sys/vm/vm_kern.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 1991, 1993
   3  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
   4  *
   5  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   6  * The Mach Operating System project at Carnegie-Mellon University.
   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  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  17  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  18  *    without specific prior written permission.
  19  *
  20  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  21  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  22  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  23  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  24  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  25  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  26  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  27  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  28  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  29  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  30  * SUCH DAMAGE.
  31  *
  32  *      from: @(#)vm_kern.c     8.3 (Berkeley) 1/12/94
  33  *
  34  *
  35  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  36  * All rights reserved.
  37  *
  38  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  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 /*
  62  *      Kernel memory management.
  63  */
  64
  65 #include <sys/cdefs.h>
  66 __FBSDID("$FreeBSD$");
  67
  68 #include <sys/param.h>
  69 #include <sys/systm.h>
  70 #include <sys/kernel.h>         /* for ticks and hz */
  71 #include <sys/eventhandler.h>
  72 #include <sys/lock.h>
  73 #include <sys/mutex.h>
  74 #include <sys/proc.h>
  75 #include <sys/malloc.h>
  76 #include <sys/sysctl.h>
  77
  78 #include <vm/vm.h>
  79 #include <vm/vm_param.h>
  80 #include <vm/pmap.h>
  81 #include <vm/vm_map.h>
  82 #include <vm/vm_object.h>
  83 #include <vm/vm_page.h>
  84 #include <vm/vm_pageout.h>
  85 #include <vm/vm_extern.h>
  86 #include <vm/uma.h>
  87
  88 vm_map_t kernel_map=0;
  89 vm_map_t kmem_map=0;
  90 vm_map_t exec_map=0;
  91 vm_map_t pipe_map;
  92 vm_map_t buffer_map=0;
  93
  94 /*
  95  *      kmem_alloc_nofault:
  96  *
  97  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
  98  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
  99  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
 100  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 101  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 102  */
 103 vm_offset_t
 104 kmem_alloc_nofault(map, size)
 105         vm_map_t map;
 106         vm_size_t size;
 107 {
 108         vm_offset_t addr;
 109         int result;
 110
 111         size = round_page(size);
 112         addr = vm_map_min(map);
 113         result = vm_map_find(map, NULL, 0, &addr, size, VMFS_ANY_SPACE,
 114             VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 115         if (result != KERN_SUCCESS) {
 116                 return (0);
 117         }
 118         return (addr);
 119 }
 120
 121 /*
 122  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 123  *      or a submap.
 124  */
 125 vm_offset_t
 126 kmem_alloc(map, size)
 127         vm_map_t map;
 128         vm_size_t size;
 129 {
 130         vm_offset_t addr;
 131         vm_offset_t offset;
 132         vm_offset_t i;
 133
 134         size = round_page(size);
 135
 136         /*
 137          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 138          * region of the kernel object is referenced more than once.
 139          */
 140
 141         /*
 142          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 143          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 144          * offset within the kernel map.
 145          */
 146         vm_map_lock(map);
 147         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 148                 vm_map_unlock(map);
 149                 return (0);
 150         }
 151         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 152         vm_object_reference(kernel_object);
 153         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 154                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 155         vm_map_unlock(map);
 156
 157         /*
 158          * Guarantee that there are pages already in this object before
 159          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 160          * scenario:
 161          *
 162          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 163          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 164          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 165          * there is no page, but there is a pager, so we call
 166          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 167          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 168          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 169          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 170          *
 171          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 172          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 173          */
 174         VM_OBJECT_LOCK(kernel_object);
 175         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 176                 vm_page_t mem;
 177
 178                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 179                     VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 180                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 181                 KASSERT((mem->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 182                     ("kmem_alloc: page %p is managed", mem));
 183         }
 184         VM_OBJECT_UNLOCK(kernel_object);
 185
 186         /*
 187          * And finally, mark the data as non-pageable.
 188          */
 189         (void) vm_map_wire(map, addr, addr + size,
 190             VM_MAP_WIRE_SYSTEM|VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
 191
 192         return (addr);
 193 }
 194
 195 /*
 196  *      kmem_free:
 197  *
 198  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 199  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 200  *      associated with that region.
 201  *
 202  *      This routine may not block on kernel maps.
 203  */
 204 void
 205 kmem_free(map, addr, size)
 206         vm_map_t map;
 207         vm_offset_t addr;
 208         vm_size_t size;
 209 {
 210
 211         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 212 }
 213
 214 /*
 215  *      kmem_suballoc:
 216  *
 217  *      Allocates a map to manage a subrange
 218  *      of the kernel virtual address space.
 219  *
 220  *      Arguments are as follows:
 221  *
 222  *      parent          Map to take range from
 223  *      min, max        Returned endpoints of map
 224  *      size            Size of range to find
 225  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 226  */
 227 vm_map_t
 228 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 229     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 230 {
 231         int ret;
 232         vm_map_t result;
 233
 234         size = round_page(size);
 235
 236         *min = vm_map_min(parent);
 237         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, superpage_align ?
 238             VMFS_ALIGNED_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 239             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 240         if (ret != KERN_SUCCESS)
 241                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 242         *max = *min + size;
 243         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 244         if (result == NULL)
 245                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 246         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 247                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 248         return (result);
 249 }
 250
 251 /*
 252  *      kmem_malloc:
 253  *
 254  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 255  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 256  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 257  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 258  *
 259  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 260  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 261  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 262  *
 263  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 264  *      for wired maps are statically allocated.
 265  *
 266  *      `map' is ONLY allowed to be kmem_map or one of the mbuf submaps to
 267  *      which we never free.
 268  */
 269 vm_offset_t
 270 kmem_malloc(map, size, flags)
 271         vm_map_t map;
 272         vm_size_t size;
 273         int flags;
 274 {
 275         vm_offset_t addr;
 276         int i, rv;
 277
 278         size = round_page(size);
 279         addr = vm_map_min(map);
 280
 281         /*
 282          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 283          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 284          * offset within the kernel map.
 285          */
 286         vm_map_lock(map);
 287         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 288                 vm_map_unlock(map);
 289                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 290                         for (i = 0; i < 8; i++) {
 291                                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 292                                 uma_reclaim();
 293                                 vm_map_lock(map);
 294                                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map),
 295                                     size, &addr) == 0) {
 296                                         break;
 297                                 }
 298                                 vm_map_unlock(map);
 299                                 tsleep(&i, 0, "nokva", (hz / 4) * (i + 1));
 300                         }
 301                         if (i == 8) {
 302                                 panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 303                                     (long)size, (long)map->size);
 304                         }
 305                 } else {
 306                         return (0);
 307                 }
 308         }
 309
 310         rv = kmem_back(map, addr, size, flags);
 311         vm_map_unlock(map);
 312         return (rv == KERN_SUCCESS ? addr : 0);
 313 }
 314
 315 /*
 316  *      kmem_back:
 317  *
 318  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 319  */
 320 int
 321 kmem_back(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 322 {
 323         vm_offset_t offset, i;
 324         vm_map_entry_t entry;
 325         vm_page_t m;
 326         int pflags;
 327
 328         /*
 329          * XXX the map must be locked for write on entry, but there's
 330          * no easy way to assert that.
 331          */
 332
 333         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 334         vm_object_reference(kmem_object);
 335         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 336                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 337
 338         if ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT)
 339                 pflags = VM_ALLOC_INTERRUPT | VM_ALLOC_WIRED;
 340         else
 341                 pflags = VM_ALLOC_SYSTEM | VM_ALLOC_WIRED;
 342
 343         if (flags & M_ZERO)
 344                 pflags |= VM_ALLOC_ZERO;
 345
 346         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 347         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 348 retry:
 349                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
 350
 351                 /*
 352                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 353                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 354                  * aren't on any queues.
 355                  */
 356                 if (m == NULL) {
 357                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 358                                 VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 359                                 vm_map_unlock(map);
 360                                 VM_WAIT;
 361                                 vm_map_lock(map);
 362                                 VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 363                                 goto retry;
 364                         }
 365                         /*
 366                          * Free the pages before removing the map entry.
 367                          * They are already marked busy.  Calling
 368                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 369                          * unbusied will cause a deadlock.
 370                          */
 371                         while (i != 0) {
 372                                 i -= PAGE_SIZE;
 373                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 374                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 375                                 vm_page_lock_queues();
 376                                 vm_page_unwire(m, 0);
 377                                 vm_page_free(m);
 378                                 vm_page_unlock_queues();
 379                         }
 380                         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 381                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 382                         return (KERN_NO_SPACE);
 383                 }
 384                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 385                         pmap_zero_page(m);
 386                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 387                 KASSERT((m->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 388                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 389         }
 390         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 391
 392         /*
 393          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 394          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 395          * exactly corresponding to this address range and it will have
 396          * wired_count == 0.
 397          */
 398         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 399             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 400             entry->wired_count != 0)
 401                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 402         entry->wired_count = 1;
 403
 404         /*
 405          * At this point, the kmem_object must be unlocked because
 406          * vm_map_simplify_entry() calls vm_object_deallocate(), which
 407          * locks the kmem_object.
 408          */
 409         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 410
 411         /*
 412          * Loop thru pages, entering them in the pmap.
 413          */
 414         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 415         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 416                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 417                 /*
 418                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 419                  */
 420                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL,
 421                     TRUE);
 422                 vm_page_wakeup(m);
 423         }
 424         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 425
 426         return (KERN_SUCCESS);
 427 }
 428
 429 /*
 430  *      kmem_alloc_wait:
 431  *
 432  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 433  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 434  *
 435  *      This routine may block.
 436  */
 437 vm_offset_t
 438 kmem_alloc_wait(map, size)
 439         vm_map_t map;
 440         vm_size_t size;
 441 {
 442         vm_offset_t addr;
 443
 444         size = round_page(size);
 445         if (!swap_reserve(size))
 446                 return (0);
 447
 448         for (;;) {
 449                 /*
 450                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 451                  * to lock out sleepers/wakers.
 452                  */
 453                 vm_map_lock(map);
 454                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 455                         break;
 456                 /* no space now; see if we can ever get space */
 457                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 458                         vm_map_unlock(map);
 459                         swap_release(size);
 460                         return (0);
 461                 }
 462                 map->needs_wakeup = TRUE;
 463                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 464         }
 465         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 466             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 467         vm_map_unlock(map);
 468         return (addr);
 469 }
 470
 471 /*
 472  *      kmem_free_wakeup:
 473  *
 474  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 475  *      waiting for memory in that map.
 476  */
 477 void
 478 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 479         vm_map_t map;
 480         vm_offset_t addr;
 481         vm_size_t size;
 482 {
 483
 484         vm_map_lock(map);
 485         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 486         if (map->needs_wakeup) {
 487                 map->needs_wakeup = FALSE;
 488                 vm_map_wakeup(map);
 489         }
 490         vm_map_unlock(map);
 491 }
 492
 493 /*
 494  *      kmem_init:
 495  *
 496  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 497  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 498  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 499  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 500  */
 501 void
 502 kmem_init(start, end)
 503         vm_offset_t start, end;
 504 {
 505         vm_map_t m;
 506
 507         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 508         m->system_map = 1;
 509         vm_map_lock(m);
 510         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 511         kernel_map = m;
 512         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 513 #ifdef __amd64__
 514             KERNBASE,
 515 #else
 516             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 517 #endif
 518             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 519         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 520         vm_map_unlock(m);
 521 }
 522
 523 #ifdef DIAGNOSTIC
 524 /*
 525  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 526  * purposes.
 527  */
 528 static int
 529 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 530 {
 531         int error, i;
 532
 533         i = 0;
 534         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 535         if (error)
 536                 return (error);
 537         if (i)
 538                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 539         return (0);
 540 }
 541
 542 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 543     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event");
 544 #endif