sys/vm/vm_glue.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: (BSD-3-Clause AND MIT-CMU)
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991, 1993
   5  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
   6  *
   7  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   8  * The Mach Operating System project at Carnegie-Mellon University.
   9  *
  10  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  11  * modification, are permitted provided that the following conditions
  12  * are met:
  13  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  15  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  16  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  17  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  18  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  19  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  20  *    without specific prior written permission.
  21  *
  22  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  23  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  24  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  25  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  26  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  27  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  28  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  29  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  30  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  31  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  32  * SUCH DAMAGE.
  33  *
  34  *      from: @(#)vm_glue.c     8.6 (Berkeley) 1/5/94
  35  *
  36  *
  37  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  38  * All rights reserved.
  39  *
  40  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  41  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  42  * notice and this permission notice appear in all copies of the
  43  * software, derivative works or modified versions, and any portions
  44  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
  45  *
  46  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
  47  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
  48  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
  49  *
  50  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  51  *
  52  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  53  *  School of Computer Science
  54  *  Carnegie Mellon University
  55  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  56  *
  57  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  58  * rights to redistribute these changes.
  59  */
  60
  61 #include <sys/cdefs.h>
  62 __FBSDID("$FreeBSD$");
  63
  64 #include "opt_vm.h"
  65 #include "opt_kstack_pages.h"
  66 #include "opt_kstack_max_pages.h"
  67 #include "opt_kstack_usage_prof.h"
  68
  69 #include <sys/param.h>
  70 #include <sys/systm.h>
  71 #include <sys/domainset.h>
  72 #include <sys/limits.h>
  73 #include <sys/lock.h>
  74 #include <sys/malloc.h>
  75 #include <sys/mutex.h>
  76 #include <sys/proc.h>
  77 #include <sys/racct.h>
  78 #include <sys/resourcevar.h>
  79 #include <sys/rwlock.h>
  80 #include <sys/sched.h>
  81 #include <sys/sf_buf.h>
  82 #include <sys/shm.h>
  83 #include <sys/smp.h>
  84 #include <sys/vmmeter.h>
  85 #include <sys/vmem.h>
  86 #include <sys/sx.h>
  87 #include <sys/sysctl.h>
  88 #include <sys/eventhandler.h>
  89 #include <sys/kernel.h>
  90 #include <sys/ktr.h>
  91 #include <sys/unistd.h>
  92
  93 #include <vm/uma.h>
  94 #include <vm/vm.h>
  95 #include <vm/vm_param.h>
  96 #include <vm/pmap.h>
  97 #include <vm/vm_domainset.h>
  98 #include <vm/vm_map.h>
  99 #include <vm/vm_page.h>
 100 #include <vm/vm_pageout.h>
 101 #include <vm/vm_object.h>
 102 #include <vm/vm_kern.h>
 103 #include <vm/vm_extern.h>
 104 #include <vm/vm_pager.h>
 105 #include <vm/swap_pager.h>
 106
 107 #include <machine/cpu.h>
 108
 109 /*
 110  * MPSAFE
 111  *
 112  * WARNING!  This code calls vm_map_check_protection() which only checks
 113  * the associated vm_map_entry range.  It does not determine whether the
 114  * contents of the memory is actually readable or writable.  In most cases
 115  * just checking the vm_map_entry is sufficient within the kernel's address
 116  * space.
 117  */
 118 int
 119 kernacc(void *addr, int len, int rw)
 120 {
 121         boolean_t rv;
 122         vm_offset_t saddr, eaddr;
 123         vm_prot_t prot;
 124
 125         KASSERT((rw & ~VM_PROT_ALL) == 0,
 126             ("illegal ``rw'' argument to kernacc (%x)\n", rw));
 127
 128         if ((vm_offset_t)addr + len > vm_map_max(kernel_map) ||
 129             (vm_offset_t)addr + len < (vm_offset_t)addr)
 130                 return (FALSE);
 131
 132         prot = rw;
 133         saddr = trunc_page((vm_offset_t)addr);
 134         eaddr = round_page((vm_offset_t)addr + len);
 135         vm_map_lock_read(kernel_map);
 136         rv = vm_map_check_protection(kernel_map, saddr, eaddr, prot);
 137         vm_map_unlock_read(kernel_map);
 138         return (rv == TRUE);
 139 }
 140
 141 /*
 142  * MPSAFE
 143  *
 144  * WARNING!  This code calls vm_map_check_protection() which only checks
 145  * the associated vm_map_entry range.  It does not determine whether the
 146  * contents of the memory is actually readable or writable.  vmapbuf(),
 147  * vm_fault_quick(), or copyin()/copout()/su*()/fu*() functions should be
 148  * used in conjunction with this call.
 149  */
 150 int
 151 useracc(void *addr, int len, int rw)
 152 {
 153         boolean_t rv;
 154         vm_prot_t prot;
 155         vm_map_t map;
 156
 157         KASSERT((rw & ~VM_PROT_ALL) == 0,
 158             ("illegal ``rw'' argument to useracc (%x)\n", rw));
 159         prot = rw;
 160         map = &curproc->p_vmspace->vm_map;
 161         if ((vm_offset_t)addr + len > vm_map_max(map) ||
 162             (vm_offset_t)addr + len < (vm_offset_t)addr) {
 163                 return (FALSE);
 164         }
 165         vm_map_lock_read(map);
 166         rv = vm_map_check_protection(map, trunc_page((vm_offset_t)addr),
 167             round_page((vm_offset_t)addr + len), prot);
 168         vm_map_unlock_read(map);
 169         return (rv == TRUE);
 170 }
 171
 172 int
 173 vslock(void *addr, size_t len)
 174 {
 175         vm_offset_t end, last, start;
 176         vm_size_t npages;
 177         int error;
 178
 179         last = (vm_offset_t)addr + len;
 180         start = trunc_page((vm_offset_t)addr);
 181         end = round_page(last);
 182         if (last < (vm_offset_t)addr || end < (vm_offset_t)addr)
 183                 return (EINVAL);
 184         npages = atop(end - start);
 185         if (npages > vm_page_max_user_wired)
 186                 return (ENOMEM);
 187         error = vm_map_wire(&curproc->p_vmspace->vm_map, start, end,
 188             VM_MAP_WIRE_SYSTEM | VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
 189         if (error == KERN_SUCCESS) {
 190                 curthread->td_vslock_sz += len;
 191                 return (0);
 192         }
 193
 194         /*
 195          * Return EFAULT on error to match copy{in,out}() behaviour
 196          * rather than returning ENOMEM like mlock() would.
 197          */
 198         return (EFAULT);
 199 }
 200
 201 void
 202 vsunlock(void *addr, size_t len)
 203 {
 204
 205         /* Rely on the parameter sanity checks performed by vslock(). */
 206         MPASS(curthread->td_vslock_sz >= len);
 207         curthread->td_vslock_sz -= len;
 208         (void)vm_map_unwire(&curproc->p_vmspace->vm_map,
 209             trunc_page((vm_offset_t)addr), round_page((vm_offset_t)addr + len),
 210             VM_MAP_WIRE_SYSTEM | VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
 211 }
 212
 213 /*
 214  * Pin the page contained within the given object at the given offset.  If the
 215  * page is not resident, allocate and load it using the given object's pager.
 216  * Return the pinned page if successful; otherwise, return NULL.
 217  */
 218 static vm_page_t
 219 vm_imgact_hold_page(vm_object_t object, vm_ooffset_t offset)
 220 {
 221         vm_page_t m;
 222         vm_pindex_t pindex;
 223
 224         pindex = OFF_TO_IDX(offset);
 225         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 226         (void)vm_page_grab_valid(&m, object, pindex,
 227             VM_ALLOC_NORMAL | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED);
 228         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 229         return (m);
 230 }
 231
 232 /*
 233  * Return a CPU private mapping to the page at the given offset within the
 234  * given object.  The page is pinned before it is mapped.
 235  */
 236 struct sf_buf *
 237 vm_imgact_map_page(vm_object_t object, vm_ooffset_t offset)
 238 {
 239         vm_page_t m;
 240
 241         m = vm_imgact_hold_page(object, offset);
 242         if (m == NULL)
 243                 return (NULL);
 244         sched_pin();
 245         return (sf_buf_alloc(m, SFB_CPUPRIVATE));
 246 }
 247
 248 /*
 249  * Destroy the given CPU private mapping and unpin the page that it mapped.
 250  */
 251 void
 252 vm_imgact_unmap_page(struct sf_buf *sf)
 253 {
 254         vm_page_t m;
 255
 256         m = sf_buf_page(sf);
 257         sf_buf_free(sf);
 258         sched_unpin();
 259         vm_page_unwire(m, PQ_ACTIVE);
 260 }
 261
 262 void
 263 vm_sync_icache(vm_map_t map, vm_offset_t va, vm_offset_t sz)
 264 {
 265
 266         pmap_sync_icache(map->pmap, va, sz);
 267 }
 268
 269 static uma_zone_t kstack_cache;
 270 static int kstack_cache_size;
 271 static int kstack_domain_iter;
 272
 273 static int
 274 sysctl_kstack_cache_size(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 275 {
 276         int error, newsize;
 277
 278         newsize = kstack_cache_size;
 279         error = sysctl_handle_int(oidp, &newsize, 0, req);
 280         if (error == 0 && req->newptr && newsize != kstack_cache_size)
 281                 uma_zone_set_maxcache(kstack_cache, newsize);
 282         return (error);
 283 }
 284 SYSCTL_PROC(_vm, OID_AUTO, kstack_cache_size, CTLTYPE_INT|CTLFLAG_RW,
 285         &kstack_cache_size, 0, sysctl_kstack_cache_size, "IU",
 286         "Maximum number of cached kernel stacks");
 287
 288 /*
 289  * Create the kernel stack (including pcb for i386) for a new thread.
 290  * This routine directly affects the fork perf for a process and
 291  * create performance for a thread.
 292  */
 293 static vm_offset_t
 294 vm_thread_stack_create(struct domainset *ds, vm_object_t *ksobjp, int pages)
 295 {
 296         vm_page_t ma[KSTACK_MAX_PAGES];
 297         vm_object_t ksobj;
 298         vm_offset_t ks;
 299         int i;
 300
 301         /*
 302          * Allocate an object for the kstack.
 303          */
 304         ksobj = vm_object_allocate(OBJT_DEFAULT, pages);
 305
 306         /*
 307          * Get a kernel virtual address for this thread's kstack.
 308          */
 309 #if defined(__mips__)
 310         /*
 311          * We need to align the kstack's mapped address to fit within
 312          * a single TLB entry.
 313          */
 314         if (vmem_xalloc(kernel_arena, (pages + KSTACK_GUARD_PAGES) * PAGE_SIZE,
 315             PAGE_SIZE * 2, 0, 0, VMEM_ADDR_MIN, VMEM_ADDR_MAX,
 316             M_BESTFIT | M_NOWAIT, &ks)) {
 317                 ks = 0;
 318         }
 319 #else
 320         ks = kva_alloc((pages + KSTACK_GUARD_PAGES) * PAGE_SIZE);
 321 #endif
 322         if (ks == 0) {
 323                 printf("%s: kstack allocation failed\n", __func__);
 324                 vm_object_deallocate(ksobj);
 325                 return (0);
 326         }
 327         if (vm_ndomains > 1) {
 328                 ksobj->domain.dr_policy = ds;
 329                 ksobj->domain.dr_iter =
 330                     atomic_fetchadd_int(&kstack_domain_iter, 1);
 331         }
 332
 333         if (KSTACK_GUARD_PAGES != 0) {
 334                 pmap_qremove(ks, KSTACK_GUARD_PAGES);
 335                 ks += KSTACK_GUARD_PAGES * PAGE_SIZE;
 336         }
 337
 338         /*
 339          * For the length of the stack, link in a real page of ram for each
 340          * page of stack.
 341          */
 342         VM_OBJECT_WLOCK(ksobj);
 343         (void)vm_page_grab_pages(ksobj, 0, VM_ALLOC_NORMAL | VM_ALLOC_NOBUSY |
 344             VM_ALLOC_WIRED, ma, pages);
 345         for (i = 0; i < pages; i++)
 346                 ma[i]->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 347         VM_OBJECT_WUNLOCK(ksobj);
 348         pmap_qenter(ks, ma, pages);
 349         *ksobjp = ksobj;
 350
 351         return (ks);
 352 }
 353
 354 static void
 355 vm_thread_stack_dispose(vm_object_t ksobj, vm_offset_t ks, int pages)
 356 {
 357         vm_page_t m;
 358         int i;
 359
 360         pmap_qremove(ks, pages);
 361         VM_OBJECT_WLOCK(ksobj);
 362         for (i = 0; i < pages; i++) {
 363                 m = vm_page_lookup(ksobj, i);
 364                 if (m == NULL)
 365                         panic("%s: kstack already missing?", __func__);
 366                 vm_page_unwire_noq(m);
 367                 vm_page_free(m);
 368         }
 369         VM_OBJECT_WUNLOCK(ksobj);
 370         vm_object_deallocate(ksobj);
 371         kva_free(ks - (KSTACK_GUARD_PAGES * PAGE_SIZE),
 372             (pages + KSTACK_GUARD_PAGES) * PAGE_SIZE);
 373 }
 374
 375 /*
 376  * Allocate the kernel stack for a new thread.
 377  */
 378 int
 379 vm_thread_new(struct thread *td, int pages)
 380 {
 381         vm_object_t ksobj;
 382         vm_offset_t ks;
 383
 384         /* Bounds check */
 385         if (pages <= 1)
 386                 pages = kstack_pages;
 387         else if (pages > KSTACK_MAX_PAGES)
 388                 pages = KSTACK_MAX_PAGES;
 389
 390         ks = 0;
 391         ksobj = NULL;
 392         if (pages == kstack_pages && kstack_cache != NULL) {
 393                 ks = (vm_offset_t)uma_zalloc(kstack_cache, M_NOWAIT);
 394                 if (ks != 0)
 395                         ksobj = PHYS_TO_VM_PAGE(pmap_kextract(ks))->object;
 396         }
 397
 398         /*
 399          * Ensure that kstack objects can draw pages from any memory
 400          * domain.  Otherwise a local memory shortage can block a process
 401          * swap-in.
 402          */
 403         if (ks == 0)
 404                 ks = vm_thread_stack_create(DOMAINSET_PREF(PCPU_GET(domain)),
 405                     &ksobj, pages);
 406         if (ks == 0)
 407                 return (0);
 408         td->td_kstack_obj = ksobj;
 409         td->td_kstack = ks;
 410         td->td_kstack_pages = pages;
 411         return (1);
 412 }
 413
 414 /*
 415  * Dispose of a thread's kernel stack.
 416  */
 417 void
 418 vm_thread_dispose(struct thread *td)
 419 {
 420         vm_object_t ksobj;
 421         vm_offset_t ks;
 422         int pages;
 423
 424         pages = td->td_kstack_pages;
 425         ksobj = td->td_kstack_obj;
 426         ks = td->td_kstack;
 427         td->td_kstack = 0;
 428         td->td_kstack_pages = 0;
 429         if (pages == kstack_pages)
 430                 uma_zfree(kstack_cache, (void *)ks);
 431         else
 432                 vm_thread_stack_dispose(ksobj, ks, pages);
 433 }
 434
 435 static int
 436 kstack_import(void *arg, void **store, int cnt, int domain, int flags)
 437 {
 438         struct domainset *ds;
 439         vm_object_t ksobj;
 440         int i;
 441
 442         if (domain == UMA_ANYDOMAIN)
 443                 ds = DOMAINSET_RR();
 444         else
 445                 ds = DOMAINSET_PREF(domain);
 446
 447         for (i = 0; i < cnt; i++) {
 448                 store[i] = (void *)vm_thread_stack_create(ds, &ksobj,
 449                     kstack_pages);
 450                 if (store[i] == NULL)
 451                         break;
 452         }
 453         return (i);
 454 }
 455
 456 static void
 457 kstack_release(void *arg, void **store, int cnt)
 458 {
 459         vm_offset_t ks;
 460         int i;
 461
 462         for (i = 0; i < cnt; i++) {
 463                 ks = (vm_offset_t)store[i];
 464                 vm_thread_stack_dispose(
 465                     PHYS_TO_VM_PAGE(pmap_kextract(ks))->object,
 466                     ks, kstack_pages);
 467         }
 468 }
 469
 470 static void
 471 kstack_cache_init(void *null)
 472 {
 473         kstack_cache = uma_zcache_create("kstack_cache",
 474             kstack_pages * PAGE_SIZE, NULL, NULL, NULL, NULL,
 475             kstack_import, kstack_release, NULL,
 476             UMA_ZONE_NUMA);
 477         kstack_cache_size = imax(128, mp_ncpus * 4);
 478         uma_zone_set_maxcache(kstack_cache, kstack_cache_size);
 479 }
 480
 481 SYSINIT(vm_kstacks, SI_SUB_KTHREAD_INIT, SI_ORDER_ANY, kstack_cache_init, NULL);
 482
 483 #ifdef KSTACK_USAGE_PROF
 484 /*
 485  * Track maximum stack used by a thread in kernel.
 486  */
 487 static int max_kstack_used;
 488
 489 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, max_kstack_used, CTLFLAG_RD,
 490     &max_kstack_used, 0,
 491     "Maxiumum stack depth used by a thread in kernel");
 492
 493 void
 494 intr_prof_stack_use(struct thread *td, struct trapframe *frame)
 495 {
 496         vm_offset_t stack_top;
 497         vm_offset_t current;
 498         int used, prev_used;
 499
 500         /*
 501          * Testing for interrupted kernel mode isn't strictly
 502          * needed. It optimizes the execution, since interrupts from
 503          * usermode will have only the trap frame on the stack.
 504          */
 505         if (TRAPF_USERMODE(frame))
 506                 return;
 507
 508         stack_top = td->td_kstack + td->td_kstack_pages * PAGE_SIZE;
 509         current = (vm_offset_t)(uintptr_t)&stack_top;
 510
 511         /*
 512          * Try to detect if interrupt is using kernel thread stack.
 513          * Hardware could use a dedicated stack for interrupt handling.
 514          */
 515         if (stack_top <= current || current < td->td_kstack)
 516                 return;
 517
 518         used = stack_top - current;
 519         for (;;) {
 520                 prev_used = max_kstack_used;
 521                 if (prev_used >= used)
 522                         break;
 523                 if (atomic_cmpset_int(&max_kstack_used, prev_used, used))
 524                         break;
 525         }
 526 }
 527 #endif /* KSTACK_USAGE_PROF */
 528
 529 /*
 530  * Implement fork's actions on an address space.
 531  * Here we arrange for the address space to be copied or referenced,
 532  * allocate a user struct (pcb and kernel stack), then call the
 533  * machine-dependent layer to fill those in and make the new process
 534  * ready to run.  The new process is set up so that it returns directly
 535  * to user mode to avoid stack copying and relocation problems.
 536  */
 537 int
 538 vm_forkproc(struct thread *td, struct proc *p2, struct thread *td2,
 539     struct vmspace *vm2, int flags)
 540 {
 541         struct proc *p1 = td->td_proc;
 542         struct domainset *dset;
 543         int error;
 544
 545         if ((flags & RFPROC) == 0) {
 546                 /*
 547                  * Divorce the memory, if it is shared, essentially
 548                  * this changes shared memory amongst threads, into
 549                  * COW locally.
 550                  */
 551                 if ((flags & RFMEM) == 0) {
 552                         if (p1->p_vmspace->vm_refcnt > 1) {
 553                                 error = vmspace_unshare(p1);
 554                                 if (error)
 555                                         return (error);
 556                         }
 557                 }
 558                 cpu_fork(td, p2, td2, flags);
 559                 return (0);
 560         }
 561
 562         if (flags & RFMEM) {
 563                 p2->p_vmspace = p1->p_vmspace;
 564                 atomic_add_int(&p1->p_vmspace->vm_refcnt, 1);
 565         }
 566         dset = td2->td_domain.dr_policy;
 567         while (vm_page_count_severe_set(&dset->ds_mask)) {
 568                 vm_wait_doms(&dset->ds_mask);
 569         }
 570
 571         if ((flags & RFMEM) == 0) {
 572                 p2->p_vmspace = vm2;
 573                 if (p1->p_vmspace->vm_shm)
 574                         shmfork(p1, p2);
 575         }
 576
 577         /*
 578          * cpu_fork will copy and update the pcb, set up the kernel stack,
 579          * and make the child ready to run.
 580          */
 581         cpu_fork(td, p2, td2, flags);
 582         return (0);
 583 }
 584
 585 /*
 586  * Called after process has been wait(2)'ed upon and is being reaped.
 587  * The idea is to reclaim resources that we could not reclaim while
 588  * the process was still executing.
 589  */
 590 void
 591 vm_waitproc(p)
 592         struct proc *p;
 593 {
 594
 595         vmspace_exitfree(p);            /* and clean-out the vmspace */
 596 }
 597
 598 void
 599 kick_proc0(void)
 600 {
 601
 602         wakeup(&proc0);
 603 }