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  *      @(#)malloc.h    8.5 (Berkeley) 5/3/95
  34  * $FreeBSD$
  35  */
  36
  37 #ifndef _SYS_MALLOC_H_
  38 #define _SYS_MALLOC_H_
  39
  40 #ifndef _STANDALONE
  41 #include <sys/param.h>
  42 #ifdef _KERNEL
  43 #include <sys/systm.h>
  44 #endif
  45 #include <sys/queue.h>
  46 #include <sys/_lock.h>
  47 #include <sys/_mutex.h>
  48 #include <machine/_limits.h>
  49
  50 #define MINALLOCSIZE    UMA_SMALLEST_UNIT
  51
  52 /*
  53  * Flags to memory allocation functions.
  54  */
  55 #define M_NOWAIT        0x0001          /* do not block */
  56 #define M_WAITOK        0x0002          /* ok to block */
  57 #define M_ZERO          0x0100          /* bzero the allocation */
  58 #define M_NOVM          0x0200          /* don't ask VM for pages */
  59 #define M_USE_RESERVE   0x0400          /* can alloc out of reserve memory */
  60 #define M_NODUMP        0x0800          /* don't dump pages in this allocation */
  61 #define M_FIRSTFIT      0x1000          /* only for vmem, fast fit */
  62 #define M_BESTFIT       0x2000          /* only for vmem, low fragmentation */
  63 #define M_EXEC          0x4000          /* allocate executable space */
  64 #define M_NEXTFIT       0x8000          /* only for vmem, follow cursor */
  65
  66 #define M_VERSION       2020110501
  67
  68 /*
  69  * Two malloc type structures are present: malloc_type, which is used by a
  70  * type owner to declare the type, and malloc_type_internal, which holds
  71  * malloc-owned statistics and other ABI-sensitive fields, such as the set of
  72  * malloc statistics indexed by the compile-time MAXCPU constant.
  73  * Applications should avoid introducing dependence on the allocator private
  74  * data layout and size.
  75  *
  76  * The malloc_type ks_next field is protected by malloc_mtx.  Other fields in
  77  * malloc_type are static after initialization so unsynchronized.
  78  *
  79  * Statistics in malloc_type_stats are written only when holding a critical
  80  * section and running on the CPU associated with the index into the stat
  81  * array, but read lock-free resulting in possible (minor) races, which the
  82  * monitoring app should take into account.
  83  */
  84 struct malloc_type_stats {
  85         uint64_t        mts_memalloced; /* Bytes allocated on CPU. */
  86         uint64_t        mts_memfreed;   /* Bytes freed on CPU. */
  87         uint64_t        mts_numallocs;  /* Number of allocates on CPU. */
  88         uint64_t        mts_numfrees;   /* number of frees on CPU. */
  89         uint64_t        mts_size;       /* Bitmask of sizes allocated on CPU. */
  90         uint64_t        _mts_reserved1; /* Reserved field. */
  91         uint64_t        _mts_reserved2; /* Reserved field. */
  92         uint64_t        _mts_reserved3; /* Reserved field. */
  93 };
  94
  95 _Static_assert(sizeof(struct malloc_type_stats) == 64,
  96     "allocations come from pcpu_zone_64");
  97
  98 /*
  99  * Index definitions for the mti_probes[] array.
 100  */
 101 #define DTMALLOC_PROBE_MALLOC           0
 102 #define DTMALLOC_PROBE_FREE             1
 103 #define DTMALLOC_PROBE_MAX              2
 104
 105 struct malloc_type_internal {
 106         uint32_t        mti_probes[DTMALLOC_PROBE_MAX];
 107                                         /* DTrace probe ID array. */
 108         u_char          mti_zone;
 109         struct malloc_type_stats        *mti_stats;
 110         u_long          mti_spare[8];
 111 };
 112
 113 /*
 114  * Public data structure describing a malloc type.
 115  */
 116 struct malloc_type {
 117         struct malloc_type *ks_next;    /* Next in global chain. */
 118         u_long           ks_version;    /* Detect programmer error. */
 119         const char      *ks_shortdesc;  /* Printable type name. */
 120         struct malloc_type_internal ks_mti;
 121 };
 122
 123 /*
 124  * Statistics structure headers for user space.  The kern.malloc sysctl
 125  * exposes a structure stream consisting of a stream header, then a series of
 126  * malloc type headers and statistics structures (quantity maxcpus).  For
 127  * convenience, the kernel will provide the current value of maxcpus at the
 128  * head of the stream.
 129  */
 130 #define MALLOC_TYPE_STREAM_VERSION      0x00000001
 131 struct malloc_type_stream_header {
 132         uint32_t        mtsh_version;   /* Stream format version. */
 133         uint32_t        mtsh_maxcpus;   /* Value of MAXCPU for stream. */
 134         uint32_t        mtsh_count;     /* Number of records. */
 135         uint32_t        _mtsh_pad;      /* Pad/reserved field. */
 136 };
 137
 138 #define MALLOC_MAX_NAME 32
 139 struct malloc_type_header {
 140         char                            mth_name[MALLOC_MAX_NAME];
 141 };
 142
 143 #ifdef _KERNEL
 144 #define MALLOC_DEFINE(type, shortdesc, longdesc)                        \
 145         struct malloc_type type[1] = {                                  \
 146                 {                                                       \
 147                         .ks_next = NULL,                                \
 148                         .ks_version = M_VERSION,                        \
 149                         .ks_shortdesc = shortdesc,                      \
 150                 }                                                       \
 151         };                                                              \
 152         SYSINIT(type##_init, SI_SUB_KMEM, SI_ORDER_THIRD, malloc_init,  \
 153             type);                                                      \
 154         SYSUNINIT(type##_uninit, SI_SUB_KMEM, SI_ORDER_ANY,             \
 155             malloc_uninit, type)
 156
 157 #define MALLOC_DECLARE(type) \
 158         extern struct malloc_type type[1]
 159
 160 MALLOC_DECLARE(M_CACHE);
 161 MALLOC_DECLARE(M_DEVBUF);
 162 MALLOC_DECLARE(M_TEMP);
 163
 164 /*
 165  * XXX this should be declared in <sys/uio.h>, but that tends to fail
 166  * because <sys/uio.h> is included in a header before the source file
 167  * has a chance to include <sys/malloc.h> to get MALLOC_DECLARE() defined.
 168  */
 169 MALLOC_DECLARE(M_IOV);
 170
 171 struct domainset;
 172 extern struct mtx malloc_mtx;
 173
 174 /*
 175  * Function type used when iterating over the list of malloc types.
 176  */
 177 typedef void malloc_type_list_func_t(struct malloc_type *, void *);
 178
 179 void    contigfree(void *addr, unsigned long size, struct malloc_type *type);
 180 void    *contigmalloc(unsigned long size, struct malloc_type *type, int flags,
 181             vm_paddr_t low, vm_paddr_t high, unsigned long alignment,
 182             vm_paddr_t boundary) __malloc_like __result_use_check
 183             __alloc_size(1) __alloc_align(6);
 184 void    *contigmalloc_domainset(unsigned long size, struct malloc_type *type,
 185             struct domainset *ds, int flags, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 186             unsigned long alignment, vm_paddr_t boundary)
 187             __malloc_like __result_use_check __alloc_size(1) __alloc_align(7);
 188 void    free(void *addr, struct malloc_type *type);
 189 void    zfree(void *addr, struct malloc_type *type);
 190 void    *malloc(size_t size, struct malloc_type *type, int flags) __malloc_like
 191             __result_use_check __alloc_size(1);
 192 /*
 193  * Try to optimize malloc(..., ..., M_ZERO) allocations by doing zeroing in
 194  * place if the size is known at compilation time.
 195  *
 196  * Passing the flag down requires malloc to blindly zero the entire object.
 197  * In practice a lot of the zeroing can be avoided if most of the object
 198  * gets explicitly initialized after the allocation. Letting the compiler
 199  * zero in place gives it the opportunity to take advantage of this state.
 200  *
 201  * Note that the operation is only applicable if both flags and size are
 202  * known at compilation time. If M_ZERO is passed but M_WAITOK is not, the
 203  * allocation can fail and a NULL check is needed. However, if M_WAITOK is
 204  * passed we know the allocation must succeed and the check can be elided.
 205  *
 206  *      _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);
 207  *      if (((flags) & M_WAITOK) != 0 || _malloc_item != NULL)
 208  *              bzero(_malloc_item, _size);
 209  *
 210  * If the flag is set, the compiler knows the left side is always true,
 211  * therefore the entire statement is true and the callsite is:
 212  *
 213  *      _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);
 214  *      bzero(_malloc_item, _size);
 215  *
 216  * If the flag is not set, the compiler knows the left size is always false
 217  * and the NULL check is needed, therefore the callsite is:
 218  *
 219  *      _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);
 220  *      if (_malloc_item != NULL)
 221  *              bzero(_malloc_item, _size);
 222  *
 223  * The implementation is a macro because of what appears to be a clang 6 bug:
 224  * an inline function variant ended up being compiled to a mere malloc call
 225  * regardless of argument. gcc generates expected code (like the above).
 226  */
 227 #define malloc(size, type, flags) ({                                    \
 228         void *_malloc_item;                                             \
 229         size_t _size = (size);                                          \
 230         if (__builtin_constant_p(size) && __builtin_constant_p(flags) &&\
 231             ((flags) & M_ZERO) != 0) {                                  \
 232                 _malloc_item = malloc(_size, type, (flags) &~ M_ZERO);  \
 233                 if (((flags) & M_WAITOK) != 0 ||                        \
 234                     __predict_true(_malloc_item != NULL))               \
 235                         bzero(_malloc_item, _size);                     \
 236         } else {                                                        \
 237                 _malloc_item = malloc(_size, type, flags);              \
 238         }                                                               \
 239         _malloc_item;                                                   \
 240 })
 241
 242 void    *malloc_domainset(size_t size, struct malloc_type *type,
 243             struct domainset *ds, int flags) __malloc_like __result_use_check
 244             __alloc_size(1);
 245 void    *mallocarray(size_t nmemb, size_t size, struct malloc_type *type,
 246             int flags) __malloc_like __result_use_check
 247             __alloc_size2(1, 2);
 248 void    *malloc_exec(size_t size, struct malloc_type *type, int flags) __malloc_like
 249             __result_use_check __alloc_size(1);
 250 void    *malloc_domainset_exec(size_t size, struct malloc_type *type,
 251             struct domainset *ds, int flags) __malloc_like __result_use_check
 252             __alloc_size(1);
 253 void    malloc_init(void *);
 254 void    malloc_type_allocated(struct malloc_type *type, unsigned long size);
 255 void    malloc_type_freed(struct malloc_type *type, unsigned long size);
 256 void    malloc_type_list(malloc_type_list_func_t *, void *);
 257 void    malloc_uninit(void *);
 258 size_t  malloc_size(size_t);
 259 size_t  malloc_usable_size(const void *);
 260 void    *realloc(void *addr, size_t size, struct malloc_type *type, int flags)
 261             __result_use_check __alloc_size(2);
 262 void    *reallocf(void *addr, size_t size, struct malloc_type *type, int flags)
 263             __result_use_check __alloc_size(2);
 264
 265 struct malloc_type *malloc_desc2type(const char *desc);
 266
 267 /*
 268  * This is sqrt(SIZE_MAX+1), as s1*s2 <= SIZE_MAX
 269  * if both s1 < MUL_NO_OVERFLOW and s2 < MUL_NO_OVERFLOW
 270  */
 271 #define MUL_NO_OVERFLOW         (1UL << (sizeof(size_t) * 8 / 2))
 272 static inline bool
 273 WOULD_OVERFLOW(size_t nmemb, size_t size)
 274 {
 275
 276         return ((nmemb >= MUL_NO_OVERFLOW || size >= MUL_NO_OVERFLOW) &&
 277             nmemb > 0 && __SIZE_T_MAX / nmemb < size);
 278 }
 279 #undef MUL_NO_OVERFLOW
 280 #endif /* _KERNEL */
 281
 282 #else
 283 /*
 284  * The native stand malloc / free interface we're mapping to
 285  */
 286 extern void Free(void *p, const char *file, int line);
 287 extern void *Malloc(size_t bytes, const char *file, int line);
 288
 289 /*
 290  * Minimal standalone malloc implementation / environment. None of the
 291  * flags mean anything and there's no need declare malloc types.
 292  * Define the simple alloc / free routines in terms of Malloc and
 293  * Free. None of the kernel features that this stuff disables are needed.
 294  *
 295  * XXX we are setting ourselves up for a potential crash if we can't allocate
 296  * memory for a M_WAITOK call.
 297  */
 298 #define M_WAITOK 0
 299 #define M_ZERO 0
 300 #define M_NOWAIT 0
 301 #define MALLOC_DECLARE(x)
 302
 303 #define kmem_zalloc(size, flags) Malloc((size), __FILE__, __LINE__)
 304 #define kmem_free(p, size) Free(p, __FILE__, __LINE__)
 305
 306 /*
 307  * ZFS mem.h define that's the OpenZFS porting layer way of saying
 308  * M_WAITOK. Given the above, it will also be a nop.
 309  */
 310 #define KM_SLEEP M_WAITOK
 311 #endif /* _STANDALONE */
 312 #endif /* !_SYS_MALLOC_H_ */