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(size)
 126         vm_size_t size;
 127 {
 128         vm_offset_t addr;
 129
 130         size = round_page(size);
 131         if (vmem_alloc(kernel_arena, size, M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr))
 132                 return (0);
 133
 134         return (addr);
 135 }
 136
 137 /*
 138  *      kva_free:
 139  *
 140  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 141  *      with kva_alloc, and return the physical pages
 142  *      associated with that region.
 143  *
 144  *      This routine may not block on kernel maps.
 145  */
 146 void
 147 kva_free(addr, size)
 148         vm_offset_t addr;
 149         vm_size_t size;
 150 {
 151
 152         size = round_page(size);
 153         vmem_free(kernel_arena, addr, size);
 154 }
 155
 156 /*
 157  *      Allocates a region from the kernel address map and physical pages
 158  *      within the specified address range to the kernel object.  Creates a
 159  *      wired mapping from this region to these pages, and returns the
 160  *      region's starting virtual address.  The allocated pages are not
 161  *      necessarily physically contiguous.  If M_ZERO is specified through the
 162  *      given flags, then the pages are zeroed before they are mapped.
 163  */
 164 vm_offset_t
 165 kmem_alloc_attr(vmem_t *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 166     vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 167 {
 168         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 169         vm_offset_t addr, i, offset;
 170         vm_page_t m;
 171         int pflags, tries;
 172
 173         size = round_page(size);
 174         if (vmem_alloc(vmem, size, M_BESTFIT | flags, &addr))
 175                 return (0);
 176         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 177         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 178         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 179         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 180                 tries = 0;
 181 retry:
 182                 m = vm_page_alloc_contig(object, atop(offset + i),
 183                     pflags, 1, low, high, PAGE_SIZE, 0, memattr);
 184                 if (m == NULL) {
 185                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 186                         if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 187                                 if (!vm_page_reclaim_contig(pflags, 1,
 188                                     low, high, PAGE_SIZE, 0) &&
 189                                     (flags & M_WAITOK) != 0)
 190                                         VM_WAIT;
 191                                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 192                                 tries++;
 193                                 goto retry;
 194                         }
 195                         kmem_unback(object, addr, i);
 196                         vmem_free(vmem, addr, size);
 197                         return (0);
 198                 }
 199                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 200                         pmap_zero_page(m);
 201                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 202                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL,
 203                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 204         }
 205         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 206         return (addr);
 207 }
 208
 209 /*
 210  *      Allocates a region from the kernel address map and physically
 211  *      contiguous pages within the specified address range to the kernel
 212  *      object.  Creates a wired mapping from this region to these pages, and
 213  *      returns the region's starting virtual address.  If M_ZERO is specified
 214  *      through the given flags, then the pages are zeroed before they are
 215  *      mapped.
 216  */
 217 vm_offset_t
 218 kmem_alloc_contig(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 219     vm_paddr_t high, u_long alignment, vm_paddr_t boundary,
 220     vm_memattr_t memattr)
 221 {
 222         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 223         vm_offset_t addr, offset, tmp;
 224         vm_page_t end_m, m;
 225         u_long npages;
 226         int pflags, tries;
 227
 228         size = round_page(size);
 229         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 230                 return (0);
 231         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 232         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 233         npages = atop(size);
 234         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 235         tries = 0;
 236 retry:
 237         m = vm_page_alloc_contig(object, atop(offset), pflags,
 238             npages, low, high, alignment, boundary, memattr);
 239         if (m == NULL) {
 240                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 241                 if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 242                         if (!vm_page_reclaim_contig(pflags, npages, low, high,
 243                             alignment, boundary) && (flags & M_WAITOK) != 0)
 244                                 VM_WAIT;
 245                         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 246                         tries++;
 247                         goto retry;
 248                 }
 249                 vmem_free(vmem, addr, size);
 250                 return (0);
 251         }
 252         end_m = m + npages;
 253         tmp = addr;
 254         for (; m < end_m; m++) {
 255                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 256                         pmap_zero_page(m);
 257                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 258                 pmap_enter(kernel_pmap, tmp, m, VM_PROT_ALL,
 259                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 260                 tmp += PAGE_SIZE;
 261         }
 262         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 263         return (addr);
 264 }
 265
 266 /*
 267  *      kmem_suballoc:
 268  *
 269  *      Allocates a map to manage a subrange
 270  *      of the kernel virtual address space.
 271  *
 272  *      Arguments are as follows:
 273  *
 274  *      parent          Map to take range from
 275  *      min, max        Returned endpoints of map
 276  *      size            Size of range to find
 277  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 278  */
 279 vm_map_t
 280 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 281     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 282 {
 283         int ret;
 284         vm_map_t result;
 285
 286         size = round_page(size);
 287
 288         *min = vm_map_min(parent);
 289         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, 0, superpage_align ?
 290             VMFS_SUPER_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 291             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 292         if (ret != KERN_SUCCESS)
 293                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 294         *max = *min + size;
 295         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 296         if (result == NULL)
 297                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 298         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 299                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 300         return (result);
 301 }
 302
 303 /*
 304  *      kmem_malloc:
 305  *
 306  *      Allocate wired-down pages in the kernel's address space.
 307  */
 308 vm_offset_t
 309 kmem_malloc(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags)
 310 {
 311         vm_offset_t addr;
 312         int rv;
 313
 314         size = round_page(size);
 315         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 316                 return (0);
 317
 318         rv = kmem_back((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 319             addr, size, flags);
 320         if (rv != KERN_SUCCESS) {
 321                 vmem_free(vmem, addr, size);
 322                 return (0);
 323         }
 324         return (addr);
 325 }
 326
 327 /*
 328  *      kmem_back:
 329  *
 330  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 331  */
 332 int
 333 kmem_back(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 334 {
 335         vm_offset_t offset, i;
 336         vm_page_t m, mpred;
 337         int pflags;
 338
 339         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 340             ("kmem_back: only supports kernel objects."));
 341
 342         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 343         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 344
 345         i = 0;
 346 retry:
 347         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 348         mpred = vm_radix_lookup_le(&object->rtree, atop(offset + i));
 349         for (; i < size; i += PAGE_SIZE, mpred = m) {
 350                 m = vm_page_alloc_after(object, atop(offset + i), pflags,
 351                     mpred);
 352
 353                 /*
 354                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 355                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 356                  * aren't on any queues.
 357                  */
 358                 if (m == NULL) {
 359                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 360                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 361                                 VM_WAIT;
 362                                 goto retry;
 363                         }
 364                         kmem_unback(object, addr, i);
 365                         return (KERN_NO_SPACE);
 366                 }
 367                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 368                         pmap_zero_page(m);
 369                 KASSERT((m->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
 370                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 371                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 372                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL,
 373                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 374         }
 375         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 376
 377         return (KERN_SUCCESS);
 378 }
 379
 380 /*
 381  *      kmem_unback:
 382  *
 383  *      Unmap and free the physical pages underlying the specified virtual
 384  *      address range.
 385  *
 386  *      A physical page must exist within the specified object at each index
 387  *      that is being unmapped.
 388  */
 389 void
 390 kmem_unback(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 391 {
 392         vm_page_t m, next;
 393         vm_offset_t end, offset;
 394
 395         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 396             ("kmem_unback: only supports kernel objects."));
 397
 398         pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + size);
 399         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 400         end = offset + size;
 401         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 402         for (m = vm_page_lookup(object, atop(offset)); offset < end;
 403             offset += PAGE_SIZE, m = next) {
 404                 next = vm_page_next(m);
 405                 vm_page_unwire(m, PQ_NONE);
 406                 vm_page_free(m);
 407         }
 408         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 409 }
 410
 411 /*
 412  *      kmem_free:
 413  *
 414  *      Free memory allocated with kmem_malloc.  The size must match the
 415  *      original allocation.
 416  */
 417 void
 418 kmem_free(struct vmem *vmem, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 419 {
 420
 421         size = round_page(size);
 422         kmem_unback((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 423             addr, size);
 424         vmem_free(vmem, addr, size);
 425 }
 426
 427 /*
 428  *      kmap_alloc_wait:
 429  *
 430  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 431  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 432  *
 433  *      This routine may block.
 434  */
 435 vm_offset_t
 436 kmap_alloc_wait(map, size)
 437         vm_map_t map;
 438         vm_size_t size;
 439 {
 440         vm_offset_t addr;
 441
 442         size = round_page(size);
 443         if (!swap_reserve(size))
 444                 return (0);
 445
 446         for (;;) {
 447                 /*
 448                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 449                  * to lock out sleepers/wakers.
 450                  */
 451                 vm_map_lock(map);
 452                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 453                         break;
 454                 /* no space now; see if we can ever get space */
 455                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 456                         vm_map_unlock(map);
 457                         swap_release(size);
 458                         return (0);
 459                 }
 460                 map->needs_wakeup = TRUE;
 461                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 462         }
 463         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 464             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 465         vm_map_unlock(map);
 466         return (addr);
 467 }
 468
 469 /*
 470  *      kmap_free_wakeup:
 471  *
 472  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 473  *      waiting for memory in that map.
 474  */
 475 void
 476 kmap_free_wakeup(map, addr, size)
 477         vm_map_t map;
 478         vm_offset_t addr;
 479         vm_size_t size;
 480 {
 481
 482         vm_map_lock(map);
 483         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 484         if (map->needs_wakeup) {
 485                 map->needs_wakeup = FALSE;
 486                 vm_map_wakeup(map);
 487         }
 488         vm_map_unlock(map);
 489 }
 490
 491 void
 492 kmem_init_zero_region(void)
 493 {
 494         vm_offset_t addr, i;
 495         vm_page_t m;
 496
 497         /*
 498          * Map a single physical page of zeros to a larger virtual range.
 499          * This requires less looping in places that want large amounts of
 500          * zeros, while not using much more physical resources.
 501          */
 502         addr = kva_alloc(ZERO_REGION_SIZE);
 503         m = vm_page_alloc(NULL, 0, VM_ALLOC_NORMAL |
 504             VM_ALLOC_NOOBJ | VM_ALLOC_WIRED | VM_ALLOC_ZERO);
 505         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0)
 506                 pmap_zero_page(m);
 507         for (i = 0; i < ZERO_REGION_SIZE; i += PAGE_SIZE)
 508                 pmap_qenter(addr + i, &m, 1);
 509         pmap_protect(kernel_pmap, addr, addr + ZERO_REGION_SIZE, VM_PROT_READ);
 510
 511         zero_region = (const void *)addr;
 512 }
 513
 514 /*
 515  *      kmem_init:
 516  *
 517  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 518  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 519  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 520  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 521  */
 522 void
 523 kmem_init(start, end)
 524         vm_offset_t start, end;
 525 {
 526         vm_map_t m;
 527
 528         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 529         m->system_map = 1;
 530         vm_map_lock(m);
 531         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 532         kernel_map = m;
 533         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 534 #ifdef __amd64__
 535             KERNBASE,
 536 #else
 537             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 538 #endif
 539             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 540         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 541         vm_map_unlock(m);
 542 }
 543
 544 #ifdef DIAGNOSTIC
 545 /*
 546  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 547  * purposes.
 548  */
 549 static int
 550 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 551 {
 552         int error, i;
 553
 554         i = 0;
 555         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 556         if (error)
 557                 return (error);
 558         if ((i & ~(VM_LOW_KMEM | VM_LOW_PAGES)) != 0)
 559                 return (EINVAL);
 560         if (i != 0)
 561                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, i);
 562         return (0);
 563 }
 564
 565 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 566     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event with given flags");
 567 #endif