sys/sys/malloc.h

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
   3  *
   4  * Copyright (c) 1987, 1993
   5  *      The Regents of the University of California.
   6  * Copyright (c) 2005, 2009 Robert N. M. Watson
   7  * All rights reserved.
   8  *
   9  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  10  * modification, are permitted provided that the following conditions
  11  * are met:
  12  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  14  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  15  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  16  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  17  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  18  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  19  *    without specific prior written permission.
  20  *
  21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  22  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  23  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  24  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  25  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  26  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  27  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  28  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  29  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  30  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  31  * SUCH DAMAGE.
  32  */
  33
  34 #ifndef _SYS_MALLOC_H_
  35 #define _SYS_MALLOC_H_
  36
  37 #ifndef _STANDALONE
  38 #include <sys/param.h>
  39 #ifdef _KERNEL
  40 #include <sys/systm.h>
  41 #endif
  42 #include <sys/queue.h>
  43 #include <sys/_lock.h>
  44 #include <sys/_mutex.h>
  45 #include <machine/_limits.h>
  46
  47 #define MINALLOCSIZE    UMA_SMALLEST_UNIT
  48
  49 /*
  50  * Flags to memory allocation functions.
  51  */
  52 #define M_NOWAIT        0x0001          /* do not block */
  53 #define M_WAITOK        0x0002          /* ok to block */
  54 #define M_NORECLAIM     0x0080          /* do not reclaim after failure */
  55 #define M_ZERO          0x0100          /* bzero the allocation */
  56 #define M_NOVM          0x0200          /* don't ask VM for pages */
  57 #define M_USE_RESERVE   0x0400          /* can alloc out of reserve memory */
  58 #define M_NODUMP        0x0800          /* don't dump pages in this allocation */
  59 #define M_FIRSTFIT      0x1000          /* only for vmem, fast fit */
  60 #define M_BESTFIT       0x2000          /* only for vmem, low fragmentation */
  61 #define M_EXEC          0x4000          /* allocate executable space */
  62 #define M_NEXTFIT       0x8000          /* only for vmem, follow cursor */
  63
  64 #define M_VERSION       2020110501
  65
  66 /*
  67  * Two malloc type structures are present: malloc_type, which is used by a
  68  * type owner to declare the type, and malloc_type_internal, which holds
  69  * malloc-owned statistics and other ABI-sensitive fields, such as the set of
  70  * malloc statistics indexed by the compile-time MAXCPU constant.
  71  * Applications should avoid introducing dependence on the allocator private
  72  * data layout and size.
  73  *
  74  * The malloc_type ks_next field is protected by malloc_mtx.  Other fields in
  75  * malloc_type are static after initialization so unsynchronized.
  76  *
  77  * Statistics in malloc_type_stats are written only when holding a critical
  78  * section and running on the CPU associated with the index into the stat
  79  * array, but read lock-free resulting in possible (minor) races, which the
  80  * monitoring app should take into account.
  81  */
  82 struct malloc_type_stats {
  83         uint64_t        mts_memalloced; /* Bytes allocated on CPU. */
  84         uint64_t        mts_memfreed;   /* Bytes freed on CPU. */
  85         uint64_t        mts_numallocs;  /* Number of allocates on CPU. */
  86         uint64_t        mts_numfrees;   /* number of frees on CPU. */
  87         uint64_t        mts_size;       /* Bitmask of sizes allocated on CPU. */
  88         uint64_t        _mts_reserved1; /* Reserved field. */
  89         uint64_t        _mts_reserved2; /* Reserved field. */
  90         uint64_t        _mts_reserved3; /* Reserved field. */
  91 };
  92
  93 _Static_assert(sizeof(struct malloc_type_stats) == 64,
  94     "allocations come from pcpu_zone_64");
  95
  96 /*
  97  * Index definitions for the mti_probes[] array.
  98  */
  99 #define DTMALLOC_PROBE_MALLOC           0
 100 #define DTMALLOC_PROBE_FREE             1
 101 #define DTMALLOC_PROBE_MAX              2
 102
 103 struct malloc_type_internal {
 104         uint32_t        mti_probes[DTMALLOC_PROBE_MAX];
 105                                         /* DTrace probe ID array. */
 106         u_char          mti_zone;
 107         struct malloc_type_stats        *mti_stats;
 108         u_long          mti_spare[8];
 109 };
 110
 111 /*
 112  * Public data structure describing a malloc type.
 113  */
 114 struct malloc_type {
 115         struct malloc_type *ks_next;    /* Next in global chain. */
 116         u_long           ks_version;    /* Detect programmer error. */
 117         const char      *ks_shortdesc;  /* Printable type name. */
 118         struct malloc_type_internal ks_mti;
 119 };
 120
 121 /*
 122  * Statistics structure headers for user space.  The kern.malloc sysctl
 123  * exposes a structure stream consisting of a stream header, then a series of
 124  * malloc type headers and statistics structures (quantity maxcpus).  For
 125  * convenience, the kernel will provide the current value of maxcpus at the
 126  * head of the stream.
 127  */
 128 #define MALLOC_TYPE_STREAM_VERSION      0x00000001
 129 struct malloc_type_stream_header {
 130         uint32_t        mtsh_version;   /* Stream format version. */
 131         uint32_t        mtsh_maxcpus;   /* Value of MAXCPU for stream. */
 132         uint32_t        mtsh_count;     /* Number of records. */
 133         uint32_t        _mtsh_pad;      /* Pad/reserved field. */
 134 };
 135
 136 #define MALLOC_MAX_NAME 32
 137 struct malloc_type_header {
 138         char                            mth_name[MALLOC_MAX_NAME];
 139 };
 140
 141 #ifdef _KERNEL
 142 #define MALLOC_DEFINE(type, shortdesc, longdesc)                        \
 143         struct malloc_type type[1] = {                                  \
 144                 {                                                       \
 145                         .ks_next = NULL,                                \
 146                         .ks_version = M_VERSION,                        \
 147                         .ks_shortdesc = shortdesc,                      \
 148                 }                                                       \
 149         };                                                              \
 150         SYSINIT(type##_init, SI_SUB_KMEM, SI_ORDER_THIRD, malloc_init,  \
 151             type);                                                      \
 152         SYSUNINIT(type##_uninit, SI_SUB_KMEM, SI_ORDER_ANY,             \
 153             malloc_uninit, type)
 154
 155 #define MALLOC_DECLARE(type) \
 156         extern struct malloc_type type[1]
 157
 158 MALLOC_DECLARE(M_CACHE);
 159 MALLOC_DECLARE(M_DEVBUF);
 160 MALLOC_DECLARE(M_TEMP);
 161
 162 /*
 163  * XXX this should be declared in <sys/uio.h>, but that tends to fail
 164  * because <sys/uio.h> is included in a header before the source file
 165  * has a chance to include <sys/malloc.h> to get MALLOC_DECLARE() defined.
 166  */
 167 MALLOC_DECLARE(M_IOV);
 168
 169 struct domainset;
 170 extern struct mtx malloc_mtx;
 171
 172 /*
 173  * Function type used when iterating over the list of malloc types.
 174  */
 175 typedef void malloc_type_list_func_t(struct malloc_type *, void *);
 176
 177 void    contigfree(void *addr, unsigned long size, struct malloc_type *type);
 178 void    *contigmalloc(unsigned long size, struct malloc_type *type, int flags,
 179             vm_paddr_t low, vm_paddr_t high, unsigned long alignment,
 180             vm_paddr_t boundary) __malloc_like __result_use_check
 181             __alloc_size(1) __alloc_align(6);
 182 void    *contigmalloc_domainset(unsigned long size, struct malloc_type *type,
 183             struct domainset *ds, int flags, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 184             unsigned long alignment, vm_paddr_t boundary)
 185             __malloc_like __result_use_check __alloc_size(1) __alloc_align(7);
 186 void    free(void *addr, struct malloc_type *type);
 187 void    zfree(void *addr, struct malloc_type *type);
 188 void    *malloc(size_t size, struct malloc_type *type, int flags) __malloc_like
 189             __result_use_check __alloc_size(1);
 190 /*
 191  * Try to optimize malloc(..., ..., M_ZERO) allocations by doing zeroing in
 192  * place if the size is known at compilation time.
 193  *
 194  * Passing the flag down requires malloc to blindly zero the entire object.
 195  * In practice a lot of the zeroing can be avoided if most of the object
 196  * gets explicitly initialized after the allocation. Letting the compiler
 197  * zero in place gives it the opportunity to take advantage of this state.
 198  *
 199  * Note that the operation is only applicable if both flags and size are
 200  * known at compilation time. If M_ZERO is passed but M_WAITOK is not, the
 201  * allocation can fail and a NULL check is needed. However, if M_WAITOK is
 202  * passed we know the allocation must succeed and the check can be elided.
 203  *
 204  *      _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);
 205  *      if (((flags) & M_WAITOK) != 0 || _malloc_item != NULL)
 206  *              bzero(_malloc_item, _size);
 207  *
 208  * If the flag is set, the compiler knows the left side is always true,
 209  * therefore the entire statement is true and the callsite is:
 210  *
 211  *      _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);
 212  *      bzero(_malloc_item, _size);
 213  *
 214  * If the flag is not set, the compiler knows the left size is always false
 215  * and the NULL check is needed, therefore the callsite is:
 216  *
 217  *      _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);
 218  *      if (_malloc_item != NULL)
 219  *              bzero(_malloc_item, _size);
 220  *
 221  * The implementation is a macro because of what appears to be a clang 6 bug:
 222  * an inline function variant ended up being compiled to a mere malloc call
 223  * regardless of argument. gcc generates expected code (like the above).
 224  */
 225 #define malloc(size, type, flags) ({                                    \
 226         void *_malloc_item;                                             \
 227         size_t _size = (size);                                          \
 228         if (__builtin_constant_p(size) && __builtin_constant_p(flags) &&\
 229             ((flags) & M_ZERO) != 0) {                                  \
 230                 _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);  \
 231                 if (((flags) & M_WAITOK) != 0 ||                        \
 232                     __predict_true(_malloc_item != NULL))               \
 233                         memset(_malloc_item, 0, _size);                 \
 234         } else {                                                        \
 235                 _malloc_item = malloc(_size, type, flags);              \
 236         }                                                               \
 237         _malloc_item;                                                   \
 238 })
 239
 240 void    *malloc_domainset(size_t size, struct malloc_type *type,
 241             struct domainset *ds, int flags) __malloc_like __result_use_check
 242             __alloc_size(1);
 243 void    *mallocarray(size_t nmemb, size_t size, struct malloc_type *type,
 244             int flags) __malloc_like __result_use_check
 245             __alloc_size2(1, 2);
 246 void    *mallocarray_domainset(size_t nmemb, size_t size, struct malloc_type *type,
 247             struct domainset *ds, int flags) __malloc_like __result_use_check
 248             __alloc_size2(1, 2);
 249 void    *malloc_exec(size_t size, struct malloc_type *type, int flags) __malloc_like
 250             __result_use_check __alloc_size(1);
 251 void    *malloc_domainset_exec(size_t size, struct malloc_type *type,
 252             struct domainset *ds, int flags) __malloc_like __result_use_check
 253             __alloc_size(1);
 254 void    malloc_init(void *);
 255 void    malloc_type_allocated(struct malloc_type *type, unsigned long size);
 256 void    malloc_type_freed(struct malloc_type *type, unsigned long size);
 257 void    malloc_type_list(malloc_type_list_func_t *, void *);
 258 void    malloc_uninit(void *);
 259 size_t  malloc_size(size_t);
 260 size_t  malloc_usable_size(const void *);
 261 void    *realloc(void *addr, size_t size, struct malloc_type *type, int flags)
 262             __result_use_check __alloc_size(2);
 263 void    *reallocf(void *addr, size_t size, struct malloc_type *type, int flags)
 264             __result_use_check __alloc_size(2);
 265 void    *malloc_aligned(size_t size, size_t align, struct malloc_type *type,
 266             int flags) __malloc_like __result_use_check __alloc_size(1);
 267 void    *malloc_domainset_aligned(size_t size, size_t align,
 268             struct malloc_type *mtp, struct domainset *ds, int flags)
 269             __malloc_like __result_use_check __alloc_size(1);
 270
 271 struct malloc_type *malloc_desc2type(const char *desc);
 272
 273 /*
 274  * This is sqrt(SIZE_MAX+1), as s1*s2 <= SIZE_MAX
 275  * if both s1 < MUL_NO_OVERFLOW and s2 < MUL_NO_OVERFLOW
 276  */
 277 #define MUL_NO_OVERFLOW         (1UL << (sizeof(size_t) * 8 / 2))
 278 static inline bool
 279 WOULD_OVERFLOW(size_t nmemb, size_t size)
 280 {
 281
 282         return ((nmemb >= MUL_NO_OVERFLOW || size >= MUL_NO_OVERFLOW) &&
 283             nmemb > 0 && __SIZE_T_MAX / nmemb < size);
 284 }
 285 #undef MUL_NO_OVERFLOW
 286 #endif /* _KERNEL */
 287
 288 #else
 289 /*
 290  * The native stand malloc / free interface we're mapping to
 291  */
 292 extern void Free(void *p, const char *file, int line);
 293 extern void *Malloc(size_t bytes, const char *file, int line);
 294
 295 /*
 296  * Minimal standalone malloc implementation / environment. None of the
 297  * flags mean anything and there's no need declare malloc types.
 298  * Define the simple alloc / free routines in terms of Malloc and
 299  * Free. None of the kernel features that this stuff disables are needed.
 300  */
 301 #define M_WAITOK 1
 302 #define M_ZERO 0
 303 #define M_NOWAIT 2
 304 #define MALLOC_DECLARE(x)
 305
 306 #define kmem_zalloc(size, flags) ({                                     \
 307         void *p = Malloc((size), __FILE__, __LINE__);                   \
 308         if (p == NULL && (flags &  M_WAITOK) != 0)                      \
 309                 panic("Could not malloc %zd bytes with M_WAITOK from %s line %d", \
 310                     (size_t)size, __FILE__, __LINE__);                  \
 311         p;                                                              \
 312 })
 313
 314 #define kmem_free(p, size) Free(p, __FILE__, __LINE__)
 315
 316 /*
 317  * ZFS mem.h define that's the OpenZFS porting layer way of saying
 318  * M_WAITOK. Given the above, it will also be a nop.
 319  */
 320 #define KM_SLEEP M_WAITOK
 321 #define KM_NOSLEEP M_NOWAIT
 322 #endif /* _STANDALONE */
 323 #endif /* !_SYS_MALLOC_H_ */