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 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, min_kernel_address, CTLFLAG_RD,
  98     NULL, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, "Min kernel address");
  99
 100 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, max_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 101 #if defined(__arm__) || defined(__sparc64__)
 102     &vm_max_kernel_address, 0,
 103 #else
 104     NULL, VM_MAX_KERNEL_ADDRESS,
 105 #endif
 106     "Max kernel address");
 107
 108 /*
 109  *      kva_alloc:
 110  *
 111  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
 112  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
 113  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
 114  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 115  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 116  */
 117 vm_offset_t
 118 kva_alloc(size)
 119         vm_size_t size;
 120 {
 121         vm_offset_t addr;
 122
 123         size = round_page(size);
 124         if (vmem_alloc(kernel_arena, size, M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr))
 125                 return (0);
 126
 127         return (addr);
 128 }
 129
 130 /*
 131  *      kva_free:
 132  *
 133  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 134  *      with kva_alloc, and return the physical pages
 135  *      associated with that region.
 136  *
 137  *      This routine may not block on kernel maps.
 138  */
 139 void
 140 kva_free(addr, size)
 141         vm_offset_t addr;
 142         vm_size_t size;
 143 {
 144
 145         size = round_page(size);
 146         vmem_free(kernel_arena, addr, size);
 147 }
 148
 149 /*
 150  *      Allocates a region from the kernel address map and physical pages
 151  *      within the specified address range to the kernel object.  Creates a
 152  *      wired mapping from this region to these pages, and returns the
 153  *      region's starting virtual address.  The allocated pages are not
 154  *      necessarily physically contiguous.  If M_ZERO is specified through the
 155  *      given flags, then the pages are zeroed before they are mapped.
 156  */
 157 vm_offset_t
 158 kmem_alloc_attr(vmem_t *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 159     vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 160 {
 161         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 162         vm_offset_t addr;
 163         vm_ooffset_t offset;
 164         vm_page_t m;
 165         int pflags, tries;
 166         int i;
 167
 168         size = round_page(size);
 169         if (vmem_alloc(vmem, size, M_BESTFIT | flags, &addr))
 170                 return (0);
 171         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 172         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 173         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 174         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 175                 tries = 0;
 176 retry:
 177                 m = vm_page_alloc_contig(object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 178                     pflags, 1, low, high, PAGE_SIZE, 0, memattr);
 179                 if (m == NULL) {
 180                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 181                         if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 182                                 vm_pageout_grow_cache(tries, low, high);
 183                                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 184                                 tries++;
 185                                 goto retry;
 186                         }
 187                         /*
 188                          * Unmap and free the pages.
 189                          */
 190                         if (i != 0)
 191                                 pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + i);
 192                         while (i != 0) {
 193                                 i -= PAGE_SIZE;
 194                                 m = vm_page_lookup(object,
 195                                     OFF_TO_IDX(offset + i));
 196                                 vm_page_unwire(m, 0);
 197                                 vm_page_free(m);
 198                         }
 199                         vmem_free(vmem, addr, size);
 200                         return (0);
 201                 }
 202                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 203                         pmap_zero_page(m);
 204                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 205                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL,
 206                     TRUE);
 207         }
 208         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 209         return (addr);
 210 }
 211
 212 /*
 213  *      Allocates a region from the kernel address map and physically
 214  *      contiguous pages within the specified address range to the kernel
 215  *      object.  Creates a wired mapping from this region to these pages, and
 216  *      returns the region's starting virtual address.  If M_ZERO is specified
 217  *      through the given flags, then the pages are zeroed before they are
 218  *      mapped.
 219  */
 220 vm_offset_t
 221 kmem_alloc_contig(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 222     vm_paddr_t high, u_long alignment, vm_paddr_t boundary,
 223     vm_memattr_t memattr)
 224 {
 225         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 226         vm_offset_t addr, tmp;
 227         vm_ooffset_t offset;
 228         vm_page_t end_m, m;
 229         int pflags, tries;
 230
 231         size = round_page(size);
 232         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 233                 return (0);
 234         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 235         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 236         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 237         tries = 0;
 238 retry:
 239         m = vm_page_alloc_contig(object, OFF_TO_IDX(offset), pflags,
 240             atop(size), low, high, alignment, boundary, memattr);
 241         if (m == NULL) {
 242                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 243                 if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 244                         vm_pageout_grow_cache(tries, low, high);
 245                         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 246                         tries++;
 247                         goto retry;
 248                 }
 249                 vmem_free(vmem, addr, size);
 250                 return (0);
 251         }
 252         end_m = m + atop(size);
 253         tmp = addr;
 254         for (; m < end_m; m++) {
 255                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 256                         pmap_zero_page(m);
 257                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 258                 pmap_enter(kernel_pmap, tmp, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL, true);
 259                 tmp += PAGE_SIZE;
 260         }
 261         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 262         return (addr);
 263 }
 264
 265 /*
 266  *      kmem_suballoc:
 267  *
 268  *      Allocates a map to manage a subrange
 269  *      of the kernel virtual address space.
 270  *
 271  *      Arguments are as follows:
 272  *
 273  *      parent          Map to take range from
 274  *      min, max        Returned endpoints of map
 275  *      size            Size of range to find
 276  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 277  */
 278 vm_map_t
 279 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 280     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 281 {
 282         int ret;
 283         vm_map_t result;
 284
 285         size = round_page(size);
 286
 287         *min = vm_map_min(parent);
 288         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, 0, superpage_align ?
 289             VMFS_SUPER_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 290             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 291         if (ret != KERN_SUCCESS)
 292                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 293         *max = *min + size;
 294         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 295         if (result == NULL)
 296                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 297         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 298                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 299         return (result);
 300 }
 301
 302 /*
 303  *      kmem_malloc:
 304  *
 305  *      Allocate wired-down pages in the kernel's address space.
 306  */
 307 vm_offset_t
 308 kmem_malloc(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags)
 309 {
 310         vm_offset_t addr;
 311         int rv;
 312
 313         size = round_page(size);
 314         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 315                 return (0);
 316
 317         rv = kmem_back((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 318             addr, size, flags);
 319         if (rv != KERN_SUCCESS) {
 320                 vmem_free(vmem, addr, size);
 321                 return (0);
 322         }
 323         return (addr);
 324 }
 325
 326 /*
 327  *      kmem_back:
 328  *
 329  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 330  */
 331 int
 332 kmem_back(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 333 {
 334         vm_offset_t offset, i;
 335         vm_page_t m;
 336         int pflags;
 337
 338         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 339             ("kmem_back: only supports kernel objects."));
 340
 341         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 342         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 343
 344         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 345         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 346 retry:
 347                 m = vm_page_alloc(object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
 348
 349                 /*
 350                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 351                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 352                  * aren't on any queues.
 353                  */
 354                 if (m == NULL) {
 355                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 356                                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 357                                 VM_WAIT;
 358                                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 359                                 goto retry;
 360                         }
 361                         /*
 362                          * Unmap and free the pages.
 363                          */
 364                         if (i != 0)
 365                                 pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + i);
 366                         while (i != 0) {
 367                                 i -= PAGE_SIZE;
 368                                 m = vm_page_lookup(object,
 369                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 370                                 vm_page_unwire(m, 0);
 371                                 vm_page_free(m);
 372                         }
 373                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 374                         return (KERN_NO_SPACE);
 375                 }
 376                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 377                         pmap_zero_page(m);
 378                 KASSERT((m->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
 379                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 380                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 381                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL,
 382                     TRUE);
 383         }
 384         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 385
 386         return (KERN_SUCCESS);
 387 }
 388
 389 void
 390 kmem_unback(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 391 {
 392         vm_page_t m;
 393         vm_offset_t offset;
 394         int i;
 395
 396         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 397             ("kmem_unback: only supports kernel objects."));
 398
 399         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 400         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 401         pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + size);
 402         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 403                 m = vm_page_lookup(object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 404                 vm_page_unwire(m, 0);
 405                 vm_page_free(m);
 406         }
 407         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 408 }
 409
 410 /*
 411  *      kmem_free:
 412  *
 413  *      Free memory allocated with kmem_malloc.  The size must match the
 414  *      original allocation.
 415  */
 416 void
 417 kmem_free(struct vmem *vmem, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 418 {
 419
 420         size = round_page(size);
 421         kmem_unback((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 422             addr, size);
 423         vmem_free(vmem, addr, size);
 424 }
 425
 426 /*
 427  *      kmap_alloc_wait:
 428  *
 429  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 430  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 431  *
 432  *      This routine may block.
 433  */
 434 vm_offset_t
 435 kmap_alloc_wait(map, size)
 436         vm_map_t map;
 437         vm_size_t size;
 438 {
 439         vm_offset_t addr;
 440
 441         size = round_page(size);
 442         if (!swap_reserve(size))
 443                 return (0);
 444
 445         for (;;) {
 446                 /*
 447                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 448                  * to lock out sleepers/wakers.
 449                  */
 450                 vm_map_lock(map);
 451                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 452                         break;
 453                 /* no space now; see if we can ever get space */
 454                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 455                         vm_map_unlock(map);
 456                         swap_release(size);
 457                         return (0);
 458                 }
 459                 map->needs_wakeup = TRUE;
 460                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 461         }
 462         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 463             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 464         vm_map_unlock(map);
 465         return (addr);
 466 }
 467
 468 /*
 469  *      kmap_free_wakeup:
 470  *
 471  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 472  *      waiting for memory in that map.
 473  */
 474 void
 475 kmap_free_wakeup(map, addr, size)
 476         vm_map_t map;
 477         vm_offset_t addr;
 478         vm_size_t size;
 479 {
 480
 481         vm_map_lock(map);
 482         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 483         if (map->needs_wakeup) {
 484                 map->needs_wakeup = FALSE;
 485                 vm_map_wakeup(map);
 486         }
 487         vm_map_unlock(map);
 488 }
 489
 490 void
 491 kmem_init_zero_region(void)
 492 {
 493         vm_offset_t addr, i;
 494         vm_page_t m;
 495
 496         /*
 497          * Map a single physical page of zeros to a larger virtual range.
 498          * This requires less looping in places that want large amounts of
 499          * zeros, while not using much more physical resources.
 500          */
 501         addr = kva_alloc(ZERO_REGION_SIZE);
 502         m = vm_page_alloc(NULL, 0, VM_ALLOC_NORMAL |
 503             VM_ALLOC_NOOBJ | VM_ALLOC_WIRED | VM_ALLOC_ZERO);
 504         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0)
 505                 pmap_zero_page(m);
 506         for (i = 0; i < ZERO_REGION_SIZE; i += PAGE_SIZE)
 507                 pmap_qenter(addr + i, &m, 1);
 508         pmap_protect(kernel_pmap, addr, addr + ZERO_REGION_SIZE, VM_PROT_READ);
 509
 510         zero_region = (const void *)addr;
 511 }
 512
 513 /*
 514  *      kmem_init:
 515  *
 516  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 517  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 518  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 519  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 520  */
 521 void
 522 kmem_init(start, end)
 523         vm_offset_t start, end;
 524 {
 525         vm_map_t m;
 526
 527         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 528         m->system_map = 1;
 529         vm_map_lock(m);
 530         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 531         kernel_map = m;
 532         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 533 #ifdef __amd64__
 534             KERNBASE,
 535 #else
 536             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 537 #endif
 538             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 539         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 540         vm_map_unlock(m);
 541 }
 542
 543 #ifdef DIAGNOSTIC
 544 /*
 545  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 546  * purposes.
 547  */
 548 static int
 549 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 550 {
 551         int error, i;
 552
 553         i = 0;
 554         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 555         if (error)
 556                 return (error);
 557         if (i)
 558                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 559         return (0);
 560 }
 561
 562 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 563     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event");
 564 #endif