]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/kern/subr_blist.c
Regen after r345982.
[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;
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         for (;;) {
301                 blk = blst_meta_alloc(bl->bl_root, bl->bl_cursor, count,
302                     bl->bl_radix);
303                 if (blk != SWAPBLK_NONE) {
304                         bl->bl_avail -= count;
305                         bl->bl_cursor = blk + count;
306                         if (bl->bl_cursor == bl->bl_blocks)
307                                 bl->bl_cursor = 0;
308                         return (blk);
309                 } else if (bl->bl_cursor == 0)
310                         return (SWAPBLK_NONE);
311                 bl->bl_cursor = 0;
312         }
313 }
314
315 /*
316  * blist_avail() -      return the number of free blocks.
317  */
318 daddr_t
319 blist_avail(blist_t bl)
320 {
321
322         return (bl->bl_avail);
323 }
324
325 /*
326  * blist_free() -       free up space in the block bitmap.  Return the base
327  *                      of a contiguous region.  Panic if an inconsistancy is
328  *                      found.
329  */
330 void
331 blist_free(blist_t bl, daddr_t blkno, daddr_t count)
332 {
333
334         if (blkno < 0 || blkno + count > bl->bl_blocks)
335                 panic("freeing invalid range");
336         blst_meta_free(bl->bl_root, blkno, count, bl->bl_radix);
337         bl->bl_avail += count;
338 }
339
340 /*
341  * blist_fill() -       mark a region in the block bitmap as off-limits
342  *                      to the allocator (i.e. allocate it), ignoring any
343  *                      existing allocations.  Return the number of blocks
344  *                      actually filled that were free before the call.
345  */
346 daddr_t
347 blist_fill(blist_t bl, daddr_t blkno, daddr_t count)
348 {
349         daddr_t filled;
350
351         if (blkno < 0 || blkno + count > bl->bl_blocks)
352                 panic("filling invalid range");
353         filled = blst_meta_fill(bl->bl_root, blkno, count, bl->bl_radix);
354         bl->bl_avail -= filled;
355         return (filled);
356 }
357
358 /*
359  * blist_resize() -     resize an existing radix tree to handle the
360  *                      specified number of blocks.  This will reallocate
361  *                      the tree and transfer the previous bitmap to the new
362  *                      one.  When extending the tree you can specify whether
363  *                      the new blocks are to left allocated or freed.
364  */
365 void
366 blist_resize(blist_t *pbl, daddr_t count, int freenew, int flags)
367 {
368     blist_t newbl = blist_create(count, flags);
369     blist_t save = *pbl;
370
371     *pbl = newbl;
372     if (count > save->bl_blocks)
373             count = save->bl_blocks;
374     blst_copy(save->bl_root, 0, save->bl_radix, newbl, count);
375
376     /*
377      * If resizing upwards, should we free the new space or not?
378      */
379     if (freenew && count < newbl->bl_blocks) {
380             blist_free(newbl, count, newbl->bl_blocks - count);
381     }
382     blist_destroy(save);
383 }
384
385 #ifdef BLIST_DEBUG
386
387 /*
388  * blist_print()    - dump radix tree
389  */
390 void
391 blist_print(blist_t bl)
392 {
393         printf("BLIST avail = %jd, cursor = %08jx {\n",
394             (uintmax_t)bl->bl_avail, (uintmax_t)bl->bl_cursor);
395
396         if (bl->bl_root->bm_bitmap != 0)
397                 blst_radix_print(bl->bl_root, 0, bl->bl_radix, 4);
398         printf("}\n");
399 }
400
401 #endif
402
403 static const u_daddr_t fib[] = {
404         1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584,
405         4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811,
406         514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578,
407 };
408
409 /*
410  * Use 'gap' to describe a maximal range of unallocated blocks/bits.
411  */
412 struct gap_stats {
413         daddr_t start;          /* current gap start, or SWAPBLK_NONE */
414         daddr_t num;            /* number of gaps observed */
415         daddr_t max;            /* largest gap size */
416         daddr_t avg;            /* average gap size */
417         daddr_t err;            /* sum - num * avg */
418         daddr_t histo[nitems(fib)]; /* # gaps in each size range */
419         int     max_bucket;     /* last histo elt with nonzero val */
420 };
421
422 /*
423  * gap_stats_counting()    - is the state 'counting 1 bits'?
424  *                           or 'skipping 0 bits'?
425  */
426 static inline bool
427 gap_stats_counting(const struct gap_stats *stats)
428 {
429
430         return (stats->start != SWAPBLK_NONE);
431 }
432
433 /*
434  * init_gap_stats()    - initialize stats on gap sizes
435  */
436 static inline void
437 init_gap_stats(struct gap_stats *stats)
438 {
439
440         bzero(stats, sizeof(*stats));
441         stats->start = SWAPBLK_NONE;
442 }
443
444 /*
445  * update_gap_stats()    - update stats on gap sizes
446  */
447 static void
448 update_gap_stats(struct gap_stats *stats, daddr_t posn)
449 {
450         daddr_t size;
451         int hi, lo, mid;
452
453         if (!gap_stats_counting(stats)) {
454                 stats->start = posn;
455                 return;
456         }
457         size = posn - stats->start;
458         stats->start = SWAPBLK_NONE;
459         if (size > stats->max)
460                 stats->max = size;
461
462         /*
463          * Find the fibonacci range that contains size,
464          * expecting to find it in an early range.
465          */
466         lo = 0;
467         hi = 1;
468         while (hi < nitems(fib) && fib[hi] <= size) {
469                 lo = hi;
470                 hi *= 2;
471         }
472         if (hi >= nitems(fib))
473                 hi = nitems(fib);
474         while (lo + 1 != hi) {
475                 mid = (lo + hi) >> 1;
476                 if (fib[mid] <= size)
477                         lo = mid;
478                 else
479                         hi = mid;
480         }
481         stats->histo[lo]++;
482         if (lo > stats->max_bucket)
483                 stats->max_bucket = lo;
484         stats->err += size - stats->avg;
485         stats->num++;
486         stats->avg += stats->err / stats->num;
487         stats->err %= stats->num;
488 }
489
490 /*
491  * dump_gap_stats()    - print stats on gap sizes
492  */
493 static inline void
494 dump_gap_stats(const struct gap_stats *stats, struct sbuf *s)
495 {
496         int i;
497
498         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges: %jd\n",
499             (intmax_t)stats->num);
500         sbuf_printf(s, "largest free range: %jd\n", (intmax_t)stats->max);
501         sbuf_printf(s, "average maximal free range size: %jd\n",
502             (intmax_t)stats->avg);
503         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges of different sizes:\n");
504         sbuf_printf(s, "               count  |  size range\n");
505         sbuf_printf(s, "               -----  |  ----------\n");
506         for (i = 0; i < stats->max_bucket; i++) {
507                 if (stats->histo[i] != 0) {
508                         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ",
509                             (intmax_t)stats->histo[i]);
510                         if (fib[i] != fib[i + 1] - 1)
511                                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
512                                     (intmax_t)fib[i + 1] - 1);
513                         else
514                                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)fib[i]);
515                 }
516         }
517         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ", (intmax_t)stats->histo[i]);
518         if (stats->histo[i] > 1)
519                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
520                     (intmax_t)stats->max);
521         else
522                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)stats->max);
523 }
524
525 /*
526  * blist_stats()    - dump radix tree stats
527  */
528 void
529 blist_stats(blist_t bl, struct sbuf *s)
530 {
531         struct gap_stats gstats;
532         struct gap_stats *stats = &gstats;
533         daddr_t i, nodes, radix;
534         u_daddr_t bit, diff, mask;
535
536         init_gap_stats(stats);
537         nodes = 0;
538         i = bl->bl_radix;
539         while (i < bl->bl_radix + bl->bl_blocks) {
540                 /*
541                  * Find max size subtree starting at i.
542                  */
543                 radix = BLIST_BMAP_RADIX;
544                 while (((i / radix) & BLIST_META_MASK) == 0)
545                         radix *= BLIST_META_RADIX;
546
547                 /*
548                  * Check for skippable subtrees starting at i.
549                  */
550                 while (radix > BLIST_BMAP_RADIX) {
551                         if (bl->bl_root[nodes].bm_bitmap == 0) {
552                                 if (gap_stats_counting(stats))
553                                         update_gap_stats(stats, i);
554                                 break;
555                         }
556
557                         /*
558                          * Skip subtree root.
559                          */
560                         nodes++;
561                         radix /= BLIST_META_RADIX;
562                 }
563                 if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
564                         /*
565                          * Scan leaf.
566                          */
567                         mask = bl->bl_root[nodes].bm_bitmap;
568                         diff = mask ^ (mask << 1);
569                         if (gap_stats_counting(stats))
570                                 diff ^= 1;
571                         while (diff != 0) {
572                                 bit = diff & -diff;
573                                 update_gap_stats(stats, i + bitpos(bit));
574                                 diff ^= bit;
575                         }
576                 }
577                 nodes += radix_to_skip(radix);
578                 i += radix;
579         }
580         update_gap_stats(stats, i);
581         dump_gap_stats(stats, s);
582 }
583
584 /************************************************************************
585  *                        ALLOCATION SUPPORT FUNCTIONS                  *
586  ************************************************************************
587  *
588  *      These support functions do all the actual work.  They may seem
589  *      rather longish, but that's because I've commented them up.  The
590  *      actual code is straight forward.
591  *
592  */
593
594 /*
595  * BLST_NEXT_LEAF_ALLOC() - allocate the first few blocks in the next leaf.
596  *
597  *      'scan' is a leaf node, associated with a block containing 'blk'.
598  *      The next leaf node could be adjacent, or several nodes away if the
599  *      least common ancestor of 'scan' and its neighbor is several levels
600  *      up.  Use 'blk' to determine how many meta-nodes lie between the
601  *      leaves.  If the next leaf has enough initial bits set, clear them
602  *      and clear the bits in the meta nodes on the path up to the least
603  *      common ancestor to mark any subtrees made completely empty.
604  */
605 static int
606 blst_next_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
607 {
608         blmeta_t *next;
609         daddr_t skip;
610         u_daddr_t radix;
611         int digit;
612
613         next = scan + 1;
614         blk += BLIST_BMAP_RADIX;
615         radix = BLIST_BMAP_RADIX;
616         while ((digit = ((blk / radix) & BLIST_META_MASK)) == 0 &&
617             (next->bm_bitmap & 1) == 1) {
618                 next++;
619                 radix *= BLIST_META_RADIX;
620         }
621         if (((next->bm_bitmap + 1) & ~((u_daddr_t)-1 << count)) != 0) {
622                 /*
623                  * The next leaf doesn't have enough free blocks at the
624                  * beginning to complete the spanning allocation.
625                  */
626                 return (ENOMEM);
627         }
628         /* Clear the first 'count' bits in the next leaf to allocate. */
629         next->bm_bitmap &= (u_daddr_t)-1 << count;
630
631         /*
632          * Update bitmaps of next-ancestors, up to least common ancestor.
633          */
634         skip = radix_to_skip(radix);
635         while (radix != BLIST_BMAP_RADIX && next->bm_bitmap == 0) {
636                 (--next)->bm_bitmap ^= 1;
637                 radix /= BLIST_META_RADIX;
638         }
639         if (next->bm_bitmap == 0)
640                 scan[-digit * skip].bm_bitmap ^= (u_daddr_t)1 << digit;
641         return (0);
642 }
643
644 /*
645  * BLST_LEAF_ALLOC() -  allocate at a leaf in the radix tree (a bitmap).
646  *
647  *      This function is the core of the allocator.  Its execution time is
648  *      proportional to log(count), plus height of the tree if the allocation
649  *      crosses a leaf boundary.
650  */
651 static daddr_t
652 blst_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
653 {
654         u_daddr_t cursor_mask, mask;
655         int count1, hi, lo, num_shifts, range1, range_ext;
656
657         range1 = 0;
658         count1 = count - 1;
659         num_shifts = fls(count1);
660         mask = scan->bm_bitmap;
661         while ((-mask & ~mask) != 0 && num_shifts > 0) {
662                 /*
663                  * If bit i is set in mask, then bits in [i, i+range1] are set
664                  * in scan->bm_bitmap.  The value of range1 is equal to count1
665                  * >> num_shifts.  Grow range1 and reduce num_shifts to 0,
666                  * while preserving these invariants.  The updates to mask
667                  * leave fewer bits set, but each bit that remains set
668                  * represents a longer string of consecutive bits set in
669                  * scan->bm_bitmap.  If more updates to mask cannot clear more
670                  * bits, because mask is partitioned with all 0 bits preceding
671                  * all 1 bits, the loop terminates immediately.
672                  */
673                 num_shifts--;
674                 range_ext = range1 + ((count1 >> num_shifts) & 1);
675                 /*
676                  * mask is a signed quantity for the shift because when it is
677                  * shifted right, the sign bit should copied; when the last
678                  * block of the leaf is free, pretend, for a while, that all the
679                  * blocks that follow it are also free.
680                  */
681                 mask &= (daddr_t)mask >> range_ext;
682                 range1 += range_ext;
683         }
684         if (mask == 0) {
685                 /*
686                  * Update bighint.  There is no allocation bigger than range1
687                  * starting in this leaf.
688                  */
689                 scan->bm_bighint = range1;
690                 return (SWAPBLK_NONE);
691         }
692
693         /* Discard any candidates that appear before blk. */
694         if ((blk & BLIST_BMAP_MASK) != 0) {
695                 cursor_mask = mask & bitrange(0, blk & BLIST_BMAP_MASK);
696                 if (cursor_mask != 0) {
697                         mask ^= cursor_mask;
698                         if (mask == 0)
699                                 return (SWAPBLK_NONE);
700
701                         /*
702                          * Bighint change for last block allocation cannot
703                          * assume that any other blocks are allocated, so the
704                          * bighint cannot be reduced much.
705                          */
706                         range1 = BLIST_MAX_ALLOC - 1;
707                 }
708                 blk &= ~BLIST_BMAP_MASK;
709         }
710
711         /*
712          * The least significant set bit in mask marks the start of the first
713          * available range of sufficient size.  Clear all the bits but that one,
714          * and then find its position.
715          */
716         mask &= -mask;
717         lo = bitpos(mask);
718
719         hi = lo + count;
720         if (hi > BLIST_BMAP_RADIX) {
721                 /*
722                  * An allocation within this leaf is impossible, so a successful
723                  * allocation depends on the next leaf providing some of the blocks.
724                  */
725                 if (blst_next_leaf_alloc(scan, blk, hi - BLIST_BMAP_RADIX) != 0)
726                         /*
727                          * The hint cannot be updated, because the same
728                          * allocation request could be satisfied later, by this
729                          * leaf, if the state of the next leaf changes, and
730                          * without any changes to this leaf.
731                          */
732                         return (SWAPBLK_NONE);
733                 hi = BLIST_BMAP_RADIX;
734         }
735
736         /* Set the bits of mask at position 'lo' and higher. */
737         mask = -mask;
738         if (hi == BLIST_BMAP_RADIX) {
739                 /*
740                  * Update bighint.  There is no allocation bigger than range1
741                  * available in this leaf after this allocation completes.
742                  */
743                 scan->bm_bighint = range1;
744         } else {
745                 /* Clear the bits of mask at position 'hi' and higher. */
746                 mask &= (u_daddr_t)-1 >> (BLIST_BMAP_RADIX - hi);
747         }
748         /* Clear the allocated bits from this leaf. */
749         scan->bm_bitmap &= ~mask;
750         return (blk + lo);
751 }
752
753 /*
754  * blist_meta_alloc() - allocate at a meta in the radix tree.
755  *
756  *      Attempt to allocate at a meta node.  If we can't, we update
757  *      bighint and return a failure.  Updating bighint optimize future
758  *      calls that hit this node.  We have to check for our collapse cases
759  *      and we have a few optimizations strewn in as well.
760  */
761 static daddr_t
762 blst_meta_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t cursor, daddr_t count, u_daddr_t radix)
763 {
764         daddr_t blk, i, r, skip;
765         u_daddr_t bit, mask;
766         bool scan_from_start;
767         int digit;
768
769         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
770                 return (blst_leaf_alloc(scan, cursor, count));
771         blk = cursor & -radix;
772         scan_from_start = (cursor == blk);
773         radix /= BLIST_META_RADIX;
774         skip = radix_to_skip(radix);
775         mask = scan->bm_bitmap;
776
777         /* Discard any candidates that appear before cursor. */
778         digit = (cursor / radix) & BLIST_META_MASK;
779         mask &= (u_daddr_t)-1 << digit;
780         if (mask == 0)
781                 return (SWAPBLK_NONE);
782
783         /*
784          * If the first try is for a block that includes the cursor, pre-undo
785          * the digit * radix offset in the first call; otherwise, ignore the
786          * cursor entirely.
787          */
788         if (((mask >> digit) & 1) == 1)
789                 cursor -= digit * radix;
790         else
791                 cursor = blk;
792
793         /*
794          * Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask.
795          */
796         do {
797                 bit = mask & -mask;
798                 digit = bitpos(bit);
799                 i = 1 + digit * skip;
800                 if (count <= scan[i].bm_bighint) {
801                         /*
802                          * The allocation might fit beginning in the i'th subtree.
803                          */
804                         r = blst_meta_alloc(&scan[i], cursor + digit * radix,
805                             count, radix);
806                         if (r != SWAPBLK_NONE) {
807                                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
808                                         scan->bm_bitmap ^= bit;
809                                 return (r);
810                         }
811                 }
812                 cursor = blk;
813         } while ((mask ^= bit) != 0);
814
815         /*
816          * We couldn't allocate count in this subtree.  If the whole tree was
817          * scanned, and the last tree node is allocated, update bighint.
818          */
819         if (scan_from_start && !(digit == BLIST_META_RADIX - 1 &&
820             scan[i].bm_bighint == BLIST_MAX_ALLOC))
821                 scan->bm_bighint = count - 1;
822
823         return (SWAPBLK_NONE);
824 }
825
826 /*
827  * BLST_LEAF_FREE() -   free allocated block from leaf bitmap
828  *
829  */
830 static void
831 blst_leaf_free(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
832 {
833         u_daddr_t mask;
834
835         /*
836          * free some data in this bitmap
837          * mask=0000111111111110000
838          *          \_________/\__/
839          *              count   n
840          */
841         mask = bitrange(blk & BLIST_BMAP_MASK, count);
842         if (scan->bm_bitmap & mask)
843                 panic("freeing free block");
844         scan->bm_bitmap |= mask;
845 }
846
847 /*
848  * BLST_META_FREE() - free allocated blocks from radix tree meta info
849  *
850  *      This support routine frees a range of blocks from the bitmap.
851  *      The range must be entirely enclosed by this radix node.  If a
852  *      meta node, we break the range down recursively to free blocks
853  *      in subnodes (which means that this code can free an arbitrary
854  *      range whereas the allocation code cannot allocate an arbitrary
855  *      range).
856  */
857 static void
858 blst_meta_free(blmeta_t *scan, daddr_t freeBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
859 {
860         daddr_t blk, endBlk, i, skip;
861         int digit, endDigit;
862
863         /*
864          * We could probably do a better job here.  We are required to make
865          * bighint at least as large as the biggest allocable block of data.
866          * If we just shoehorn it, a little extra overhead will be incurred
867          * on the next allocation (but only that one typically).
868          */
869         scan->bm_bighint = BLIST_MAX_ALLOC;
870
871         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
872                 return (blst_leaf_free(scan, freeBlk, count));
873
874         endBlk = ummin(freeBlk + count, (freeBlk + radix) & -radix);
875         radix /= BLIST_META_RADIX;
876         skip = radix_to_skip(radix);
877         blk = freeBlk & -radix;
878         digit = (blk / radix) & BLIST_META_MASK;
879         endDigit = 1 + (((endBlk - 1) / radix) & BLIST_META_MASK);
880         scan->bm_bitmap |= bitrange(digit, endDigit - digit);
881         for (i = 1 + digit * skip; blk < endBlk; i += skip) {
882                 blk += radix;
883                 count = ummin(blk, endBlk) - freeBlk;
884                 blst_meta_free(&scan[i], freeBlk, count, radix);
885                 freeBlk = blk;
886         }
887 }
888
889 /*
890  * BLST_COPY() - copy one radix tree to another
891  *
892  *      Locates free space in the source tree and frees it in the destination
893  *      tree.  The space may not already be free in the destination.
894  */
895 static void
896 blst_copy(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, blist_t dest,
897     daddr_t count)
898 {
899         daddr_t endBlk, i, skip;
900
901         /*
902          * Leaf node
903          */
904
905         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
906                 u_daddr_t v = scan->bm_bitmap;
907
908                 if (v == (u_daddr_t)-1) {
909                         blist_free(dest, blk, count);
910                 } else if (v != 0) {
911                         int i;
912
913                         for (i = 0; i < count; ++i) {
914                                 if (v & ((u_daddr_t)1 << i))
915                                         blist_free(dest, blk + i, 1);
916                         }
917                 }
918                 return;
919         }
920
921         /*
922          * Meta node
923          */
924
925         if (scan->bm_bitmap == 0) {
926                 /*
927                  * Source all allocated, leave dest allocated
928                  */
929                 return;
930         }
931
932         endBlk = blk + count;
933         radix /= BLIST_META_RADIX;
934         skip = radix_to_skip(radix);
935         for (i = 1; blk < endBlk; i += skip) {
936                 blk += radix;
937                 count = radix;
938                 if (blk >= endBlk)
939                         count -= blk - endBlk;
940                 blst_copy(&scan[i], blk - radix, radix, dest, count);
941         }
942 }
943
944 /*
945  * BLST_LEAF_FILL() -   allocate specific blocks in leaf bitmap
946  *
947  *      This routine allocates all blocks in the specified range
948  *      regardless of any existing allocations in that range.  Returns
949  *      the number of blocks allocated by the call.
950  */
951 static daddr_t
952 blst_leaf_fill(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
953 {
954         daddr_t nblks;
955         u_daddr_t mask;
956
957         mask = bitrange(blk & BLIST_BMAP_MASK, count);
958
959         /* Count the number of blocks that we are allocating. */
960         nblks = bitcount64(scan->bm_bitmap & mask);
961
962         scan->bm_bitmap &= ~mask;
963         return (nblks);
964 }
965
966 /*
967  * BLIST_META_FILL() -  allocate specific blocks at a meta node
968  *
969  *      This routine allocates the specified range of blocks,
970  *      regardless of any existing allocations in the range.  The
971  *      range must be within the extent of this node.  Returns the
972  *      number of blocks allocated by the call.
973  */
974 static daddr_t
975 blst_meta_fill(blmeta_t *scan, daddr_t allocBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
976 {
977         daddr_t blk, endBlk, i, nblks, skip;
978         int digit;
979
980         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
981                 return (blst_leaf_fill(scan, allocBlk, count));
982
983         endBlk = ummin(allocBlk + count, (allocBlk + radix) & -radix);
984         radix /= BLIST_META_RADIX;
985         skip = radix_to_skip(radix);
986         blk = allocBlk & -radix;
987         nblks = 0;
988         while (blk < endBlk) {
989                 digit = (blk / radix) & BLIST_META_MASK;
990                 i = 1 + digit * skip;
991                 blk += radix;
992                 count = ummin(blk, endBlk) - allocBlk;
993                 nblks += blst_meta_fill(&scan[i], allocBlk, count, radix);
994                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
995                         scan->bm_bitmap &= ~((u_daddr_t)1 << digit);
996                 allocBlk = blk;
997         }
998         return (nblks);
999 }
1000
1001 #ifdef BLIST_DEBUG
1002
1003 static void
1004 blst_radix_print(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, int tab)
1005 {
1006         daddr_t skip;
1007         u_daddr_t bit, mask;
1008         int digit;
1009
1010         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
1011                 printf(
1012                     "%*.*s(%08llx,%lld): bitmap %0*llx big=%lld\n",
1013                     tab, tab, "",
1014                     (long long)blk, (long long)radix,
1015                     1 + (BLIST_BMAP_RADIX - 1) / 4,
1016                     (long long)scan->bm_bitmap,
1017                     (long long)scan->bm_bighint
1018                 );
1019                 return;
1020         }
1021
1022         printf(
1023             "%*.*s(%08llx): subtree (%lld/%lld) bitmap %0*llx big=%lld {\n",
1024             tab, tab, "",
1025             (long long)blk, (long long)radix,
1026             (long long)radix,
1027             1 + (BLIST_META_RADIX - 1) / 4,
1028             (long long)scan->bm_bitmap,
1029             (long long)scan->bm_bighint
1030         );
1031
1032         radix /= BLIST_META_RADIX;
1033         skip = radix_to_skip(radix);
1034         tab += 4;
1035
1036         mask = scan->bm_bitmap;
1037         /* Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask */
1038         do {
1039                 bit = mask & -mask;
1040                 digit = bitpos(bit);
1041                 blst_radix_print(&scan[1 + digit * skip], blk + digit * radix,
1042                     radix, tab);
1043         } while ((mask ^= bit) != 0);
1044         tab -= 4;
1045
1046         printf(
1047             "%*.*s}\n",
1048             tab, tab, ""
1049         );
1050 }
1051
1052 #endif
1053
1054 #ifdef BLIST_DEBUG
1055
1056 int
1057 main(int ac, char **av)
1058 {
1059         int size = BLIST_META_RADIX * BLIST_BMAP_RADIX;
1060         int i;
1061         blist_t bl;
1062         struct sbuf *s;
1063
1064         for (i = 1; i < ac; ++i) {
1065                 const char *ptr = av[i];
1066                 if (*ptr != '-') {
1067                         size = strtol(ptr, NULL, 0);
1068                         continue;
1069                 }
1070                 ptr += 2;
1071                 fprintf(stderr, "Bad option: %s\n", ptr - 2);
1072                 exit(1);
1073         }
1074         bl = blist_create(size, M_WAITOK);
1075         blist_free(bl, 0, size);
1076
1077         for (;;) {
1078                 char buf[1024];
1079                 long long da = 0;
1080                 long long count = 0;
1081
1082                 printf("%lld/%lld/%lld> ", (long long)blist_avail(bl),
1083                     (long long)size, (long long)bl->bl_radix);
1084                 fflush(stdout);
1085                 if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL)
1086                         break;
1087                 switch(buf[0]) {
1088                 case 'r':
1089                         if (sscanf(buf + 1, "%lld", &count) == 1) {
1090                                 blist_resize(&bl, count, 1, M_WAITOK);
1091                         } else {
1092                                 printf("?\n");
1093                         }
1094                 case 'p':
1095                         blist_print(bl);
1096                         break;
1097                 case 's':
1098                         s = sbuf_new_auto();
1099                         blist_stats(bl, s);
1100                         sbuf_finish(s);
1101                         printf("%s", sbuf_data(s));
1102                         sbuf_delete(s);
1103                         break;
1104                 case 'a':
1105                         if (sscanf(buf + 1, "%lld", &count) == 1) {
1106                                 daddr_t blk = blist_alloc(bl, count);
1107                                 printf("    R=%08llx\n", (long long)blk);
1108                         } else {
1109                                 printf("?\n");
1110                         }
1111                         break;
1112                 case 'f':
1113                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %lld", &da, &count) == 2) {
1114                                 blist_free(bl, da, count);
1115                         } else {
1116                                 printf("?\n");
1117                         }
1118                         break;
1119                 case 'l':
1120                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %lld", &da, &count) == 2) {
1121                                 printf("    n=%jd\n",
1122                                     (intmax_t)blist_fill(bl, da, count));
1123                         } else {
1124                                 printf("?\n");
1125                         }
1126                         break;
1127                 case '?':
1128                 case 'h':
1129                         puts(
1130                             "p          -print\n"
1131                             "s          -stats\n"
1132                             "a %d       -allocate\n"
1133                             "f %x %d    -free\n"
1134                             "l %x %d    -fill\n"
1135                             "r %d       -resize\n"
1136                             "h/?        -help"
1137                         );
1138                         break;
1139                 default:
1140                         printf("?\n");
1141                         break;
1142                 }
1143         }
1144         return(0);
1145 }
1146
1147 void
1148 panic(const char *ctl, ...)
1149 {
1150         va_list va;
1151
1152         va_start(va, ctl);
1153         vfprintf(stderr, ctl, va);
1154         fprintf(stderr, "\n");
1155         va_end(va);
1156         exit(1);
1157 }
1158
1159 #endif