]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/kern/subr_blist.c
Merge ^/vendor/llvm/dist up to its last change, and resolve conflicts.
[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 <assert.h>
113 #include <stdio.h>
114 #include <string.h>
115 #include <stddef.h>
116 #include <stdlib.h>
117 #include <stdarg.h>
118 #include <stdbool.h>
119
120 #define bitcount64(x)   __bitcount64((uint64_t)(x))
121 #define malloc(a,b,c)   calloc(a, 1)
122 #define free(a,b)       free(a)
123 #define ummin(a,b)      ((a) < (b) ? (a) : (b))
124 #define imin(a,b)       ((a) < (b) ? (a) : (b))
125 #define KASSERT(a,b)    assert(a)
126
127 #include <sys/blist.h>
128
129 #endif
130
131 /*
132  * static support functions
133  */
134 static daddr_t  blst_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk,
135     int *count, int maxcount);
136 static daddr_t  blst_meta_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t cursor, int *count,
137     int maxcount, u_daddr_t radix);
138 static void blst_leaf_free(blmeta_t *scan, daddr_t relblk, int count);
139 static void blst_meta_free(blmeta_t *scan, daddr_t freeBlk, daddr_t count,
140                     u_daddr_t radix);
141 static void blst_copy(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix,
142                     blist_t dest, daddr_t count);
143 static daddr_t blst_leaf_fill(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count);
144 static daddr_t blst_meta_fill(blmeta_t *scan, daddr_t allocBlk, daddr_t count,
145                     u_daddr_t radix);
146 #ifndef _KERNEL
147 static void     blst_radix_print(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix,
148                     int tab);
149 #endif
150
151 #ifdef _KERNEL
152 static MALLOC_DEFINE(M_SWAP, "SWAP", "Swap space");
153 #endif
154
155 _Static_assert(BLIST_BMAP_RADIX % BLIST_META_RADIX == 0,
156     "radix divisibility error");
157 #define BLIST_BMAP_MASK (BLIST_BMAP_RADIX - 1)
158 #define BLIST_META_MASK (BLIST_META_RADIX - 1)
159
160 /*
161  * For a subtree that can represent the state of up to 'radix' blocks, the
162  * number of leaf nodes of the subtree is L=radix/BLIST_BMAP_RADIX.  If 'm'
163  * is short for BLIST_META_RADIX, then for a tree of height h with L=m**h
164  * leaf nodes, the total number of tree nodes is 1 + m + m**2 + ... + m**h,
165  * or, equivalently, (m**(h+1)-1)/(m-1).  This quantity is called 'skip'
166  * in the 'meta' functions that process subtrees.  Since integer division
167  * discards remainders, we can express this computation as
168  * skip = (m * m**h) / (m - 1)
169  * skip = (m * (radix / BLIST_BMAP_RADIX)) / (m - 1)
170  * and since m divides BLIST_BMAP_RADIX, we can simplify further to
171  * skip = (radix / (BLIST_BMAP_RADIX / m)) / (m - 1)
172  * skip = radix / ((BLIST_BMAP_RADIX / m) * (m - 1))
173  * so that simple integer division by a constant can safely be used for the
174  * calculation.
175  */
176 static inline daddr_t
177 radix_to_skip(daddr_t radix)
178 {
179
180         return (radix /
181             ((BLIST_BMAP_RADIX / BLIST_META_RADIX) * BLIST_META_MASK));
182 }
183
184 /*
185  * Provide a mask with count bits set, starting as position n.
186  */
187 static inline u_daddr_t
188 bitrange(int n, int count)
189 {
190
191         return (((u_daddr_t)-1 << n) &
192             ((u_daddr_t)-1 >> (BLIST_BMAP_RADIX - (n + count))));
193 }
194
195
196 /*
197  * Find the first bit set in a u_daddr_t.
198  */
199 static inline int
200 generic_bitpos(u_daddr_t mask)
201 {
202         int hi, lo, mid;
203
204         lo = 0;
205         hi = BLIST_BMAP_RADIX;
206         while (lo + 1 < hi) {
207                 mid = (lo + hi) >> 1;
208                 if (mask & bitrange(0, mid))
209                         hi = mid;
210                 else
211                         lo = mid;
212         }
213         return (lo);
214 }
215
216 static inline int
217 bitpos(u_daddr_t mask)
218 {
219
220         switch (sizeof(mask)) {
221 #ifdef HAVE_INLINE_FFSLL
222         case sizeof(long long):
223                 return (ffsll(mask) - 1);
224 #endif
225 #ifdef HAVE_INLINE_FFS
226         case sizeof(int):
227                 return (ffs(mask) - 1);
228 #endif
229         default:
230                 return (generic_bitpos(mask));
231         }
232 }
233
234 /*
235  * blist_create() - create a blist capable of handling up to the specified
236  *                  number of blocks
237  *
238  *      blocks - must be greater than 0
239  *      flags  - malloc flags
240  *
241  *      The smallest blist consists of a single leaf node capable of
242  *      managing BLIST_BMAP_RADIX blocks.
243  */
244 blist_t
245 blist_create(daddr_t blocks, int flags)
246 {
247         blist_t bl;
248         u_daddr_t nodes, radix;
249
250         KASSERT(blocks > 0, ("invalid block count"));
251
252         /*
253          * Calculate the radix and node count used for scanning.
254          */
255         nodes = 1;
256         radix = BLIST_BMAP_RADIX;
257         while (radix <= blocks) {
258                 nodes += 1 + (blocks - 1) / radix;
259                 radix *= BLIST_META_RADIX;
260         }
261
262         bl = malloc(offsetof(struct blist, bl_root[nodes]), M_SWAP, flags |
263             M_ZERO);
264         if (bl == NULL)
265                 return (NULL);
266
267         bl->bl_blocks = blocks;
268         bl->bl_radix = radix;
269
270 #if defined(BLIST_DEBUG)
271         printf(
272                 "BLIST representing %lld blocks (%lld MB of swap)"
273                 ", requiring %lldK of ram\n",
274                 (long long)bl->bl_blocks,
275                 (long long)bl->bl_blocks * 4 / 1024,
276                 (long long)(nodes * sizeof(blmeta_t) + 1023) / 1024
277         );
278         printf("BLIST raw radix tree contains %lld records\n",
279             (long long)nodes);
280 #endif
281
282         return (bl);
283 }
284
285 void
286 blist_destroy(blist_t bl)
287 {
288
289         free(bl, M_SWAP);
290 }
291
292 /*
293  * blist_alloc() -   reserve space in the block bitmap.  Return the base
294  *                   of a contiguous region or SWAPBLK_NONE if space could
295  *                   not be allocated.
296  */
297 daddr_t
298 blist_alloc(blist_t bl, int *count, int maxcount)
299 {
300         daddr_t blk, cursor;
301
302         KASSERT(*count <= maxcount,
303             ("invalid parameters %d > %d", *count, maxcount));
304         KASSERT(*count <= BLIST_MAX_ALLOC,
305             ("minimum allocation too large: %d", *count));
306
307         /*
308          * This loop iterates at most twice.  An allocation failure in the
309          * first iteration leads to a second iteration only if the cursor was
310          * non-zero.  When the cursor is zero, an allocation failure will
311          * stop further iterations.
312          */
313         for (cursor = bl->bl_cursor;; cursor = 0) {
314                 blk = blst_meta_alloc(bl->bl_root, cursor, count, maxcount,
315                     bl->bl_radix);
316                 if (blk != SWAPBLK_NONE) {
317                         bl->bl_avail -= *count;
318                         bl->bl_cursor = blk + *count;
319                         if (bl->bl_cursor == bl->bl_blocks)
320                                 bl->bl_cursor = 0;
321                         return (blk);
322                 }
323                 if (cursor == 0)
324                         return (SWAPBLK_NONE);
325         }
326 }
327
328 /*
329  * blist_avail() -      return the number of free blocks.
330  */
331 daddr_t
332 blist_avail(blist_t bl)
333 {
334
335         return (bl->bl_avail);
336 }
337
338 /*
339  * blist_free() -       free up space in the block bitmap.  Return the base
340  *                      of a contiguous region.
341  */
342 void
343 blist_free(blist_t bl, daddr_t blkno, daddr_t count)
344 {
345
346         KASSERT(blkno >= 0 && blkno + count <= bl->bl_blocks,
347             ("freeing invalid range: blkno %jx, count %d, blocks %jd",
348             (uintmax_t)blkno, (int)count, (uintmax_t)bl->bl_blocks));
349         blst_meta_free(bl->bl_root, blkno, count, bl->bl_radix);
350         bl->bl_avail += count;
351 }
352
353 /*
354  * blist_fill() -       mark a region in the block bitmap as off-limits
355  *                      to the allocator (i.e. allocate it), ignoring any
356  *                      existing allocations.  Return the number of blocks
357  *                      actually filled that were free before the call.
358  */
359 daddr_t
360 blist_fill(blist_t bl, daddr_t blkno, daddr_t count)
361 {
362         daddr_t filled;
363
364         KASSERT(blkno >= 0 && blkno + count <= bl->bl_blocks,
365             ("filling invalid range: blkno %jx, count %d, blocks %jd",
366             (uintmax_t)blkno, (int)count, (uintmax_t)bl->bl_blocks));
367         filled = blst_meta_fill(bl->bl_root, blkno, count, bl->bl_radix);
368         bl->bl_avail -= filled;
369         return (filled);
370 }
371
372 /*
373  * blist_resize() -     resize an existing radix tree to handle the
374  *                      specified number of blocks.  This will reallocate
375  *                      the tree and transfer the previous bitmap to the new
376  *                      one.  When extending the tree you can specify whether
377  *                      the new blocks are to left allocated or freed.
378  */
379 void
380 blist_resize(blist_t *pbl, daddr_t count, int freenew, int flags)
381 {
382     blist_t newbl = blist_create(count, flags);
383     blist_t save = *pbl;
384
385     *pbl = newbl;
386     if (count > save->bl_blocks)
387             count = save->bl_blocks;
388     blst_copy(save->bl_root, 0, save->bl_radix, newbl, count);
389
390     /*
391      * If resizing upwards, should we free the new space or not?
392      */
393     if (freenew && count < newbl->bl_blocks) {
394             blist_free(newbl, count, newbl->bl_blocks - count);
395     }
396     blist_destroy(save);
397 }
398
399 #ifdef BLIST_DEBUG
400
401 /*
402  * blist_print()    - dump radix tree
403  */
404 void
405 blist_print(blist_t bl)
406 {
407         printf("BLIST avail = %jd, cursor = %08jx {\n",
408             (uintmax_t)bl->bl_avail, (uintmax_t)bl->bl_cursor);
409
410         if (bl->bl_root->bm_bitmap != 0)
411                 blst_radix_print(bl->bl_root, 0, bl->bl_radix, 4);
412         printf("}\n");
413 }
414
415 #endif
416
417 static const u_daddr_t fib[] = {
418         1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584,
419         4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811,
420         514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578,
421 };
422
423 /*
424  * Use 'gap' to describe a maximal range of unallocated blocks/bits.
425  */
426 struct gap_stats {
427         daddr_t start;          /* current gap start, or SWAPBLK_NONE */
428         daddr_t num;            /* number of gaps observed */
429         daddr_t max;            /* largest gap size */
430         daddr_t avg;            /* average gap size */
431         daddr_t err;            /* sum - num * avg */
432         daddr_t histo[nitems(fib)]; /* # gaps in each size range */
433         int     max_bucket;     /* last histo elt with nonzero val */
434 };
435
436 /*
437  * gap_stats_counting()    - is the state 'counting 1 bits'?
438  *                           or 'skipping 0 bits'?
439  */
440 static inline bool
441 gap_stats_counting(const struct gap_stats *stats)
442 {
443
444         return (stats->start != SWAPBLK_NONE);
445 }
446
447 /*
448  * init_gap_stats()    - initialize stats on gap sizes
449  */
450 static inline void
451 init_gap_stats(struct gap_stats *stats)
452 {
453
454         bzero(stats, sizeof(*stats));
455         stats->start = SWAPBLK_NONE;
456 }
457
458 /*
459  * update_gap_stats()    - update stats on gap sizes
460  */
461 static void
462 update_gap_stats(struct gap_stats *stats, daddr_t posn)
463 {
464         daddr_t size;
465         int hi, lo, mid;
466
467         if (!gap_stats_counting(stats)) {
468                 stats->start = posn;
469                 return;
470         }
471         size = posn - stats->start;
472         stats->start = SWAPBLK_NONE;
473         if (size > stats->max)
474                 stats->max = size;
475
476         /*
477          * Find the fibonacci range that contains size,
478          * expecting to find it in an early range.
479          */
480         lo = 0;
481         hi = 1;
482         while (hi < nitems(fib) && fib[hi] <= size) {
483                 lo = hi;
484                 hi *= 2;
485         }
486         if (hi >= nitems(fib))
487                 hi = nitems(fib);
488         while (lo + 1 != hi) {
489                 mid = (lo + hi) >> 1;
490                 if (fib[mid] <= size)
491                         lo = mid;
492                 else
493                         hi = mid;
494         }
495         stats->histo[lo]++;
496         if (lo > stats->max_bucket)
497                 stats->max_bucket = lo;
498         stats->err += size - stats->avg;
499         stats->num++;
500         stats->avg += stats->err / stats->num;
501         stats->err %= stats->num;
502 }
503
504 /*
505  * dump_gap_stats()    - print stats on gap sizes
506  */
507 static inline void
508 dump_gap_stats(const struct gap_stats *stats, struct sbuf *s)
509 {
510         int i;
511
512         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges: %jd\n",
513             (intmax_t)stats->num);
514         sbuf_printf(s, "largest free range: %jd\n", (intmax_t)stats->max);
515         sbuf_printf(s, "average maximal free range size: %jd\n",
516             (intmax_t)stats->avg);
517         sbuf_printf(s, "number of maximal free ranges of different sizes:\n");
518         sbuf_printf(s, "               count  |  size range\n");
519         sbuf_printf(s, "               -----  |  ----------\n");
520         for (i = 0; i < stats->max_bucket; i++) {
521                 if (stats->histo[i] != 0) {
522                         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ",
523                             (intmax_t)stats->histo[i]);
524                         if (fib[i] != fib[i + 1] - 1)
525                                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
526                                     (intmax_t)fib[i + 1] - 1);
527                         else
528                                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)fib[i]);
529                 }
530         }
531         sbuf_printf(s, "%20jd  |  ", (intmax_t)stats->histo[i]);
532         if (stats->histo[i] > 1)
533                 sbuf_printf(s, "%jd to %jd\n", (intmax_t)fib[i],
534                     (intmax_t)stats->max);
535         else
536                 sbuf_printf(s, "%jd\n", (intmax_t)stats->max);
537 }
538
539 /*
540  * blist_stats()    - dump radix tree stats
541  */
542 void
543 blist_stats(blist_t bl, struct sbuf *s)
544 {
545         struct gap_stats gstats;
546         struct gap_stats *stats = &gstats;
547         daddr_t i, nodes, radix;
548         u_daddr_t diff, mask;
549         int digit;
550
551         init_gap_stats(stats);
552         nodes = 0;
553         i = bl->bl_radix;
554         while (i < bl->bl_radix + bl->bl_blocks) {
555                 /*
556                  * Find max size subtree starting at i.
557                  */
558                 radix = BLIST_BMAP_RADIX;
559                 while (((i / radix) & BLIST_META_MASK) == 0)
560                         radix *= BLIST_META_RADIX;
561
562                 /*
563                  * Check for skippable subtrees starting at i.
564                  */
565                 while (radix > BLIST_BMAP_RADIX) {
566                         if (bl->bl_root[nodes].bm_bitmap == 0) {
567                                 if (gap_stats_counting(stats))
568                                         update_gap_stats(stats, i);
569                                 break;
570                         }
571
572                         /*
573                          * Skip subtree root.
574                          */
575                         nodes++;
576                         radix /= BLIST_META_RADIX;
577                 }
578                 if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
579                         /*
580                          * Scan leaf.
581                          */
582                         mask = bl->bl_root[nodes].bm_bitmap;
583                         diff = mask ^ (mask << 1);
584                         if (gap_stats_counting(stats))
585                                 diff ^= 1;
586                         while (diff != 0) {
587                                 digit = bitpos(diff);
588                                 update_gap_stats(stats, i + digit);
589                                 diff ^= bitrange(digit, 1);
590                         }
591                 }
592                 nodes += radix_to_skip(radix);
593                 i += radix;
594         }
595         update_gap_stats(stats, i);
596         dump_gap_stats(stats, s);
597 }
598
599 /************************************************************************
600  *                        ALLOCATION SUPPORT FUNCTIONS                  *
601  ************************************************************************
602  *
603  *      These support functions do all the actual work.  They may seem
604  *      rather longish, but that's because I've commented them up.  The
605  *      actual code is straight forward.
606  *
607  */
608
609 /*
610  * BLST_NEXT_LEAF_ALLOC() - allocate the blocks starting with the next leaf.
611  *
612  *      'scan' is a leaf node, and its first block is at address 'start'.  The
613  *      next leaf node could be adjacent, or several nodes away if the least
614  *      common ancestor of 'scan' and its neighbor is several levels up.  Use
615  *      addresses to determine how many meta-nodes lie between the leaves.  If
616  *      sequence of leaves starting with the next one has enough initial bits
617  *      set, clear them and clear the bits in the meta nodes on the path up to
618  *      the least common ancestor to mark any subtrees made completely empty.
619  */
620 static int
621 blst_next_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t start, int count, int maxcount)
622 {
623         u_daddr_t radix;
624         daddr_t blk;
625         int avail, digit;
626
627         start += BLIST_BMAP_RADIX;
628         for (blk = start; blk - start < maxcount; blk += BLIST_BMAP_RADIX) {
629                 /* Skip meta-nodes, as long as they promise more free blocks. */
630                 radix = BLIST_BMAP_RADIX;
631                 while (((++scan)->bm_bitmap & 1) == 1 &&
632                     ((blk / radix) & BLIST_META_MASK) == 0)
633                         radix *= BLIST_META_RADIX;
634                 if (~scan->bm_bitmap != 0) {
635                         /*
636                          * Either there is no next leaf with any free blocks,
637                          * or we've reached the next leaf and found that some
638                          * of its blocks are not free.  In the first case,
639                          * bitpos() returns zero here.
640                          */
641                         avail = blk - start + bitpos(~scan->bm_bitmap);
642                         if (avail < count || avail == 0) {
643                                 /*
644                                  * There isn't a next leaf with enough free
645                                  * blocks at its beginning to bother
646                                  * allocating.
647                                  */
648                                 return (avail);
649                         }
650                         maxcount = imin(avail, maxcount);
651                         if (maxcount % BLIST_BMAP_RADIX == 0) {
652                                 /*
653                                  * There was no next leaf.  Back scan up to
654                                  * last leaf.
655                                  */
656                                 --scan;
657                                 while (radix != BLIST_BMAP_RADIX) {
658                                         radix /= BLIST_META_RADIX;
659                                         --scan;
660                                 }
661                                 blk -= BLIST_BMAP_RADIX;
662                         }
663                 }
664         }
665         
666         /*
667          * 'scan' is the last leaf that provides blocks.  Clear from 1 to
668          * BLIST_BMAP_RADIX bits to represent the allocation of those last
669          * blocks.
670          */
671         if (maxcount % BLIST_BMAP_RADIX != 0)
672                 scan->bm_bitmap &= ~bitrange(0, maxcount % BLIST_BMAP_RADIX);
673         else
674                 scan->bm_bitmap = 0;
675
676         for (;;) {
677                 /* Back up over meta-nodes, clearing bits if necessary. */
678                 blk -= BLIST_BMAP_RADIX;
679                 radix = BLIST_BMAP_RADIX;
680                 while ((digit = ((blk / radix) & BLIST_META_MASK)) == 0) {
681                         if ((scan--)->bm_bitmap == 0)
682                                 scan->bm_bitmap ^= 1;
683                         radix *= BLIST_META_RADIX;
684                 }
685                 if ((scan--)->bm_bitmap == 0)
686                         scan[-digit * radix_to_skip(radix)].bm_bitmap ^=
687                             (u_daddr_t)1 << digit;
688
689                 if (blk == start)
690                         break;
691                 /* Clear all the bits of this leaf. */
692                 scan->bm_bitmap = 0;
693         }
694         return (maxcount);
695 }
696
697 /*
698  * BLST_LEAF_ALLOC() -  allocate at a leaf in the radix tree (a bitmap).
699  *
700  *      This function is the core of the allocator.  Its execution time is
701  *      proportional to log(count), plus height of the tree if the allocation
702  *      crosses a leaf boundary.
703  */
704 static daddr_t
705 blst_leaf_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int *count, int maxcount)
706 {
707         u_daddr_t mask;
708         int bighint, count1, hi, lo, num_shifts;
709
710         count1 = *count - 1;
711         num_shifts = fls(count1);
712         mask = ~scan->bm_bitmap;
713         while ((mask & (mask + 1)) != 0 && num_shifts > 0) {
714                 /*
715                  * If bit i is 0 in mask, then bits in [i, i + (count1 >>
716                  * num_shifts)] are 1 in scan->bm_bitmap.  Reduce num_shifts to
717                  * 0, while preserving this invariant.  The updates to mask
718                  * leave fewer bits 0, but each bit that remains 0 represents a
719                  * longer string of consecutive 1-bits in scan->bm_bitmap.  If
720                  * more updates to mask cannot set more bits, because mask is
721                  * partitioned with all 1 bits following all 0 bits, the loop
722                  * terminates immediately.
723                  */
724                 num_shifts--;
725                 mask |= mask >> ((count1 >> num_shifts) + 1) / 2;
726         }
727         bighint = count1 >> num_shifts;
728         if (~mask == 0) {
729                 /*
730                  * Update bighint.  There is no allocation bigger than
731                  * count1 >> num_shifts starting in this leaf.
732                  */
733                 scan->bm_bighint = bighint;
734                 return (SWAPBLK_NONE);
735         }
736
737         /* Discard any candidates that appear before blk. */
738         if ((blk & BLIST_BMAP_MASK) != 0) {
739                 if ((~mask & bitrange(0, blk & BLIST_BMAP_MASK)) != 0) {
740                         /* Grow bighint in case all discarded bits are set. */
741                         bighint += blk & BLIST_BMAP_MASK;
742                         mask |= bitrange(0, blk & BLIST_BMAP_MASK);
743                         if (~mask == 0) {
744                                 scan->bm_bighint = bighint;
745                                 return (SWAPBLK_NONE);
746                         }
747                 }
748                 blk -= blk & BLIST_BMAP_MASK;
749         }
750
751         /*
752          * The least significant set bit in mask marks the start of the first
753          * available range of sufficient size.  Find its position.
754          */
755         lo = bitpos(~mask);
756
757         /*
758          * Find how much space is available starting at that position.
759          */
760         if ((mask & (mask + 1)) != 0) {
761                 /* Count the 1 bits starting at position lo. */
762                 hi = bitpos(mask & (mask + 1)) + count1;
763                 if (maxcount < hi - lo)
764                         hi = lo + maxcount;
765                 *count = hi - lo;
766                 mask = ~bitrange(lo, *count);
767         } else if (maxcount <= BLIST_BMAP_RADIX - lo) {
768                 /* All the blocks we can use are available here. */
769                 hi = lo + maxcount;
770                 *count = maxcount;
771                 mask = ~bitrange(lo, *count);
772                 if (hi == BLIST_BMAP_RADIX)
773                         scan->bm_bighint = bighint;
774         } else {
775                 /* Check next leaf for some of the blocks we want or need. */
776                 count1 = *count - (BLIST_BMAP_RADIX - lo);
777                 maxcount -= BLIST_BMAP_RADIX - lo;
778                 hi = blst_next_leaf_alloc(scan, blk, count1, maxcount);
779                 if (hi < count1)
780                         /*
781                          * The next leaf cannot supply enough blocks to reach
782                          * the minimum required allocation.  The hint cannot be
783                          * updated, because the same allocation request could
784                          * be satisfied later, by this leaf, if the state of
785                          * the next leaf changes, and without any changes to
786                          * this leaf.
787                          */
788                         return (SWAPBLK_NONE);
789                 *count = BLIST_BMAP_RADIX - lo + hi;
790                 scan->bm_bighint = bighint;
791         }
792
793         /* Clear the allocated bits from this leaf. */
794         scan->bm_bitmap &= mask;
795         return (blk + lo);
796 }
797
798 /*
799  * blist_meta_alloc() - allocate at a meta in the radix tree.
800  *
801  *      Attempt to allocate at a meta node.  If we can't, we update
802  *      bighint and return a failure.  Updating bighint optimize future
803  *      calls that hit this node.  We have to check for our collapse cases
804  *      and we have a few optimizations strewn in as well.
805  */
806 static daddr_t
807 blst_meta_alloc(blmeta_t *scan, daddr_t cursor, int *count,
808     int maxcount, u_daddr_t radix)
809 {
810         daddr_t blk, i, r, skip;
811         u_daddr_t mask;
812         bool scan_from_start;
813         int digit;
814
815         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
816                 return (blst_leaf_alloc(scan, cursor, count, maxcount));
817         blk = cursor & -radix;
818         scan_from_start = (cursor == blk);
819         radix /= BLIST_META_RADIX;
820         skip = radix_to_skip(radix);
821         mask = scan->bm_bitmap;
822
823         /* Discard any candidates that appear before cursor. */
824         digit = (cursor / radix) & BLIST_META_MASK;
825         mask &= (u_daddr_t)-1 << digit;
826         if (mask == 0)
827                 return (SWAPBLK_NONE);
828
829         /*
830          * If the first try is for a block that includes the cursor, pre-undo
831          * the digit * radix offset in the first call; otherwise, ignore the
832          * cursor entirely.
833          */
834         if (((mask >> digit) & 1) == 1)
835                 cursor -= digit * radix;
836         else
837                 cursor = blk;
838
839         /*
840          * Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask.
841          */
842         do {
843                 digit = bitpos(mask);
844                 i = 1 + digit * skip;
845                 if (*count <= scan[i].bm_bighint) {
846                         /*
847                          * The allocation might fit beginning in the i'th subtree.
848                          */
849                         r = blst_meta_alloc(&scan[i], cursor + digit * radix,
850                             count, maxcount, radix);
851                         if (r != SWAPBLK_NONE) {
852                                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
853                                         scan->bm_bitmap ^= bitrange(digit, 1);
854                                 return (r);
855                         }
856                 }
857                 cursor = blk;
858         } while ((mask ^= bitrange(digit, 1)) != 0);
859
860         /*
861          * We couldn't allocate count in this subtree.  If the whole tree was
862          * scanned, and the last tree node is allocated, update bighint.
863          */
864         if (scan_from_start && !(digit == BLIST_META_RADIX - 1 &&
865             scan[i].bm_bighint == BLIST_MAX_ALLOC))
866                 scan->bm_bighint = *count - 1;
867
868         return (SWAPBLK_NONE);
869 }
870
871 /*
872  * BLST_LEAF_FREE() -   free allocated block from leaf bitmap
873  *
874  */
875 static void
876 blst_leaf_free(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
877 {
878         u_daddr_t mask;
879
880         /*
881          * free some data in this bitmap
882          * mask=0000111111111110000
883          *          \_________/\__/
884          *              count   n
885          */
886         mask = bitrange(blk & BLIST_BMAP_MASK, count);
887         KASSERT((scan->bm_bitmap & mask) == 0,
888             ("freeing free block: %jx, size %d, mask %jx",
889             (uintmax_t)blk, count, (uintmax_t)scan->bm_bitmap & mask));
890         scan->bm_bitmap |= mask;
891 }
892
893 /*
894  * BLST_META_FREE() - free allocated blocks from radix tree meta info
895  *
896  *      This support routine frees a range of blocks from the bitmap.
897  *      The range must be entirely enclosed by this radix node.  If a
898  *      meta node, we break the range down recursively to free blocks
899  *      in subnodes (which means that this code can free an arbitrary
900  *      range whereas the allocation code cannot allocate an arbitrary
901  *      range).
902  */
903 static void
904 blst_meta_free(blmeta_t *scan, daddr_t freeBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
905 {
906         daddr_t blk, endBlk, i, skip;
907         int digit, endDigit;
908
909         /*
910          * We could probably do a better job here.  We are required to make
911          * bighint at least as large as the biggest allocable block of data.
912          * If we just shoehorn it, a little extra overhead will be incurred
913          * on the next allocation (but only that one typically).
914          */
915         scan->bm_bighint = BLIST_MAX_ALLOC;
916
917         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
918                 return (blst_leaf_free(scan, freeBlk, count));
919
920         endBlk = ummin(freeBlk + count, (freeBlk + radix) & -radix);
921         radix /= BLIST_META_RADIX;
922         skip = radix_to_skip(radix);
923         blk = freeBlk & -radix;
924         digit = (blk / radix) & BLIST_META_MASK;
925         endDigit = 1 + (((endBlk - 1) / radix) & BLIST_META_MASK);
926         scan->bm_bitmap |= bitrange(digit, endDigit - digit);
927         for (i = 1 + digit * skip; blk < endBlk; i += skip) {
928                 blk += radix;
929                 count = ummin(blk, endBlk) - freeBlk;
930                 blst_meta_free(&scan[i], freeBlk, count, radix);
931                 freeBlk = blk;
932         }
933 }
934
935 /*
936  * BLST_COPY() - copy one radix tree to another
937  *
938  *      Locates free space in the source tree and frees it in the destination
939  *      tree.  The space may not already be free in the destination.
940  */
941 static void
942 blst_copy(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, blist_t dest,
943     daddr_t count)
944 {
945         daddr_t endBlk, i, skip;
946
947         /*
948          * Leaf node
949          */
950
951         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
952                 u_daddr_t v = scan->bm_bitmap;
953
954                 if (v == (u_daddr_t)-1) {
955                         blist_free(dest, blk, count);
956                 } else if (v != 0) {
957                         int i;
958
959                         for (i = 0; i < count; ++i) {
960                                 if (v & ((u_daddr_t)1 << i))
961                                         blist_free(dest, blk + i, 1);
962                         }
963                 }
964                 return;
965         }
966
967         /*
968          * Meta node
969          */
970
971         if (scan->bm_bitmap == 0) {
972                 /*
973                  * Source all allocated, leave dest allocated
974                  */
975                 return;
976         }
977
978         endBlk = blk + count;
979         radix /= BLIST_META_RADIX;
980         skip = radix_to_skip(radix);
981         for (i = 1; blk < endBlk; i += skip) {
982                 blk += radix;
983                 count = radix;
984                 if (blk >= endBlk)
985                         count -= blk - endBlk;
986                 blst_copy(&scan[i], blk - radix, radix, dest, count);
987         }
988 }
989
990 /*
991  * BLST_LEAF_FILL() -   allocate specific blocks in leaf bitmap
992  *
993  *      This routine allocates all blocks in the specified range
994  *      regardless of any existing allocations in that range.  Returns
995  *      the number of blocks allocated by the call.
996  */
997 static daddr_t
998 blst_leaf_fill(blmeta_t *scan, daddr_t blk, int count)
999 {
1000         daddr_t nblks;
1001         u_daddr_t mask;
1002
1003         mask = bitrange(blk & BLIST_BMAP_MASK, count);
1004
1005         /* Count the number of blocks that we are allocating. */
1006         nblks = bitcount64(scan->bm_bitmap & mask);
1007
1008         scan->bm_bitmap &= ~mask;
1009         return (nblks);
1010 }
1011
1012 /*
1013  * BLIST_META_FILL() -  allocate specific blocks at a meta node
1014  *
1015  *      This routine allocates the specified range of blocks,
1016  *      regardless of any existing allocations in the range.  The
1017  *      range must be within the extent of this node.  Returns the
1018  *      number of blocks allocated by the call.
1019  */
1020 static daddr_t
1021 blst_meta_fill(blmeta_t *scan, daddr_t allocBlk, daddr_t count, u_daddr_t radix)
1022 {
1023         daddr_t blk, endBlk, i, nblks, skip;
1024         int digit;
1025
1026         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX)
1027                 return (blst_leaf_fill(scan, allocBlk, count));
1028
1029         endBlk = ummin(allocBlk + count, (allocBlk + radix) & -radix);
1030         radix /= BLIST_META_RADIX;
1031         skip = radix_to_skip(radix);
1032         blk = allocBlk & -radix;
1033         nblks = 0;
1034         while (blk < endBlk) {
1035                 digit = (blk / radix) & BLIST_META_MASK;
1036                 i = 1 + digit * skip;
1037                 blk += radix;
1038                 count = ummin(blk, endBlk) - allocBlk;
1039                 nblks += blst_meta_fill(&scan[i], allocBlk, count, radix);
1040                 if (scan[i].bm_bitmap == 0)
1041                         scan->bm_bitmap &= ~((u_daddr_t)1 << digit);
1042                 allocBlk = blk;
1043         }
1044         return (nblks);
1045 }
1046
1047 #ifdef BLIST_DEBUG
1048
1049 static void
1050 blst_radix_print(blmeta_t *scan, daddr_t blk, daddr_t radix, int tab)
1051 {
1052         daddr_t skip;
1053         u_daddr_t mask;
1054         int digit;
1055
1056         if (radix == BLIST_BMAP_RADIX) {
1057                 printf(
1058                     "%*.*s(%08llx,%lld): bitmap %0*llx big=%lld\n",
1059                     tab, tab, "",
1060                     (long long)blk, (long long)radix,
1061                     1 + (BLIST_BMAP_RADIX - 1) / 4,
1062                     (long long)scan->bm_bitmap,
1063                     (long long)scan->bm_bighint
1064                 );
1065                 return;
1066         }
1067
1068         printf(
1069             "%*.*s(%08llx): subtree (%lld/%lld) bitmap %0*llx big=%lld {\n",
1070             tab, tab, "",
1071             (long long)blk, (long long)radix,
1072             (long long)radix,
1073             1 + (BLIST_META_RADIX - 1) / 4,
1074             (long long)scan->bm_bitmap,
1075             (long long)scan->bm_bighint
1076         );
1077
1078         radix /= BLIST_META_RADIX;
1079         skip = radix_to_skip(radix);
1080         tab += 4;
1081
1082         mask = scan->bm_bitmap;
1083         /* Examine the nonempty subtree associated with each bit set in mask */
1084         do {
1085                 digit = bitpos(mask);
1086                 blst_radix_print(&scan[1 + digit * skip], blk + digit * radix,
1087                     radix, tab);
1088         } while ((mask ^= bitrange(digit, 1)) != 0);
1089         tab -= 4;
1090
1091         printf(
1092             "%*.*s}\n",
1093             tab, tab, ""
1094         );
1095 }
1096
1097 #endif
1098
1099 #ifdef BLIST_DEBUG
1100
1101 int
1102 main(int ac, char **av)
1103 {
1104         int size = BLIST_META_RADIX * BLIST_BMAP_RADIX;
1105         int i;
1106         blist_t bl;
1107         struct sbuf *s;
1108
1109         for (i = 1; i < ac; ++i) {
1110                 const char *ptr = av[i];
1111                 if (*ptr != '-') {
1112                         size = strtol(ptr, NULL, 0);
1113                         continue;
1114                 }
1115                 ptr += 2;
1116                 fprintf(stderr, "Bad option: %s\n", ptr - 2);
1117                 exit(1);
1118         }
1119         bl = blist_create(size, M_WAITOK);
1120         blist_free(bl, 0, size);
1121
1122         for (;;) {
1123                 char buf[1024];
1124                 long long da = 0;
1125                 int count = 0, maxcount = 0;
1126
1127                 printf("%lld/%lld/%lld> ", (long long)blist_avail(bl),
1128                     (long long)size, (long long)bl->bl_radix);
1129                 fflush(stdout);
1130                 if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL)
1131                         break;
1132                 switch(buf[0]) {
1133                 case 'r':
1134                         if (sscanf(buf + 1, "%d", &count) == 1) {
1135                                 blist_resize(&bl, count, 1, M_WAITOK);
1136                         } else {
1137                                 printf("?\n");
1138                         }
1139                 case 'p':
1140                         blist_print(bl);
1141                         break;
1142                 case 's':
1143                         s = sbuf_new_auto();
1144                         blist_stats(bl, s);
1145                         sbuf_finish(s);
1146                         printf("%s", sbuf_data(s));
1147                         sbuf_delete(s);
1148                         break;
1149                 case 'a':
1150                         if (sscanf(buf + 1, "%d%d", &count, &maxcount) == 2) {
1151                                 daddr_t blk = blist_alloc(bl, &count, maxcount);
1152                                 printf("    R=%08llx, c=%08d\n",
1153                                     (long long)blk, count);
1154                         } else {
1155                                 printf("?\n");
1156                         }
1157                         break;
1158                 case 'f':
1159                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %d", &da, &count) == 2) {
1160                                 blist_free(bl, da, count);
1161                         } else {
1162                                 printf("?\n");
1163                         }
1164                         break;
1165                 case 'l':
1166                         if (sscanf(buf + 1, "%llx %d", &da, &count) == 2) {
1167                                 printf("    n=%jd\n",
1168                                     (intmax_t)blist_fill(bl, da, count));
1169                         } else {
1170                                 printf("?\n");
1171                         }
1172                         break;
1173                 case '?':
1174                 case 'h':
1175                         puts(
1176                             "p          -print\n"
1177                             "s          -stats\n"
1178                             "a %d %d    -allocate\n"
1179                             "f %x %d    -free\n"
1180                             "l %x %d    -fill\n"
1181                             "r %d       -resize\n"
1182                             "h/?        -help\n"
1183                             "q          -quit"
1184                         );
1185                         break;
1186                 case 'q':
1187                         break;
1188                 default:
1189                         printf("?\n");
1190                         break;
1191                 }
1192                 if (buf[0] == 'q')
1193                         break;
1194         }
1195         return (0);
1196 }
1197
1198 #endif