sys/vm/vm_kern.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  *
  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 #include "opt_vm.h"
  67
  68 #include <sys/param.h>
  69 #include <sys/systm.h>
  70 #include <sys/asan.h>
  71 #include <sys/domainset.h>
  72 #include <sys/eventhandler.h>
  73 #include <sys/kernel.h>
  74 #include <sys/lock.h>
  75 #include <sys/malloc.h>
  76 #include <sys/msan.h>
  77 #include <sys/proc.h>
  78 #include <sys/rwlock.h>
  79 #include <sys/smp.h>
  80 #include <sys/sysctl.h>
  81 #include <sys/vmem.h>
  82 #include <sys/vmmeter.h>
  83
  84 #include <vm/vm.h>
  85 #include <vm/vm_param.h>
  86 #include <vm/vm_domainset.h>
  87 #include <vm/vm_kern.h>
  88 #include <vm/pmap.h>
  89 #include <vm/vm_map.h>
  90 #include <vm/vm_object.h>
  91 #include <vm/vm_page.h>
  92 #include <vm/vm_pageout.h>
  93 #include <vm/vm_pagequeue.h>
  94 #include <vm/vm_phys.h>
  95 #include <vm/vm_radix.h>
  96 #include <vm/vm_extern.h>
  97 #include <vm/uma.h>
  98
  99 struct vm_map kernel_map_store;
 100 struct vm_map exec_map_store;
 101 struct vm_map pipe_map_store;
 102
 103 const void *zero_region;
 104 CTASSERT((ZERO_REGION_SIZE & PAGE_MASK) == 0);
 105
 106 /* NB: Used by kernel debuggers. */
 107 const u_long vm_maxuser_address = VM_MAXUSER_ADDRESS;
 108
 109 u_int exec_map_entry_size;
 110 u_int exec_map_entries;
 111
 112 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, min_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 113     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, "Min kernel address");
 114
 115 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, max_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 116 #if defined(__arm__)
 117     &vm_max_kernel_address, 0,
 118 #else
 119     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MAX_KERNEL_ADDRESS,
 120 #endif
 121     "Max kernel address");
 122
 123 #if VM_NRESERVLEVEL > 0
 124 #define KVA_QUANTUM_SHIFT       (VM_LEVEL_0_ORDER + PAGE_SHIFT)
 125 #else
 126 /* On non-superpage architectures we want large import sizes. */
 127 #define KVA_QUANTUM_SHIFT       (8 + PAGE_SHIFT)
 128 #endif
 129 #define KVA_QUANTUM             (1ul << KVA_QUANTUM_SHIFT)
 130 #define KVA_NUMA_IMPORT_QUANTUM (KVA_QUANTUM * 128)
 131
 132 extern void     uma_startup2(void);
 133
 134 /*
 135  *      kva_alloc:
 136  *
 137  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
 138  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
 139  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
 140  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 141  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 142  */
 143 vm_offset_t
 144 kva_alloc(vm_size_t size)
 145 {
 146         vm_offset_t addr;
 147
 148         TSENTER();
 149         size = round_page(size);
 150         if (vmem_xalloc(kernel_arena, size, 0, 0, 0, VMEM_ADDR_MIN,
 151             VMEM_ADDR_MAX, M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr))
 152                 return (0);
 153         TSEXIT();
 154
 155         return (addr);
 156 }
 157
 158 /*
 159  *      kva_alloc_aligned:
 160  *
 161  *      Allocate a virtual address range as in kva_alloc where the base
 162  *      address is aligned to align.
 163  */
 164 vm_offset_t
 165 kva_alloc_aligned(vm_size_t size, vm_size_t align)
 166 {
 167         vm_offset_t addr;
 168
 169         TSENTER();
 170         size = round_page(size);
 171         if (vmem_xalloc(kernel_arena, size, align, 0, 0, VMEM_ADDR_MIN,
 172             VMEM_ADDR_MAX, M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr))
 173                 return (0);
 174         TSEXIT();
 175
 176         return (addr);
 177 }
 178
 179 /*
 180  *      kva_free:
 181  *
 182  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 183  *      with kva_alloc, and return the physical pages
 184  *      associated with that region.
 185  *
 186  *      This routine may not block on kernel maps.
 187  */
 188 void
 189 kva_free(vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 190 {
 191
 192         size = round_page(size);
 193         vmem_xfree(kernel_arena, addr, size);
 194 }
 195
 196 /*
 197  * Update sanitizer shadow state to reflect a new allocation.  Force inlining to
 198  * help make KMSAN origin tracking more precise.
 199  */
 200 static __always_inline void
 201 kmem_alloc_san(vm_offset_t addr, vm_size_t size, vm_size_t asize, int flags)
 202 {
 203         if ((flags & M_ZERO) == 0) {
 204                 kmsan_mark((void *)addr, asize, KMSAN_STATE_UNINIT);
 205                 kmsan_orig((void *)addr, asize, KMSAN_TYPE_KMEM,
 206                     KMSAN_RET_ADDR);
 207         } else {
 208                 kmsan_mark((void *)addr, asize, KMSAN_STATE_INITED);
 209         }
 210         kasan_mark((void *)addr, size, asize, KASAN_KMEM_REDZONE);
 211 }
 212
 213 static vm_page_t
 214 kmem_alloc_contig_pages(vm_object_t object, vm_pindex_t pindex, int domain,
 215     int pflags, u_long npages, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 216     u_long alignment, vm_paddr_t boundary, vm_memattr_t memattr)
 217 {
 218         vm_page_t m;
 219         int tries;
 220         bool wait, reclaim;
 221
 222         VM_OBJECT_ASSERT_WLOCKED(object);
 223
 224         wait = (pflags & VM_ALLOC_WAITOK) != 0;
 225         reclaim = (pflags & VM_ALLOC_NORECLAIM) == 0;
 226         pflags &= ~(VM_ALLOC_NOWAIT | VM_ALLOC_WAITOK | VM_ALLOC_WAITFAIL);
 227         pflags |= VM_ALLOC_NOWAIT;
 228         for (tries = wait ? 3 : 1;; tries--) {
 229                 m = vm_page_alloc_contig_domain(object, pindex, domain, pflags,
 230                     npages, low, high, alignment, boundary, memattr);
 231                 if (m != NULL || tries == 0 || !reclaim)
 232                         break;
 233
 234                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 235                 if (!vm_page_reclaim_contig_domain(domain, pflags, npages,
 236                     low, high, alignment, boundary) && wait)
 237                         vm_wait_domain(domain);
 238                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 239         }
 240         return (m);
 241 }
 242
 243 /*
 244  *      Allocates a region from the kernel address map and physical pages
 245  *      within the specified address range to the kernel object.  Creates a
 246  *      wired mapping from this region to these pages, and returns the
 247  *      region's starting virtual address.  The allocated pages are not
 248  *      necessarily physically contiguous.  If M_ZERO is specified through the
 249  *      given flags, then the pages are zeroed before they are mapped.
 250  */
 251 static void *
 252 kmem_alloc_attr_domain(int domain, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 253     vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 254 {
 255         vmem_t *vmem;
 256         vm_object_t object;
 257         vm_offset_t addr, i, offset;
 258         vm_page_t m;
 259         vm_size_t asize;
 260         int pflags;
 261         vm_prot_t prot;
 262
 263         object = kernel_object;
 264         asize = round_page(size);
 265         vmem = vm_dom[domain].vmd_kernel_arena;
 266         if (vmem_alloc(vmem, asize, M_BESTFIT | flags, &addr))
 267                 return (0);
 268         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 269         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_WIRED;
 270         prot = (flags & M_EXEC) != 0 ? VM_PROT_ALL : VM_PROT_RW;
 271         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 272         for (i = 0; i < asize; i += PAGE_SIZE) {
 273                 m = kmem_alloc_contig_pages(object, atop(offset + i),
 274                     domain, pflags, 1, low, high, PAGE_SIZE, 0, memattr);
 275                 if (m == NULL) {
 276                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 277                         kmem_unback(object, addr, i);
 278                         vmem_free(vmem, addr, asize);
 279                         return (0);
 280                 }
 281                 KASSERT(vm_page_domain(m) == domain,
 282                     ("kmem_alloc_attr_domain: Domain mismatch %d != %d",
 283                     vm_page_domain(m), domain));
 284                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 285                         pmap_zero_page(m);
 286                 vm_page_valid(m);
 287                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, prot,
 288                     prot | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 289         }
 290         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 291         kmem_alloc_san(addr, size, asize, flags);
 292         return ((void *)addr);
 293 }
 294
 295 void *
 296 kmem_alloc_attr(vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 297     vm_memattr_t memattr)
 298 {
 299
 300         return (kmem_alloc_attr_domainset(DOMAINSET_RR(), size, flags, low,
 301             high, memattr));
 302 }
 303
 304 void *
 305 kmem_alloc_attr_domainset(struct domainset *ds, vm_size_t size, int flags,
 306     vm_paddr_t low, vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 307 {
 308         struct vm_domainset_iter di;
 309         void *addr;
 310         int domain;
 311
 312         vm_domainset_iter_policy_init(&di, ds, &domain, &flags);
 313         do {
 314                 addr = kmem_alloc_attr_domain(domain, size, flags, low, high,
 315                     memattr);
 316                 if (addr != NULL)
 317                         break;
 318         } while (vm_domainset_iter_policy(&di, &domain) == 0);
 319
 320         return (addr);
 321 }
 322
 323 /*
 324  *      Allocates a region from the kernel address map and physically
 325  *      contiguous pages within the specified address range to the kernel
 326  *      object.  Creates a wired mapping from this region to these pages, and
 327  *      returns the region's starting virtual address.  If M_ZERO is specified
 328  *      through the given flags, then the pages are zeroed before they are
 329  *      mapped.
 330  */
 331 static void *
 332 kmem_alloc_contig_domain(int domain, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 333     vm_paddr_t high, u_long alignment, vm_paddr_t boundary,
 334     vm_memattr_t memattr)
 335 {
 336         vmem_t *vmem;
 337         vm_object_t object;
 338         vm_offset_t addr, offset, tmp;
 339         vm_page_t end_m, m;
 340         vm_size_t asize;
 341         u_long npages;
 342         int pflags;
 343
 344         object = kernel_object;
 345         asize = round_page(size);
 346         vmem = vm_dom[domain].vmd_kernel_arena;
 347         if (vmem_alloc(vmem, asize, flags | M_BESTFIT, &addr))
 348                 return (NULL);
 349         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 350         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_WIRED;
 351         npages = atop(asize);
 352         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 353         m = kmem_alloc_contig_pages(object, atop(offset), domain,
 354             pflags, npages, low, high, alignment, boundary, memattr);
 355         if (m == NULL) {
 356                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 357                 vmem_free(vmem, addr, asize);
 358                 return (NULL);
 359         }
 360         KASSERT(vm_page_domain(m) == domain,
 361             ("kmem_alloc_contig_domain: Domain mismatch %d != %d",
 362             vm_page_domain(m), domain));
 363         end_m = m + npages;
 364         tmp = addr;
 365         for (; m < end_m; m++) {
 366                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 367                         pmap_zero_page(m);
 368                 vm_page_valid(m);
 369                 pmap_enter(kernel_pmap, tmp, m, VM_PROT_RW,
 370                     VM_PROT_RW | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 371                 tmp += PAGE_SIZE;
 372         }
 373         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 374         kmem_alloc_san(addr, size, asize, flags);
 375         return ((void *)addr);
 376 }
 377
 378 void *
 379 kmem_alloc_contig(vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 380     u_long alignment, vm_paddr_t boundary, vm_memattr_t memattr)
 381 {
 382
 383         return (kmem_alloc_contig_domainset(DOMAINSET_RR(), size, flags, low,
 384             high, alignment, boundary, memattr));
 385 }
 386
 387 void *
 388 kmem_alloc_contig_domainset(struct domainset *ds, vm_size_t size, int flags,
 389     vm_paddr_t low, vm_paddr_t high, u_long alignment, vm_paddr_t boundary,
 390     vm_memattr_t memattr)
 391 {
 392         struct vm_domainset_iter di;
 393         void *addr;
 394         int domain;
 395
 396         vm_domainset_iter_policy_init(&di, ds, &domain, &flags);
 397         do {
 398                 addr = kmem_alloc_contig_domain(domain, size, flags, low, high,
 399                     alignment, boundary, memattr);
 400                 if (addr != NULL)
 401                         break;
 402         } while (vm_domainset_iter_policy(&di, &domain) == 0);
 403
 404         return (addr);
 405 }
 406
 407 /*
 408  *      kmem_subinit:
 409  *
 410  *      Initializes a map to manage a subrange
 411  *      of the kernel virtual address space.
 412  *
 413  *      Arguments are as follows:
 414  *
 415  *      parent          Map to take range from
 416  *      min, max        Returned endpoints of map
 417  *      size            Size of range to find
 418  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 419  */
 420 void
 421 kmem_subinit(vm_map_t map, vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 422     vm_size_t size, bool superpage_align)
 423 {
 424         int ret;
 425
 426         size = round_page(size);
 427
 428         *min = vm_map_min(parent);
 429         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, 0, superpage_align ?
 430             VMFS_SUPER_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 431             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 432         if (ret != KERN_SUCCESS)
 433                 panic("kmem_subinit: bad status return of %d", ret);
 434         *max = *min + size;
 435         vm_map_init(map, vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 436         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, map) != KERN_SUCCESS)
 437                 panic("kmem_subinit: unable to change range to submap");
 438 }
 439
 440 /*
 441  *      kmem_malloc_domain:
 442  *
 443  *      Allocate wired-down pages in the kernel's address space.
 444  */
 445 static void *
 446 kmem_malloc_domain(int domain, vm_size_t size, int flags)
 447 {
 448         vmem_t *arena;
 449         vm_offset_t addr;
 450         vm_size_t asize;
 451         int rv;
 452
 453         if (__predict_true((flags & M_EXEC) == 0))
 454                 arena = vm_dom[domain].vmd_kernel_arena;
 455         else
 456                 arena = vm_dom[domain].vmd_kernel_rwx_arena;
 457         asize = round_page(size);
 458         if (vmem_alloc(arena, asize, flags | M_BESTFIT, &addr))
 459                 return (0);
 460
 461         rv = kmem_back_domain(domain, kernel_object, addr, asize, flags);
 462         if (rv != KERN_SUCCESS) {
 463                 vmem_free(arena, addr, asize);
 464                 return (0);
 465         }
 466         kasan_mark((void *)addr, size, asize, KASAN_KMEM_REDZONE);
 467         return ((void *)addr);
 468 }
 469
 470 void *
 471 kmem_malloc(vm_size_t size, int flags)
 472 {
 473         void * p;
 474
 475         TSENTER();
 476         p = kmem_malloc_domainset(DOMAINSET_RR(), size, flags);
 477         TSEXIT();
 478         return (p);
 479 }
 480
 481 void *
 482 kmem_malloc_domainset(struct domainset *ds, vm_size_t size, int flags)
 483 {
 484         struct vm_domainset_iter di;
 485         void *addr;
 486         int domain;
 487
 488         vm_domainset_iter_policy_init(&di, ds, &domain, &flags);
 489         do {
 490                 addr = kmem_malloc_domain(domain, size, flags);
 491                 if (addr != NULL)
 492                         break;
 493         } while (vm_domainset_iter_policy(&di, &domain) == 0);
 494
 495         return (addr);
 496 }
 497
 498 /*
 499  *      kmem_back_domain:
 500  *
 501  *      Allocate physical pages from the specified domain for the specified
 502  *      virtual address range.
 503  */
 504 int
 505 kmem_back_domain(int domain, vm_object_t object, vm_offset_t addr,
 506     vm_size_t size, int flags)
 507 {
 508         vm_offset_t offset, i;
 509         vm_page_t m, mpred;
 510         vm_prot_t prot;
 511         int pflags;
 512
 513         KASSERT(object == kernel_object,
 514             ("kmem_back_domain: only supports kernel object."));
 515
 516         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 517         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_WIRED;
 518         pflags &= ~(VM_ALLOC_NOWAIT | VM_ALLOC_WAITOK | VM_ALLOC_WAITFAIL);
 519         if (flags & M_WAITOK)
 520                 pflags |= VM_ALLOC_WAITFAIL;
 521         prot = (flags & M_EXEC) != 0 ? VM_PROT_ALL : VM_PROT_RW;
 522
 523         i = 0;
 524         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 525 retry:
 526         mpred = vm_radix_lookup_le(&object->rtree, atop(offset + i));
 527         for (; i < size; i += PAGE_SIZE, mpred = m) {
 528                 m = vm_page_alloc_domain_after(object, atop(offset + i),
 529                     domain, pflags, mpred);
 530
 531                 /*
 532                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 533                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 534                  * aren't on any queues.
 535                  */
 536                 if (m == NULL) {
 537                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
 538                                 goto retry;
 539                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 540                         kmem_unback(object, addr, i);
 541                         return (KERN_NO_SPACE);
 542                 }
 543                 KASSERT(vm_page_domain(m) == domain,
 544                     ("kmem_back_domain: Domain mismatch %d != %d",
 545                     vm_page_domain(m), domain));
 546                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 547                         pmap_zero_page(m);
 548                 KASSERT((m->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
 549                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 550                 vm_page_valid(m);
 551                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, prot,
 552                     prot | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 553                 if (__predict_false((prot & VM_PROT_EXECUTE) != 0))
 554                         m->oflags |= VPO_KMEM_EXEC;
 555         }
 556         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 557         kmem_alloc_san(addr, size, size, flags);
 558         return (KERN_SUCCESS);
 559 }
 560
 561 /*
 562  *      kmem_back:
 563  *
 564  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 565  */
 566 int
 567 kmem_back(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 568 {
 569         vm_offset_t end, next, start;
 570         int domain, rv;
 571
 572         KASSERT(object == kernel_object,
 573             ("kmem_back: only supports kernel object."));
 574
 575         for (start = addr, end = addr + size; addr < end; addr = next) {
 576                 /*
 577                  * We must ensure that pages backing a given large virtual page
 578                  * all come from the same physical domain.
 579                  */
 580                 if (vm_ndomains > 1) {
 581                         domain = (addr >> KVA_QUANTUM_SHIFT) % vm_ndomains;
 582                         while (VM_DOMAIN_EMPTY(domain))
 583                                 domain++;
 584                         next = roundup2(addr + 1, KVA_QUANTUM);
 585                         if (next > end || next < start)
 586                                 next = end;
 587                 } else {
 588                         domain = 0;
 589                         next = end;
 590                 }
 591                 rv = kmem_back_domain(domain, object, addr, next - addr, flags);
 592                 if (rv != KERN_SUCCESS) {
 593                         kmem_unback(object, start, addr - start);
 594                         break;
 595                 }
 596         }
 597         return (rv);
 598 }
 599
 600 /*
 601  *      kmem_unback:
 602  *
 603  *      Unmap and free the physical pages underlying the specified virtual
 604  *      address range.
 605  *
 606  *      A physical page must exist within the specified object at each index
 607  *      that is being unmapped.
 608  */
 609 static struct vmem *
 610 _kmem_unback(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 611 {
 612         struct vmem *arena;
 613         vm_page_t m, next;
 614         vm_offset_t end, offset;
 615         int domain;
 616
 617         KASSERT(object == kernel_object,
 618             ("kmem_unback: only supports kernel object."));
 619
 620         if (size == 0)
 621                 return (NULL);
 622         pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + size);
 623         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 624         end = offset + size;
 625         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 626         m = vm_page_lookup(object, atop(offset));
 627         domain = vm_page_domain(m);
 628         if (__predict_true((m->oflags & VPO_KMEM_EXEC) == 0))
 629                 arena = vm_dom[domain].vmd_kernel_arena;
 630         else
 631                 arena = vm_dom[domain].vmd_kernel_rwx_arena;
 632         for (; offset < end; offset += PAGE_SIZE, m = next) {
 633                 next = vm_page_next(m);
 634                 vm_page_xbusy_claim(m);
 635                 vm_page_unwire_noq(m);
 636                 vm_page_free(m);
 637         }
 638         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 639
 640         return (arena);
 641 }
 642
 643 void
 644 kmem_unback(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 645 {
 646
 647         (void)_kmem_unback(object, addr, size);
 648 }
 649
 650 /*
 651  *      kmem_free:
 652  *
 653  *      Free memory allocated with kmem_malloc.  The size must match the
 654  *      original allocation.
 655  */
 656 void
 657 kmem_free(void *addr, vm_size_t size)
 658 {
 659         struct vmem *arena;
 660
 661         size = round_page(size);
 662         kasan_mark(addr, size, size, 0);
 663         arena = _kmem_unback(kernel_object, (uintptr_t)addr, size);
 664         if (arena != NULL)
 665                 vmem_free(arena, (uintptr_t)addr, size);
 666 }
 667
 668 /*
 669  *      kmap_alloc_wait:
 670  *
 671  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 672  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 673  *
 674  *      This routine may block.
 675  */
 676 vm_offset_t
 677 kmap_alloc_wait(vm_map_t map, vm_size_t size)
 678 {
 679         vm_offset_t addr;
 680
 681         size = round_page(size);
 682         if (!swap_reserve(size))
 683                 return (0);
 684
 685         for (;;) {
 686                 /*
 687                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 688                  * to lock out sleepers/wakers.
 689                  */
 690                 vm_map_lock(map);
 691                 addr = vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size);
 692                 if (addr + size <= vm_map_max(map))
 693                         break;
 694                 /* no space now; see if we can ever get space */
 695                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 696                         vm_map_unlock(map);
 697                         swap_release(size);
 698                         return (0);
 699                 }
 700                 map->needs_wakeup = TRUE;
 701                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 702         }
 703         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_RW, VM_PROT_RW,
 704             MAP_ACC_CHARGED);
 705         vm_map_unlock(map);
 706         return (addr);
 707 }
 708
 709 /*
 710  *      kmap_free_wakeup:
 711  *
 712  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 713  *      waiting for memory in that map.
 714  */
 715 void
 716 kmap_free_wakeup(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 717 {
 718
 719         vm_map_lock(map);
 720         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 721         if (map->needs_wakeup) {
 722                 map->needs_wakeup = FALSE;
 723                 vm_map_wakeup(map);
 724         }
 725         vm_map_unlock(map);
 726 }
 727
 728 void
 729 kmem_init_zero_region(void)
 730 {
 731         vm_offset_t addr, i;
 732         vm_page_t m;
 733
 734         /*
 735          * Map a single physical page of zeros to a larger virtual range.
 736          * This requires less looping in places that want large amounts of
 737          * zeros, while not using much more physical resources.
 738          */
 739         addr = kva_alloc(ZERO_REGION_SIZE);
 740         m = vm_page_alloc_noobj(VM_ALLOC_WIRED | VM_ALLOC_ZERO);
 741         for (i = 0; i < ZERO_REGION_SIZE; i += PAGE_SIZE)
 742                 pmap_qenter(addr + i, &m, 1);
 743         pmap_protect(kernel_pmap, addr, addr + ZERO_REGION_SIZE, VM_PROT_READ);
 744
 745         zero_region = (const void *)addr;
 746 }
 747
 748 /*
 749  * Import KVA from the kernel map into the kernel arena.
 750  */
 751 static int
 752 kva_import(void *unused, vmem_size_t size, int flags, vmem_addr_t *addrp)
 753 {
 754         vm_offset_t addr;
 755         int result;
 756
 757         TSENTER();
 758         KASSERT((size % KVA_QUANTUM) == 0,
 759             ("kva_import: Size %jd is not a multiple of %d",
 760             (intmax_t)size, (int)KVA_QUANTUM));
 761         addr = vm_map_min(kernel_map);
 762         result = vm_map_find(kernel_map, NULL, 0, &addr, size, 0,
 763             VMFS_SUPER_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 764         if (result != KERN_SUCCESS) {
 765                 TSEXIT();
 766                 return (ENOMEM);
 767         }
 768
 769         *addrp = addr;
 770
 771         TSEXIT();
 772         return (0);
 773 }
 774
 775 /*
 776  * Import KVA from a parent arena into a per-domain arena.  Imports must be
 777  * KVA_QUANTUM-aligned and a multiple of KVA_QUANTUM in size.
 778  */
 779 static int
 780 kva_import_domain(void *arena, vmem_size_t size, int flags, vmem_addr_t *addrp)
 781 {
 782
 783         KASSERT((size % KVA_QUANTUM) == 0,
 784             ("kva_import_domain: Size %jd is not a multiple of %d",
 785             (intmax_t)size, (int)KVA_QUANTUM));
 786         return (vmem_xalloc(arena, size, KVA_QUANTUM, 0, 0, VMEM_ADDR_MIN,
 787             VMEM_ADDR_MAX, flags, addrp));
 788 }
 789
 790 /*
 791  *      kmem_init:
 792  *
 793  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 794  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 795  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 796  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 797  *      Create the kernel vmem arena and its per-domain children.
 798  */
 799 void
 800 kmem_init(vm_offset_t start, vm_offset_t end)
 801 {
 802         vm_size_t quantum;
 803         int domain;
 804
 805         vm_map_init(kernel_map, kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 806         kernel_map->system_map = 1;
 807         vm_map_lock(kernel_map);
 808         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 809         (void)vm_map_insert(kernel_map, NULL, 0,
 810 #ifdef __amd64__
 811             KERNBASE,
 812 #else
 813             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 814 #endif
 815             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 816         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 817
 818 #ifdef __amd64__
 819         /*
 820          * Mark KVA used for the page array as allocated.  Other platforms
 821          * that handle vm_page_array allocation can simply adjust virtual_avail
 822          * instead.
 823          */
 824         (void)vm_map_insert(kernel_map, NULL, 0, (vm_offset_t)vm_page_array,
 825             (vm_offset_t)vm_page_array + round_2mpage(vm_page_array_size *
 826             sizeof(struct vm_page)),
 827             VM_PROT_RW, VM_PROT_RW, MAP_NOFAULT);
 828 #endif
 829         vm_map_unlock(kernel_map);
 830
 831         /*
 832          * Use a large import quantum on NUMA systems.  This helps minimize
 833          * interleaving of superpages, reducing internal fragmentation within
 834          * the per-domain arenas.
 835          */
 836         if (vm_ndomains > 1 && PMAP_HAS_DMAP)
 837                 quantum = KVA_NUMA_IMPORT_QUANTUM;
 838         else
 839                 quantum = KVA_QUANTUM;
 840
 841         /*
 842          * Initialize the kernel_arena.  This can grow on demand.
 843          */
 844         vmem_init(kernel_arena, "kernel arena", 0, 0, PAGE_SIZE, 0, 0);
 845         vmem_set_import(kernel_arena, kva_import, NULL, NULL, quantum);
 846
 847         for (domain = 0; domain < vm_ndomains; domain++) {
 848                 /*
 849                  * Initialize the per-domain arenas.  These are used to color
 850                  * the KVA space in a way that ensures that virtual large pages
 851                  * are backed by memory from the same physical domain,
 852                  * maximizing the potential for superpage promotion.
 853                  */
 854                 vm_dom[domain].vmd_kernel_arena = vmem_create(
 855                     "kernel arena domain", 0, 0, PAGE_SIZE, 0, M_WAITOK);
 856                 vmem_set_import(vm_dom[domain].vmd_kernel_arena,
 857                     kva_import_domain, NULL, kernel_arena, quantum);
 858
 859                 /*
 860                  * In architectures with superpages, maintain separate arenas
 861                  * for allocations with permissions that differ from the
 862                  * "standard" read/write permissions used for kernel memory,
 863                  * so as not to inhibit superpage promotion.
 864                  *
 865                  * Use the base import quantum since this arena is rarely used.
 866                  */
 867 #if VM_NRESERVLEVEL > 0
 868                 vm_dom[domain].vmd_kernel_rwx_arena = vmem_create(
 869                     "kernel rwx arena domain", 0, 0, PAGE_SIZE, 0, M_WAITOK);
 870                 vmem_set_import(vm_dom[domain].vmd_kernel_rwx_arena,
 871                     kva_import_domain, (vmem_release_t *)vmem_xfree,
 872                     kernel_arena, KVA_QUANTUM);
 873 #else
 874                 vm_dom[domain].vmd_kernel_rwx_arena =
 875                     vm_dom[domain].vmd_kernel_arena;
 876 #endif
 877         }
 878
 879         /*
 880          * This must be the very first call so that the virtual address
 881          * space used for early allocations is properly marked used in
 882          * the map.
 883          */
 884         uma_startup2();
 885 }
 886
 887 /*
 888  *      kmem_bootstrap_free:
 889  *
 890  *      Free pages backing preloaded data (e.g., kernel modules) to the
 891  *      system.  Currently only supported on platforms that create a
 892  *      vm_phys segment for preloaded data.
 893  */
 894 void
 895 kmem_bootstrap_free(vm_offset_t start, vm_size_t size)
 896 {
 897 #if defined(__i386__) || defined(__amd64__)
 898         struct vm_domain *vmd;
 899         vm_offset_t end, va;
 900         vm_paddr_t pa;
 901         vm_page_t m;
 902
 903         end = trunc_page(start + size);
 904         start = round_page(start);
 905
 906 #ifdef __amd64__
 907         /*
 908          * Preloaded files do not have execute permissions by default on amd64.
 909          * Restore the default permissions to ensure that the direct map alias
 910          * is updated.
 911          */
 912         pmap_change_prot(start, end - start, VM_PROT_RW);
 913 #endif
 914         for (va = start; va < end; va += PAGE_SIZE) {
 915                 pa = pmap_kextract(va);
 916                 m = PHYS_TO_VM_PAGE(pa);
 917
 918                 vmd = vm_pagequeue_domain(m);
 919                 vm_domain_free_lock(vmd);
 920                 vm_phys_free_pages(m, 0);
 921                 vm_domain_free_unlock(vmd);
 922
 923                 vm_domain_freecnt_inc(vmd, 1);
 924                 vm_cnt.v_page_count++;
 925         }
 926         pmap_remove(kernel_pmap, start, end);
 927         (void)vmem_add(kernel_arena, start, end - start, M_WAITOK);
 928 #endif
 929 }
 930
 931 #ifdef PMAP_WANT_ACTIVE_CPUS_NAIVE
 932 void
 933 pmap_active_cpus(pmap_t pmap, cpuset_t *res)
 934 {
 935         struct thread *td;
 936         struct proc *p;
 937         struct vmspace *vm;
 938         int c;
 939
 940         CPU_ZERO(res);
 941         CPU_FOREACH(c) {
 942                 td = cpuid_to_pcpu[c]->pc_curthread;
 943                 p = td->td_proc;
 944                 if (p == NULL)
 945                         continue;
 946                 vm = vmspace_acquire_ref(p);
 947                 if (vm == NULL)
 948                         continue;
 949                 if (pmap == vmspace_pmap(vm))
 950                         CPU_SET(c, res);
 951                 vmspace_free(vm);
 952         }
 953 }
 954 #endif
 955
 956 /*
 957  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 958  * purposes.
 959  */
 960 static int
 961 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 962 {
 963         int error, i;
 964
 965         i = 0;
 966         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 967         if (error != 0)
 968                 return (error);
 969         if ((i & ~(VM_LOW_KMEM | VM_LOW_PAGES)) != 0)
 970                 return (EINVAL);
 971         if (i != 0)
 972                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, i);
 973         return (0);
 974 }
 975 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem,
 976     CTLTYPE_INT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RW, 0, 0, debug_vm_lowmem, "I",
 977     "set to trigger vm_lowmem event with given flags");
 978
 979 static int
 980 debug_uma_reclaim(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 981 {
 982         int error, i;
 983
 984         i = 0;
 985         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 986         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
 987                 return (error);
 988         if (i != UMA_RECLAIM_TRIM && i != UMA_RECLAIM_DRAIN &&
 989             i != UMA_RECLAIM_DRAIN_CPU)
 990                 return (EINVAL);
 991         uma_reclaim(i);
 992         return (0);
 993 }
 994 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, uma_reclaim,
 995     CTLTYPE_INT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RW, 0, 0, debug_uma_reclaim, "I",
 996     "set to generate request to reclaim uma caches");
 997
 998 static int
 999 debug_uma_reclaim_domain(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
1000 {
1001         int domain, error, request;
1002
1003         request = 0;
1004         error = sysctl_handle_int(oidp, &request, 0, req);
1005         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
1006                 return (error);
1007
1008         domain = request >> 4;
1009         request &= 0xf;
1010         if (request != UMA_RECLAIM_TRIM && request != UMA_RECLAIM_DRAIN &&
1011             request != UMA_RECLAIM_DRAIN_CPU)
1012                 return (EINVAL);
1013         if (domain < 0 || domain >= vm_ndomains)
1014                 return (EINVAL);
1015         uma_reclaim_domain(request, domain);
1016         return (0);
1017 }
1018 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, uma_reclaim_domain,
1019     CTLTYPE_INT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RW, 0, 0,
1020     debug_uma_reclaim_domain, "I",
1021     "");