sys/vm/vm_kern.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 1991, 1993
   3  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
   4  *
   5  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   6  * The Mach Operating System project at Carnegie-Mellon University.
   7  *
   8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9  * modification, are permitted provided that the following conditions
  10  * are met:
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  16  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  17  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  18  *    without specific prior written permission.
  19  *
  20  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  21  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  22  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  23  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  24  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  25  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  26  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  27  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  28  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  29  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  30  * SUCH DAMAGE.
  31  *
  32  *      from: @(#)vm_kern.c     8.3 (Berkeley) 1/12/94
  33  *
  34  *
  35  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  36  * All rights reserved.
  37  *
  38  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  39  *
  40  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  41  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  42  * notice and this permission notice appear in all copies of the
  43  * software, derivative works or modified versions, and any portions
  44  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
  45  *
  46  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
  47  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
  48  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
  49  *
  50  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  51  *
  52  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  53  *  School of Computer Science
  54  *  Carnegie Mellon University
  55  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  56  *
  57  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  58  * rights to redistribute these changes.
  59  */
  60
  61 /*
  62  *      Kernel memory management.
  63  */
  64
  65 #include <sys/cdefs.h>
  66 __FBSDID("$FreeBSD$");
  67
  68 #include <sys/param.h>
  69 #include <sys/systm.h>
  70 #include <sys/kernel.h>         /* for ticks and hz */
  71 #include <sys/eventhandler.h>
  72 #include <sys/lock.h>
  73 #include <sys/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_extern.h>
  88 #include <vm/uma.h>
  89
  90 vm_map_t kernel_map;
  91 vm_map_t exec_map;
  92 vm_map_t pipe_map;
  93
  94 const void *zero_region;
  95 CTASSERT((ZERO_REGION_SIZE & PAGE_MASK) == 0);
  96
  97 /* NB: Used by kernel debuggers. */
  98 const u_long vm_maxuser_address = VM_MAXUSER_ADDRESS;
  99
 100 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, min_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 101     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, "Min kernel address");
 102
 103 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, max_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 104 #if defined(__arm__) || defined(__sparc64__)
 105     &vm_max_kernel_address, 0,
 106 #else
 107     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MAX_KERNEL_ADDRESS,
 108 #endif
 109     "Max kernel address");
 110
 111 /*
 112  *      kva_alloc:
 113  *
 114  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
 115  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
 116  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
 117  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 118  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 119  */
 120 vm_offset_t
 121 kva_alloc(size)
 122         vm_size_t size;
 123 {
 124         vm_offset_t addr;
 125
 126         size = round_page(size);
 127         if (vmem_alloc(kernel_arena, size, M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr))
 128                 return (0);
 129
 130         return (addr);
 131 }
 132
 133 /*
 134  *      kva_free:
 135  *
 136  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 137  *      with kva_alloc, and return the physical pages
 138  *      associated with that region.
 139  *
 140  *      This routine may not block on kernel maps.
 141  */
 142 void
 143 kva_free(addr, size)
 144         vm_offset_t addr;
 145         vm_size_t size;
 146 {
 147
 148         size = round_page(size);
 149         vmem_free(kernel_arena, addr, size);
 150 }
 151
 152 /*
 153  *      Allocates a region from the kernel address map and physical pages
 154  *      within the specified address range to the kernel object.  Creates a
 155  *      wired mapping from this region to these pages, and returns the
 156  *      region's starting virtual address.  The allocated pages are not
 157  *      necessarily physically contiguous.  If M_ZERO is specified through the
 158  *      given flags, then the pages are zeroed before they are mapped.
 159  */
 160 vm_offset_t
 161 kmem_alloc_attr(vmem_t *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 162     vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 163 {
 164         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 165         vm_offset_t addr, i;
 166         vm_ooffset_t 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, OFF_TO_IDX(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, tmp;
 221         vm_ooffset_t offset;
 222         vm_page_t end_m, m;
 223         u_long npages;
 224         int pflags, tries;
 225
 226         size = round_page(size);
 227         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 228                 return (0);
 229         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 230         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 231         npages = atop(size);
 232         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 233         tries = 0;
 234 retry:
 235         m = vm_page_alloc_contig(object, OFF_TO_IDX(offset), pflags,
 236             npages, low, high, alignment, boundary, memattr);
 237         if (m == NULL) {
 238                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 239                 if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 240                         if (!vm_page_reclaim_contig(pflags, npages, low, high,
 241                             alignment, boundary) && (flags & M_WAITOK) != 0)
 242                                 VM_WAIT;
 243                         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 244                         tries++;
 245                         goto retry;
 246                 }
 247                 vmem_free(vmem, addr, size);
 248                 return (0);
 249         }
 250         end_m = m + npages;
 251         tmp = addr;
 252         for (; m < end_m; m++) {
 253                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 254                         pmap_zero_page(m);
 255                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 256                 pmap_enter(kernel_pmap, tmp, m, VM_PROT_ALL,
 257                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 258                 tmp += PAGE_SIZE;
 259         }
 260         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 261         return (addr);
 262 }
 263
 264 /*
 265  *      kmem_suballoc:
 266  *
 267  *      Allocates a map to manage a subrange
 268  *      of the kernel virtual address space.
 269  *
 270  *      Arguments are as follows:
 271  *
 272  *      parent          Map to take range from
 273  *      min, max        Returned endpoints of map
 274  *      size            Size of range to find
 275  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 276  */
 277 vm_map_t
 278 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 279     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 280 {
 281         int ret;
 282         vm_map_t result;
 283
 284         size = round_page(size);
 285
 286         *min = vm_map_min(parent);
 287         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, 0, superpage_align ?
 288             VMFS_SUPER_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 289             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 290         if (ret != KERN_SUCCESS)
 291                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 292         *max = *min + size;
 293         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 294         if (result == NULL)
 295                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 296         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 297                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 298         return (result);
 299 }
 300
 301 /*
 302  *      kmem_malloc:
 303  *
 304  *      Allocate wired-down pages in the kernel's address space.
 305  */
 306 vm_offset_t
 307 kmem_malloc(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags)
 308 {
 309         vm_offset_t addr;
 310         int rv;
 311
 312         size = round_page(size);
 313         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 314                 return (0);
 315
 316         rv = kmem_back((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 317             addr, size, flags);
 318         if (rv != KERN_SUCCESS) {
 319                 vmem_free(vmem, addr, size);
 320                 return (0);
 321         }
 322         return (addr);
 323 }
 324
 325 /*
 326  *      kmem_back:
 327  *
 328  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 329  */
 330 int
 331 kmem_back(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 332 {
 333         vm_offset_t offset, i;
 334         vm_page_t m;
 335         int pflags;
 336
 337         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 338             ("kmem_back: only supports kernel objects."));
 339
 340         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 341         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 342
 343         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 344         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 345 retry:
 346                 m = vm_page_alloc(object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
 347
 348                 /*
 349                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 350                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 351                  * aren't on any queues.
 352                  */
 353                 if (m == NULL) {
 354                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 355                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 356                                 VM_WAIT;
 357                                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 358                                 goto retry;
 359                         }
 360                         kmem_unback(object, addr, i);
 361                         return (KERN_NO_SPACE);
 362                 }
 363                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 364                         pmap_zero_page(m);
 365                 KASSERT((m->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
 366                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 367                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 368                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL,
 369                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 370         }
 371         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 372
 373         return (KERN_SUCCESS);
 374 }
 375
 376 /*
 377  *      kmem_unback:
 378  *
 379  *      Unmap and free the physical pages underlying the specified virtual
 380  *      address range.
 381  *
 382  *      A physical page must exist within the specified object at each index
 383  *      that is being unmapped.
 384  */
 385 void
 386 kmem_unback(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 387 {
 388         vm_page_t m;
 389         vm_offset_t i, offset;
 390
 391         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 392             ("kmem_unback: only supports kernel objects."));
 393
 394         pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + size);
 395         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 396         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 397         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 398                 m = vm_page_lookup(object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 399                 vm_page_unwire(m, PQ_NONE);
 400                 vm_page_free(m);
 401         }
 402         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 403 }
 404
 405 /*
 406  *      kmem_free:
 407  *
 408  *      Free memory allocated with kmem_malloc.  The size must match the
 409  *      original allocation.
 410  */
 411 void
 412 kmem_free(struct vmem *vmem, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 413 {
 414
 415         size = round_page(size);
 416         kmem_unback((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 417             addr, size);
 418         vmem_free(vmem, addr, size);
 419 }
 420
 421 /*
 422  *      kmap_alloc_wait:
 423  *
 424  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 425  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 426  *
 427  *      This routine may block.
 428  */
 429 vm_offset_t
 430 kmap_alloc_wait(map, size)
 431         vm_map_t map;
 432         vm_size_t size;
 433 {
 434         vm_offset_t addr;
 435
 436         size = round_page(size);
 437         if (!swap_reserve(size))
 438                 return (0);
 439
 440         for (;;) {
 441                 /*
 442                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 443                  * to lock out sleepers/wakers.
 444                  */
 445                 vm_map_lock(map);
 446                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 447                         break;
 448                 /* no space now; see if we can ever get space */
 449                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 450                         vm_map_unlock(map);
 451                         swap_release(size);
 452                         return (0);
 453                 }
 454                 map->needs_wakeup = TRUE;
 455                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 456         }
 457         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 458             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 459         vm_map_unlock(map);
 460         return (addr);
 461 }
 462
 463 /*
 464  *      kmap_free_wakeup:
 465  *
 466  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 467  *      waiting for memory in that map.
 468  */
 469 void
 470 kmap_free_wakeup(map, addr, size)
 471         vm_map_t map;
 472         vm_offset_t addr;
 473         vm_size_t size;
 474 {
 475
 476         vm_map_lock(map);
 477         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 478         if (map->needs_wakeup) {
 479                 map->needs_wakeup = FALSE;
 480                 vm_map_wakeup(map);
 481         }
 482         vm_map_unlock(map);
 483 }
 484
 485 void
 486 kmem_init_zero_region(void)
 487 {
 488         vm_offset_t addr, i;
 489         vm_page_t m;
 490
 491         /*
 492          * Map a single physical page of zeros to a larger virtual range.
 493          * This requires less looping in places that want large amounts of
 494          * zeros, while not using much more physical resources.
 495          */
 496         addr = kva_alloc(ZERO_REGION_SIZE);
 497         m = vm_page_alloc(NULL, 0, VM_ALLOC_NORMAL |
 498             VM_ALLOC_NOOBJ | VM_ALLOC_WIRED | VM_ALLOC_ZERO);
 499         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0)
 500                 pmap_zero_page(m);
 501         for (i = 0; i < ZERO_REGION_SIZE; i += PAGE_SIZE)
 502                 pmap_qenter(addr + i, &m, 1);
 503         pmap_protect(kernel_pmap, addr, addr + ZERO_REGION_SIZE, VM_PROT_READ);
 504
 505         zero_region = (const void *)addr;
 506 }
 507
 508 /*
 509  *      kmem_init:
 510  *
 511  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 512  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 513  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 514  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 515  */
 516 void
 517 kmem_init(start, end)
 518         vm_offset_t start, end;
 519 {
 520         vm_map_t m;
 521
 522         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 523         m->system_map = 1;
 524         vm_map_lock(m);
 525         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 526         kernel_map = m;
 527         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 528 #ifdef __amd64__
 529             KERNBASE,
 530 #else
 531             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 532 #endif
 533             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 534         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 535         vm_map_unlock(m);
 536 }
 537
 538 #ifdef DIAGNOSTIC
 539 /*
 540  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 541  * purposes.
 542  */
 543 static int
 544 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 545 {
 546         int error, i;
 547
 548         i = 0;
 549         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 550         if (error)
 551                 return (error);
 552         if (i)
 553                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 554         return (0);
 555 }
 556
 557 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 558     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event");
 559 #endif