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  * 3. 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/proc.h>
  74 #include <sys/malloc.h>
  75 #include <sys/rwlock.h>
  76 #include <sys/sysctl.h>
  77 #include <sys/vmem.h>
  78
  79 #include <vm/vm.h>
  80 #include <vm/vm_param.h>
  81 #include <vm/vm_kern.h>
  82 #include <vm/pmap.h>
  83 #include <vm/vm_map.h>
  84 #include <vm/vm_object.h>
  85 #include <vm/vm_page.h>
  86 #include <vm/vm_pageout.h>
  87 #include <vm/vm_radix.h>
  88 #include <vm/vm_extern.h>
  89 #include <vm/uma.h>
  90
  91 vm_map_t kernel_map;
  92 vm_map_t exec_map;
  93 vm_map_t pipe_map;
  94
  95 const void *zero_region;
  96 CTASSERT((ZERO_REGION_SIZE & PAGE_MASK) == 0);
  97
  98 /* NB: Used by kernel debuggers. */
  99 const u_long vm_maxuser_address = VM_MAXUSER_ADDRESS;
 100
 101 u_int exec_map_entry_size;
 102 u_int exec_map_entries;
 103
 104 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, min_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 105     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, "Min kernel address");
 106
 107 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, max_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 108 #if defined(__arm__) || defined(__sparc64__)
 109     &vm_max_kernel_address, 0,
 110 #else
 111     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MAX_KERNEL_ADDRESS,
 112 #endif
 113     "Max kernel address");
 114
 115 /*
 116  *      kva_alloc:
 117  *
 118  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
 119  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
 120  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
 121  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 122  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 123  */
 124 vm_offset_t
 125 kva_alloc(vm_size_t size)
 126 {
 127         vm_offset_t addr;
 128
 129         size = round_page(size);
 130         if (vmem_alloc(kernel_arena, size, M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr))
 131                 return (0);
 132
 133         return (addr);
 134 }
 135
 136 /*
 137  *      kva_free:
 138  *
 139  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 140  *      with kva_alloc, and return the physical pages
 141  *      associated with that region.
 142  *
 143  *      This routine may not block on kernel maps.
 144  */
 145 void
 146 kva_free(vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 147 {
 148
 149         size = round_page(size);
 150         vmem_free(kernel_arena, addr, size);
 151 }
 152
 153 /*
 154  *      Allocates a region from the kernel address map and physical pages
 155  *      within the specified address range to the kernel object.  Creates a
 156  *      wired mapping from this region to these pages, and returns the
 157  *      region's starting virtual address.  The allocated pages are not
 158  *      necessarily physically contiguous.  If M_ZERO is specified through the
 159  *      given flags, then the pages are zeroed before they are mapped.
 160  */
 161 vm_offset_t
 162 kmem_alloc_attr(vmem_t *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 163     vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 164 {
 165         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 166         vm_offset_t addr, i, offset;
 167         vm_page_t m;
 168         int pflags, tries;
 169
 170         size = round_page(size);
 171         if (vmem_alloc(vmem, size, M_BESTFIT | flags, &addr))
 172                 return (0);
 173         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 174         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 175         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 176         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 177                 tries = 0;
 178 retry:
 179                 m = vm_page_alloc_contig(object, atop(offset + i),
 180                     pflags, 1, low, high, PAGE_SIZE, 0, memattr);
 181                 if (m == NULL) {
 182                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 183                         if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 184                                 if (!vm_page_reclaim_contig(pflags, 1,
 185                                     low, high, PAGE_SIZE, 0) &&
 186                                     (flags & M_WAITOK) != 0)
 187                                         VM_WAIT;
 188                                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 189                                 tries++;
 190                                 goto retry;
 191                         }
 192                         kmem_unback(object, addr, i);
 193                         vmem_free(vmem, addr, size);
 194                         return (0);
 195                 }
 196                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 197                         pmap_zero_page(m);
 198                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 199                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL,
 200                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 201         }
 202         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 203         return (addr);
 204 }
 205
 206 /*
 207  *      Allocates a region from the kernel address map and physically
 208  *      contiguous pages within the specified address range to the kernel
 209  *      object.  Creates a wired mapping from this region to these pages, and
 210  *      returns the region's starting virtual address.  If M_ZERO is specified
 211  *      through the given flags, then the pages are zeroed before they are
 212  *      mapped.
 213  */
 214 vm_offset_t
 215 kmem_alloc_contig(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 216     vm_paddr_t high, u_long alignment, vm_paddr_t boundary,
 217     vm_memattr_t memattr)
 218 {
 219         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 220         vm_offset_t addr, offset, tmp;
 221         vm_page_t end_m, m;
 222         u_long npages;
 223         int pflags, tries;
 224
 225         size = round_page(size);
 226         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 227                 return (0);
 228         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 229         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 230         npages = atop(size);
 231         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 232         tries = 0;
 233 retry:
 234         m = vm_page_alloc_contig(object, atop(offset), pflags,
 235             npages, low, high, alignment, boundary, memattr);
 236         if (m == NULL) {
 237                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 238                 if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 239                         if (!vm_page_reclaim_contig(pflags, npages, low, high,
 240                             alignment, boundary) && (flags & M_WAITOK) != 0)
 241                                 VM_WAIT;
 242                         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 243                         tries++;
 244                         goto retry;
 245                 }
 246                 vmem_free(vmem, addr, size);
 247                 return (0);
 248         }
 249         end_m = m + npages;
 250         tmp = addr;
 251         for (; m < end_m; m++) {
 252                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 253                         pmap_zero_page(m);
 254                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 255                 pmap_enter(kernel_pmap, tmp, m, VM_PROT_ALL,
 256                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 257                 tmp += PAGE_SIZE;
 258         }
 259         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 260         return (addr);
 261 }
 262
 263 /*
 264  *      kmem_suballoc:
 265  *
 266  *      Allocates a map to manage a subrange
 267  *      of the kernel virtual address space.
 268  *
 269  *      Arguments are as follows:
 270  *
 271  *      parent          Map to take range from
 272  *      min, max        Returned endpoints of map
 273  *      size            Size of range to find
 274  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 275  */
 276 vm_map_t
 277 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 278     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 279 {
 280         int ret;
 281         vm_map_t result;
 282
 283         size = round_page(size);
 284
 285         *min = vm_map_min(parent);
 286         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, 0, superpage_align ?
 287             VMFS_SUPER_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 288             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 289         if (ret != KERN_SUCCESS)
 290                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 291         *max = *min + size;
 292         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 293         if (result == NULL)
 294                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 295         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 296                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 297         return (result);
 298 }
 299
 300 /*
 301  *      kmem_malloc:
 302  *
 303  *      Allocate wired-down pages in the kernel's address space.
 304  */
 305 vm_offset_t
 306 kmem_malloc(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags)
 307 {
 308         vm_offset_t addr;
 309         int rv;
 310
 311         size = round_page(size);
 312         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 313                 return (0);
 314
 315         rv = kmem_back((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 316             addr, size, flags);
 317         if (rv != KERN_SUCCESS) {
 318                 vmem_free(vmem, addr, size);
 319                 return (0);
 320         }
 321         return (addr);
 322 }
 323
 324 /*
 325  *      kmem_back:
 326  *
 327  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 328  */
 329 int
 330 kmem_back(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 331 {
 332         vm_offset_t offset, i;
 333         vm_page_t m, mpred;
 334         int pflags;
 335
 336         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 337             ("kmem_back: only supports kernel objects."));
 338
 339         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 340         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 341
 342         i = 0;
 343 retry:
 344         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 345         mpred = vm_radix_lookup_le(&object->rtree, atop(offset + i));
 346         for (; i < size; i += PAGE_SIZE, mpred = m) {
 347                 m = vm_page_alloc_after(object, atop(offset + i), pflags,
 348                     mpred);
 349
 350                 /*
 351                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 352                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 353                  * aren't on any queues.
 354                  */
 355                 if (m == NULL) {
 356                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 357                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 358                                 VM_WAIT;
 359                                 goto retry;
 360                         }
 361                         kmem_unback(object, addr, i);
 362                         return (KERN_NO_SPACE);
 363                 }
 364                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 365                         pmap_zero_page(m);
 366                 KASSERT((m->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
 367                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 368                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 369                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL,
 370                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 371         }
 372         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 373
 374         return (KERN_SUCCESS);
 375 }
 376
 377 /*
 378  *      kmem_unback:
 379  *
 380  *      Unmap and free the physical pages underlying the specified virtual
 381  *      address range.
 382  *
 383  *      A physical page must exist within the specified object at each index
 384  *      that is being unmapped.
 385  */
 386 void
 387 kmem_unback(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 388 {
 389         vm_page_t m, next;
 390         vm_offset_t end, offset;
 391
 392         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 393             ("kmem_unback: only supports kernel objects."));
 394
 395         pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + size);
 396         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 397         end = offset + size;
 398         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 399         for (m = vm_page_lookup(object, atop(offset)); offset < end;
 400             offset += PAGE_SIZE, m = next) {
 401                 next = vm_page_next(m);
 402                 vm_page_unwire(m, PQ_NONE);
 403                 vm_page_free(m);
 404         }
 405         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 406 }
 407
 408 /*
 409  *      kmem_free:
 410  *
 411  *      Free memory allocated with kmem_malloc.  The size must match the
 412  *      original allocation.
 413  */
 414 void
 415 kmem_free(struct vmem *vmem, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 416 {
 417
 418         size = round_page(size);
 419         kmem_unback((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 420             addr, size);
 421         vmem_free(vmem, addr, size);
 422 }
 423
 424 /*
 425  *      kmap_alloc_wait:
 426  *
 427  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 428  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 429  *
 430  *      This routine may block.
 431  */
 432 vm_offset_t
 433 kmap_alloc_wait(vm_map_t map, vm_size_t size)
 434 {
 435         vm_offset_t addr;
 436
 437         size = round_page(size);
 438         if (!swap_reserve(size))
 439                 return (0);
 440
 441         for (;;) {
 442                 /*
 443                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 444                  * to lock out sleepers/wakers.
 445                  */
 446                 vm_map_lock(map);
 447                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 448                         break;
 449                 /* no space now; see if we can ever get space */
 450                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 451                         vm_map_unlock(map);
 452                         swap_release(size);
 453                         return (0);
 454                 }
 455                 map->needs_wakeup = TRUE;
 456                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 457         }
 458         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 459             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 460         vm_map_unlock(map);
 461         return (addr);
 462 }
 463
 464 /*
 465  *      kmap_free_wakeup:
 466  *
 467  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 468  *      waiting for memory in that map.
 469  */
 470 void
 471 kmap_free_wakeup(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 472 {
 473
 474         vm_map_lock(map);
 475         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 476         if (map->needs_wakeup) {
 477                 map->needs_wakeup = FALSE;
 478                 vm_map_wakeup(map);
 479         }
 480         vm_map_unlock(map);
 481 }
 482
 483 void
 484 kmem_init_zero_region(void)
 485 {
 486         vm_offset_t addr, i;
 487         vm_page_t m;
 488
 489         /*
 490          * Map a single physical page of zeros to a larger virtual range.
 491          * This requires less looping in places that want large amounts of
 492          * zeros, while not using much more physical resources.
 493          */
 494         addr = kva_alloc(ZERO_REGION_SIZE);
 495         m = vm_page_alloc(NULL, 0, VM_ALLOC_NORMAL |
 496             VM_ALLOC_NOOBJ | VM_ALLOC_WIRED | VM_ALLOC_ZERO);
 497         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0)
 498                 pmap_zero_page(m);
 499         for (i = 0; i < ZERO_REGION_SIZE; i += PAGE_SIZE)
 500                 pmap_qenter(addr + i, &m, 1);
 501         pmap_protect(kernel_pmap, addr, addr + ZERO_REGION_SIZE, VM_PROT_READ);
 502
 503         zero_region = (const void *)addr;
 504 }
 505
 506 /*
 507  *      kmem_init:
 508  *
 509  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 510  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 511  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 512  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 513  */
 514 void
 515 kmem_init(vm_offset_t start, vm_offset_t end)
 516 {
 517         vm_map_t m;
 518
 519         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 520         m->system_map = 1;
 521         vm_map_lock(m);
 522         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 523         kernel_map = m;
 524         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 525 #ifdef __amd64__
 526             KERNBASE,
 527 #else
 528             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 529 #endif
 530             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 531         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 532         vm_map_unlock(m);
 533 }
 534
 535 #ifdef DIAGNOSTIC
 536 /*
 537  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 538  * purposes.
 539  */
 540 static int
 541 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 542 {
 543         int error, i;
 544
 545         i = 0;
 546         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 547         if (error)
 548                 return (error);
 549         if ((i & ~(VM_LOW_KMEM | VM_LOW_PAGES)) != 0)
 550                 return (EINVAL);
 551         if (i != 0)
 552                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, i);
 553         return (0);
 554 }
 555
 556 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 557     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event with given flags");
 558 #endif