK);
1118         if (bl == NULL) {
1119                 fprintf(stderr, "blist_create failed\n");
1120                 exit(1);
1121         }
1122         blist_free(bl, 0, size);
1123
1124         for (;;) {
1125                 char buf[1024];
1126                 long long da = 0;
1127                 int count = 0, maxcount = 0;
1128
1129                 printf("%lld/%lld/%lld> ", (long long)blist_avail(bl),
1130                     (long long)size, (long long)bl->bl_radix * BLIST_RADIX);
1131                 fflush(stdout);
1132                 if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL)
1133                         break;
1134                 switch(buf[0]) {
1135                 case 'r':
1136                         if (sscanf(buf + 1, "%d", &count) == 1) {
1137                                 blist_resize(&bl, count, 1, M_WAITOK);
1138                         } else {
1139                                 printf("?\n");
1140                         }
1141                 case 'p':
1142                         blist_print(bl);
1143                         break;
1144                 case 's':
1145                         s = sbuf_new_auto();
1146                         blist_stats(bl, s);
1147                         sbuf_finish(s);
1148                         printf("%s", sbuf_data(s));
1149                         sbuf_delete(s);
1150                         break;
1151                 case 'a':
1152                         if (sscanf(buf + 1, "%d%d", &count, &maxcount) == 2) {
1153                                 daddr_t blk = blist_alloc(bl, &count, maxcount);
1154                                 printf("    R=%08llx, c=%08d\n",
1155                                     (long long)blk, count);
1156                         } else {
1157                                 printf("?\n");
1158                         }
1159                         break;
1160                 case 'f':
1161                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %d", &da, &count) == 2) {
1162                                 blist_free(bl, da, count);
1163                         } else {
1164                                 printf("?\n");
1165                         }
1166                         break;
1167                 case 'l':
1168                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %d", &da, &count) == 2) {
1169                                 printf("    n=%jd\n",
1170                                     (intmax_t)blist_fill(bl, da, count));
1171                         } else {
1172                                 printf("?\n");
1173                         }
1174                         break;
1175                 case '?':
1176                 case 'h':
1177                         puts(
1178                             "p          -print\n"
1179                             "s          -stats\n"
1180                             "a %d %d    -allocate\n"
1181                             "f %x %d    -free\n"
1182                             "l %x %d    -fill\n"
1183                             "r %d       -resize\n"
1184                             "h/?        -help\n"
1185                             "q          -quit"
1186                         );
1187                         break;
1188                 case 'q':
1189                         break;
1190                 default:
1191                         printf("?\n");
1192                         break;
1193                 }
1194                 if (buf[0] == 'q')
1195                         break;
1196         }
1197         return (0);
1198 }
1199
1200 #endif