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
  77 #include <vm/vm.h>
  78 #include <vm/vm_param.h>
  79 #include <vm/pmap.h>
  80 #include <vm/vm_map.h>
  81 #include <vm/vm_object.h>
  82 #include <vm/vm_page.h>
  83 #include <vm/vm_pageout.h>
  84 #include <vm/vm_extern.h>
  85 #include <vm/uma.h>
  86
  87 vm_map_t kernel_map=0;
  88 vm_map_t kmem_map=0;
  89 vm_map_t exec_map=0;
  90 vm_map_t pipe_map;
  91 vm_map_t buffer_map=0;
  92
  93 /*
  94  *      kmem_alloc_nofault:
  95  *
  96  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
  97  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
  98  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
  99  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 100  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 101  */
 102 vm_offset_t
 103 kmem_alloc_nofault(map, size)
 104         vm_map_t map;
 105         vm_size_t size;
 106 {
 107         vm_offset_t addr;
 108         int result;
 109
 110         size = round_page(size);
 111         addr = vm_map_min(map);
 112         result = vm_map_find(map, NULL, 0, &addr, size, VMFS_ANY_SPACE,
 113             VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 114         if (result != KERN_SUCCESS) {
 115                 return (0);
 116         }
 117         return (addr);
 118 }
 119
 120 /*
 121  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 122  *      or a submap.
 123  */
 124 vm_offset_t
 125 kmem_alloc(map, size)
 126         vm_map_t map;
 127         vm_size_t size;
 128 {
 129         vm_offset_t addr;
 130         vm_offset_t offset;
 131         vm_offset_t i;
 132
 133         size = round_page(size);
 134
 135         /*
 136          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 137          * region of the kernel object is referenced more than once.
 138          */
 139
 140         /*
 141          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 142          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 143          * offset within the kernel map.
 144          */
 145         vm_map_lock(map);
 146         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 147                 vm_map_unlock(map);
 148                 return (0);
 149         }
 150         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 151         vm_object_reference(kernel_object);
 152         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 153                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 154         vm_map_unlock(map);
 155
 156         /*
 157          * Guarantee that there are pages already in this object before
 158          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 159          * scenario:
 160          *
 161          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 162          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 163          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 164          * there is no page, but there is a pager, so we call
 165          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 166          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 167          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 168          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 169          *
 170          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 171          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 172          */
 173         VM_OBJECT_LOCK(kernel_object);
 174         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 175                 vm_page_t mem;
 176
 177                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 178                     VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 179                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 180                 KASSERT((mem->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 181                     ("kmem_alloc: page %p is managed", mem));
 182         }
 183         VM_OBJECT_UNLOCK(kernel_object);
 184
 185         /*
 186          * And finally, mark the data as non-pageable.
 187          */
 188         (void) vm_map_wire(map, addr, addr + size,
 189             VM_MAP_WIRE_SYSTEM|VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
 190
 191         return (addr);
 192 }
 193
 194 /*
 195  *      kmem_free:
 196  *
 197  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 198  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 199  *      associated with that region.
 200  *
 201  *      This routine may not block on kernel maps.
 202  */
 203 void
 204 kmem_free(map, addr, size)
 205         vm_map_t map;
 206         vm_offset_t addr;
 207         vm_size_t size;
 208 {
 209
 210         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 211 }
 212
 213 /*
 214  *      kmem_suballoc:
 215  *
 216  *      Allocates a map to manage a subrange
 217  *      of the kernel virtual address space.
 218  *
 219  *      Arguments are as follows:
 220  *
 221  *      parent          Map to take range from
 222  *      min, max        Returned endpoints of map
 223  *      size            Size of range to find
 224  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 225  */
 226 vm_map_t
 227 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 228     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 229 {
 230         int ret;
 231         vm_map_t result;
 232
 233         size = round_page(size);
 234
 235         *min = vm_map_min(parent);
 236         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, superpage_align ?
 237             VMFS_ALIGNED_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 238         if (ret != KERN_SUCCESS)
 239                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 240         *max = *min + size;
 241         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 242         if (result == NULL)
 243                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 244         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 245                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 246         return (result);
 247 }
 248
 249 /*
 250  *      kmem_malloc:
 251  *
 252  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 253  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 254  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 255  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 256  *
 257  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 258  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 259  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 260  *
 261  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 262  *      for wired maps are statically allocated.
 263  *
 264  *      `map' is ONLY allowed to be kmem_map or one of the mbuf submaps to
 265  *      which we never free.
 266  */
 267 vm_offset_t
 268 kmem_malloc(map, size, flags)
 269         vm_map_t map;
 270         vm_size_t size;
 271         int flags;
 272 {
 273         vm_offset_t offset, i;
 274         vm_map_entry_t entry;
 275         vm_offset_t addr;
 276         vm_page_t m;
 277         int pflags;
 278
 279         size = round_page(size);
 280         addr = vm_map_min(map);
 281
 282         /*
 283          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 284          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 285          * offset within the kernel map.
 286          */
 287         vm_map_lock(map);
 288         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 289                 vm_map_unlock(map);
 290                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 291                         for (i = 0; i < 8; i++) {
 292                                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 293                                 uma_reclaim();
 294                                 vm_map_lock(map);
 295                                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map),
 296                                     size, &addr) == 0) {
 297                                         break;
 298                                 }
 299                                 vm_map_unlock(map);
 300                                 tsleep(&i, 0, "nokva", (hz / 4) * (i + 1));
 301                         }
 302                         if (i == 8) {
 303                                 panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 304                                     (long)size, (long)map->size);
 305                         }
 306                 } else {
 307                         return (0);
 308                 }
 309         }
 310         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 311         vm_object_reference(kmem_object);
 312         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 313                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 314
 315         if ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT)
 316                 pflags = VM_ALLOC_INTERRUPT | VM_ALLOC_WIRED;
 317         else
 318                 pflags = VM_ALLOC_SYSTEM | VM_ALLOC_WIRED;
 319
 320         if (flags & M_ZERO)
 321                 pflags |= VM_ALLOC_ZERO;
 322
 323         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 324         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 325 retry:
 326                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
 327
 328                 /*
 329                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 330                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 331                  * aren't on any queues.
 332                  */
 333                 if (m == NULL) {
 334                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 335                                 VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 336                                 vm_map_unlock(map);
 337                                 VM_WAIT;
 338                                 vm_map_lock(map);
 339                                 VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 340                                 goto retry;
 341                         }
 342                         /*
 343                          * Free the pages before removing the map entry.
 344                          * They are already marked busy.  Calling
 345                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 346                          * unbusied will cause a deadlock.
 347                          */
 348                         while (i != 0) {
 349                                 i -= PAGE_SIZE;
 350                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 351                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 352                                 vm_page_lock_queues();
 353                                 vm_page_unwire(m, 0);
 354                                 vm_page_free(m);
 355                                 vm_page_unlock_queues();
 356                         }
 357                         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 358                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 359                         vm_map_unlock(map);
 360                         return (0);
 361                 }
 362                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 363                         pmap_zero_page(m);
 364                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 365                 KASSERT((m->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 366                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 367         }
 368         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 369
 370         /*
 371          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 372          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 373          * exactly corresponding to this address range and it will have
 374          * wired_count == 0.
 375          */
 376         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 377             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 378             entry->wired_count != 0)
 379                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 380         entry->wired_count = 1;
 381
 382         /*
 383          * At this point, the kmem_object must be unlocked because
 384          * vm_map_simplify_entry() calls vm_object_deallocate(), which
 385          * locks the kmem_object.
 386          */
 387         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 388
 389         /*
 390          * Loop thru pages, entering them in the pmap.
 391          */
 392         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 393         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 394                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 395                 /*
 396                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 397                  */
 398                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL,
 399                     TRUE);
 400                 vm_page_wakeup(m);
 401         }
 402         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 403         vm_map_unlock(map);
 404
 405         return (addr);
 406 }
 407
 408 /*
 409  *      kmem_alloc_wait:
 410  *
 411  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 412  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 413  *
 414  *      This routine may block.
 415  */
 416 vm_offset_t
 417 kmem_alloc_wait(map, size)
 418         vm_map_t map;
 419         vm_size_t size;
 420 {
 421         vm_offset_t addr;
 422
 423         size = round_page(size);
 424
 425         for (;;) {
 426                 /*
 427                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 428                  * to lock out sleepers/wakers.
 429                  */
 430                 vm_map_lock(map);
 431                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 432                         break;
 433                 /* no space now; see if we can ever get space */
 434                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 435                         vm_map_unlock(map);
 436                         return (0);
 437                 }
 438                 map->needs_wakeup = TRUE;
 439                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 440         }
 441         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 442         vm_map_unlock(map);
 443         return (addr);
 444 }
 445
 446 /*
 447  *      kmem_free_wakeup:
 448  *
 449  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 450  *      waiting for memory in that map.
 451  */
 452 void
 453 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 454         vm_map_t map;
 455         vm_offset_t addr;
 456         vm_size_t size;
 457 {
 458
 459         vm_map_lock(map);
 460         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 461         if (map->needs_wakeup) {
 462                 map->needs_wakeup = FALSE;
 463                 vm_map_wakeup(map);
 464         }
 465         vm_map_unlock(map);
 466 }
 467
 468 /*
 469  *      kmem_init:
 470  *
 471  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 472  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 473  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 474  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 475  */
 476 void
 477 kmem_init(start, end)
 478         vm_offset_t start, end;
 479 {
 480         vm_map_t m;
 481
 482         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 483         m->system_map = 1;
 484         vm_map_lock(m);
 485         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 486         kernel_map = m;
 487         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 488 #ifdef __amd64__
 489             KERNBASE,
 490 #else
 491             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 492 #endif
 493             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 494         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 495         vm_map_unlock(m);
 496 }