sys/kern/subr_vmem.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (c)2006,2007,2008,2009 YAMAMOTO Takashi,
   5  * Copyright (c) 2013 EMC Corp.
   6  * All rights reserved.
   7  *
   8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9  * modification, are permitted provided that the following conditions
  10  * are met:
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  16  *
  17  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  18  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  19  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  20  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  21  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  22  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  23  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  24  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  25  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  26  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  27  * SUCH DAMAGE.
  28  */
  29
  30 /*
  31  * From:
  32  *      $NetBSD: vmem_impl.h,v 1.2 2013/01/29 21:26:24 para Exp $
  33  *      $NetBSD: subr_vmem.c,v 1.83 2013/03/06 11:20:10 yamt Exp $
  34  */
  35
  36 /*
  37  * reference:
  38  * -    Magazines and Vmem: Extending the Slab Allocator
  39  *      to Many CPUs and Arbitrary Resources
  40  *      http://www.usenix.org/event/usenix01/bonwick.html
  41  */
  42
  43 #include <sys/cdefs.h>
  44 __FBSDID("$FreeBSD$");
  45
  46 #include "opt_ddb.h"
  47
  48 #include <sys/param.h>
  49 #include <sys/systm.h>
  50 #include <sys/kernel.h>
  51 #include <sys/queue.h>
  52 #include <sys/callout.h>
  53 #include <sys/hash.h>
  54 #include <sys/lock.h>
  55 #include <sys/malloc.h>
  56 #include <sys/mutex.h>
  57 #include <sys/smp.h>
  58 #include <sys/condvar.h>
  59 #include <sys/sysctl.h>
  60 #include <sys/taskqueue.h>
  61 #include <sys/vmem.h>
  62 #include <sys/vmmeter.h>
  63
  64 #include "opt_vm.h"
  65
  66 #include <vm/uma.h>
  67 #include <vm/vm.h>
  68 #include <vm/pmap.h>
  69 #include <vm/vm_map.h>
  70 #include <vm/vm_object.h>
  71 #include <vm/vm_kern.h>
  72 #include <vm/vm_extern.h>
  73 #include <vm/vm_param.h>
  74 #include <vm/vm_page.h>
  75 #include <vm/vm_pageout.h>
  76 #include <vm/vm_phys.h>
  77 #include <vm/vm_pagequeue.h>
  78 #include <vm/uma_int.h>
  79
  80 #define VMEM_OPTORDER           5
  81 #define VMEM_OPTVALUE           (1 << VMEM_OPTORDER)
  82 #define VMEM_MAXORDER                                           \
  83     (VMEM_OPTVALUE - 1 + sizeof(vmem_size_t) * NBBY - VMEM_OPTORDER)
  84
  85 #define VMEM_HASHSIZE_MIN       16
  86 #define VMEM_HASHSIZE_MAX       131072
  87
  88 #define VMEM_QCACHE_IDX_MAX     16
  89
  90 #define VMEM_FITMASK    (M_BESTFIT | M_FIRSTFIT | M_NEXTFIT)
  91
  92 #define VMEM_FLAGS      (M_NOWAIT | M_WAITOK | M_USE_RESERVE | M_NOVM | \
  93     M_BESTFIT | M_FIRSTFIT | M_NEXTFIT)
  94
  95 #define BT_FLAGS        (M_NOWAIT | M_WAITOK | M_USE_RESERVE | M_NOVM)
  96
  97 #define QC_NAME_MAX     16
  98
  99 /*
 100  * Data structures private to vmem.
 101  */
 102 MALLOC_DEFINE(M_VMEM, "vmem", "vmem internal structures");
 103
 104 typedef struct vmem_btag bt_t;
 105
 106 TAILQ_HEAD(vmem_seglist, vmem_btag);
 107 LIST_HEAD(vmem_freelist, vmem_btag);
 108 LIST_HEAD(vmem_hashlist, vmem_btag);
 109
 110 struct qcache {
 111         uma_zone_t      qc_cache;
 112         vmem_t          *qc_vmem;
 113         vmem_size_t     qc_size;
 114         char            qc_name[QC_NAME_MAX];
 115 };
 116 typedef struct qcache qcache_t;
 117 #define QC_POOL_TO_QCACHE(pool) ((qcache_t *)(pool->pr_qcache))
 118
 119 #define VMEM_NAME_MAX   16
 120
 121 /* boundary tag */
 122 struct vmem_btag {
 123         TAILQ_ENTRY(vmem_btag) bt_seglist;
 124         union {
 125                 LIST_ENTRY(vmem_btag) u_freelist; /* BT_TYPE_FREE */
 126                 LIST_ENTRY(vmem_btag) u_hashlist; /* BT_TYPE_BUSY */
 127         } bt_u;
 128 #define bt_hashlist     bt_u.u_hashlist
 129 #define bt_freelist     bt_u.u_freelist
 130         vmem_addr_t     bt_start;
 131         vmem_size_t     bt_size;
 132         int             bt_type;
 133 };
 134
 135 /* vmem arena */
 136 struct vmem {
 137         struct mtx_padalign     vm_lock;
 138         struct cv               vm_cv;
 139         char                    vm_name[VMEM_NAME_MAX+1];
 140         LIST_ENTRY(vmem)        vm_alllist;
 141         struct vmem_hashlist    vm_hash0[VMEM_HASHSIZE_MIN];
 142         struct vmem_freelist    vm_freelist[VMEM_MAXORDER];
 143         struct vmem_seglist     vm_seglist;
 144         struct vmem_hashlist    *vm_hashlist;
 145         vmem_size_t             vm_hashsize;
 146
 147         /* Constant after init */
 148         vmem_size_t             vm_qcache_max;
 149         vmem_size_t             vm_quantum_mask;
 150         vmem_size_t             vm_import_quantum;
 151         int                     vm_quantum_shift;
 152
 153         /* Written on alloc/free */
 154         LIST_HEAD(, vmem_btag)  vm_freetags;
 155         int                     vm_nfreetags;
 156         int                     vm_nbusytag;
 157         vmem_size_t             vm_inuse;
 158         vmem_size_t             vm_size;
 159         vmem_size_t             vm_limit;
 160         struct vmem_btag        vm_cursor;
 161
 162         /* Used on import. */
 163         vmem_import_t           *vm_importfn;
 164         vmem_release_t          *vm_releasefn;
 165         void                    *vm_arg;
 166
 167         /* Space exhaustion callback. */
 168         vmem_reclaim_t          *vm_reclaimfn;
 169
 170         /* quantum cache */
 171         qcache_t                vm_qcache[VMEM_QCACHE_IDX_MAX];
 172 };
 173
 174 #define BT_TYPE_SPAN            1       /* Allocated from importfn */
 175 #define BT_TYPE_SPAN_STATIC     2       /* vmem_add() or create. */
 176 #define BT_TYPE_FREE            3       /* Available space. */
 177 #define BT_TYPE_BUSY            4       /* Used space. */
 178 #define BT_TYPE_CURSOR          5       /* Cursor for nextfit allocations. */
 179 #define BT_ISSPAN_P(bt) ((bt)->bt_type <= BT_TYPE_SPAN_STATIC)
 180
 181 #define BT_END(bt)      ((bt)->bt_start + (bt)->bt_size - 1)
 182
 183 #if defined(DIAGNOSTIC)
 184 static int enable_vmem_check = 1;
 185 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, vmem_check, CTLFLAG_RWTUN,
 186     &enable_vmem_check, 0, "Enable vmem check");
 187 static void vmem_check(vmem_t *);
 188 #endif
 189
 190 static struct callout   vmem_periodic_ch;
 191 static int              vmem_periodic_interval;
 192 static struct task      vmem_periodic_wk;
 193
 194 static struct mtx_padalign __exclusive_cache_line vmem_list_lock;
 195 static LIST_HEAD(, vmem) vmem_list = LIST_HEAD_INITIALIZER(vmem_list);
 196 static uma_zone_t vmem_zone;
 197
 198 /* ---- misc */
 199 #define VMEM_CONDVAR_INIT(vm, wchan)    cv_init(&vm->vm_cv, wchan)
 200 #define VMEM_CONDVAR_DESTROY(vm)        cv_destroy(&vm->vm_cv)
 201 #define VMEM_CONDVAR_WAIT(vm)           cv_wait(&vm->vm_cv, &vm->vm_lock)
 202 #define VMEM_CONDVAR_BROADCAST(vm)      cv_broadcast(&vm->vm_cv)
 203
 204 #define VMEM_LOCK(vm)           mtx_lock(&vm->vm_lock)
 205 #define VMEM_TRYLOCK(vm)        mtx_trylock(&vm->vm_lock)
 206 #define VMEM_UNLOCK(vm)         mtx_unlock(&vm->vm_lock)
 207 #define VMEM_LOCK_INIT(vm, name) mtx_init(&vm->vm_lock, (name), NULL, MTX_DEF)
 208 #define VMEM_LOCK_DESTROY(vm)   mtx_destroy(&vm->vm_lock)
 209 #define VMEM_ASSERT_LOCKED(vm)  mtx_assert(&vm->vm_lock, MA_OWNED);
 210
 211 #define VMEM_ALIGNUP(addr, align)       (-(-(addr) & -(align)))
 212
 213 #define VMEM_CROSS_P(addr1, addr2, boundary) \
 214         ((((addr1) ^ (addr2)) & -(boundary)) != 0)
 215
 216 #define ORDER2SIZE(order)       ((order) < VMEM_OPTVALUE ? ((order) + 1) : \
 217     (vmem_size_t)1 << ((order) - (VMEM_OPTVALUE - VMEM_OPTORDER - 1)))
 218 #define SIZE2ORDER(size)        ((size) <= VMEM_OPTVALUE ? ((size) - 1) : \
 219     (flsl(size) + (VMEM_OPTVALUE - VMEM_OPTORDER - 2)))
 220
 221 /*
 222  * Maximum number of boundary tags that may be required to satisfy an
 223  * allocation.  Two may be required to import.  Another two may be
 224  * required to clip edges.
 225  */
 226 #define BT_MAXALLOC     4
 227
 228 /*
 229  * Max free limits the number of locally cached boundary tags.  We
 230  * just want to avoid hitting the zone allocator for every call.
 231  */
 232 #define BT_MAXFREE      (BT_MAXALLOC * 8)
 233
 234 /* Allocator for boundary tags. */
 235 static uma_zone_t vmem_bt_zone;
 236
 237 /* boot time arena storage. */
 238 static struct vmem kernel_arena_storage;
 239 static struct vmem buffer_arena_storage;
 240 static struct vmem transient_arena_storage;
 241 /* kernel and kmem arenas are aliased for backwards KPI compat. */
 242 vmem_t *kernel_arena = &kernel_arena_storage;
 243 vmem_t *kmem_arena = &kernel_arena_storage;
 244 vmem_t *buffer_arena = &buffer_arena_storage;
 245 vmem_t *transient_arena = &transient_arena_storage;
 246
 247 #ifdef DEBUG_MEMGUARD
 248 static struct vmem memguard_arena_storage;
 249 vmem_t *memguard_arena = &memguard_arena_storage;
 250 #endif
 251
 252 /*
 253  * Fill the vmem's boundary tag cache.  We guarantee that boundary tag
 254  * allocation will not fail once bt_fill() passes.  To do so we cache
 255  * at least the maximum possible tag allocations in the arena.
 256  */
 257 static int
 258 bt_fill(vmem_t *vm, int flags)
 259 {
 260         bt_t *bt;
 261
 262         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 263
 264         /*
 265          * Only allow the kernel arena and arenas derived from kernel arena to
 266          * dip into reserve tags.  They are where new tags come from.
 267          */
 268         flags &= BT_FLAGS;
 269         if (vm != kernel_arena && vm->vm_arg != kernel_arena)
 270                 flags &= ~M_USE_RESERVE;
 271
 272         /*
 273          * Loop until we meet the reserve.  To minimize the lock shuffle
 274          * and prevent simultaneous fills we first try a NOWAIT regardless
 275          * of the caller's flags.  Specify M_NOVM so we don't recurse while
 276          * holding a vmem lock.
 277          */
 278         while (vm->vm_nfreetags < BT_MAXALLOC) {
 279                 bt = uma_zalloc(vmem_bt_zone,
 280                     (flags & M_USE_RESERVE) | M_NOWAIT | M_NOVM);
 281                 if (bt == NULL) {
 282                         VMEM_UNLOCK(vm);
 283                         bt = uma_zalloc(vmem_bt_zone, flags);
 284                         VMEM_LOCK(vm);
 285                         if (bt == NULL)
 286                                 break;
 287                 }
 288                 LIST_INSERT_HEAD(&vm->vm_freetags, bt, bt_freelist);
 289                 vm->vm_nfreetags++;
 290         }
 291
 292         if (vm->vm_nfreetags < BT_MAXALLOC)
 293                 return ENOMEM;
 294
 295         return 0;
 296 }
 297
 298 /*
 299  * Pop a tag off of the freetag stack.
 300  */
 301 static bt_t *
 302 bt_alloc(vmem_t *vm)
 303 {
 304         bt_t *bt;
 305
 306         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 307         bt = LIST_FIRST(&vm->vm_freetags);
 308         MPASS(bt != NULL);
 309         LIST_REMOVE(bt, bt_freelist);
 310         vm->vm_nfreetags--;
 311
 312         return bt;
 313 }
 314
 315 /*
 316  * Trim the per-vmem free list.  Returns with the lock released to
 317  * avoid allocator recursions.
 318  */
 319 static void
 320 bt_freetrim(vmem_t *vm, int freelimit)
 321 {
 322         LIST_HEAD(, vmem_btag) freetags;
 323         bt_t *bt;
 324
 325         LIST_INIT(&freetags);
 326         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 327         while (vm->vm_nfreetags > freelimit) {
 328                 bt = LIST_FIRST(&vm->vm_freetags);
 329                 LIST_REMOVE(bt, bt_freelist);
 330                 vm->vm_nfreetags--;
 331                 LIST_INSERT_HEAD(&freetags, bt, bt_freelist);
 332         }
 333         VMEM_UNLOCK(vm);
 334         while ((bt = LIST_FIRST(&freetags)) != NULL) {
 335                 LIST_REMOVE(bt, bt_freelist);
 336                 uma_zfree(vmem_bt_zone, bt);
 337         }
 338 }
 339
 340 static inline void
 341 bt_free(vmem_t *vm, bt_t *bt)
 342 {
 343
 344         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 345         MPASS(LIST_FIRST(&vm->vm_freetags) != bt);
 346         LIST_INSERT_HEAD(&vm->vm_freetags, bt, bt_freelist);
 347         vm->vm_nfreetags++;
 348 }
 349
 350 /*
 351  * freelist[0] ... [1, 1]
 352  * freelist[1] ... [2, 2]
 353  *  :
 354  * freelist[29] ... [30, 30]
 355  * freelist[30] ... [31, 31]
 356  * freelist[31] ... [32, 63]
 357  * freelist[33] ... [64, 127]
 358  *  :
 359  * freelist[n] ... [(1 << (n - 26)), (1 << (n - 25)) - 1]
 360  *  :
 361  */
 362
 363 static struct vmem_freelist *
 364 bt_freehead_tofree(vmem_t *vm, vmem_size_t size)
 365 {
 366         const vmem_size_t qsize = size >> vm->vm_quantum_shift;
 367         const int idx = SIZE2ORDER(qsize);
 368
 369         MPASS(size != 0 && qsize != 0);
 370         MPASS((size & vm->vm_quantum_mask) == 0);
 371         MPASS(idx >= 0);
 372         MPASS(idx < VMEM_MAXORDER);
 373
 374         return &vm->vm_freelist[idx];
 375 }
 376
 377 /*
 378  * bt_freehead_toalloc: return the freelist for the given size and allocation
 379  * strategy.
 380  *
 381  * For M_FIRSTFIT, return the list in which any blocks are large enough
 382  * for the requested size.  otherwise, return the list which can have blocks
 383  * large enough for the requested size.
 384  */
 385 static struct vmem_freelist *
 386 bt_freehead_toalloc(vmem_t *vm, vmem_size_t size, int strat)
 387 {
 388         const vmem_size_t qsize = size >> vm->vm_quantum_shift;
 389         int idx = SIZE2ORDER(qsize);
 390
 391         MPASS(size != 0 && qsize != 0);
 392         MPASS((size & vm->vm_quantum_mask) == 0);
 393
 394         if (strat == M_FIRSTFIT && ORDER2SIZE(idx) != qsize) {
 395                 idx++;
 396                 /* check too large request? */
 397         }
 398         MPASS(idx >= 0);
 399         MPASS(idx < VMEM_MAXORDER);
 400
 401         return &vm->vm_freelist[idx];
 402 }
 403
 404 /* ---- boundary tag hash */
 405
 406 static struct vmem_hashlist *
 407 bt_hashhead(vmem_t *vm, vmem_addr_t addr)
 408 {
 409         struct vmem_hashlist *list;
 410         unsigned int hash;
 411
 412         hash = hash32_buf(&addr, sizeof(addr), 0);
 413         list = &vm->vm_hashlist[hash % vm->vm_hashsize];
 414
 415         return list;
 416 }
 417
 418 static bt_t *
 419 bt_lookupbusy(vmem_t *vm, vmem_addr_t addr)
 420 {
 421         struct vmem_hashlist *list;
 422         bt_t *bt;
 423
 424         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 425         list = bt_hashhead(vm, addr);
 426         LIST_FOREACH(bt, list, bt_hashlist) {
 427                 if (bt->bt_start == addr) {
 428                         break;
 429                 }
 430         }
 431
 432         return bt;
 433 }
 434
 435 static void
 436 bt_rembusy(vmem_t *vm, bt_t *bt)
 437 {
 438
 439         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 440         MPASS(vm->vm_nbusytag > 0);
 441         vm->vm_inuse -= bt->bt_size;
 442         vm->vm_nbusytag--;
 443         LIST_REMOVE(bt, bt_hashlist);
 444 }
 445
 446 static void
 447 bt_insbusy(vmem_t *vm, bt_t *bt)
 448 {
 449         struct vmem_hashlist *list;
 450
 451         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 452         MPASS(bt->bt_type == BT_TYPE_BUSY);
 453
 454         list = bt_hashhead(vm, bt->bt_start);
 455         LIST_INSERT_HEAD(list, bt, bt_hashlist);
 456         vm->vm_nbusytag++;
 457         vm->vm_inuse += bt->bt_size;
 458 }
 459
 460 /* ---- boundary tag list */
 461
 462 static void
 463 bt_remseg(vmem_t *vm, bt_t *bt)
 464 {
 465
 466         MPASS(bt->bt_type != BT_TYPE_CURSOR);
 467         TAILQ_REMOVE(&vm->vm_seglist, bt, bt_seglist);
 468         bt_free(vm, bt);
 469 }
 470
 471 static void
 472 bt_insseg(vmem_t *vm, bt_t *bt, bt_t *prev)
 473 {
 474
 475         TAILQ_INSERT_AFTER(&vm->vm_seglist, prev, bt, bt_seglist);
 476 }
 477
 478 static void
 479 bt_insseg_tail(vmem_t *vm, bt_t *bt)
 480 {
 481
 482         TAILQ_INSERT_TAIL(&vm->vm_seglist, bt, bt_seglist);
 483 }
 484
 485 static void
 486 bt_remfree(vmem_t *vm, bt_t *bt)
 487 {
 488
 489         MPASS(bt->bt_type == BT_TYPE_FREE);
 490
 491         LIST_REMOVE(bt, bt_freelist);
 492 }
 493
 494 static void
 495 bt_insfree(vmem_t *vm, bt_t *bt)
 496 {
 497         struct vmem_freelist *list;
 498
 499         list = bt_freehead_tofree(vm, bt->bt_size);
 500         LIST_INSERT_HEAD(list, bt, bt_freelist);
 501 }
 502
 503 /* ---- vmem internal functions */
 504
 505 /*
 506  * Import from the arena into the quantum cache in UMA.
 507  *
 508  * We use VMEM_ADDR_QCACHE_MIN instead of 0: uma_zalloc() returns 0 to indicate
 509  * failure, so UMA can't be used to cache a resource with value 0.
 510  */
 511 static int
 512 qc_import(void *arg, void **store, int cnt, int domain, int flags)
 513 {
 514         qcache_t *qc;
 515         vmem_addr_t addr;
 516         int i;
 517
 518         KASSERT((flags & M_WAITOK) == 0, ("blocking allocation"));
 519
 520         qc = arg;
 521         for (i = 0; i < cnt; i++) {
 522                 if (vmem_xalloc(qc->qc_vmem, qc->qc_size, 0, 0, 0,
 523                     VMEM_ADDR_QCACHE_MIN, VMEM_ADDR_MAX, flags, &addr) != 0)
 524                         break;
 525                 store[i] = (void *)addr;
 526         }
 527         return (i);
 528 }
 529
 530 /*
 531  * Release memory from the UMA cache to the arena.
 532  */
 533 static void
 534 qc_release(void *arg, void **store, int cnt)
 535 {
 536         qcache_t *qc;
 537         int i;
 538
 539         qc = arg;
 540         for (i = 0; i < cnt; i++)
 541                 vmem_xfree(qc->qc_vmem, (vmem_addr_t)store[i], qc->qc_size);
 542 }
 543
 544 static void
 545 qc_init(vmem_t *vm, vmem_size_t qcache_max)
 546 {
 547         qcache_t *qc;
 548         vmem_size_t size;
 549         int qcache_idx_max;
 550         int i;
 551
 552         MPASS((qcache_max & vm->vm_quantum_mask) == 0);
 553         qcache_idx_max = MIN(qcache_max >> vm->vm_quantum_shift,
 554             VMEM_QCACHE_IDX_MAX);
 555         vm->vm_qcache_max = qcache_idx_max << vm->vm_quantum_shift;
 556         for (i = 0; i < qcache_idx_max; i++) {
 557                 qc = &vm->vm_qcache[i];
 558                 size = (i + 1) << vm->vm_quantum_shift;
 559                 snprintf(qc->qc_name, sizeof(qc->qc_name), "%s-%zu",
 560                     vm->vm_name, size);
 561                 qc->qc_vmem = vm;
 562                 qc->qc_size = size;
 563                 qc->qc_cache = uma_zcache_create(qc->qc_name, size,
 564                     NULL, NULL, NULL, NULL, qc_import, qc_release, qc, 0);
 565                 MPASS(qc->qc_cache);
 566         }
 567 }
 568
 569 static void
 570 qc_destroy(vmem_t *vm)
 571 {
 572         int qcache_idx_max;
 573         int i;
 574
 575         qcache_idx_max = vm->vm_qcache_max >> vm->vm_quantum_shift;
 576         for (i = 0; i < qcache_idx_max; i++)
 577                 uma_zdestroy(vm->vm_qcache[i].qc_cache);
 578 }
 579
 580 static void
 581 qc_drain(vmem_t *vm)
 582 {
 583         int qcache_idx_max;
 584         int i;
 585
 586         qcache_idx_max = vm->vm_qcache_max >> vm->vm_quantum_shift;
 587         for (i = 0; i < qcache_idx_max; i++)
 588                 uma_zone_reclaim(vm->vm_qcache[i].qc_cache, UMA_RECLAIM_DRAIN);
 589 }
 590
 591 #ifndef UMA_MD_SMALL_ALLOC
 592
 593 static struct mtx_padalign __exclusive_cache_line vmem_bt_lock;
 594
 595 /*
 596  * vmem_bt_alloc:  Allocate a new page of boundary tags.
 597  *
 598  * On architectures with uma_small_alloc there is no recursion; no address
 599  * space need be allocated to allocate boundary tags.  For the others, we
 600  * must handle recursion.  Boundary tags are necessary to allocate new
 601  * boundary tags.
 602  *
 603  * UMA guarantees that enough tags are held in reserve to allocate a new
 604  * page of kva.  We dip into this reserve by specifying M_USE_RESERVE only
 605  * when allocating the page to hold new boundary tags.  In this way the
 606  * reserve is automatically filled by the allocation that uses the reserve.
 607  *
 608  * We still have to guarantee that the new tags are allocated atomically since
 609  * many threads may try concurrently.  The bt_lock provides this guarantee.
 610  * We convert WAITOK allocations to NOWAIT and then handle the blocking here
 611  * on failure.  It's ok to return NULL for a WAITOK allocation as UMA will
 612  * loop again after checking to see if we lost the race to allocate.
 613  *
 614  * There is a small race between vmem_bt_alloc() returning the page and the
 615  * zone lock being acquired to add the page to the zone.  For WAITOK
 616  * allocations we just pause briefly.  NOWAIT may experience a transient
 617  * failure.  To alleviate this we permit a small number of simultaneous
 618  * fills to proceed concurrently so NOWAIT is less likely to fail unless
 619  * we are really out of KVA.
 620  */
 621 static void *
 622 vmem_bt_alloc(uma_zone_t zone, vm_size_t bytes, int domain, uint8_t *pflag,
 623     int wait)
 624 {
 625         vmem_addr_t addr;
 626
 627         *pflag = UMA_SLAB_KERNEL;
 628
 629         /*
 630          * Single thread boundary tag allocation so that the address space
 631          * and memory are added in one atomic operation.
 632          */
 633         mtx_lock(&vmem_bt_lock);
 634         if (vmem_xalloc(vm_dom[domain].vmd_kernel_arena, bytes, 0, 0, 0,
 635             VMEM_ADDR_MIN, VMEM_ADDR_MAX,
 636             M_NOWAIT | M_NOVM | M_USE_RESERVE | M_BESTFIT, &addr) == 0) {
 637                 if (kmem_back_domain(domain, kernel_object, addr, bytes,
 638                     M_NOWAIT | M_USE_RESERVE) == 0) {
 639                         mtx_unlock(&vmem_bt_lock);
 640                         return ((void *)addr);
 641                 }
 642                 vmem_xfree(vm_dom[domain].vmd_kernel_arena, addr, bytes);
 643                 mtx_unlock(&vmem_bt_lock);
 644                 /*
 645                  * Out of memory, not address space.  This may not even be
 646                  * possible due to M_USE_RESERVE page allocation.
 647                  */
 648                 if (wait & M_WAITOK)
 649                         vm_wait_domain(domain);
 650                 return (NULL);
 651         }
 652         mtx_unlock(&vmem_bt_lock);
 653         /*
 654          * We're either out of address space or lost a fill race.
 655          */
 656         if (wait & M_WAITOK)
 657                 pause("btalloc", 1);
 658
 659         return (NULL);
 660 }
 661 #endif
 662
 663 void
 664 vmem_startup(void)
 665 {
 666
 667         mtx_init(&vmem_list_lock, "vmem list lock", NULL, MTX_DEF);
 668         vmem_zone = uma_zcreate("vmem",
 669             sizeof(struct vmem), NULL, NULL, NULL, NULL,
 670             UMA_ALIGN_PTR, 0);
 671         vmem_bt_zone = uma_zcreate("vmem btag",
 672             sizeof(struct vmem_btag), NULL, NULL, NULL, NULL,
 673             UMA_ALIGN_PTR, UMA_ZONE_VM);
 674 #ifndef UMA_MD_SMALL_ALLOC
 675         mtx_init(&vmem_bt_lock, "btag lock", NULL, MTX_DEF);
 676         uma_prealloc(vmem_bt_zone, BT_MAXALLOC);
 677         /*
 678          * Reserve enough tags to allocate new tags.  We allow multiple
 679          * CPUs to attempt to allocate new tags concurrently to limit
 680          * false restarts in UMA.  vmem_bt_alloc() allocates from a per-domain
 681          * arena, which may involve importing a range from the kernel arena,
 682          * so we need to keep at least 2 * BT_MAXALLOC tags reserved.
 683          */
 684         uma_zone_reserve(vmem_bt_zone, 2 * BT_MAXALLOC * mp_ncpus);
 685         uma_zone_set_allocf(vmem_bt_zone, vmem_bt_alloc);
 686 #endif
 687 }
 688
 689 /* ---- rehash */
 690
 691 static int
 692 vmem_rehash(vmem_t *vm, vmem_size_t newhashsize)
 693 {
 694         bt_t *bt;
 695         int i;
 696         struct vmem_hashlist *newhashlist;
 697         struct vmem_hashlist *oldhashlist;
 698         vmem_size_t oldhashsize;
 699
 700         MPASS(newhashsize > 0);
 701
 702         newhashlist = malloc(sizeof(struct vmem_hashlist) * newhashsize,
 703             M_VMEM, M_NOWAIT);
 704         if (newhashlist == NULL)
 705                 return ENOMEM;
 706         for (i = 0; i < newhashsize; i++) {
 707                 LIST_INIT(&newhashlist[i]);
 708         }
 709
 710         VMEM_LOCK(vm);
 711         oldhashlist = vm->vm_hashlist;
 712         oldhashsize = vm->vm_hashsize;
 713         vm->vm_hashlist = newhashlist;
 714         vm->vm_hashsize = newhashsize;
 715         if (oldhashlist == NULL) {
 716                 VMEM_UNLOCK(vm);
 717                 return 0;
 718         }
 719         for (i = 0; i < oldhashsize; i++) {
 720                 while ((bt = LIST_FIRST(&oldhashlist[i])) != NULL) {
 721                         bt_rembusy(vm, bt);
 722                         bt_insbusy(vm, bt);
 723                 }
 724         }
 725         VMEM_UNLOCK(vm);
 726
 727         if (oldhashlist != vm->vm_hash0) {
 728                 free(oldhashlist, M_VMEM);
 729         }
 730
 731         return 0;
 732 }
 733
 734 static void
 735 vmem_periodic_kick(void *dummy)
 736 {
 737
 738         taskqueue_enqueue(taskqueue_thread, &vmem_periodic_wk);
 739 }
 740
 741 static void
 742 vmem_periodic(void *unused, int pending)
 743 {
 744         vmem_t *vm;
 745         vmem_size_t desired;
 746         vmem_size_t current;
 747
 748         mtx_lock(&vmem_list_lock);
 749         LIST_FOREACH(vm, &vmem_list, vm_alllist) {
 750 #ifdef DIAGNOSTIC
 751                 /* Convenient time to verify vmem state. */
 752                 if (enable_vmem_check == 1) {
 753                         VMEM_LOCK(vm);
 754                         vmem_check(vm);
 755                         VMEM_UNLOCK(vm);
 756                 }
 757 #endif
 758                 desired = 1 << flsl(vm->vm_nbusytag);
 759                 desired = MIN(MAX(desired, VMEM_HASHSIZE_MIN),
 760                     VMEM_HASHSIZE_MAX);
 761                 current = vm->vm_hashsize;
 762
 763                 /* Grow in powers of two.  Shrink less aggressively. */
 764                 if (desired >= current * 2 || desired * 4 <= current)
 765                         vmem_rehash(vm, desired);
 766
 767                 /*
 768                  * Periodically wake up threads waiting for resources,
 769                  * so they could ask for reclamation again.
 770                  */
 771                 VMEM_CONDVAR_BROADCAST(vm);
 772         }
 773         mtx_unlock(&vmem_list_lock);
 774
 775         callout_reset(&vmem_periodic_ch, vmem_periodic_interval,
 776             vmem_periodic_kick, NULL);
 777 }
 778
 779 static void
 780 vmem_start_callout(void *unused)
 781 {
 782
 783         TASK_INIT(&vmem_periodic_wk, 0, vmem_periodic, NULL);
 784         vmem_periodic_interval = hz * 10;
 785         callout_init(&vmem_periodic_ch, 1);
 786         callout_reset(&vmem_periodic_ch, vmem_periodic_interval,
 787             vmem_periodic_kick, NULL);
 788 }
 789 SYSINIT(vfs, SI_SUB_CONFIGURE, SI_ORDER_ANY, vmem_start_callout, NULL);
 790
 791 static void
 792 vmem_add1(vmem_t *vm, vmem_addr_t addr, vmem_size_t size, int type)
 793 {
 794         bt_t *btspan;
 795         bt_t *btfree;
 796
 797         MPASS(type == BT_TYPE_SPAN || type == BT_TYPE_SPAN_STATIC);
 798         MPASS((size & vm->vm_quantum_mask) == 0);
 799
 800         btspan = bt_alloc(vm);
 801         btspan->bt_type = type;
 802         btspan->bt_start = addr;
 803         btspan->bt_size = size;
 804         bt_insseg_tail(vm, btspan);
 805
 806         btfree = bt_alloc(vm);
 807         btfree->bt_type = BT_TYPE_FREE;
 808         btfree->bt_start = addr;
 809         btfree->bt_size = size;
 810         bt_insseg(vm, btfree, btspan);
 811         bt_insfree(vm, btfree);
 812
 813         vm->vm_size += size;
 814 }
 815
 816 static void
 817 vmem_destroy1(vmem_t *vm)
 818 {
 819         bt_t *bt;
 820
 821         /*
 822          * Drain per-cpu quantum caches.
 823          */
 824         qc_destroy(vm);
 825
 826         /*
 827          * The vmem should now only contain empty segments.
 828          */
 829         VMEM_LOCK(vm);
 830         MPASS(vm->vm_nbusytag == 0);
 831
 832         TAILQ_REMOVE(&vm->vm_seglist, &vm->vm_cursor, bt_seglist);
 833         while ((bt = TAILQ_FIRST(&vm->vm_seglist)) != NULL)
 834                 bt_remseg(vm, bt);
 835
 836         if (vm->vm_hashlist != NULL && vm->vm_hashlist != vm->vm_hash0)
 837                 free(vm->vm_hashlist, M_VMEM);
 838
 839         bt_freetrim(vm, 0);
 840
 841         VMEM_CONDVAR_DESTROY(vm);
 842         VMEM_LOCK_DESTROY(vm);
 843         uma_zfree(vmem_zone, vm);
 844 }
 845
 846 static int
 847 vmem_import(vmem_t *vm, vmem_size_t size, vmem_size_t align, int flags)
 848 {
 849         vmem_addr_t addr;
 850         int error;
 851
 852         if (vm->vm_importfn == NULL)
 853                 return (EINVAL);
 854
 855         /*
 856          * To make sure we get a span that meets the alignment we double it
 857          * and add the size to the tail.  This slightly overestimates.
 858          */
 859         if (align != vm->vm_quantum_mask + 1)
 860                 size = (align * 2) + size;
 861         size = roundup(size, vm->vm_import_quantum);
 862
 863         if (vm->vm_limit != 0 && vm->vm_limit < vm->vm_size + size)
 864                 return (ENOMEM);
 865
 866         /*
 867          * Hide MAXALLOC tags so we're guaranteed to be able to add this
 868          * span and the tag we want to allocate from it.
 869          */
 870         MPASS(vm->vm_nfreetags >= BT_MAXALLOC);
 871         vm->vm_nfreetags -= BT_MAXALLOC;
 872         VMEM_UNLOCK(vm);
 873         error = (vm->vm_importfn)(vm->vm_arg, size, flags, &addr);
 874         VMEM_LOCK(vm);
 875         vm->vm_nfreetags += BT_MAXALLOC;
 876         if (error)
 877                 return (ENOMEM);
 878
 879         vmem_add1(vm, addr, size, BT_TYPE_SPAN);
 880
 881         return 0;
 882 }
 883
 884 /*
 885  * vmem_fit: check if a bt can satisfy the given restrictions.
 886  *
 887  * it's a caller's responsibility to ensure the region is big enough
 888  * before calling us.
 889  */
 890 static int
 891 vmem_fit(const bt_t *bt, vmem_size_t size, vmem_size_t align,
 892     vmem_size_t phase, vmem_size_t nocross, vmem_addr_t minaddr,
 893     vmem_addr_t maxaddr, vmem_addr_t *addrp)
 894 {
 895         vmem_addr_t start;
 896         vmem_addr_t end;
 897
 898         MPASS(size > 0);
 899         MPASS(bt->bt_size >= size); /* caller's responsibility */
 900
 901         /*
 902          * XXX assumption: vmem_addr_t and vmem_size_t are
 903          * unsigned integer of the same size.
 904          */
 905
 906         start = bt->bt_start;
 907         if (start < minaddr) {
 908                 start = minaddr;
 909         }
 910         end = BT_END(bt);
 911         if (end > maxaddr)
 912                 end = maxaddr;
 913         if (start > end)
 914                 return (ENOMEM);
 915
 916         start = VMEM_ALIGNUP(start - phase, align) + phase;
 917         if (start < bt->bt_start)
 918                 start += align;
 919         if (VMEM_CROSS_P(start, start + size - 1, nocross)) {
 920                 MPASS(align < nocross);
 921                 start = VMEM_ALIGNUP(start - phase, nocross) + phase;
 922         }
 923         if (start <= end && end - start >= size - 1) {
 924                 MPASS((start & (align - 1)) == phase);
 925                 MPASS(!VMEM_CROSS_P(start, start + size - 1, nocross));
 926                 MPASS(minaddr <= start);
 927                 MPASS(maxaddr == 0 || start + size - 1 <= maxaddr);
 928                 MPASS(bt->bt_start <= start);
 929                 MPASS(BT_END(bt) - start >= size - 1);
 930                 *addrp = start;
 931
 932                 return (0);
 933         }
 934         return (ENOMEM);
 935 }
 936
 937 /*
 938  * vmem_clip:  Trim the boundary tag edges to the requested start and size.
 939  */
 940 static void
 941 vmem_clip(vmem_t *vm, bt_t *bt, vmem_addr_t start, vmem_size_t size)
 942 {
 943         bt_t *btnew;
 944         bt_t *btprev;
 945
 946         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 947         MPASS(bt->bt_type == BT_TYPE_FREE);
 948         MPASS(bt->bt_size >= size);
 949         bt_remfree(vm, bt);
 950         if (bt->bt_start != start) {
 951                 btprev = bt_alloc(vm);
 952                 btprev->bt_type = BT_TYPE_FREE;
 953                 btprev->bt_start = bt->bt_start;
 954                 btprev->bt_size = start - bt->bt_start;
 955                 bt->bt_start = start;
 956                 bt->bt_size -= btprev->bt_size;
 957                 bt_insfree(vm, btprev);
 958                 bt_insseg(vm, btprev,
 959                     TAILQ_PREV(bt, vmem_seglist, bt_seglist));
 960         }
 961         MPASS(bt->bt_start == start);
 962         if (bt->bt_size != size && bt->bt_size - size > vm->vm_quantum_mask) {
 963                 /* split */
 964                 btnew = bt_alloc(vm);
 965                 btnew->bt_type = BT_TYPE_BUSY;
 966                 btnew->bt_start = bt->bt_start;
 967                 btnew->bt_size = size;
 968                 bt->bt_start = bt->bt_start + size;
 969                 bt->bt_size -= size;
 970                 bt_insfree(vm, bt);
 971                 bt_insseg(vm, btnew,
 972                     TAILQ_PREV(bt, vmem_seglist, bt_seglist));
 973                 bt_insbusy(vm, btnew);
 974                 bt = btnew;
 975         } else {
 976                 bt->bt_type = BT_TYPE_BUSY;
 977                 bt_insbusy(vm, bt);
 978         }
 979         MPASS(bt->bt_size >= size);
 980 }
 981
 982 static int
 983 vmem_try_fetch(vmem_t *vm, const vmem_size_t size, vmem_size_t align, int flags)
 984 {
 985         vmem_size_t avail;
 986
 987         VMEM_ASSERT_LOCKED(vm);
 988
 989         /*
 990          * XXX it is possible to fail to meet xalloc constraints with the
 991          * imported region.  It is up to the user to specify the
 992          * import quantum such that it can satisfy any allocation.
 993          */
 994         if (vmem_import(vm, size, align, flags) == 0)
 995                 return (1);
 996
 997         /*
 998          * Try to free some space from the quantum cache or reclaim
 999          * functions if available.
1000          */
1001         if (vm->vm_qcache_max != 0 || vm->vm_reclaimfn != NULL) {
1002                 avail = vm->vm_size - vm->vm_inuse;
1003                 VMEM_UNLOCK(vm);
1004                 if (vm->vm_qcache_max != 0)
1005                         qc_drain(vm);
1006                 if (vm->vm_reclaimfn != NULL)
1007                         vm->vm_reclaimfn(vm, flags);
1008                 VMEM_LOCK(vm);
1009                 /* If we were successful retry even NOWAIT. */
1010                 if (vm->vm_size - vm->vm_inuse > avail)
1011                         return (1);
1012         }
1013         if ((flags & M_NOWAIT) != 0)
1014                 return (0);
1015         VMEM_CONDVAR_WAIT(vm);
1016         return (1);
1017 }
1018
1019 static int
1020 vmem_try_release(vmem_t *vm, struct vmem_btag *bt, const bool remfree)
1021 {
1022         struct vmem_btag *prev;
1023
1024         MPASS(bt->bt_type == BT_TYPE_FREE);
1025
1026         if (vm->vm_releasefn == NULL)
1027                 return (0);
1028
1029         prev = TAILQ_PREV(bt, vmem_seglist, bt_seglist);
1030         MPASS(prev != NULL);
1031         MPASS(prev->bt_type != BT_TYPE_FREE);
1032
1033         if (prev->bt_type == BT_TYPE_SPAN && prev->bt_size == bt->bt_size) {
1034                 vmem_addr_t spanaddr;
1035                 vmem_size_t spansize;
1036
1037                 MPASS(prev->bt_start == bt->bt_start);
1038                 spanaddr = prev->bt_start;
1039                 spansize = prev->bt_size;
1040                 if (remfree)
1041                         bt_remfree(vm, bt);
1042                 bt_remseg(vm, bt);
1043                 bt_remseg(vm, prev);
1044                 vm->vm_size -= spansize;
1045                 VMEM_CONDVAR_BROADCAST(vm);
1046                 bt_freetrim(vm, BT_MAXFREE);
1047                 vm->vm_releasefn(vm->vm_arg, spanaddr, spansize);
1048                 return (1);
1049         }
1050         return (0);
1051 }
1052
1053 static int
1054 vmem_xalloc_nextfit(vmem_t *vm, const vmem_size_t size, vmem_size_t align,
1055     const vmem_size_t phase, const vmem_size_t nocross, int flags,
1056     vmem_addr_t *addrp)
1057 {
1058         struct vmem_btag *bt, *cursor, *next, *prev;
1059         int error;
1060
1061         error = ENOMEM;
1062         VMEM_LOCK(vm);
1063 retry:
1064         /*
1065          * Make sure we have enough tags to complete the operation.
1066          */
1067         if (vm->vm_nfreetags < BT_MAXALLOC && bt_fill(vm, flags) != 0)
1068                 goto out;
1069
1070         /*
1071          * Find the next free tag meeting our constraints.  If one is found,
1072          * perform the allocation.
1073          */
1074         for (cursor = &vm->vm_cursor, bt = TAILQ_NEXT(cursor, bt_seglist);
1075             bt != cursor; bt = TAILQ_NEXT(bt, bt_seglist)) {
1076                 if (bt == NULL)
1077                         bt = TAILQ_FIRST(&vm->vm_seglist);
1078                 if (bt->bt_type == BT_TYPE_FREE && bt->bt_size >= size &&
1079                     (error = vmem_fit(bt, size, align, phase, nocross,
1080                     VMEM_ADDR_MIN, VMEM_ADDR_MAX, addrp)) == 0) {
1081                         vmem_clip(vm, bt, *addrp, size);
1082                         break;
1083                 }
1084         }
1085
1086         /*
1087          * Try to coalesce free segments around the cursor.  If we succeed, and
1088          * have not yet satisfied the allocation request, try again with the
1089          * newly coalesced segment.
1090          */
1091         if ((next = TAILQ_NEXT(cursor, bt_seglist)) != NULL &&
1092             (prev = TAILQ_PREV(cursor, vmem_seglist, bt_seglist)) != NULL &&
1093             next->bt_type == BT_TYPE_FREE && prev->bt_type == BT_TYPE_FREE &&
1094             prev->bt_start + prev->bt_size == next->bt_start) {
1095                 prev->bt_size += next->bt_size;
1096                 bt_remfree(vm, next);
1097                 bt_remseg(vm, next);
1098
1099                 /*
1100                  * The coalesced segment might be able to satisfy our request.
1101                  * If not, we might need to release it from the arena.
1102                  */
1103                 if (error == ENOMEM && prev->bt_size >= size &&
1104                     (error = vmem_fit(prev, size, align, phase, nocross,
1105                     VMEM_ADDR_MIN, VMEM_ADDR_MAX, addrp)) == 0) {
1106                         vmem_clip(vm, prev, *addrp, size);
1107                         bt = prev;
1108                 } else
1109                         (void)vmem_try_release(vm, prev, true);
1110         }
1111
1112         /*
1113          * If the allocation was successful, advance the cursor.
1114          */
1115         if (error == 0) {
1116                 TAILQ_REMOVE(&vm->vm_seglist, cursor, bt_seglist);
1117                 for (; bt != NULL && bt->bt_start < *addrp + size;
1118                     bt = TAILQ_NEXT(bt, bt_seglist))
1119                         ;
1120                 if (bt != NULL)
1121                         TAILQ_INSERT_BEFORE(bt, cursor, bt_seglist);
1122                 else
1123                         TAILQ_INSERT_HEAD(&vm->vm_seglist, cursor, bt_seglist);
1124         }
1125
1126         /*
1127          * Attempt to bring additional resources into the arena.  If that fails
1128          * and M_WAITOK is specified, sleep waiting for resources to be freed.
1129          */
1130         if (error == ENOMEM && vmem_try_fetch(vm, size, align, flags))
1131                 goto retry;
1132
1133 out:
1134         VMEM_UNLOCK(vm);
1135         return (error);
1136 }
1137
1138 /* ---- vmem API */
1139
1140 void
1141 vmem_set_import(vmem_t *vm, vmem_import_t *importfn,
1142      vmem_release_t *releasefn, void *arg, vmem_size_t import_quantum)
1143 {
1144
1145         VMEM_LOCK(vm);
1146         vm->vm_importfn = importfn;
1147         vm->vm_releasefn = releasefn;
1148         vm->vm_arg = arg;
1149         vm->vm_import_quantum = import_quantum;
1150         VMEM_UNLOCK(vm);
1151 }
1152
1153 void
1154 vmem_set_limit(vmem_t *vm, vmem_size_t limit)
1155 {
1156
1157         VMEM_LOCK(vm);
1158         vm->vm_limit = limit;
1159         VMEM_UNLOCK(vm);
1160 }
1161
1162 void
1163 vmem_set_reclaim(vmem_t *vm, vmem_reclaim_t *reclaimfn)
1164 {
1165
1166         VMEM_LOCK(vm);
1167         vm->vm_reclaimfn = reclaimfn;
1168         VMEM_UNLOCK(vm);
1169 }
1170
1171 /*
1172  * vmem_init: Initializes vmem arena.
1173  */
1174 vmem_t *
1175 vmem_init(vmem_t *vm, const char *name, vmem_addr_t base, vmem_size_t size,
1176     vmem_size_t quantum, vmem_size_t qcache_max, int flags)
1177 {
1178         int i;
1179
1180         MPASS(quantum > 0);
1181         MPASS((quantum & (quantum - 1)) == 0);
1182
1183         bzero(vm, sizeof(*vm));
1184
1185         VMEM_CONDVAR_INIT(vm, name);
1186         VMEM_LOCK_INIT(vm, name);
1187         vm->vm_nfreetags = 0;
1188         LIST_INIT(&vm->vm_freetags);
1189         strlcpy(vm->vm_name, name, sizeof(vm->vm_name));
1190         vm->vm_quantum_mask = quantum - 1;
1191         vm->vm_quantum_shift = flsl(quantum) - 1;
1192         vm->vm_nbusytag = 0;
1193         vm->vm_size = 0;
1194         vm->vm_limit = 0;
1195         vm->vm_inuse = 0;
1196         qc_init(vm, qcache_max);
1197
1198         TAILQ_INIT(&vm->vm_seglist);
1199         vm->vm_cursor.bt_start = vm->vm_cursor.bt_size = 0;
1200         vm->vm_cursor.bt_type = BT_TYPE_CURSOR;
1201         TAILQ_INSERT_TAIL(&vm->vm_seglist, &vm->vm_cursor, bt_seglist);
1202
1203         for (i = 0; i < VMEM_MAXORDER; i++)
1204                 LIST_INIT(&vm->vm_freelist[i]);
1205
1206         memset(&vm->vm_hash0, 0, sizeof(vm->vm_hash0));
1207         vm->vm_hashsize = VMEM_HASHSIZE_MIN;
1208         vm->vm_hashlist = vm->vm_hash0;
1209
1210         if (size != 0) {
1211                 if (vmem_add(vm, base, size, flags) != 0) {
1212                         vmem_destroy1(vm);
1213                         return NULL;
1214                 }
1215         }
1216
1217         mtx_lock(&vmem_list_lock);
1218         LIST_INSERT_HEAD(&vmem_list, vm, vm_alllist);
1219         mtx_unlock(&vmem_list_lock);
1220
1221         return vm;
1222 }
1223
1224 /*
1225  * vmem_create: create an arena.
1226  */
1227 vmem_t *
1228 vmem_create(const char *name, vmem_addr_t base, vmem_size_t size,
1229     vmem_size_t quantum, vmem_size_t qcache_max, int flags)
1230 {
1231
1232         vmem_t *vm;
1233
1234         vm = uma_zalloc(vmem_zone, flags & (M_WAITOK|M_NOWAIT));
1235         if (vm == NULL)
1236                 return (NULL);
1237         if (vmem_init(vm, name, base, size, quantum, qcache_max,
1238             flags) == NULL)
1239                 return (NULL);
1240         return (vm);
1241 }
1242
1243 void
1244 vmem_destroy(vmem_t *vm)
1245 {
1246
1247         mtx_lock(&vmem_list_lock);
1248         LIST_REMOVE(vm, vm_alllist);
1249         mtx_unlock(&vmem_list_lock);
1250
1251         vmem_destroy1(vm);
1252 }
1253
1254 vmem_size_t
1255 vmem_roundup_size(vmem_t *vm, vmem_size_t size)
1256 {
1257
1258         return (size + vm->vm_quantum_mask) & ~vm->vm_quantum_mask;
1259 }
1260
1261 /*
1262  * vmem_alloc: allocate resource from the arena.
1263  */
1264 int
1265 vmem_alloc(vmem_t *vm, vmem_size_t size, int flags, vmem_addr_t *addrp)
1266 {
1267         const int strat __unused = flags & VMEM_FITMASK;
1268         qcache_t *qc;
1269
1270         flags &= VMEM_FLAGS;
1271         MPASS(size > 0);
1272         MPASS(strat == M_BESTFIT || strat == M_FIRSTFIT || strat == M_NEXTFIT);
1273         if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
1274                 WITNESS_WARN(WARN_GIANTOK | WARN_SLEEPOK, NULL, "vmem_alloc");
1275
1276         if (size <= vm->vm_qcache_max) {
1277                 /*
1278                  * Resource 0 cannot be cached, so avoid a blocking allocation
1279                  * in qc_import() and give the vmem_xalloc() call below a chance
1280                  * to return 0.
1281                  */
1282                 qc = &vm->vm_qcache[(size - 1) >> vm->vm_quantum_shift];
1283                 *addrp = (vmem_addr_t)uma_zalloc(qc->qc_cache,
1284                     (flags & ~M_WAITOK) | M_NOWAIT);
1285                 if (__predict_true(*addrp != 0))
1286                         return (0);
1287         }
1288
1289         return (vmem_xalloc(vm, size, 0, 0, 0, VMEM_ADDR_MIN, VMEM_ADDR_MAX,
1290             flags, addrp));
1291 }
1292
1293 int
1294 vmem_xalloc(vmem_t *vm, const vmem_size_t size0, vmem_size_t align,
1295     const vmem_size_t phase, const vmem_size_t nocross,
1296     const vmem_addr_t minaddr, const vmem_addr_t maxaddr, int flags,
1297     vmem_addr_t *addrp)
1298 {
1299         const vmem_size_t size = vmem_roundup_size(vm, size0);
1300         struct vmem_freelist *list;
1301         struct vmem_freelist *first;
1302         struct vmem_freelist *end;
1303         bt_t *bt;
1304         int error;
1305         int strat;
1306
1307         flags &= VMEM_FLAGS;
1308         strat = flags & VMEM_FITMASK;
1309         MPASS(size0 > 0);
1310         MPASS(size > 0);
1311         MPASS(strat == M_BESTFIT || strat == M_FIRSTFIT || strat == M_NEXTFIT);
1312         MPASS((flags & (M_NOWAIT|M_WAITOK)) != (M_NOWAIT|M_WAITOK));
1313         if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
1314                 WITNESS_WARN(WARN_GIANTOK | WARN_SLEEPOK, NULL, "vmem_xalloc");
1315         MPASS((align & vm->vm_quantum_mask) == 0);
1316         MPASS((align & (align - 1)) == 0);
1317         MPASS((phase & vm->vm_quantum_mask) == 0);
1318         MPASS((nocross & vm->vm_quantum_mask) == 0);
1319         MPASS((nocross & (nocross - 1)) == 0);
1320         MPASS((align == 0 && phase == 0) || phase < align);
1321         MPASS(nocross == 0 || nocross >= size);
1322         MPASS(minaddr <= maxaddr);
1323         MPASS(!VMEM_CROSS_P(phase, phase + size - 1, nocross));
1324         if (strat == M_NEXTFIT)
1325                 MPASS(minaddr == VMEM_ADDR_MIN && maxaddr == VMEM_ADDR_MAX);
1326
1327         if (align == 0)
1328                 align = vm->vm_quantum_mask + 1;
1329         *addrp = 0;
1330
1331         /*
1332          * Next-fit allocations don't use the freelists.
1333          */
1334         if (strat == M_NEXTFIT)
1335                 return (vmem_xalloc_nextfit(vm, size0, align, phase, nocross,
1336                     flags, addrp));
1337
1338         end = &vm->vm_freelist[VMEM_MAXORDER];
1339         /*
1340          * choose a free block from which we allocate.
1341          */
1342         first = bt_freehead_toalloc(vm, size, strat);
1343         VMEM_LOCK(vm);
1344         for (;;) {
1345                 /*
1346                  * Make sure we have enough tags to complete the
1347                  * operation.
1348                  */
1349                 if (vm->vm_nfreetags < BT_MAXALLOC &&
1350                     bt_fill(vm, flags) != 0) {
1351                         error = ENOMEM;
1352                         break;
1353                 }
1354
1355                 /*
1356                  * Scan freelists looking for a tag that satisfies the
1357                  * allocation.  If we're doing BESTFIT we may encounter
1358                  * sizes below the request.  If we're doing FIRSTFIT we
1359                  * inspect only the first element from each list.
1360                  */
1361                 for (list = first; list < end; list++) {
1362                         LIST_FOREACH(bt, list, bt_freelist) {
1363                                 if (bt->bt_size >= size) {
1364                                         error = vmem_fit(bt, size, align, phase,
1365                                             nocross, minaddr, maxaddr, addrp);
1366                                         if (error == 0) {
1367                                                 vmem_clip(vm, bt, *addrp, size);
1368                                                 goto out;
1369                                         }
1370                                 }
1371                                 /* FIRST skips to the next list. */
1372                                 if (strat == M_FIRSTFIT)
1373                                         break;
1374                         }
1375                 }
1376
1377                 /*
1378                  * Retry if the fast algorithm failed.
1379                  */
1380                 if (strat == M_FIRSTFIT) {
1381                         strat = M_BESTFIT;
1382                         first = bt_freehead_toalloc(vm, size, strat);
1383                         continue;
1384                 }
1385
1386                 /*
1387                  * Try a few measures to bring additional resources into the
1388                  * arena.  If all else fails, we will sleep waiting for
1389                  * resources to be freed.
1390                  */
1391                 if (!vmem_try_fetch(vm, size, align, flags)) {
1392                         error = ENOMEM;
1393                         break;
1394                 }
1395         }
1396 out:
1397         VMEM_UNLOCK(vm);
1398         if (error != 0 && (flags & M_NOWAIT) == 0)
1399                 panic("failed to allocate waiting allocation\n");
1400
1401         return (error);
1402 }
1403
1404 /*
1405  * vmem_free: free the resource to the arena.
1406  */
1407 void
1408 vmem_free(vmem_t *vm, vmem_addr_t addr, vmem_size_t size)
1409 {
1410         qcache_t *qc;
1411         MPASS(size > 0);
1412
1413         if (size <= vm->vm_qcache_max &&
1414             __predict_true(addr >= VMEM_ADDR_QCACHE_MIN)) {
1415                 qc = &vm->vm_qcache[(size - 1) >> vm->vm_quantum_shift];
1416                 uma_zfree(qc->qc_cache, (void *)addr);
1417         } else
1418                 vmem_xfree(vm, addr, size);
1419 }
1420
1421 void
1422 vmem_xfree(vmem_t *vm, vmem_addr_t addr, vmem_size_t size)
1423 {
1424         bt_t *bt;
1425         bt_t *t;
1426
1427         MPASS(size > 0);
1428
1429         VMEM_LOCK(vm);
1430         bt = bt_lookupbusy(vm, addr);
1431         MPASS(bt != NULL);
1432         MPASS(bt->bt_start == addr);
1433         MPASS(bt->bt_size == vmem_roundup_size(vm, size) ||
1434             bt->bt_size - vmem_roundup_size(vm, size) <= vm->vm_quantum_mask);
1435         MPASS(bt->bt_type == BT_TYPE_BUSY);
1436         bt_rembusy(vm, bt);
1437         bt->bt_type = BT_TYPE_FREE;
1438
1439         /* coalesce */
1440         t = TAILQ_NEXT(bt, bt_seglist);
1441         if (t != NULL && t->bt_type == BT_TYPE_FREE) {
1442                 MPASS(BT_END(bt) < t->bt_start);        /* YYY */
1443                 bt->bt_size += t->bt_size;
1444                 bt_remfree(vm, t);
1445                 bt_remseg(vm, t);
1446         }
1447         t = TAILQ_PREV(bt, vmem_seglist, bt_seglist);
1448         if (t != NULL && t->bt_type == BT_TYPE_FREE) {
1449                 MPASS(BT_END(t) < bt->bt_start);        /* YYY */
1450                 bt->bt_size += t->bt_size;
1451                 bt->bt_start = t->bt_start;
1452                 bt_remfree(vm, t);
1453                 bt_remseg(vm, t);
1454         }
1455
1456         if (!vmem_try_release(vm, bt, false)) {
1457                 bt_insfree(vm, bt);
1458                 VMEM_CONDVAR_BROADCAST(vm);
1459                 bt_freetrim(vm, BT_MAXFREE);
1460         }
1461 }
1462
1463 /*
1464  * vmem_add:
1465  *
1466  */
1467 int
1468 vmem_add(vmem_t *vm, vmem_addr_t addr, vmem_size_t size, int flags)
1469 {
1470         int error;
1471
1472         error = 0;
1473         flags &= VMEM_FLAGS;
1474         VMEM_LOCK(vm);
1475         if (vm->vm_nfreetags >= BT_MAXALLOC || bt_fill(vm, flags) == 0)
1476                 vmem_add1(vm, addr, size, BT_TYPE_SPAN_STATIC);
1477         else
1478                 error = ENOMEM;
1479         VMEM_UNLOCK(vm);
1480
1481         return (error);
1482 }
1483
1484 /*
1485  * vmem_size: information about arenas size
1486  */
1487 vmem_size_t
1488 vmem_size(vmem_t *vm, int typemask)
1489 {
1490         int i;
1491
1492         switch (typemask) {
1493         case VMEM_ALLOC:
1494                 return vm->vm_inuse;
1495         case VMEM_FREE:
1496                 return vm->vm_size - vm->vm_inuse;
1497         case VMEM_FREE|VMEM_ALLOC:
1498                 return vm->vm_size;
1499         case VMEM_MAXFREE:
1500                 VMEM_LOCK(vm);
1501                 for (i = VMEM_MAXORDER - 1; i >= 0; i--) {
1502                         if (LIST_EMPTY(&vm->vm_freelist[i]))
1503                                 continue;
1504                         VMEM_UNLOCK(vm);
1505                         return ((vmem_size_t)ORDER2SIZE(i) <<
1506                             vm->vm_quantum_shift);
1507                 }
1508                 VMEM_UNLOCK(vm);
1509                 return (0);
1510         default:
1511                 panic("vmem_size");
1512         }
1513 }
1514
1515 /* ---- debug */
1516
1517 #if defined(DDB) || defined(DIAGNOSTIC)
1518
1519 static void bt_dump(const bt_t *, int (*)(const char *, ...)
1520     __printflike(1, 2));
1521
1522 static const char *
1523 bt_type_string(int type)
1524 {
1525
1526         switch (type) {
1527         case BT_TYPE_BUSY:
1528                 return "busy";
1529         case BT_TYPE_FREE:
1530                 return "free";
1531         case BT_TYPE_SPAN:
1532                 return "span";
1533         case BT_TYPE_SPAN_STATIC:
1534                 return "static span";
1535         case BT_TYPE_CURSOR:
1536                 return "cursor";
1537         default:
1538                 break;
1539         }
1540         return "BOGUS";
1541 }
1542
1543 static void
1544 bt_dump(const bt_t *bt, int (*pr)(const char *, ...))
1545 {
1546
1547         (*pr)("\t%p: %jx %jx, %d(%s)\n",
1548             bt, (intmax_t)bt->bt_start, (intmax_t)bt->bt_size,
1549             bt->bt_type, bt_type_string(bt->bt_type));
1550 }
1551
1552 static void
1553 vmem_dump(const vmem_t *vm , int (*pr)(const char *, ...) __printflike(1, 2))
1554 {
1555         const bt_t *bt;
1556         int i;
1557
1558         (*pr)("vmem %p '%s'\n", vm, vm->vm_name);
1559         TAILQ_FOREACH(bt, &vm->vm_seglist, bt_seglist) {
1560                 bt_dump(bt, pr);
1561         }
1562
1563         for (i = 0; i < VMEM_MAXORDER; i++) {
1564                 const struct vmem_freelist *fl = &vm->vm_freelist[i];
1565
1566                 if (LIST_EMPTY(fl)) {
1567                         continue;
1568                 }
1569
1570                 (*pr)("freelist[%d]\n", i);
1571                 LIST_FOREACH(bt, fl, bt_freelist) {
1572                         bt_dump(bt, pr);
1573                 }
1574         }
1575 }
1576
1577 #endif /* defined(DDB) || defined(DIAGNOSTIC) */
1578
1579 #if defined(DDB)
1580 #include <ddb/ddb.h>
1581
1582 static bt_t *
1583 vmem_whatis_lookup(vmem_t *vm, vmem_addr_t addr)
1584 {
1585         bt_t *bt;
1586
1587         TAILQ_FOREACH(bt, &vm->vm_seglist, bt_seglist) {
1588                 if (BT_ISSPAN_P(bt)) {
1589                         continue;
1590                 }
1591                 if (bt->bt_start <= addr && addr <= BT_END(bt)) {
1592                         return bt;
1593                 }
1594         }
1595
1596         return NULL;
1597 }
1598
1599 void
1600 vmem_whatis(vmem_addr_t addr, int (*pr)(const char *, ...))
1601 {
1602         vmem_t *vm;
1603
1604         LIST_FOREACH(vm, &vmem_list, vm_alllist) {
1605                 bt_t *bt;
1606
1607                 bt = vmem_whatis_lookup(vm, addr);
1608                 if (bt == NULL) {
1609                         continue;
1610                 }
1611                 (*pr)("%p is %p+%zu in VMEM '%s' (%s)\n",
1612                     (void *)addr, (void *)bt->bt_start,
1613                     (vmem_size_t)(addr - bt->bt_start), vm->vm_name,
1614                     (bt->bt_type == BT_TYPE_BUSY) ? "allocated" : "free");
1615         }
1616 }
1617
1618 void
1619 vmem_printall(const char *modif, int (*pr)(const char *, ...))
1620 {
1621         const vmem_t *vm;
1622
1623         LIST_FOREACH(vm, &vmem_list, vm_alllist) {
1624                 vmem_dump(vm, pr);
1625         }
1626 }
1627
1628 void
1629 vmem_print(vmem_addr_t addr, const char *modif, int (*pr)(const char *, ...))
1630 {
1631         const vmem_t *vm = (const void *)addr;
1632
1633         vmem_dump(vm, pr);
1634 }
1635
1636 DB_SHOW_COMMAND(vmemdump, vmemdump)
1637 {
1638
1639         if (!have_addr) {
1640                 db_printf("usage: show vmemdump <addr>\n");
1641                 return;
1642         }
1643
1644         vmem_dump((const vmem_t *)addr, db_printf);
1645 }
1646
1647 DB_SHOW_ALL_COMMAND(vmemdump, vmemdumpall)
1648 {
1649         const vmem_t *vm;
1650
1651         LIST_FOREACH(vm, &vmem_list, vm_alllist)
1652                 vmem_dump(vm, db_printf);
1653 }
1654
1655 DB_SHOW_COMMAND(vmem, vmem_summ)
1656 {
1657         const vmem_t *vm = (const void *)addr;
1658         const bt_t *bt;
1659         size_t ft[VMEM_MAXORDER], ut[VMEM_MAXORDER];
1660         size_t fs[VMEM_MAXORDER], us[VMEM_MAXORDER];
1661         int ord;
1662
1663         if (!have_addr) {
1664                 db_printf("usage: show vmem <addr>\n");
1665                 return;
1666         }
1667
1668         db_printf("vmem %p '%s'\n", vm, vm->vm_name);
1669         db_printf("\tquantum:\t%zu\n", vm->vm_quantum_mask + 1);
1670         db_printf("\tsize:\t%zu\n", vm->vm_size);
1671         db_printf("\tinuse:\t%zu\n", vm->vm_inuse);
1672         db_printf("\tfree:\t%zu\n", vm->vm_size - vm->vm_inuse);
1673         db_printf("\tbusy tags:\t%d\n", vm->vm_nbusytag);
1674         db_printf("\tfree tags:\t%d\n", vm->vm_nfreetags);
1675
1676         memset(&ft, 0, sizeof(ft));
1677         memset(&ut, 0, sizeof(ut));
1678         memset(&fs, 0, sizeof(fs));
1679         memset(&us, 0, sizeof(us));
1680         TAILQ_FOREACH(bt, &vm->vm_seglist, bt_seglist) {
1681                 ord = SIZE2ORDER(bt->bt_size >> vm->vm_quantum_shift);
1682                 if (bt->bt_type == BT_TYPE_BUSY) {
1683                         ut[ord]++;
1684                         us[ord] += bt->bt_size;
1685                 } else if (bt->bt_type == BT_TYPE_FREE) {
1686                         ft[ord]++;
1687                         fs[ord] += bt->bt_size;
1688                 }
1689         }
1690         db_printf("\t\t\tinuse\tsize\t\tfree\tsize\n");
1691         for (ord = 0; ord < VMEM_MAXORDER; ord++) {
1692                 if (ut[ord] == 0 && ft[ord] == 0)
1693                         continue;
1694                 db_printf("\t%-15zu %zu\t%-15zu %zu\t%-16zu\n",
1695                     ORDER2SIZE(ord) << vm->vm_quantum_shift,
1696                     ut[ord], us[ord], ft[ord], fs[ord]);
1697         }
1698 }
1699
1700 DB_SHOW_ALL_COMMAND(vmem, vmem_summall)
1701 {
1702         const vmem_t *vm;
1703
1704         LIST_FOREACH(vm, &vmem_list, vm_alllist)
1705                 vmem_summ((db_expr_t)vm, TRUE, count, modif);
1706 }
1707 #endif /* defined(DDB) */
1708
1709 #define vmem_printf printf
1710
1711 #if defined(DIAGNOSTIC)
1712
1713 static bool
1714 vmem_check_sanity(vmem_t *vm)
1715 {
1716         const bt_t *bt, *bt2;
1717
1718         MPASS(vm != NULL);
1719
1720         TAILQ_FOREACH(bt, &vm->vm_seglist, bt_seglist) {
1721                 if (bt->bt_start > BT_END(bt)) {
1722                         printf("corrupted tag\n");
1723                         bt_dump(bt, vmem_printf);
1724                         return false;
1725                 }
1726         }
1727         TAILQ_FOREACH(bt, &vm->vm_seglist, bt_seglist) {
1728                 if (bt->bt_type == BT_TYPE_CURSOR) {
1729                         if (bt->bt_start != 0 || bt->bt_size != 0) {
1730                                 printf("corrupted cursor\n");
1731                                 return false;
1732                         }
1733                         continue;
1734                 }
1735                 TAILQ_FOREACH(bt2, &vm->vm_seglist, bt_seglist) {
1736                         if (bt == bt2) {
1737                                 continue;
1738                         }
1739                         if (bt2->bt_type == BT_TYPE_CURSOR) {
1740                                 continue;
1741                         }
1742                         if (BT_ISSPAN_P(bt) != BT_ISSPAN_P(bt2)) {
1743                                 continue;
1744                         }
1745                         if (bt->bt_start <= BT_END(bt2) &&
1746                             bt2->bt_start <= BT_END(bt)) {
1747                                 printf("overwrapped tags\n");
1748                                 bt_dump(bt, vmem_printf);
1749                                 bt_dump(bt2, vmem_printf);
1750                                 return false;
1751                         }
1752                 }
1753         }
1754
1755         return true;
1756 }
1757
1758 static void
1759 vmem_check(vmem_t *vm)
1760 {
1761
1762         if (!vmem_check_sanity(vm)) {
1763                 panic("insanity vmem %p", vm);
1764         }
1765 }
1766
1767 #endif /* defined(DIAGNOSTIC) */