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/lock.h>
  72 #include <sys/mutex.h>
  73 #include <sys/proc.h>
  74 #include <sys/malloc.h>
  75
  76 #include <vm/vm.h>
  77 #include <vm/vm_param.h>
  78 #include <vm/pmap.h>
  79 #include <vm/vm_map.h>
  80 #include <vm/vm_object.h>
  81 #include <vm/vm_page.h>
  82 #include <vm/vm_pageout.h>
  83 #include <vm/vm_extern.h>
  84
  85 vm_map_t kernel_map=0;
  86 vm_map_t kmem_map=0;
  87 vm_map_t exec_map=0;
  88 vm_map_t pipe_map;
  89 vm_map_t buffer_map=0;
  90
  91 /*
  92  *      kmem_alloc_nofault:
  93  *
  94  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
  95  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
  96  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
  97  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
  98  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
  99  */
 100 vm_offset_t
 101 kmem_alloc_nofault(map, size)
 102         vm_map_t map;
 103         vm_size_t size;
 104 {
 105         vm_offset_t addr;
 106         int result;
 107
 108         size = round_page(size);
 109         addr = vm_map_min(map);
 110         result = vm_map_find(map, NULL, 0,
 111             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 112         if (result != KERN_SUCCESS) {
 113                 return (0);
 114         }
 115         return (addr);
 116 }
 117
 118 /*
 119  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 120  *      or a submap.
 121  */
 122 vm_offset_t
 123 kmem_alloc(map, size)
 124         vm_map_t map;
 125         vm_size_t size;
 126 {
 127         vm_offset_t addr;
 128         vm_offset_t offset;
 129         vm_offset_t i;
 130
 131         size = round_page(size);
 132
 133         /*
 134          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 135          * region of the kernel object is referenced more than once.
 136          */
 137
 138         /*
 139          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 140          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 141          * offset within the kernel map.
 142          */
 143         vm_map_lock(map);
 144         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 145                 vm_map_unlock(map);
 146                 return (0);
 147         }
 148         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 149         vm_object_reference(kernel_object);
 150         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 151                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 152         vm_map_unlock(map);
 153
 154         /*
 155          * Guarantee that there are pages already in this object before
 156          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 157          * scenario:
 158          *
 159          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 160          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 161          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 162          * there is no page, but there is a pager, so we call
 163          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 164          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 165          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 166          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 167          *
 168          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 169          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 170          */
 171         VM_OBJECT_LOCK(kernel_object);
 172         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 173                 vm_page_t mem;
 174
 175                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 176                     VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 177                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 178                 vm_page_lock_queues();
 179                 vm_page_unmanage(mem);
 180                 vm_page_unlock_queues();
 181         }
 182         VM_OBJECT_UNLOCK(kernel_object);
 183
 184         /*
 185          * And finally, mark the data as non-pageable.
 186          */
 187         (void) vm_map_wire(map, addr, addr + size,
 188             VM_MAP_WIRE_SYSTEM|VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
 189
 190         return (addr);
 191 }
 192
 193 /*
 194  *      kmem_free:
 195  *
 196  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 197  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 198  *      associated with that region.
 199  *
 200  *      This routine may not block on kernel maps.
 201  */
 202 void
 203 kmem_free(map, addr, size)
 204         vm_map_t map;
 205         vm_offset_t addr;
 206         vm_size_t size;
 207 {
 208
 209         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 210 }
 211
 212 /*
 213  *      kmem_suballoc:
 214  *
 215  *      Allocates a map to manage a subrange
 216  *      of the kernel virtual address space.
 217  *
 218  *      Arguments are as follows:
 219  *
 220  *      parent          Map to take range from
 221  *      min, max        Returned endpoints of map
 222  *      size            Size of range to find
 223  */
 224 vm_map_t
 225 kmem_suballoc(parent, min, max, size)
 226         vm_map_t parent;
 227         vm_offset_t *min, *max;
 228         vm_size_t size;
 229 {
 230         int ret;
 231         vm_map_t result;
 232
 233         size = round_page(size);
 234
 235         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 236         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 237             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 238         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 239                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 240                 panic("kmem_suballoc");
 241         }
 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  *      Note that this still only works in a uni-processor environment and
 264  *      when called at splhigh().
 265  *
 266  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 267  *      for wired maps are statically allocated.
 268  *
 269  *      NOTE:  This routine is not supposed to block if M_NOWAIT is set, but
 270  *      I have not verified that it actually does not block.
 271  *
 272  *      `map' is ONLY allowed to be kmem_map or one of the mbuf submaps to
 273  *      which we never free.
 274  */
 275 vm_offset_t
 276 kmem_malloc(map, size, flags)
 277         vm_map_t map;
 278         vm_size_t size;
 279         int flags;
 280 {
 281         vm_offset_t offset, i;
 282         vm_map_entry_t entry;
 283         vm_offset_t addr;
 284         vm_page_t m;
 285         int pflags;
 286
 287         size = round_page(size);
 288         addr = vm_map_min(map);
 289
 290         /*
 291          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 292          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 293          * offset within the kernel map.
 294          */
 295         vm_map_lock(map);
 296         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 297                 vm_map_unlock(map);
 298                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
 299                         panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 300                                 (long)size, (long)map->size);
 301                 return (0);
 302         }
 303         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 304         vm_object_reference(kmem_object);
 305         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 306                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 307
 308         /*
 309          * Note: if M_NOWAIT specified alone, allocate from
 310          * interrupt-safe queues only (just the free list).  If
 311          * M_USE_RESERVE is also specified, we can also
 312          * allocate from the cache.  Neither of the latter two
 313          * flags may be specified from an interrupt since interrupts
 314          * are not allowed to mess with the cache queue.
 315          */
 316
 317         if ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT)
 318                 pflags = VM_ALLOC_INTERRUPT | VM_ALLOC_WIRED;
 319         else
 320                 pflags = VM_ALLOC_SYSTEM | VM_ALLOC_WIRED;
 321
 322         if (flags & M_ZERO)
 323                 pflags |= VM_ALLOC_ZERO;
 324
 325         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 326         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 327 retry:
 328                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
 329
 330                 /*
 331                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 332                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 333                  * aren't on any queues.
 334                  */
 335                 if (m == NULL) {
 336                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 337                                 VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 338                                 vm_map_unlock(map);
 339                                 VM_WAIT;
 340                                 vm_map_lock(map);
 341                                 VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 342                                 goto retry;
 343                         }
 344                         /*
 345                          * Free the pages before removing the map entry.
 346                          * They are already marked busy.  Calling
 347                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 348                          * unbusied will cause a deadlock.
 349                          */
 350                         while (i != 0) {
 351                                 i -= PAGE_SIZE;
 352                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 353                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 354                                 vm_page_lock_queues();
 355                                 vm_page_unwire(m, 0);
 356                                 vm_page_free(m);
 357                                 vm_page_unlock_queues();
 358                         }
 359                         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 360                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 361                         vm_map_unlock(map);
 362                         return (0);
 363                 }
 364                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 365                         pmap_zero_page(m);
 366                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 367                 vm_page_lock_queues();
 368                 vm_page_unmanage(m);
 369                 vm_page_unlock_queues();
 370         }
 371         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 372
 373         /*
 374          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 375          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 376          * exactly corresponding to this address range and it will have
 377          * wired_count == 0.
 378          */
 379         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 380             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 381             entry->wired_count != 0)
 382                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 383         entry->wired_count = 1;
 384
 385         /*
 386          * At this point, the kmem_object must be unlocked because
 387          * vm_map_simplify_entry() calls vm_object_deallocate(), which
 388          * locks the kmem_object.
 389          */
 390         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 391
 392         /*
 393          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 394          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 395          * splimp...)
 396          */
 397         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 398         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 399                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 400                 /*
 401                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 402                  */
 403                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
 404                 vm_page_lock_queues();
 405                 vm_page_flag_set(m, PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 406                 vm_page_unlock_queues();
 407                 vm_page_wakeup(m);
 408         }
 409         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 410         vm_map_unlock(map);
 411
 412         return (addr);
 413 }
 414
 415 /*
 416  *      kmem_alloc_wait:
 417  *
 418  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 419  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 420  *
 421  *      This routine may block.
 422  */
 423 vm_offset_t
 424 kmem_alloc_wait(map, size)
 425         vm_map_t map;
 426         vm_size_t size;
 427 {
 428         vm_offset_t addr;
 429
 430         size = round_page(size);
 431
 432         for (;;) {
 433                 /*
 434                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 435                  * to lock out sleepers/wakers.
 436                  */
 437                 vm_map_lock(map);
 438                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 439                         break;
 440                 /* no space now; see if we can ever get space */
 441                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 442                         vm_map_unlock(map);
 443                         return (0);
 444                 }
 445                 map->needs_wakeup = TRUE;
 446                 vm_map_unlock_and_wait(map, FALSE);
 447         }
 448         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 449         vm_map_unlock(map);
 450         return (addr);
 451 }
 452
 453 /*
 454  *      kmem_free_wakeup:
 455  *
 456  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 457  *      waiting for memory in that map.
 458  */
 459 void
 460 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 461         vm_map_t map;
 462         vm_offset_t addr;
 463         vm_size_t size;
 464 {
 465
 466         vm_map_lock(map);
 467         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 468         if (map->needs_wakeup) {
 469                 map->needs_wakeup = FALSE;
 470                 vm_map_wakeup(map);
 471         }
 472         vm_map_unlock(map);
 473 }
 474
 475 /*
 476  *      kmem_init:
 477  *
 478  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 479  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 480  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 481  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 482  */
 483 void
 484 kmem_init(start, end)
 485         vm_offset_t start, end;
 486 {
 487         vm_map_t m;
 488
 489         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 490         m->system_map = 1;
 491         vm_map_lock(m);
 492         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 493         kernel_map = m;
 494         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 495             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 496         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 497         vm_map_unlock(m);
 498 }