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 1.55 1999/06/08 17:03:28 dt 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 u_map=0;
  92 vm_map_t buffer_map=0;
  93 vm_map_t mb_map=0;
  94 int mb_map_full=0;
  95 vm_map_t io_map=0;
  96 vm_map_t phys_map=0;
  97
  98 /*
  99  *      kmem_alloc_pageable:
 100  *
 101  *      Allocate pageable memory to the kernel's address map.
 102  *      "map" must be kernel_map or a submap of kernel_map.
 103  */
 104
 105 vm_offset_t
 106 kmem_alloc_pageable(map, size)
 107         vm_map_t map;
 108         register vm_size_t size;
 109 {
 110         vm_offset_t addr;
 111         register int result;
 112
 113         size = round_page(size);
 114         addr = vm_map_min(map);
 115         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 116             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 117         if (result != KERN_SUCCESS) {
 118                 return (0);
 119         }
 120         return (addr);
 121 }
 122
 123 /*
 124  *      kmem_alloc_nofault:
 125  *
 126  *      Same as kmem_alloc_pageable, except that it create a nofault entry.
 127  */
 128
 129 vm_offset_t
 130 kmem_alloc_nofault(map, size)
 131         vm_map_t map;
 132         register vm_size_t size;
 133 {
 134         vm_offset_t addr;
 135         register int result;
 136
 137         size = round_page(size);
 138         addr = vm_map_min(map);
 139         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 140             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 141         if (result != KERN_SUCCESS) {
 142                 return (0);
 143         }
 144         return (addr);
 145 }
 146
 147 /*
 148  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 149  *      or a submap.
 150  */
 151 vm_offset_t
 152 kmem_alloc(map, size)
 153         register vm_map_t map;
 154         register vm_size_t size;
 155 {
 156         vm_offset_t addr;
 157         register vm_offset_t offset;
 158         vm_offset_t i;
 159
 160         size = round_page(size);
 161
 162         /*
 163          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 164          * region of the kernel object is referenced more than once.
 165          */
 166
 167         /*
 168          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 169          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 170          * offset within the kernel map.
 171          */
 172         vm_map_lock(map);
 173         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 174                 vm_map_unlock(map);
 175                 return (0);
 176         }
 177         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 178         vm_object_reference(kernel_object);
 179         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 180                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 181         vm_map_unlock(map);
 182
 183         /*
 184          * Guarantee that there are pages already in this object before
 185          * calling vm_map_pageable.  This is to prevent the following
 186          * scenario:
 187          *
 188          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 189          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 190          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_pageable calls vm_fault;
 191          * there is no page, but there is a pager, so we call
 192          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 193          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 194          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 195          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 196          *
 197          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 198          * race with page-out.  vm_map_pageable will wire the pages.
 199          */
 200
 201         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 202                 vm_page_t mem;
 203
 204                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 205                                 VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 206                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 207                         vm_page_zero_fill(mem);
 208                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 209                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 210                 vm_page_wakeup(mem);
 211         }
 212
 213         /*
 214          * And finally, mark the data as non-pageable.
 215          */
 216
 217         (void) vm_map_pageable(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, FALSE);
 218
 219         return (addr);
 220 }
 221
 222 /*
 223  *      kmem_free:
 224  *
 225  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 226  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 227  *      associated with that region.
 228  *
 229  *      This routine may not block on kernel maps.
 230  */
 231 void
 232 kmem_free(map, addr, size)
 233         vm_map_t map;
 234         register vm_offset_t addr;
 235         vm_size_t size;
 236 {
 237         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 238 }
 239
 240 /*
 241  *      kmem_suballoc:
 242  *
 243  *      Allocates a map to manage a subrange
 244  *      of the kernel virtual address space.
 245  *
 246  *      Arguments are as follows:
 247  *
 248  *      parent          Map to take range from
 249  *      size            Size of range to find
 250  *      min, max        Returned endpoints of map
 251  *      pageable        Can the region be paged
 252  */
 253 vm_map_t
 254 kmem_suballoc(parent, min, max, size)
 255         register vm_map_t parent;
 256         vm_offset_t *min, *max;
 257         register vm_size_t size;
 258 {
 259         register int ret;
 260         vm_map_t result;
 261
 262         size = round_page(size);
 263
 264         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 265         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 266             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 267         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 268                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 269                 panic("kmem_suballoc");
 270         }
 271         *max = *min + size;
 272         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 273         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 274         if (result == NULL)
 275                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 276         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 277                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 278         return (result);
 279 }
 280
 281 /*
 282  *      kmem_malloc:
 283  *
 284  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 285  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 286  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 287  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 288  *
 289  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 290  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 291  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 292  *
 293  *      Note that this still only works in a uni-processor environment and
 294  *      when called at splhigh().
 295  *
 296  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 297  *      for wired maps are statically allocated.
 298  *
 299  *      NOTE:  This routine is not supposed to block if M_NOWAIT is set, but
 300  *      I have not verified that it actually does not block.
 301  */
 302 vm_offset_t
 303 kmem_malloc(map, size, flags)
 304         register vm_map_t map;
 305         register vm_size_t size;
 306         int flags;
 307 {
 308         register vm_offset_t offset, i;
 309         vm_map_entry_t entry;
 310         vm_offset_t addr;
 311         vm_page_t m;
 312
 313         if (map != kmem_map && map != mb_map)
 314                 panic("kmem_malloc: map != {kmem,mb}_map");
 315
 316         size = round_page(size);
 317         addr = vm_map_min(map);
 318
 319         /*
 320          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 321          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 322          * offset within the kernel map.
 323          */
 324         vm_map_lock(map);
 325         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 326                 vm_map_unlock(map);
 327                 if (map == mb_map) {
 328                         mb_map_full = TRUE;
 329                         printf("Out of mbuf clusters - adjust NMBCLUSTERS or increase maxusers!\n");
 330                         return (0);
 331                 }
 332                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
 333                         panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 334                                 (long)size, (long)map->size);
 335                 return (0);
 336         }
 337         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 338         vm_object_reference(kmem_object);
 339         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 340                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 341
 342         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 343                 /*
 344                  * Note: if M_NOWAIT specified alone, allocate from
 345                  * interrupt-safe queues only (just the free list).  If
 346                  * M_ASLEEP or M_USE_RESERVE is also specified, we can also
 347                  * allocate from the cache.  Neither of the latter two
 348                  * flags may be specified from an interrupt since interrupts
 349                  * are not allowed to mess with the cache queue.
 350                  */
 351 retry:
 352                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 353                     ((flags & (M_NOWAIT|M_ASLEEP|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT) ?
 354                         VM_ALLOC_INTERRUPT :
 355                         VM_ALLOC_SYSTEM);
 356
 357                 /*
 358                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 359                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 360                  * aren't on any queues.
 361                  */
 362                 if (m == NULL) {
 363                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 364                                 vm_map_unlock(map);
 365                                 VM_WAIT;
 366                                 vm_map_lock(map);
 367                                 goto retry;
 368                         }
 369                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 370                         vm_map_unlock(map);
 371                         if (flags & M_ASLEEP) {
 372                                 VM_AWAIT;
 373                         }
 374                         return (0);
 375                 }
 376                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 377                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 378         }
 379
 380         /*
 381          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 382          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 383          * exactly corresponding to this address range and it will have
 384          * wired_count == 0.
 385          */
 386         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 387             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 388             entry->wired_count != 0)
 389                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 390         entry->wired_count = 1;
 391
 392         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 393
 394         /*
 395          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 396          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 397          * splimp...)
 398          */
 399         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 400                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 401                 vm_page_wire(m);
 402                 vm_page_wakeup(m);
 403                 /*
 404                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 405                  */
 406                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PAGE_TO_PHYS(m),
 407                         VM_PROT_ALL, 1);
 408                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 409         }
 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
 424 vm_offset_t
 425 kmem_alloc_wait(map, size)
 426         vm_map_t map;
 427         vm_size_t size;
 428 {
 429         vm_offset_t addr;
 430
 431         size = round_page(size);
 432
 433         for (;;) {
 434                 /*
 435                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 436                  * to lock out sleepers/wakers.
 437                  */
 438                 vm_map_lock(map);
 439                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 440                         break;
 441                 /* no space now; see if we can ever get space */
 442                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 443                         vm_map_unlock(map);
 444                         return (0);
 445                 }
 446                 vm_map_unlock(map);
 447                 tsleep(map, PVM, "kmaw", 0);
 448         }
 449         vm_map_insert(map, NULL, (vm_offset_t) 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 450         vm_map_unlock(map);
 451         return (addr);
 452 }
 453
 454 /*
 455  *      kmem_free_wakeup:
 456  *
 457  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 458  *      waiting for memory in that map.
 459  */
 460 void
 461 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 462         vm_map_t map;
 463         vm_offset_t addr;
 464         vm_size_t size;
 465 {
 466         vm_map_lock(map);
 467         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 468         wakeup(map);
 469         vm_map_unlock(map);
 470 }
 471
 472 /*
 473  *      kmem_init:
 474  *
 475  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 476  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 477  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 478  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 479  */
 480
 481 void
 482 kmem_init(start, end)
 483         vm_offset_t start, end;
 484 {
 485         register vm_map_t m;
 486
 487         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 488         vm_map_lock(m);
 489         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 490         kernel_map = m;
 491         kernel_map->system_map = 1;
 492         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_offset_t) 0,
 493             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 494         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 495         vm_map_unlock(m);
 496 }
 497