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. All advertising materials mentioning features or use of this software
  17  *    must display the following acknowledgement:
  18  *      This product includes software developed by the University of
  19  *      California, Berkeley and its contributors.
  20  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  21  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  22  *    without specific prior written permission.
  23  *
  24  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  25  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  26  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  27  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  28  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  29  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  30  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  31  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  32  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  33  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  34  * SUCH DAMAGE.
  35  *
  36  *      from: @(#)vm_kern.c     8.3 (Berkeley) 1/12/94
  37  *
  38  *
  39  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  40  * All rights reserved.
  41  *
  42  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  43  *
  44  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  45  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  46  * notice and this permission notice appear in all copies of the
  47  * software, derivative works or modified versions, and any portions
  48  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
  49  *
  50  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
  51  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
  52  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
  53  *
  54  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  55  *
  56  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  57  *  School of Computer Science
  58  *  Carnegie Mellon University
  59  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  60  *
  61  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  62  * rights to redistribute these changes.
  63  *
  64  * $Id: vm_kern.c,v 1.56 1999/07/01 19:53:40 peter Exp $
  65  */
  66
  67 /*
  68  *      Kernel memory management.
  69  */
  70
  71 #include <sys/param.h>
  72 #include <sys/systm.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/vm_prot.h>
  79 #include <sys/lock.h>
  80 #include <vm/pmap.h>
  81 #include <vm/vm_map.h>
  82 #include <vm/vm_object.h>
  83 #include <vm/vm_page.h>
  84 #include <vm/vm_pageout.h>
  85 #include <vm/vm_extern.h>
  86
  87 vm_map_t kernel_map=0;
  88 vm_map_t kmem_map=0;
  89 vm_map_t exec_map=0;
  90 vm_map_t clean_map=0;
  91 vm_map_t buffer_map=0;
  92 vm_map_t mb_map=0;
  93 int mb_map_full=0;
  94 vm_map_t io_map=0;
  95 vm_map_t phys_map=0;
  96
  97 /*
  98  *      kmem_alloc_pageable:
  99  *
 100  *      Allocate pageable memory to the kernel's address map.
 101  *      "map" must be kernel_map or a submap of kernel_map.
 102  */
 103
 104 vm_offset_t
 105 kmem_alloc_pageable(map, size)
 106         vm_map_t map;
 107         register vm_size_t size;
 108 {
 109         vm_offset_t addr;
 110         register int result;
 111
 112         size = round_page(size);
 113         addr = vm_map_min(map);
 114         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 115             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 116         if (result != KERN_SUCCESS) {
 117                 return (0);
 118         }
 119         return (addr);
 120 }
 121
 122 /*
 123  *      kmem_alloc_nofault:
 124  *
 125  *      Same as kmem_alloc_pageable, except that it create a nofault entry.
 126  */
 127
 128 vm_offset_t
 129 kmem_alloc_nofault(map, size)
 130         vm_map_t map;
 131         register vm_size_t size;
 132 {
 133         vm_offset_t addr;
 134         register int result;
 135
 136         size = round_page(size);
 137         addr = vm_map_min(map);
 138         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 139             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 140         if (result != KERN_SUCCESS) {
 141                 return (0);
 142         }
 143         return (addr);
 144 }
 145
 146 /*
 147  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 148  *      or a submap.
 149  */
 150 vm_offset_t
 151 kmem_alloc(map, size)
 152         register vm_map_t map;
 153         register vm_size_t size;
 154 {
 155         vm_offset_t addr;
 156         register vm_offset_t offset;
 157         vm_offset_t i;
 158
 159         size = round_page(size);
 160
 161         /*
 162          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 163          * region of the kernel object is referenced more than once.
 164          */
 165
 166         /*
 167          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 168          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 169          * offset within the kernel map.
 170          */
 171         vm_map_lock(map);
 172         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 173                 vm_map_unlock(map);
 174                 return (0);
 175         }
 176         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 177         vm_object_reference(kernel_object);
 178         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 179                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 180         vm_map_unlock(map);
 181
 182         /*
 183          * Guarantee that there are pages already in this object before
 184          * calling vm_map_pageable.  This is to prevent the following
 185          * scenario:
 186          *
 187          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 188          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 189          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_pageable calls vm_fault;
 190          * there is no page, but there is a pager, so we call
 191          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 192          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 193          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 194          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 195          *
 196          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 197          * race with page-out.  vm_map_pageable will wire the pages.
 198          */
 199
 200         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 201                 vm_page_t mem;
 202
 203                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 204                                 VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 205                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 206                         vm_page_zero_fill(mem);
 207                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 208                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 209                 vm_page_wakeup(mem);
 210         }
 211
 212         /*
 213          * And finally, mark the data as non-pageable.
 214          */
 215
 216         (void) vm_map_pageable(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, FALSE);
 217
 218         return (addr);
 219 }
 220
 221 /*
 222  *      kmem_free:
 223  *
 224  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 225  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 226  *      associated with that region.
 227  *
 228  *      This routine may not block on kernel maps.
 229  */
 230 void
 231 kmem_free(map, addr, size)
 232         vm_map_t map;
 233         register vm_offset_t addr;
 234         vm_size_t size;
 235 {
 236         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 237 }
 238
 239 /*
 240  *      kmem_suballoc:
 241  *
 242  *      Allocates a map to manage a subrange
 243  *      of the kernel virtual address space.
 244  *
 245  *      Arguments are as follows:
 246  *
 247  *      parent          Map to take range from
 248  *      size            Size of range to find
 249  *      min, max        Returned endpoints of map
 250  *      pageable        Can the region be paged
 251  */
 252 vm_map_t
 253 kmem_suballoc(parent, min, max, size)
 254         register vm_map_t parent;
 255         vm_offset_t *min, *max;
 256         register vm_size_t size;
 257 {
 258         register int ret;
 259         vm_map_t result;
 260
 261         size = round_page(size);
 262
 263         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 264         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 265             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 266         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 267                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 268                 panic("kmem_suballoc");
 269         }
 270         *max = *min + size;
 271         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 272         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 273         if (result == NULL)
 274                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 275         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 276                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 277         return (result);
 278 }
 279
 280 /*
 281  *      kmem_malloc:
 282  *
 283  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 284  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 285  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 286  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 287  *
 288  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 289  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 290  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 291  *
 292  *      Note that this still only works in a uni-processor environment and
 293  *      when called at splhigh().
 294  *
 295  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 296  *      for wired maps are statically allocated.
 297  *
 298  *      NOTE:  This routine is not supposed to block if M_NOWAIT is set, but
 299  *      I have not verified that it actually does not block.
 300  */
 301 vm_offset_t
 302 kmem_malloc(map, size, flags)
 303         register vm_map_t map;
 304         register vm_size_t size;
 305         int flags;
 306 {
 307         register vm_offset_t offset, i;
 308         vm_map_entry_t entry;
 309         vm_offset_t addr;
 310         vm_page_t m;
 311
 312         if (map != kmem_map && map != mb_map)
 313                 panic("kmem_malloc: map != {kmem,mb}_map");
 314
 315         size = round_page(size);
 316         addr = vm_map_min(map);
 317
 318         /*
 319          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 320          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 321          * offset within the kernel map.
 322          */
 323         vm_map_lock(map);
 324         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 325                 vm_map_unlock(map);
 326                 if (map == mb_map) {
 327                         mb_map_full = TRUE;
 328                         printf("Out of mbuf clusters - adjust NMBCLUSTERS or increase maxusers!\n");
 329                         return (0);
 330                 }
 331                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
 332                         panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 333                                 (long)size, (long)map->size);
 334                 return (0);
 335         }
 336         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 337         vm_object_reference(kmem_object);
 338         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 339                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 340
 341         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 342                 /*
 343                  * Note: if M_NOWAIT specified alone, allocate from
 344                  * interrupt-safe queues only (just the free list).  If
 345                  * M_ASLEEP or M_USE_RESERVE is also specified, we can also
 346                  * allocate from the cache.  Neither of the latter two
 347                  * flags may be specified from an interrupt since interrupts
 348                  * are not allowed to mess with the cache queue.
 349                  */
 350 retry:
 351                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 352                     ((flags & (M_NOWAIT|M_ASLEEP|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT) ?
 353                         VM_ALLOC_INTERRUPT :
 354                         VM_ALLOC_SYSTEM);
 355
 356                 /*
 357                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 358                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 359                  * aren't on any queues.
 360                  */
 361                 if (m == NULL) {
 362                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 363                                 vm_map_unlock(map);
 364                                 VM_WAIT;
 365                                 vm_map_lock(map);
 366                                 goto retry;
 367                         }
 368                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 369                         vm_map_unlock(map);
 370                         if (flags & M_ASLEEP) {
 371                                 VM_AWAIT;
 372                         }
 373                         return (0);
 374                 }
 375                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 376                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 377         }
 378
 379         /*
 380          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 381          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 382          * exactly corresponding to this address range and it will have
 383          * wired_count == 0.
 384          */
 385         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 386             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 387             entry->wired_count != 0)
 388                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 389         entry->wired_count = 1;
 390
 391         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 392
 393         /*
 394          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 395          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 396          * splimp...)
 397          */
 398         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 399                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 400                 vm_page_wire(m);
 401                 vm_page_wakeup(m);
 402                 /*
 403                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 404                  */
 405                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PAGE_TO_PHYS(m),
 406                         VM_PROT_ALL, 1);
 407                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 408         }
 409         vm_map_unlock(map);
 410
 411         return (addr);
 412 }
 413
 414 /*
 415  *      kmem_alloc_wait:
 416  *
 417  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 418  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 419  *
 420  *      This routine may block.
 421  */
 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                 vm_map_unlock(map);
 446                 tsleep(map, PVM, "kmaw", 0);
 447         }
 448         vm_map_insert(map, NULL, (vm_offset_t) 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         vm_map_lock(map);
 466         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 467         wakeup(map);
 468         vm_map_unlock(map);
 469 }
 470
 471 /*
 472  *      kmem_init:
 473  *
 474  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 475  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 476  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 477  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 478  */
 479
 480 void
 481 kmem_init(start, end)
 482         vm_offset_t start, end;
 483 {
 484         register vm_map_t m;
 485
 486         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 487         vm_map_lock(m);
 488         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 489         kernel_map = m;
 490         kernel_map->system_map = 1;
 491         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_offset_t) 0,
 492             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 493         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 494         vm_map_unlock(m);
 495 }
 496