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  *      kmem_alloc_nofault_space:
 123  *
 124  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
 125  *      no initial mapping to physical memory within the specified
 126  *      address space.  Any mapping from this range to physical memory
 127  *      must be explicitly created prior to its use, typically with
 128  *      pmap_qenter().  Any attempt to create a mapping on demand
 129  *      through vm_fault() will result in a panic.
 130  */
 131 vm_offset_t
 132 kmem_alloc_nofault_space(map, size, find_space)
 133         vm_map_t map;
 134         vm_size_t size;
 135         int find_space;
 136 {
 137         vm_offset_t addr;
 138         int result;
 139
 140         size = round_page(size);
 141         addr = vm_map_min(map);
 142         result = vm_map_find(map, NULL, 0, &addr, size, find_space,
 143             VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 144         if (result != KERN_SUCCESS) {
 145                 return (0);
 146         }
 147         return (addr);
 148 }
 149
 150 /*
 151  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 152  *      or a submap.
 153  */
 154 vm_offset_t
 155 kmem_alloc(map, size)
 156         vm_map_t map;
 157         vm_size_t size;
 158 {
 159         vm_offset_t addr;
 160         vm_offset_t offset;
 161         vm_offset_t i;
 162
 163         size = round_page(size);
 164
 165         /*
 166          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 167          * region of the kernel object is referenced more than once.
 168          */
 169
 170         /*
 171          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 172          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 173          * offset within the kernel map.
 174          */
 175         vm_map_lock(map);
 176         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 177                 vm_map_unlock(map);
 178                 return (0);
 179         }
 180         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 181         vm_object_reference(kernel_object);
 182         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 183                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 184         vm_map_unlock(map);
 185
 186         /*
 187          * Guarantee that there are pages already in this object before
 188          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 189          * scenario:
 190          *
 191          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 192          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 193          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 194          * there is no page, but there is a pager, so we call
 195          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 196          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 197          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 198          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 199          *
 200          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 201          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 202          */
 203         VM_OBJECT_LOCK(kernel_object);
 204         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 205                 vm_page_t mem;
 206
 207                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 208                     VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 209                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 210                 KASSERT((mem->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 211                     ("kmem_alloc: page %p is managed", mem));
 212         }
 213         VM_OBJECT_UNLOCK(kernel_object);
 214
 215         /*
 216          * And finally, mark the data as non-pageable.
 217          */
 218         (void) vm_map_wire(map, addr, addr + size,
 219             VM_MAP_WIRE_SYSTEM|VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
 220
 221         return (addr);
 222 }
 223
 224 /*
 225  *      kmem_free:
 226  *
 227  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 228  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 229  *      associated with that region.
 230  *
 231  *      This routine may not block on kernel maps.
 232  */
 233 void
 234 kmem_free(map, addr, size)
 235         vm_map_t map;
 236         vm_offset_t addr;
 237         vm_size_t size;
 238 {
 239
 240         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 241 }
 242
 243 /*
 244  *      kmem_suballoc:
 245  *
 246  *      Allocates a map to manage a subrange
 247  *      of the kernel virtual address space.
 248  *
 249  *      Arguments are as follows:
 250  *
 251  *      parent          Map to take range from
 252  *      min, max        Returned endpoints of map
 253  *      size            Size of range to find
 254  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 255  */
 256 vm_map_t
 257 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 258     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 259 {
 260         int ret;
 261         vm_map_t result;
 262
 263         size = round_page(size);
 264
 265         *min = vm_map_min(parent);
 266         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, superpage_align ?
 267             VMFS_ALIGNED_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 268             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 269         if (ret != KERN_SUCCESS)
 270                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 271         *max = *min + size;
 272         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 273         if (result == NULL)
 274                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 275         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 276                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 277         return (result);
 278 }
 279
 280 /*
 281  *      kmem_malloc:
 282  *
 283  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 284  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 285  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 286  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 287  *
 288  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 289  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 290  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 291  *
 292  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 293  *      for wired maps are statically allocated.
 294  *
 295  *      `map' is ONLY allowed to be kmem_map or one of the mbuf submaps to
 296  *      which we never free.
 297  */
 298 vm_offset_t
 299 kmem_malloc(map, size, flags)
 300         vm_map_t map;
 301         vm_size_t size;
 302         int flags;
 303 {
 304         vm_offset_t addr;
 305         int i, rv;
 306
 307         size = round_page(size);
 308         addr = vm_map_min(map);
 309
 310         /*
 311          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 312          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 313          * offset within the kernel map.
 314          */
 315         vm_map_lock(map);
 316         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 317                 vm_map_unlock(map);
 318                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 319                         for (i = 0; i < 8; i++) {
 320                                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 321                                 uma_reclaim();
 322                                 vm_map_lock(map);
 323                                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map),
 324                                     size, &addr) == 0) {
 325                                         break;
 326                                 }
 327                                 vm_map_unlock(map);
 328                                 tsleep(&i, 0, "nokva", (hz / 4) * (i + 1));
 329                         }
 330                         if (i == 8) {
 331                                 panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 332                                     (long)size, (long)map->size);
 333                         }
 334                 } else {
 335                         return (0);
 336                 }
 337         }
 338
 339         rv = kmem_back(map, addr, size, flags);
 340         vm_map_unlock(map);
 341         return (rv == KERN_SUCCESS ? addr : 0);
 342 }
 343
 344 /*
 345  *      kmem_back:
 346  *
 347  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 348  */
 349 int
 350 kmem_back(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 351 {
 352         vm_offset_t offset, i;
 353         vm_map_entry_t entry;
 354         vm_page_t m;
 355         int pflags;
 356
 357         /*
 358          * XXX the map must be locked for write on entry, but there's
 359          * no easy way to assert that.
 360          */
 361
 362         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 363         vm_object_reference(kmem_object);
 364         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 365                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 366
 367         if ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT)
 368                 pflags = VM_ALLOC_INTERRUPT | VM_ALLOC_WIRED;
 369         else
 370                 pflags = VM_ALLOC_SYSTEM | VM_ALLOC_WIRED;
 371
 372         if (flags & M_ZERO)
 373                 pflags |= VM_ALLOC_ZERO;
 374
 375         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 376         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 377 retry:
 378                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
 379
 380                 /*
 381                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 382                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 383                  * aren't on any queues.
 384                  */
 385                 if (m == NULL) {
 386                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 387                                 VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 388                                 vm_map_unlock(map);
 389                                 VM_WAIT;
 390                                 vm_map_lock(map);
 391                                 VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 392                                 goto retry;
 393                         }
 394                         /*
 395                          * Free the pages before removing the map entry.
 396                          * They are already marked busy.  Calling
 397                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 398                          * unbusied will cause a deadlock.
 399                          */
 400                         while (i != 0) {
 401                                 i -= PAGE_SIZE;
 402                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 403                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 404                                 vm_page_lock_queues();
 405                                 vm_page_unwire(m, 0);
 406                                 vm_page_free(m);
 407                                 vm_page_unlock_queues();
 408                         }
 409                         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 410                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 411                         return (KERN_NO_SPACE);
 412                 }
 413                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 414                         pmap_zero_page(m);
 415                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 416                 KASSERT((m->flags & PG_UNMANAGED) != 0,
 417                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 418         }
 419         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 420
 421         /*
 422          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 423          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 424          * exactly corresponding to this address range and it will have
 425          * wired_count == 0.
 426          */
 427         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 428             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 429             entry->wired_count != 0)
 430                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 431         entry->wired_count = 1;
 432
 433         /*
 434          * At this point, the kmem_object must be unlocked because
 435          * vm_map_simplify_entry() calls vm_object_deallocate(), which
 436          * locks the kmem_object.
 437          */
 438         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 439
 440         /*
 441          * Loop thru pages, entering them in the pmap.
 442          */
 443         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
 444         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 445                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 446                 /*
 447                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 448                  */
 449                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL,
 450                     TRUE);
 451                 vm_page_wakeup(m);
 452         }
 453         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
 454
 455         return (KERN_SUCCESS);
 456 }
 457
 458 /*
 459  *      kmem_alloc_wait:
 460  *
 461  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 462  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 463  *
 464  *      This routine may block.
 465  */
 466 vm_offset_t
 467 kmem_alloc_wait(map, size)
 468         vm_map_t map;
 469         vm_size_t size;
 470 {
 471         vm_offset_t addr;
 472
 473         size = round_page(size);
 474         if (!swap_reserve(size))
 475                 return (0);
 476
 477         for (;;) {
 478                 /*
 479                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 480                  * to lock out sleepers/wakers.
 481                  */
 482                 vm_map_lock(map);
 483                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 484                         break;
 485                 /* no space now; see if we can ever get space */
 486                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 487                         vm_map_unlock(map);
 488                         swap_release(size);
 489                         return (0);
 490                 }
 491                 map->needs_wakeup = TRUE;
 492                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 493         }
 494         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 495             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 496         vm_map_unlock(map);
 497         return (addr);
 498 }
 499
 500 /*
 501  *      kmem_free_wakeup:
 502  *
 503  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 504  *      waiting for memory in that map.
 505  */
 506 void
 507 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 508         vm_map_t map;
 509         vm_offset_t addr;
 510         vm_size_t size;
 511 {
 512
 513         vm_map_lock(map);
 514         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 515         if (map->needs_wakeup) {
 516                 map->needs_wakeup = FALSE;
 517                 vm_map_wakeup(map);
 518         }
 519         vm_map_unlock(map);
 520 }
 521
 522 /*
 523  *      kmem_init:
 524  *
 525  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 526  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 527  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 528  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 529  */
 530 void
 531 kmem_init(start, end)
 532         vm_offset_t start, end;
 533 {
 534         vm_map_t m;
 535
 536         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 537         m->system_map = 1;
 538         vm_map_lock(m);
 539         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 540         kernel_map = m;
 541         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 542 #ifdef __amd64__
 543             KERNBASE,
 544 #else
 545             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 546 #endif
 547             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 548         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 549         vm_map_unlock(m);
 550 }
 551
 552 #ifdef DIAGNOSTIC
 553 /*
 554  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 555  * purposes.
 556  */
 557 static int
 558 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 559 {
 560         int error, i;
 561
 562         i = 0;
 563         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 564         if (error)
 565                 return (error);
 566         if (i)
 567                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
 568         return (0);
 569 }
 570
 571 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 572     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event");
 573 #endif