sys/vm/vm_reserv.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2002-2006 Rice University
   3  * Copyright (c) 2007-2011 Alan L. Cox <alc@cs.rice.edu>
   4  * All rights reserved.
   5  *
   6  * This software was developed for the FreeBSD Project by Alan L. Cox,
   7  * Olivier Crameri, Peter Druschel, Sitaram Iyer, and Juan Navarro.
   8  *
   9  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  10  * modification, are permitted provided that the following conditions
  11  * are met:
  12  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  14  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  15  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  16  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  17  *
  18  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
  19  * ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
  20  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
  21  * A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
  22  * HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
  23  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
  24  * BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS
  25  * OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED
  26  * AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  27  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY
  28  * WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE
  29  * POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  30  */
  31
  32 /*
  33  *      Superpage reservation management module
  34  *
  35  * Any external functions defined by this module are only to be used by the
  36  * virtual memory system.
  37  */
  38
  39 #include <sys/cdefs.h>
  40 __FBSDID("$FreeBSD$");
  41
  42 #include "opt_vm.h"
  43
  44 #include <sys/param.h>
  45 #include <sys/kernel.h>
  46 #include <sys/lock.h>
  47 #include <sys/malloc.h>
  48 #include <sys/mutex.h>
  49 #include <sys/queue.h>
  50 #include <sys/rwlock.h>
  51 #include <sys/sbuf.h>
  52 #include <sys/sysctl.h>
  53 #include <sys/systm.h>
  54
  55 #include <vm/vm.h>
  56 #include <vm/vm_param.h>
  57 #include <vm/vm_object.h>
  58 #include <vm/vm_page.h>
  59 #include <vm/vm_phys.h>
  60 #include <vm/vm_radix.h>
  61 #include <vm/vm_reserv.h>
  62
  63 /*
  64  * The reservation system supports the speculative allocation of large physical
  65  * pages ("superpages").  Speculative allocation enables the fully-automatic
  66  * utilization of superpages by the virtual memory system.  In other words, no
  67  * programmatic directives are required to use superpages.
  68  */
  69
  70 #if VM_NRESERVLEVEL > 0
  71
  72 /*
  73  * The number of small pages that are contained in a level 0 reservation
  74  */
  75 #define VM_LEVEL_0_NPAGES       (1 << VM_LEVEL_0_ORDER)
  76
  77 /*
  78  * The number of bits by which a physical address is shifted to obtain the
  79  * reservation number
  80  */
  81 #define VM_LEVEL_0_SHIFT        (VM_LEVEL_0_ORDER + PAGE_SHIFT)
  82
  83 /*
  84  * The size of a level 0 reservation in bytes
  85  */
  86 #define VM_LEVEL_0_SIZE         (1 << VM_LEVEL_0_SHIFT)
  87
  88 /*
  89  * Computes the index of the small page underlying the given (object, pindex)
  90  * within the reservation's array of small pages.
  91  */
  92 #define VM_RESERV_INDEX(object, pindex) \
  93     (((object)->pg_color + (pindex)) & (VM_LEVEL_0_NPAGES - 1))
  94
  95 /*
  96  * The size of a population map entry
  97  */
  98 typedef u_long          popmap_t;
  99
 100 /*
 101  * The number of bits in a population map entry
 102  */
 103 #define NBPOPMAP        (NBBY * sizeof(popmap_t))
 104
 105 /*
 106  * The number of population map entries in a reservation
 107  */
 108 #define NPOPMAP         howmany(VM_LEVEL_0_NPAGES, NBPOPMAP)
 109
 110 /*
 111  * Clear a bit in the population map.
 112  */
 113 static __inline void
 114 popmap_clear(popmap_t popmap[], int i)
 115 {
 116
 117         popmap[i / NBPOPMAP] &= ~(1UL << (i % NBPOPMAP));
 118 }
 119
 120 /*
 121  * Set a bit in the population map.
 122  */
 123 static __inline void
 124 popmap_set(popmap_t popmap[], int i)
 125 {
 126
 127         popmap[i / NBPOPMAP] |= 1UL << (i % NBPOPMAP);
 128 }
 129
 130 /*
 131  * Is a bit in the population map clear?
 132  */
 133 static __inline boolean_t
 134 popmap_is_clear(popmap_t popmap[], int i)
 135 {
 136
 137         return ((popmap[i / NBPOPMAP] & (1UL << (i % NBPOPMAP))) == 0);
 138 }
 139
 140 /*
 141  * Is a bit in the population map set?
 142  */
 143 static __inline boolean_t
 144 popmap_is_set(popmap_t popmap[], int i)
 145 {
 146
 147         return ((popmap[i / NBPOPMAP] & (1UL << (i % NBPOPMAP))) != 0);
 148 }
 149
 150 /*
 151  * The reservation structure
 152  *
 153  * A reservation structure is constructed whenever a large physical page is
 154  * speculatively allocated to an object.  The reservation provides the small
 155  * physical pages for the range [pindex, pindex + VM_LEVEL_0_NPAGES) of offsets
 156  * within that object.  The reservation's "popcnt" tracks the number of these
 157  * small physical pages that are in use at any given time.  When and if the
 158  * reservation is not fully utilized, it appears in the queue of partially-
 159  * populated reservations.  The reservation always appears on the containing
 160  * object's list of reservations.
 161  *
 162  * A partially-populated reservation can be broken and reclaimed at any time.
 163  */
 164 struct vm_reserv {
 165         TAILQ_ENTRY(vm_reserv) partpopq;
 166         LIST_ENTRY(vm_reserv) objq;
 167         vm_object_t     object;                 /* containing object */
 168         vm_pindex_t     pindex;                 /* offset within object */
 169         vm_page_t       pages;                  /* first page of a superpage */
 170         int             popcnt;                 /* # of pages in use */
 171         char            inpartpopq;
 172         popmap_t        popmap[NPOPMAP];        /* bit vector of used pages */
 173 };
 174
 175 /*
 176  * The reservation array
 177  *
 178  * This array is analoguous in function to vm_page_array.  It differs in the
 179  * respect that it may contain a greater number of useful reservation
 180  * structures than there are (physical) superpages.  These "invalid"
 181  * reservation structures exist to trade-off space for time in the
 182  * implementation of vm_reserv_from_page().  Invalid reservation structures are
 183  * distinguishable from "valid" reservation structures by inspecting the
 184  * reservation's "pages" field.  Invalid reservation structures have a NULL
 185  * "pages" field.
 186  *
 187  * vm_reserv_from_page() maps a small (physical) page to an element of this
 188  * array by computing a physical reservation number from the page's physical
 189  * address.  The physical reservation number is used as the array index.
 190  *
 191  * An "active" reservation is a valid reservation structure that has a non-NULL
 192  * "object" field and a non-zero "popcnt" field.  In other words, every active
 193  * reservation belongs to a particular object.  Moreover, every active
 194  * reservation has an entry in the containing object's list of reservations.
 195  */
 196 static vm_reserv_t vm_reserv_array;
 197
 198 /*
 199  * The partially-populated reservation queue
 200  *
 201  * This queue enables the fast recovery of an unused cached or free small page
 202  * from a partially-populated reservation.  The reservation at the head of
 203  * this queue is the least-recently-changed, partially-populated reservation.
 204  *
 205  * Access to this queue is synchronized by the free page queue lock.
 206  */
 207 static TAILQ_HEAD(, vm_reserv) vm_rvq_partpop =
 208                             TAILQ_HEAD_INITIALIZER(vm_rvq_partpop);
 209
 210 static SYSCTL_NODE(_vm, OID_AUTO, reserv, CTLFLAG_RD, 0, "Reservation Info");
 211
 212 static long vm_reserv_broken;
 213 SYSCTL_LONG(_vm_reserv, OID_AUTO, broken, CTLFLAG_RD,
 214     &vm_reserv_broken, 0, "Cumulative number of broken reservations");
 215
 216 static long vm_reserv_freed;
 217 SYSCTL_LONG(_vm_reserv, OID_AUTO, freed, CTLFLAG_RD,
 218     &vm_reserv_freed, 0, "Cumulative number of freed reservations");
 219
 220 static int sysctl_vm_reserv_fullpop(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 221
 222 SYSCTL_PROC(_vm_reserv, OID_AUTO, fullpop, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RD, NULL, 0,
 223     sysctl_vm_reserv_fullpop, "I", "Current number of full reservations");
 224
 225 static int sysctl_vm_reserv_partpopq(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 226
 227 SYSCTL_OID(_vm_reserv, OID_AUTO, partpopq, CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD, NULL, 0,
 228     sysctl_vm_reserv_partpopq, "A", "Partially-populated reservation queues");
 229
 230 static long vm_reserv_reclaimed;
 231 SYSCTL_LONG(_vm_reserv, OID_AUTO, reclaimed, CTLFLAG_RD,
 232     &vm_reserv_reclaimed, 0, "Cumulative number of reclaimed reservations");
 233
 234 static void             vm_reserv_break(vm_reserv_t rv, vm_page_t m);
 235 static void             vm_reserv_depopulate(vm_reserv_t rv, int index);
 236 static vm_reserv_t      vm_reserv_from_page(vm_page_t m);
 237 static boolean_t        vm_reserv_has_pindex(vm_reserv_t rv,
 238                             vm_pindex_t pindex);
 239 static void             vm_reserv_populate(vm_reserv_t rv, int index);
 240 static void             vm_reserv_reclaim(vm_reserv_t rv);
 241
 242 /*
 243  * Returns the current number of full reservations.
 244  *
 245  * Since the number of full reservations is computed without acquiring the
 246  * free page queue lock, the returned value may be inexact.
 247  */
 248 static int
 249 sysctl_vm_reserv_fullpop(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 250 {
 251         vm_paddr_t paddr;
 252         struct vm_phys_seg *seg;
 253         vm_reserv_t rv;
 254         int fullpop, segind;
 255
 256         fullpop = 0;
 257         for (segind = 0; segind < vm_phys_nsegs; segind++) {
 258                 seg = &vm_phys_segs[segind];
 259                 paddr = roundup2(seg->start, VM_LEVEL_0_SIZE);
 260                 while (paddr + VM_LEVEL_0_SIZE <= seg->end) {
 261                         rv = &vm_reserv_array[paddr >> VM_LEVEL_0_SHIFT];
 262                         fullpop += rv->popcnt == VM_LEVEL_0_NPAGES;
 263                         paddr += VM_LEVEL_0_SIZE;
 264                 }
 265         }
 266         return (sysctl_handle_int(oidp, &fullpop, 0, req));
 267 }
 268
 269 /*
 270  * Describes the current state of the partially-populated reservation queue.
 271  */
 272 static int
 273 sysctl_vm_reserv_partpopq(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 274 {
 275         struct sbuf sbuf;
 276         vm_reserv_t rv;
 277         int counter, error, level, unused_pages;
 278
 279         error = sysctl_wire_old_buffer(req, 0);
 280         if (error != 0)
 281                 return (error);
 282         sbuf_new_for_sysctl(&sbuf, NULL, 128, req);
 283         sbuf_printf(&sbuf, "\nLEVEL     SIZE  NUMBER\n\n");
 284         for (level = -1; level <= VM_NRESERVLEVEL - 2; level++) {
 285                 counter = 0;
 286                 unused_pages = 0;
 287                 mtx_lock(&vm_page_queue_free_mtx);
 288                 TAILQ_FOREACH(rv, &vm_rvq_partpop/*[level]*/, partpopq) {
 289                         counter++;
 290                         unused_pages += VM_LEVEL_0_NPAGES - rv->popcnt;
 291                 }
 292                 mtx_unlock(&vm_page_queue_free_mtx);
 293                 sbuf_printf(&sbuf, "%5d: %6dK, %6d\n", level,
 294                     unused_pages * ((int)PAGE_SIZE / 1024), counter);
 295         }
 296         error = sbuf_finish(&sbuf);
 297         sbuf_delete(&sbuf);
 298         return (error);
 299 }
 300
 301 /*
 302  * Reduces the given reservation's population count.  If the population count
 303  * becomes zero, the reservation is destroyed.  Additionally, moves the
 304  * reservation to the tail of the partially-populated reservation queue if the
 305  * population count is non-zero.
 306  *
 307  * The free page queue lock must be held.
 308  */
 309 static void
 310 vm_reserv_depopulate(vm_reserv_t rv, int index)
 311 {
 312
 313         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 314         KASSERT(rv->object != NULL,
 315             ("vm_reserv_depopulate: reserv %p is free", rv));
 316         KASSERT(popmap_is_set(rv->popmap, index),
 317             ("vm_reserv_depopulate: reserv %p's popmap[%d] is clear", rv,
 318             index));
 319         KASSERT(rv->popcnt > 0,
 320             ("vm_reserv_depopulate: reserv %p's popcnt is corrupted", rv));
 321         if (rv->inpartpopq) {
 322                 TAILQ_REMOVE(&vm_rvq_partpop, rv, partpopq);
 323                 rv->inpartpopq = FALSE;
 324         } else {
 325                 KASSERT(rv->pages->psind == 1,
 326                     ("vm_reserv_depopulate: reserv %p is already demoted",
 327                     rv));
 328                 rv->pages->psind = 0;
 329         }
 330         popmap_clear(rv->popmap, index);
 331         rv->popcnt--;
 332         if (rv->popcnt == 0) {
 333                 LIST_REMOVE(rv, objq);
 334                 rv->object = NULL;
 335                 vm_phys_free_pages(rv->pages, VM_LEVEL_0_ORDER);
 336                 vm_reserv_freed++;
 337         } else {
 338                 rv->inpartpopq = TRUE;
 339                 TAILQ_INSERT_TAIL(&vm_rvq_partpop, rv, partpopq);
 340         }
 341 }
 342
 343 /*
 344  * Returns the reservation to which the given page might belong.
 345  */
 346 static __inline vm_reserv_t
 347 vm_reserv_from_page(vm_page_t m)
 348 {
 349
 350         return (&vm_reserv_array[VM_PAGE_TO_PHYS(m) >> VM_LEVEL_0_SHIFT]);
 351 }
 352
 353 /*
 354  * Returns TRUE if the given reservation contains the given page index and
 355  * FALSE otherwise.
 356  */
 357 static __inline boolean_t
 358 vm_reserv_has_pindex(vm_reserv_t rv, vm_pindex_t pindex)
 359 {
 360
 361         return (((pindex - rv->pindex) & ~(VM_LEVEL_0_NPAGES - 1)) == 0);
 362 }
 363
 364 /*
 365  * Increases the given reservation's population count.  Moves the reservation
 366  * to the tail of the partially-populated reservation queue.
 367  *
 368  * The free page queue must be locked.
 369  */
 370 static void
 371 vm_reserv_populate(vm_reserv_t rv, int index)
 372 {
 373
 374         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 375         KASSERT(rv->object != NULL,
 376             ("vm_reserv_populate: reserv %p is free", rv));
 377         KASSERT(popmap_is_clear(rv->popmap, index),
 378             ("vm_reserv_populate: reserv %p's popmap[%d] is set", rv,
 379             index));
 380         KASSERT(rv->popcnt < VM_LEVEL_0_NPAGES,
 381             ("vm_reserv_populate: reserv %p is already full", rv));
 382         KASSERT(rv->pages->psind == 0,
 383             ("vm_reserv_populate: reserv %p is already promoted", rv));
 384         if (rv->inpartpopq) {
 385                 TAILQ_REMOVE(&vm_rvq_partpop, rv, partpopq);
 386                 rv->inpartpopq = FALSE;
 387         }
 388         popmap_set(rv->popmap, index);
 389         rv->popcnt++;
 390         if (rv->popcnt < VM_LEVEL_0_NPAGES) {
 391                 rv->inpartpopq = TRUE;
 392                 TAILQ_INSERT_TAIL(&vm_rvq_partpop, rv, partpopq);
 393         } else
 394                 rv->pages->psind = 1;
 395 }
 396
 397 /*
 398  * Allocates a contiguous set of physical pages of the given size "npages"
 399  * from existing or newly created reservations.  All of the physical pages
 400  * must be at or above the given physical address "low" and below the given
 401  * physical address "high".  The given value "alignment" determines the
 402  * alignment of the first physical page in the set.  If the given value
 403  * "boundary" is non-zero, then the set of physical pages cannot cross any
 404  * physical address boundary that is a multiple of that value.  Both
 405  * "alignment" and "boundary" must be a power of two.
 406  *
 407  * The object and free page queue must be locked.
 408  */
 409 vm_page_t
 410 vm_reserv_alloc_contig(vm_object_t object, vm_pindex_t pindex, u_long npages,
 411     vm_paddr_t low, vm_paddr_t high, u_long alignment, vm_paddr_t boundary)
 412 {
 413         vm_paddr_t pa, size;
 414         vm_page_t m, m_ret, mpred, msucc;
 415         vm_pindex_t first, leftcap, rightcap;
 416         vm_reserv_t rv;
 417         u_long allocpages, maxpages, minpages;
 418         int i, index, n;
 419
 420         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 421         VM_OBJECT_ASSERT_WLOCKED(object);
 422         KASSERT(npages != 0, ("vm_reserv_alloc_contig: npages is 0"));
 423
 424         /*
 425          * Is a reservation fundamentally impossible?
 426          */
 427         if (pindex < VM_RESERV_INDEX(object, pindex) ||
 428             pindex + npages > object->size)
 429                 return (NULL);
 430
 431         /*
 432          * All reservations of a particular size have the same alignment.
 433          * Assuming that the first page is allocated from a reservation, the
 434          * least significant bits of its physical address can be determined
 435          * from its offset from the beginning of the reservation and the size
 436          * of the reservation.
 437          *
 438          * Could the specified index within a reservation of the smallest
 439          * possible size satisfy the alignment and boundary requirements?
 440          */
 441         pa = VM_RESERV_INDEX(object, pindex) << PAGE_SHIFT;
 442         if ((pa & (alignment - 1)) != 0)
 443                 return (NULL);
 444         size = npages << PAGE_SHIFT;
 445         if (((pa ^ (pa + size - 1)) & ~(boundary - 1)) != 0)
 446                 return (NULL);
 447
 448         /*
 449          * Look for an existing reservation.
 450          */
 451         mpred = vm_radix_lookup_le(&object->rtree, pindex);
 452         if (mpred != NULL) {
 453                 KASSERT(mpred->pindex < pindex,
 454                     ("vm_reserv_alloc_contig: pindex already allocated"));
 455                 rv = vm_reserv_from_page(mpred);
 456                 if (rv->object == object && vm_reserv_has_pindex(rv, pindex))
 457                         goto found;
 458                 msucc = TAILQ_NEXT(mpred, listq);
 459         } else
 460                 msucc = TAILQ_FIRST(&object->memq);
 461         if (msucc != NULL) {
 462                 KASSERT(msucc->pindex > pindex,
 463                     ("vm_reserv_alloc_contig: pindex already allocated"));
 464                 rv = vm_reserv_from_page(msucc);
 465                 if (rv->object == object && vm_reserv_has_pindex(rv, pindex))
 466                         goto found;
 467         }
 468
 469         /*
 470          * Could at least one reservation fit between the first index to the
 471          * left that can be used ("leftcap") and the first index to the right
 472          * that cannot be used ("rightcap")?
 473          */
 474         first = pindex - VM_RESERV_INDEX(object, pindex);
 475         if (mpred != NULL) {
 476                 if ((rv = vm_reserv_from_page(mpred))->object != object)
 477                         leftcap = mpred->pindex + 1;
 478                 else
 479                         leftcap = rv->pindex + VM_LEVEL_0_NPAGES;
 480                 if (leftcap > first)
 481                         return (NULL);
 482         }
 483         minpages = VM_RESERV_INDEX(object, pindex) + npages;
 484         maxpages = roundup2(minpages, VM_LEVEL_0_NPAGES);
 485         allocpages = maxpages;
 486         if (msucc != NULL) {
 487                 if ((rv = vm_reserv_from_page(msucc))->object != object)
 488                         rightcap = msucc->pindex;
 489                 else
 490                         rightcap = rv->pindex;
 491                 if (first + maxpages > rightcap) {
 492                         if (maxpages == VM_LEVEL_0_NPAGES)
 493                                 return (NULL);
 494
 495                         /*
 496                          * At least one reservation will fit between "leftcap"
 497                          * and "rightcap".  However, a reservation for the
 498                          * last of the requested pages will not fit.  Reduce
 499                          * the size of the upcoming allocation accordingly.
 500                          */
 501                         allocpages = minpages;
 502                 }
 503         }
 504
 505         /*
 506          * Would the last new reservation extend past the end of the object?
 507          */
 508         if (first + maxpages > object->size) {
 509                 /*
 510                  * Don't allocate the last new reservation if the object is a
 511                  * vnode or backed by another object that is a vnode.
 512                  */
 513                 if (object->type == OBJT_VNODE ||
 514                     (object->backing_object != NULL &&
 515                     object->backing_object->type == OBJT_VNODE)) {
 516                         if (maxpages == VM_LEVEL_0_NPAGES)
 517                                 return (NULL);
 518                         allocpages = minpages;
 519                 }
 520                 /* Speculate that the object may grow. */
 521         }
 522
 523         /*
 524          * Allocate the physical pages.  The alignment and boundary specified
 525          * for this allocation may be different from the alignment and
 526          * boundary specified for the requested pages.  For instance, the
 527          * specified index may not be the first page within the first new
 528          * reservation.
 529          */
 530         m = vm_phys_alloc_contig(allocpages, low, high, ulmax(alignment,
 531             VM_LEVEL_0_SIZE), boundary > VM_LEVEL_0_SIZE ? boundary : 0);
 532         if (m == NULL)
 533                 return (NULL);
 534
 535         /*
 536          * The allocated physical pages always begin at a reservation
 537          * boundary, but they do not always end at a reservation boundary.
 538          * Initialize every reservation that is completely covered by the
 539          * allocated physical pages.
 540          */
 541         m_ret = NULL;
 542         index = VM_RESERV_INDEX(object, pindex);
 543         do {
 544                 rv = vm_reserv_from_page(m);
 545                 KASSERT(rv->pages == m,
 546                     ("vm_reserv_alloc_contig: reserv %p's pages is corrupted",
 547                     rv));
 548                 KASSERT(rv->object == NULL,
 549                     ("vm_reserv_alloc_contig: reserv %p isn't free", rv));
 550                 LIST_INSERT_HEAD(&object->rvq, rv, objq);
 551                 rv->object = object;
 552                 rv->pindex = first;
 553                 KASSERT(rv->popcnt == 0,
 554                     ("vm_reserv_alloc_contig: reserv %p's popcnt is corrupted",
 555                     rv));
 556                 KASSERT(!rv->inpartpopq,
 557                     ("vm_reserv_alloc_contig: reserv %p's inpartpopq is TRUE",
 558                     rv));
 559                 for (i = 0; i < NPOPMAP; i++)
 560                         KASSERT(rv->popmap[i] == 0,
 561                     ("vm_reserv_alloc_contig: reserv %p's popmap is corrupted",
 562                             rv));
 563                 n = ulmin(VM_LEVEL_0_NPAGES - index, npages);
 564                 for (i = 0; i < n; i++)
 565                         vm_reserv_populate(rv, index + i);
 566                 npages -= n;
 567                 if (m_ret == NULL) {
 568                         m_ret = &rv->pages[index];
 569                         index = 0;
 570                 }
 571                 m += VM_LEVEL_0_NPAGES;
 572                 first += VM_LEVEL_0_NPAGES;
 573                 allocpages -= VM_LEVEL_0_NPAGES;
 574         } while (allocpages >= VM_LEVEL_0_NPAGES);
 575         return (m_ret);
 576
 577         /*
 578          * Found a matching reservation.
 579          */
 580 found:
 581         index = VM_RESERV_INDEX(object, pindex);
 582         /* Does the allocation fit within the reservation? */
 583         if (index + npages > VM_LEVEL_0_NPAGES)
 584                 return (NULL);
 585         m = &rv->pages[index];
 586         pa = VM_PAGE_TO_PHYS(m);
 587         if (pa < low || pa + size > high || (pa & (alignment - 1)) != 0 ||
 588             ((pa ^ (pa + size - 1)) & ~(boundary - 1)) != 0)
 589                 return (NULL);
 590         /* Handle vm_page_rename(m, new_object, ...). */
 591         for (i = 0; i < npages; i++)
 592                 if (popmap_is_set(rv->popmap, index + i))
 593                         return (NULL);
 594         for (i = 0; i < npages; i++)
 595                 vm_reserv_populate(rv, index + i);
 596         return (m);
 597 }
 598
 599 /*
 600  * Allocates a page from an existing or newly-created reservation.
 601  *
 602  * The page "mpred" must immediately precede the offset "pindex" within the
 603  * specified object.
 604  *
 605  * The object and free page queue must be locked.
 606  */
 607 vm_page_t
 608 vm_reserv_alloc_page(vm_object_t object, vm_pindex_t pindex, vm_page_t mpred)
 609 {
 610         vm_page_t m, msucc;
 611         vm_pindex_t first, leftcap, rightcap;
 612         vm_reserv_t rv;
 613         int i, index;
 614
 615         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 616         VM_OBJECT_ASSERT_WLOCKED(object);
 617
 618         /*
 619          * Is a reservation fundamentally impossible?
 620          */
 621         if (pindex < VM_RESERV_INDEX(object, pindex) ||
 622             pindex >= object->size)
 623                 return (NULL);
 624
 625         /*
 626          * Look for an existing reservation.
 627          */
 628         if (mpred != NULL) {
 629                 KASSERT(mpred->object == object,
 630                     ("vm_reserv_alloc_page: object doesn't contain mpred"));
 631                 KASSERT(mpred->pindex < pindex,
 632                     ("vm_reserv_alloc_page: mpred doesn't precede pindex"));
 633                 rv = vm_reserv_from_page(mpred);
 634                 if (rv->object == object && vm_reserv_has_pindex(rv, pindex))
 635                         goto found;
 636                 msucc = TAILQ_NEXT(mpred, listq);
 637         } else
 638                 msucc = TAILQ_FIRST(&object->memq);
 639         if (msucc != NULL) {
 640                 KASSERT(msucc->pindex > pindex,
 641                     ("vm_reserv_alloc_page: msucc doesn't succeed pindex"));
 642                 rv = vm_reserv_from_page(msucc);
 643                 if (rv->object == object && vm_reserv_has_pindex(rv, pindex))
 644                         goto found;
 645         }
 646
 647         /*
 648          * Could a reservation fit between the first index to the left that
 649          * can be used and the first index to the right that cannot be used?
 650          */
 651         first = pindex - VM_RESERV_INDEX(object, pindex);
 652         if (mpred != NULL) {
 653                 if ((rv = vm_reserv_from_page(mpred))->object != object)
 654                         leftcap = mpred->pindex + 1;
 655                 else
 656                         leftcap = rv->pindex + VM_LEVEL_0_NPAGES;
 657                 if (leftcap > first)
 658                         return (NULL);
 659         }
 660         if (msucc != NULL) {
 661                 if ((rv = vm_reserv_from_page(msucc))->object != object)
 662                         rightcap = msucc->pindex;
 663                 else
 664                         rightcap = rv->pindex;
 665                 if (first + VM_LEVEL_0_NPAGES > rightcap)
 666                         return (NULL);
 667         }
 668
 669         /*
 670          * Would a new reservation extend past the end of the object?
 671          */
 672         if (first + VM_LEVEL_0_NPAGES > object->size) {
 673                 /*
 674                  * Don't allocate a new reservation if the object is a vnode or
 675                  * backed by another object that is a vnode.
 676                  */
 677                 if (object->type == OBJT_VNODE ||
 678                     (object->backing_object != NULL &&
 679                     object->backing_object->type == OBJT_VNODE))
 680                         return (NULL);
 681                 /* Speculate that the object may grow. */
 682         }
 683
 684         /*
 685          * Allocate and populate the new reservation.
 686          */
 687         m = vm_phys_alloc_pages(VM_FREEPOOL_DEFAULT, VM_LEVEL_0_ORDER);
 688         if (m == NULL)
 689                 return (NULL);
 690         rv = vm_reserv_from_page(m);
 691         KASSERT(rv->pages == m,
 692             ("vm_reserv_alloc_page: reserv %p's pages is corrupted", rv));
 693         KASSERT(rv->object == NULL,
 694             ("vm_reserv_alloc_page: reserv %p isn't free", rv));
 695         LIST_INSERT_HEAD(&object->rvq, rv, objq);
 696         rv->object = object;
 697         rv->pindex = first;
 698         KASSERT(rv->popcnt == 0,
 699             ("vm_reserv_alloc_page: reserv %p's popcnt is corrupted", rv));
 700         KASSERT(!rv->inpartpopq,
 701             ("vm_reserv_alloc_page: reserv %p's inpartpopq is TRUE", rv));
 702         for (i = 0; i < NPOPMAP; i++)
 703                 KASSERT(rv->popmap[i] == 0,
 704                     ("vm_reserv_alloc_page: reserv %p's popmap is corrupted",
 705                     rv));
 706         index = VM_RESERV_INDEX(object, pindex);
 707         vm_reserv_populate(rv, index);
 708         return (&rv->pages[index]);
 709
 710         /*
 711          * Found a matching reservation.
 712          */
 713 found:
 714         index = VM_RESERV_INDEX(object, pindex);
 715         m = &rv->pages[index];
 716         /* Handle vm_page_rename(m, new_object, ...). */
 717         if (popmap_is_set(rv->popmap, index))
 718                 return (NULL);
 719         vm_reserv_populate(rv, index);
 720         return (m);
 721 }
 722
 723 /*
 724  * Breaks the given reservation.  Except for the specified cached or free
 725  * page, all cached and free pages in the reservation are returned to the
 726  * physical memory allocator.  The reservation's population count and map are
 727  * reset to their initial state.
 728  *
 729  * The given reservation must not be in the partially-populated reservation
 730  * queue.  The free page queue lock must be held.
 731  */
 732 static void
 733 vm_reserv_break(vm_reserv_t rv, vm_page_t m)
 734 {
 735         int begin_zeroes, hi, i, lo;
 736
 737         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 738         KASSERT(rv->object != NULL,
 739             ("vm_reserv_break: reserv %p is free", rv));
 740         KASSERT(!rv->inpartpopq,
 741             ("vm_reserv_break: reserv %p's inpartpopq is TRUE", rv));
 742         LIST_REMOVE(rv, objq);
 743         rv->object = NULL;
 744         if (m != NULL) {
 745                 /*
 746                  * Since the reservation is being broken, there is no harm in
 747                  * abusing the population map to stop "m" from being returned
 748                  * to the physical memory allocator.
 749                  */
 750                 i = m - rv->pages;
 751                 KASSERT(popmap_is_clear(rv->popmap, i),
 752                     ("vm_reserv_break: reserv %p's popmap is corrupted", rv));
 753                 popmap_set(rv->popmap, i);
 754                 rv->popcnt++;
 755         }
 756         i = hi = 0;
 757         do {
 758                 /* Find the next 0 bit.  Any previous 0 bits are < "hi". */
 759                 lo = ffsl(~(((1UL << hi) - 1) | rv->popmap[i]));
 760                 if (lo == 0) {
 761                         /* Redundantly clears bits < "hi". */
 762                         rv->popmap[i] = 0;
 763                         rv->popcnt -= NBPOPMAP - hi;
 764                         while (++i < NPOPMAP) {
 765                                 lo = ffsl(~rv->popmap[i]);
 766                                 if (lo == 0) {
 767                                         rv->popmap[i] = 0;
 768                                         rv->popcnt -= NBPOPMAP;
 769                                 } else
 770                                         break;
 771                         }
 772                         if (i == NPOPMAP)
 773                                 break;
 774                         hi = 0;
 775                 }
 776                 KASSERT(lo > 0, ("vm_reserv_break: lo is %d", lo));
 777                 /* Convert from ffsl() to ordinary bit numbering. */
 778                 lo--;
 779                 if (lo > 0) {
 780                         /* Redundantly clears bits < "hi". */
 781                         rv->popmap[i] &= ~((1UL << lo) - 1);
 782                         rv->popcnt -= lo - hi;
 783                 }
 784                 begin_zeroes = NBPOPMAP * i + lo;
 785                 /* Find the next 1 bit. */
 786                 do
 787                         hi = ffsl(rv->popmap[i]);
 788                 while (hi == 0 && ++i < NPOPMAP);
 789                 if (i != NPOPMAP)
 790                         /* Convert from ffsl() to ordinary bit numbering. */
 791                         hi--;
 792                 vm_phys_free_contig(&rv->pages[begin_zeroes], NBPOPMAP * i +
 793                     hi - begin_zeroes);
 794         } while (i < NPOPMAP);
 795         KASSERT(rv->popcnt == 0,
 796             ("vm_reserv_break: reserv %p's popcnt is corrupted", rv));
 797         vm_reserv_broken++;
 798 }
 799
 800 /*
 801  * Breaks all reservations belonging to the given object.
 802  */
 803 void
 804 vm_reserv_break_all(vm_object_t object)
 805 {
 806         vm_reserv_t rv;
 807
 808         mtx_lock(&vm_page_queue_free_mtx);
 809         while ((rv = LIST_FIRST(&object->rvq)) != NULL) {
 810                 KASSERT(rv->object == object,
 811                     ("vm_reserv_break_all: reserv %p is corrupted", rv));
 812                 if (rv->inpartpopq) {
 813                         TAILQ_REMOVE(&vm_rvq_partpop, rv, partpopq);
 814                         rv->inpartpopq = FALSE;
 815                 }
 816                 vm_reserv_break(rv, NULL);
 817         }
 818         mtx_unlock(&vm_page_queue_free_mtx);
 819 }
 820
 821 /*
 822  * Frees the given page if it belongs to a reservation.  Returns TRUE if the
 823  * page is freed and FALSE otherwise.
 824  *
 825  * The free page queue lock must be held.
 826  */
 827 boolean_t
 828 vm_reserv_free_page(vm_page_t m)
 829 {
 830         vm_reserv_t rv;
 831
 832         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 833         rv = vm_reserv_from_page(m);
 834         if (rv->object == NULL)
 835                 return (FALSE);
 836         vm_reserv_depopulate(rv, m - rv->pages);
 837         return (TRUE);
 838 }
 839
 840 /*
 841  * Initializes the reservation management system.  Specifically, initializes
 842  * the reservation array.
 843  *
 844  * Requires that vm_page_array and first_page are initialized!
 845  */
 846 void
 847 vm_reserv_init(void)
 848 {
 849         vm_paddr_t paddr;
 850         struct vm_phys_seg *seg;
 851         int segind;
 852
 853         /*
 854          * Initialize the reservation array.  Specifically, initialize the
 855          * "pages" field for every element that has an underlying superpage.
 856          */
 857         for (segind = 0; segind < vm_phys_nsegs; segind++) {
 858                 seg = &vm_phys_segs[segind];
 859                 paddr = roundup2(seg->start, VM_LEVEL_0_SIZE);
 860                 while (paddr + VM_LEVEL_0_SIZE <= seg->end) {
 861                         vm_reserv_array[paddr >> VM_LEVEL_0_SHIFT].pages =
 862                             PHYS_TO_VM_PAGE(paddr);
 863                         paddr += VM_LEVEL_0_SIZE;
 864                 }
 865         }
 866 }
 867
 868 /*
 869  * Returns a reservation level if the given page belongs to a fully-populated
 870  * reservation and -1 otherwise.
 871  */
 872 int
 873 vm_reserv_level_iffullpop(vm_page_t m)
 874 {
 875         vm_reserv_t rv;
 876
 877         rv = vm_reserv_from_page(m);
 878         return (rv->popcnt == VM_LEVEL_0_NPAGES ? 0 : -1);
 879 }
 880
 881 /*
 882  * Prepare for the reactivation of a cached page.
 883  *
 884  * First, suppose that the given page "m" was allocated individually, i.e., not
 885  * as part of a reservation, and cached.  Then, suppose a reservation
 886  * containing "m" is allocated by the same object.  Although "m" and the
 887  * reservation belong to the same object, "m"'s pindex may not match the
 888  * reservation's.
 889  *
 890  * The free page queue must be locked.
 891  */
 892 boolean_t
 893 vm_reserv_reactivate_page(vm_page_t m)
 894 {
 895         vm_reserv_t rv;
 896         int index;
 897
 898         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 899         rv = vm_reserv_from_page(m);
 900         if (rv->object == NULL)
 901                 return (FALSE);
 902         KASSERT((m->flags & PG_CACHED) != 0,
 903             ("vm_reserv_reactivate_page: page %p is not cached", m));
 904         if (m->object == rv->object &&
 905             m->pindex - rv->pindex == (index = VM_RESERV_INDEX(m->object,
 906             m->pindex)))
 907                 vm_reserv_populate(rv, index);
 908         else {
 909                 KASSERT(rv->inpartpopq,
 910             ("vm_reserv_reactivate_page: reserv %p's inpartpopq is FALSE",
 911                     rv));
 912                 TAILQ_REMOVE(&vm_rvq_partpop, rv, partpopq);
 913                 rv->inpartpopq = FALSE;
 914                 /* Don't release "m" to the physical memory allocator. */
 915                 vm_reserv_break(rv, m);
 916         }
 917         return (TRUE);
 918 }
 919
 920 /*
 921  * Breaks the given partially-populated reservation, releasing its cached and
 922  * free pages to the physical memory allocator.
 923  *
 924  * The free page queue lock must be held.
 925  */
 926 static void
 927 vm_reserv_reclaim(vm_reserv_t rv)
 928 {
 929
 930         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 931         KASSERT(rv->inpartpopq,
 932             ("vm_reserv_reclaim: reserv %p's inpartpopq is FALSE", rv));
 933         TAILQ_REMOVE(&vm_rvq_partpop, rv, partpopq);
 934         rv->inpartpopq = FALSE;
 935         vm_reserv_break(rv, NULL);
 936         vm_reserv_reclaimed++;
 937 }
 938
 939 /*
 940  * Breaks the reservation at the head of the partially-populated reservation
 941  * queue, releasing its cached and free pages to the physical memory
 942  * allocator.  Returns TRUE if a reservation is broken and FALSE otherwise.
 943  *
 944  * The free page queue lock must be held.
 945  */
 946 boolean_t
 947 vm_reserv_reclaim_inactive(void)
 948 {
 949         vm_reserv_t rv;
 950
 951         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 952         if ((rv = TAILQ_FIRST(&vm_rvq_partpop)) != NULL) {
 953                 vm_reserv_reclaim(rv);
 954                 return (TRUE);
 955         }
 956         return (FALSE);
 957 }
 958
 959 /*
 960  * Searches the partially-populated reservation queue for the least recently
 961  * active reservation with unused pages, i.e., cached or free, that satisfy the
 962  * given request for contiguous physical memory.  If a satisfactory reservation
 963  * is found, it is broken.  Returns TRUE if a reservation is broken and FALSE
 964  * otherwise.
 965  *
 966  * The free page queue lock must be held.
 967  */
 968 boolean_t
 969 vm_reserv_reclaim_contig(u_long npages, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 970     u_long alignment, vm_paddr_t boundary)
 971 {
 972         vm_paddr_t pa, size;
 973         vm_reserv_t rv;
 974         int hi, i, lo, low_index, next_free;
 975
 976         mtx_assert(&vm_page_queue_free_mtx, MA_OWNED);
 977         if (npages > VM_LEVEL_0_NPAGES - 1)
 978                 return (FALSE);
 979         size = npages << PAGE_SHIFT;
 980         TAILQ_FOREACH(rv, &vm_rvq_partpop, partpopq) {
 981                 pa = VM_PAGE_TO_PHYS(&rv->pages[VM_LEVEL_0_NPAGES - 1]);
 982                 if (pa + PAGE_SIZE - size < low) {
 983                         /* This entire reservation is too low; go to next. */
 984                         continue;
 985                 }
 986                 pa = VM_PAGE_TO_PHYS(&rv->pages[0]);
 987                 if (pa + size > high) {
 988                         /* This entire reservation is too high; go to next. */
 989                         continue;
 990                 }
 991                 if (pa < low) {
 992                         /* Start the search for free pages at "low". */
 993                         low_index = (low + PAGE_MASK - pa) >> PAGE_SHIFT;
 994                         i = low_index / NBPOPMAP;
 995                         hi = low_index % NBPOPMAP;
 996                 } else
 997                         i = hi = 0;
 998                 do {
 999                         /* Find the next free page. */
1000                         lo = ffsl(~(((1UL << hi) - 1) | rv->popmap[i]));
1001                         while (lo == 0 && ++i < NPOPMAP)
1002                                 lo = ffsl(~rv->popmap[i]);
1003                         if (i == NPOPMAP)
1004                                 break;
1005                         /* Convert from ffsl() to ordinary bit numbering. */
1006                         lo--;
1007                         next_free = NBPOPMAP * i + lo;
1008                         pa = VM_PAGE_TO_PHYS(&rv->pages[next_free]);
1009                         KASSERT(pa >= low,
1010                             ("vm_reserv_reclaim_contig: pa is too low"));
1011                         if (pa + size > high) {
1012                                 /* The rest of this reservation is too high. */
1013                                 break;
1014                         } else if ((pa & (alignment - 1)) != 0 ||
1015                             ((pa ^ (pa + size - 1)) & ~(boundary - 1)) != 0) {
1016                                 /*
1017                                  * The current page doesn't meet the alignment
1018                                  * and/or boundary requirements.  Continue
1019                                  * searching this reservation until the rest
1020                                  * of its free pages are either excluded or
1021                                  * exhausted.
1022                                  */
1023                                 hi = lo + 1;
1024                                 if (hi >= NBPOPMAP) {
1025                                         hi = 0;
1026                                         i++;
1027                                 }
1028                                 continue;
1029                         }
1030                         /* Find the next used page. */
1031                         hi = ffsl(rv->popmap[i] & ~((1UL << lo) - 1));
1032                         while (hi == 0 && ++i < NPOPMAP) {
1033                                 if ((NBPOPMAP * i - next_free) * PAGE_SIZE >=
1034                                     size) {
1035                                         vm_reserv_reclaim(rv);
1036                                         return (TRUE);
1037                                 }
1038                                 hi = ffsl(rv->popmap[i]);
1039                         }
1040                         /* Convert from ffsl() to ordinary bit numbering. */
1041                         if (i != NPOPMAP)
1042                                 hi--;
1043                         if ((NBPOPMAP * i + hi - next_free) * PAGE_SIZE >=
1044                             size) {
1045                                 vm_reserv_reclaim(rv);
1046                                 return (TRUE);
1047                         }
1048                 } while (i < NPOPMAP);
1049         }
1050         return (FALSE);
1051 }
1052
1053 /*
1054  * Transfers the reservation underlying the given page to a new object.
1055  *
1056  * The object must be locked.
1057  */
1058 void
1059 vm_reserv_rename(vm_page_t m, vm_object_t new_object, vm_object_t old_object,
1060     vm_pindex_t old_object_offset)
1061 {
1062         vm_reserv_t rv;
1063
1064         VM_OBJECT_ASSERT_WLOCKED(new_object);
1065         rv = vm_reserv_from_page(m);
1066         if (rv->object == old_object) {
1067                 mtx_lock(&vm_page_queue_free_mtx);
1068                 if (rv->object == old_object) {
1069                         LIST_REMOVE(rv, objq);
1070                         LIST_INSERT_HEAD(&new_object->rvq, rv, objq);
1071                         rv->object = new_object;
1072                         rv->pindex -= old_object_offset;
1073                 }
1074                 mtx_unlock(&vm_page_queue_free_mtx);
1075         }
1076 }
1077
1078 /*
1079  * Allocates the virtual and physical memory required by the reservation
1080  * management system's data structures, in particular, the reservation array.
1081  */
1082 vm_paddr_t
1083 vm_reserv_startup(vm_offset_t *vaddr, vm_paddr_t end, vm_paddr_t high_water)
1084 {
1085         vm_paddr_t new_end;
1086         size_t size;
1087
1088         /*
1089          * Calculate the size (in bytes) of the reservation array.  Round up
1090          * from "high_water" because every small page is mapped to an element
1091          * in the reservation array based on its physical address.  Thus, the
1092          * number of elements in the reservation array can be greater than the
1093          * number of superpages.
1094          */
1095         size = howmany(high_water, VM_LEVEL_0_SIZE) * sizeof(struct vm_reserv);
1096
1097         /*
1098          * Allocate and map the physical memory for the reservation array.  The
1099          * next available virtual address is returned by reference.
1100          */
1101         new_end = end - round_page(size);
1102         vm_reserv_array = (void *)(uintptr_t)pmap_map(vaddr, new_end, end,
1103             VM_PROT_READ | VM_PROT_WRITE);
1104         bzero(vm_reserv_array, size);
1105
1106         /*
1107          * Return the next available physical address.
1108          */
1109         return (new_end);
1110 }
1111
1112 #endif  /* VM_NRESERVLEVEL > 0 */