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/mutex.h>
  74 #include <sys/proc.h>
  75 #include <sys/malloc.h>
  76 #include <sys/sysctl.h>
  77
  78 #include <vm/vm.h>
  79 #include <vm/vm_param.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 #include <vm/uma.h>
  87
  88 vm_map_t kernel_map=0;
  89 vm_map_t kmem_map=0;
  90 vm_map_t exec_map=0;
  91 vm_map_t pipe_map;
  92 vm_map_t buffer_map=0;
  93
  94 /*
  95  *      kmem_alloc_nofault:
  96  *
  97  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
  98  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
  99  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
 100  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 101  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 102  */
 103 vm_offset_t
 104 kmem_alloc_nofault(map, size)
 105         vm_map_t map;
 106         vm_size_t size;
 107 {
 108         vm_offset_t addr;
 109         int result;
 110
 111         size = round_page(size);
 112         addr = vm_map_min(map);
 113         result = vm_map_find(map, NULL, 0, &addr, size, VMFS_ANY_SPACE,
 114             VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 115         if (result != KERN_SUCCESS) {
 116                 return (0);
 117         }
 118         return (addr);
 119 }
 120
 121 /*
 122  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 123  *      or a submap.
 124  */
 125 vm_offset_t
 126 kmem_alloc(map, size)
 127         vm_map_t map;
 128         vm_size_t size;
 129 {
 130         vm_offset_t addr;
 131         vm_offset_t offset;
 132         vm_offset_t i;
 133
 134         size = round_page(size);
 135
 136         /*
 137          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 138          * region of the kernel object is referenced more than once.
 139          */
 140
 141         /*
 142          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 143          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 144          * offset within the kernel map.
 145          */
 146         vm_map_lock(map);
 147         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 148                 vm_map_unlock(map);
 149                 return (0);
 150         }
 151         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 152         vm_object_reference(kernel_object);
 153         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 154                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 155         vm_map_unlock(map);
 156
 157         /*
 158          * Guarantee that there are pages already in this object before
 159          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 160          * scenario:
 161          *
 162          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 163          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 164          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 165          * there is no page, but there is a pager, so we call
 166          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 167          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 168          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 169          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 170          *
 171          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 172          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 173          */
 174         VM_OBJECT_LOCK(kernel_object);
 175         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 176                 vm_page_t mem;
 177
 178                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 179                     VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 180                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 181                 KASSERT((mem->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 182                     ("kmem_alloc: page %p is managed", mem));
 183         }
 184         VM_OBJECT_UNLOCK(kernel_object);
 185
 186         /*
 187          * And finally, mark the data as non-pageable.
 188          */
 189         (void) vm_map_wire(map, addr, addr + size,
 190             VM_MAP_WIRE_SYSTEM|VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
 191
 192         return (addr);
 193 }
 194
 195 /*
 196  *      kmem_free:
 197  *
 198  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 199  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 200  *      associated with that region.
 201  *
 202  *      This routine may not block on kernel maps.
 203  */
 204 void
 205 kmem_free(map, addr, size)
 206         vm_map_t map;
 207         vm_offset_t addr;
 208         vm_size_t size;
 209 {
 210
 211         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 212 }
 213
 214 /*
 215  *      kmem_suballoc:
 216  *
 217  *      Allocates a map to manage a subrange
 218  *      of the kernel virtual address space.
 219  *
 220  *      Arguments are as follows:
 221  *
 222  *      parent          Map to take range from
 223  *      min, max        Returned endpoints of map
 224  *      size            Size of range to find
 225  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 226  */
 227 vm_map_t
 228 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 229     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 230 {
 231         int ret;
 232         vm_map_t result;
 233
 234         size = round_page(size);
 235
 236         *min = vm_map_min(parent);
 237         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, superpage_align ?
 238             VMFS_ALIGNED_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 239             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 240         if (ret != KERN_SUCCESS)
 241                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 242         *max = *min + size;
 243         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 244         if (result == NULL)
 245                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 246         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 247                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 248         return (result);
 249 }
 250
 251 /*
 252  *      kmem_malloc:
 253  *
 254  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 255  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 256  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 257  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 258  *
 259  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 260  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 261  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 262  *
 263  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 264  *      for wired maps are statically allocated.
 265  *
 266  *      `map' is ONLY allowed to be kmem_map or one of the mbuf submaps to
 267  *      which we never free.
 268  */
 269 vm_offset_t
 270 kmem_malloc(map, size, flags)
 271         vm_map_t map;
 272         vm_size_t size;
 273         int flags;
 274 {
 275         vm_offset_t offset, i;
 276         vm_map_entry_t entry;
 277         vm_offset_t addr;
 278         vm_page_t m;
 279         int pflags;
 280
 281         size = round_page(size);
 282         addr = vm_map_min(map);
 283
 284         /*
 285          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 286          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 287          * offset within the kernel map.
 288          */
 289         vm_map_lock(map);
 290         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 291                 vm_map_unlock(map);
 292                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 293                         for (i = 0; i < 8; i++) {
 294                                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 295                                 uma_reclaim();
 296                                 vm_map_lock(map);
 297                                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map),
 298                                     size, &addr) == 0) {
 299                                         break;
 300                                 }
 301                                 vm_map_unlock(map);
 302                                 tsleep(&i, 0, "nokva", (hz / 4) * (i + 1));
 303                         }
 304                         if (i == 8) {
 305                                 panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 306                                     (long)size, (long)map->size);
 307                         }
 308                 } else {
 309                         return (0);
 310                 }
 311         }
 312         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 313         vm_object_reference(kmem_object);
 314         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 315                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 316
 317         if ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT)
 318                 pflags = VM_ALLOC_INTERRUPT | VM_ALLOC_WIRED;
 319         else
 320                 pflags = VM_ALLOC_SYSTEM | VM_ALLOC_WIRED;
 321
 322         if (flags & M_ZERO)
 323                 pflags |= VM_ALLOC_ZERO;
 324
 325         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 326         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 327 retry:
 328                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
 329
 330                 /*
 331                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 332                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 333                  * aren't on any queues.
 334                  */
 335                 if (m == NULL) {
 336                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 337                                 VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 338                                 vm_map_unlock(map);
 339                                 VM_WAIT;
 340                                 vm_map_lock(map);
 341                                 VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 342                                 goto retry;
 343                         }
 344                         /*
 345                          * Free the pages before removing the map entry.
 346                          * They are already marked busy.  Calling
 347                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 348                          * unbusied will cause a deadlock.
 349                          */
 350                         while (i != 0) {
 351                                 i -= PAGE_SIZE;
 352                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 353                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 354                                 vm_page_lock_queues();
 355                                 vm_page_unwire(m, 0);
 356                                 vm_page_free(m);
 357                                 vm_page_unlock_queues();
 358                         }
 359                         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 360                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 361                         vm_map_unlock(map);
 362                         return (0);
 363                 }
 364                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 365                         pmap_zero_page(m);
 366                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 367                 KASSERT((m->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 368                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 369         }
 370         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 371
 372         /*
 373          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 374          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 375          * exactly corresponding to this address range and it will have
 376          * wired_count == 0.
 377          */
 378         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 379             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 380             entry->wired_count != 0)
 381                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 382         entry->wired_count = 1;
 383
 384         /*
 385          * At this point, the kmem_object must be unlocked because
 386          * vm_map_simplify_entry() calls vm_object_deallocate(), which
 387          * locks the kmem_object.
 388          */
 389         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 390
 391         /*
 392          * Loop thru pages, entering them in the pmap.
 393          */
 394         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 395         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 396                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 397                 /*
 398                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 399                  */
 400                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL,
 401                     TRUE);
 402                 vm_page_wakeup(m);
 403         }
 404         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 405         vm_map_unlock(map);
 406
 407         return (addr);
 408 }
 409
 410 /*
 411  *      kmem_alloc_wait:
 412  *
 413  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 414  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 415  *
 416  *      This routine may block.
 417  */
 418 vm_offset_t
 419 kmem_alloc_wait(map, size)
 420         vm_map_t map;
 421         vm_size_t size;
 422 {
 423         vm_offset_t addr;
 424
 425         size = round_page(size);
 426         if (!swap_reserve(size))
 427                 return (0);
 428
 429         for (;;) {
 430                 /*
 431                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 432                  * to lock out sleepers/wakers.
 433                  */
 434                 vm_map_lock(map);
 435                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 436                         break;
 437                 /* no space now; see if we can ever get space */
 438                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 439                         vm_map_unlock(map);
 440                         swap_release(size);
 441                         return (0);
 442                 }
 443                 map->needs_wakeup = TRUE;
 444                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 445         }
 446         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 447             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 448         vm_map_unlock(map);
 449         return (addr);
 450 }
 451
 452 /*
 453  *      kmem_free_wakeup:
 454  *
 455  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 456  *      waiting for memory in that map.
 457  */
 458 void
 459 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 460         vm_map_t map;
 461         vm_offset_t addr;
 462         vm_size_t size;
 463 {
 464
 465         vm_map_lock(map);
 466         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 467         if (map->needs_wakeup) {
 468                 map->needs_wakeup = FALSE;
 469                 vm_map_wakeup(map);
 470         }
 471         vm_map_unlock(map);
 472 }
 473
 474 /*
 475  *      kmem_init:
 476  *
 477  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 478  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 479  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 480  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 481  */
 482 void
 483 kmem_init(start, end)
 484         vm_offset_t start, end;
 485 {
 486         vm_map_t m;
 487
 488         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 489         m->system_map = 1;
 490         vm_map_lock(m);
 491         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 492         kernel_map = m;
 493         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 494 #ifdef __amd64__
 495             KERNBASE,
 496 #else
 497             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 498 #endif
 499             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 500         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 501         vm_map_unlock(m);
 502 }
 503
 504 #ifdef DIAGNOSTIC
 505 /*
 506  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 507  * purposes.
 508  */
 509 static int
 510 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 511 {
 512         int error, i;
 513
 514         i = 0;
 515         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 516         if (error)
 517                 return (error);
 518         if (i)
 519                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 520         return (0);
 521 }
 522
 523 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 524     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event");
 525 #endif