]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/releng/9.0.git/blob - sys/vm/vm_kern.c
Copy stable/9 to releng/9.0 as part of the FreeBSD 9.0-RELEASE release
[FreeBSD/releng/9.0.git] / 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 const void *zero_region;
95 CTASSERT((ZERO_REGION_SIZE & PAGE_MASK) == 0);
96
97 /*
98  *      kmem_alloc_nofault:
99  *
100  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
101  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
102  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
103  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
104  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic. 
105  */
106 vm_offset_t
107 kmem_alloc_nofault(map, size)
108         vm_map_t map;
109         vm_size_t size;
110 {
111         vm_offset_t addr;
112         int result;
113
114         size = round_page(size);
115         addr = vm_map_min(map);
116         result = vm_map_find(map, NULL, 0, &addr, size, VMFS_ANY_SPACE,
117             VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
118         if (result != KERN_SUCCESS) {
119                 return (0);
120         }
121         return (addr);
122 }
123
124 /*
125  *      kmem_alloc_nofault_space:
126  *
127  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
128  *      no initial mapping to physical memory within the specified
129  *      address space.  Any mapping from this range to physical memory
130  *      must be explicitly created prior to its use, typically with
131  *      pmap_qenter().  Any attempt to create a mapping on demand
132  *      through vm_fault() will result in a panic. 
133  */
134 vm_offset_t
135 kmem_alloc_nofault_space(map, size, find_space)
136         vm_map_t map;
137         vm_size_t size;
138         int find_space;
139 {
140         vm_offset_t addr;
141         int result;
142
143         size = round_page(size);
144         addr = vm_map_min(map);
145         result = vm_map_find(map, NULL, 0, &addr, size, find_space,
146             VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
147         if (result != KERN_SUCCESS) {
148                 return (0);
149         }
150         return (addr);
151 }
152
153 /*
154  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
155  *      or a submap.
156  */
157 vm_offset_t
158 kmem_alloc(map, size)
159         vm_map_t map;
160         vm_size_t size;
161 {
162         vm_offset_t addr;
163         vm_offset_t offset;
164         vm_offset_t i;
165
166         size = round_page(size);
167
168         /*
169          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
170          * region of the kernel object is referenced more than once.
171          */
172
173         /*
174          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
175          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
176          * offset within the kernel map.
177          */
178         vm_map_lock(map);
179         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
180                 vm_map_unlock(map);
181                 return (0);
182         }
183         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
184         vm_object_reference(kernel_object);
185         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
186                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
187         vm_map_unlock(map);
188
189         /*
190          * Guarantee that there are pages already in this object before
191          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
192          * scenario:
193          *
194          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
195          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
196          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
197          * there is no page, but there is a pager, so we call
198          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
199          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
200          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
201          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
202          *
203          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
204          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
205          */
206         VM_OBJECT_LOCK(kernel_object);
207         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
208                 vm_page_t mem;
209
210                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
211                     VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
212                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
213                 KASSERT((mem->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
214                     ("kmem_alloc: page %p is managed", mem));
215         }
216         VM_OBJECT_UNLOCK(kernel_object);
217
218         /*
219          * And finally, mark the data as non-pageable.
220          */
221         (void) vm_map_wire(map, addr, addr + size,
222             VM_MAP_WIRE_SYSTEM|VM_MAP_WIRE_NOHOLES);
223
224         return (addr);
225 }
226
227 /*
228  *      kmem_free:
229  *
230  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
231  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
232  *      associated with that region.
233  *
234  *      This routine may not block on kernel maps.
235  */
236 void
237 kmem_free(map, addr, size)
238         vm_map_t map;
239         vm_offset_t addr;
240         vm_size_t size;
241 {
242
243         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
244 }
245
246 /*
247  *      kmem_suballoc:
248  *
249  *      Allocates a map to manage a subrange
250  *      of the kernel virtual address space.
251  *
252  *      Arguments are as follows:
253  *
254  *      parent          Map to take range from
255  *      min, max        Returned endpoints of map
256  *      size            Size of range to find
257  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
258  */
259 vm_map_t
260 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
261     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
262 {
263         int ret;
264         vm_map_t result;
265
266         size = round_page(size);
267
268         *min = vm_map_min(parent);
269         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, superpage_align ?
270             VMFS_ALIGNED_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
271             MAP_ACC_NO_CHARGE);
272         if (ret != KERN_SUCCESS)
273                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
274         *max = *min + size;
275         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
276         if (result == NULL)
277                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
278         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
279                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
280         return (result);
281 }
282
283 /*
284  *      kmem_malloc:
285  *
286  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
287  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
288  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
289  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
290  *
291  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
292  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
293  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
294  *
295  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
296  *      for wired maps are statically allocated.
297  *
298  *      `map' is ONLY allowed to be kmem_map or one of the mbuf submaps to
299  *      which we never free.
300  */
301 vm_offset_t
302 kmem_malloc(map, size, flags)
303         vm_map_t map;
304         vm_size_t size;
305         int flags;
306 {
307         vm_offset_t addr;
308         int i, rv;
309
310         size = round_page(size);
311         addr = vm_map_min(map);
312
313         /*
314          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
315          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
316          * offset within the kernel map.
317          */
318         vm_map_lock(map);
319         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
320                 vm_map_unlock(map);
321                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
322                         for (i = 0; i < 8; i++) {
323                                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
324                                 uma_reclaim();
325                                 vm_map_lock(map);
326                                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map),
327                                     size, &addr) == 0) {
328                                         break;
329                                 }
330                                 vm_map_unlock(map);
331                                 tsleep(&i, 0, "nokva", (hz / 4) * (i + 1));
332                         }
333                         if (i == 8) {
334                                 panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
335                                     (long)size, (long)map->size);
336                         }
337                 } else {
338                         return (0);
339                 }
340         }
341
342         rv = kmem_back(map, addr, size, flags);
343         vm_map_unlock(map);
344         return (rv == KERN_SUCCESS ? addr : 0);
345 }
346
347 /*
348  *      kmem_back:
349  *
350  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
351  */
352 int
353 kmem_back(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
354 {
355         vm_offset_t offset, i;
356         vm_map_entry_t entry;
357         vm_page_t m;
358         int pflags;
359         boolean_t found;
360
361         KASSERT(vm_map_locked(map), ("kmem_back: map %p is not locked", map));
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         /*
368          * Assert: vm_map_insert() will never be able to extend the
369          * previous entry so vm_map_lookup_entry() will find a new
370          * entry exactly corresponding to this address range and it
371          * will have wired_count == 0.
372          */
373         found = vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry);
374         KASSERT(found && entry->start == addr && entry->end == addr + size &&
375             entry->wired_count == 0 && (entry->eflags & MAP_ENTRY_IN_TRANSITION)
376             == 0, ("kmem_back: entry not found or misaligned"));
377
378         if ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT)
379                 pflags = VM_ALLOC_INTERRUPT | VM_ALLOC_WIRED;
380         else
381                 pflags = VM_ALLOC_SYSTEM | VM_ALLOC_WIRED;
382
383         if (flags & M_ZERO)
384                 pflags |= VM_ALLOC_ZERO;
385
386         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
387         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
388 retry:
389                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), pflags);
390
391                 /*
392                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
393                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
394                  * aren't on any queues.
395                  */
396                 if (m == NULL) {
397                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
398                                 VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
399                                 entry->eflags |= MAP_ENTRY_IN_TRANSITION;
400                                 vm_map_unlock(map);
401                                 VM_WAIT;
402                                 vm_map_lock(map);
403                                 KASSERT(
404 (entry->eflags & (MAP_ENTRY_IN_TRANSITION | MAP_ENTRY_NEEDS_WAKEUP)) ==
405                                     MAP_ENTRY_IN_TRANSITION,
406                                     ("kmem_back: volatile entry"));
407                                 entry->eflags &= ~MAP_ENTRY_IN_TRANSITION;
408                                 VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
409                                 goto retry;
410                         }
411                         /* 
412                          * Free the pages before removing the map entry.
413                          * They are already marked busy.  Calling
414                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
415                          * unbusied will cause a deadlock.
416                          */
417                         while (i != 0) {
418                                 i -= PAGE_SIZE;
419                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
420                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
421                                 vm_page_unwire(m, 0);
422                                 vm_page_free(m);
423                         }
424                         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
425                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
426                         return (KERN_NO_SPACE);
427                 }
428                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
429                         pmap_zero_page(m);
430                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
431                 KASSERT((m->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
432                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
433         }
434         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
435
436         /*
437          * Mark map entry as non-pageable.  Repeat the assert.
438          */
439         KASSERT(entry->start == addr && entry->end == addr + size &&
440             entry->wired_count == 0,
441             ("kmem_back: entry not found or misaligned after allocation"));
442         entry->wired_count = 1;
443
444         /*
445          * At this point, the kmem_object must be unlocked because
446          * vm_map_simplify_entry() calls vm_object_deallocate(), which
447          * locks the kmem_object.
448          */
449         vm_map_simplify_entry(map, entry);
450
451         /*
452          * Loop thru pages, entering them in the pmap.
453          */
454         VM_OBJECT_LOCK(kmem_object);
455         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
456                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
457                 /*
458                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
459                  */
460                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, VM_PROT_ALL, m, VM_PROT_ALL,
461                     TRUE);
462                 vm_page_wakeup(m);
463         }
464         VM_OBJECT_UNLOCK(kmem_object);
465
466         return (KERN_SUCCESS);
467 }
468
469 /*
470  *      kmem_alloc_wait:
471  *
472  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
473  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
474  *
475  *      This routine may block.
476  */
477 vm_offset_t
478 kmem_alloc_wait(map, size)
479         vm_map_t map;
480         vm_size_t size;
481 {
482         vm_offset_t addr;
483
484         size = round_page(size);
485         if (!swap_reserve(size))
486                 return (0);
487
488         for (;;) {
489                 /*
490                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
491                  * to lock out sleepers/wakers.
492                  */
493                 vm_map_lock(map);
494                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
495                         break;
496                 /* no space now; see if we can ever get space */
497                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
498                         vm_map_unlock(map);
499                         swap_release(size);
500                         return (0);
501                 }
502                 map->needs_wakeup = TRUE;
503                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
504         }
505         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
506             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
507         vm_map_unlock(map);
508         return (addr);
509 }
510
511 /*
512  *      kmem_free_wakeup:
513  *
514  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
515  *      waiting for memory in that map.
516  */
517 void
518 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
519         vm_map_t map;
520         vm_offset_t addr;
521         vm_size_t size;
522 {
523
524         vm_map_lock(map);
525         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
526         if (map->needs_wakeup) {
527                 map->needs_wakeup = FALSE;
528                 vm_map_wakeup(map);
529         }
530         vm_map_unlock(map);
531 }
532
533 static void
534 kmem_init_zero_region(void)
535 {
536         vm_offset_t addr, i;
537         vm_page_t m;
538         int error;
539
540         /*
541          * Map a single physical page of zeros to a larger virtual range.
542          * This requires less looping in places that want large amounts of
543          * zeros, while not using much more physical resources.
544          */
545         addr = kmem_alloc_nofault(kernel_map, ZERO_REGION_SIZE);
546         m = vm_page_alloc(NULL, OFF_TO_IDX(addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS),
547             VM_ALLOC_NOOBJ | VM_ALLOC_WIRED | VM_ALLOC_ZERO);
548         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0)
549                 pmap_zero_page(m);
550         for (i = 0; i < ZERO_REGION_SIZE; i += PAGE_SIZE)
551                 pmap_qenter(addr + i, &m, 1);
552         error = vm_map_protect(kernel_map, addr, addr + ZERO_REGION_SIZE,
553             VM_PROT_READ, TRUE);
554         KASSERT(error == 0, ("error=%d", error));
555
556         zero_region = (const void *)addr;
557 }
558
559 /*
560  *      kmem_init:
561  *
562  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text, 
563  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The 
564  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and 
565  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
566  */
567 void
568 kmem_init(start, end)
569         vm_offset_t start, end;
570 {
571         vm_map_t m;
572
573         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
574         m->system_map = 1;
575         vm_map_lock(m);
576         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
577         kernel_map = m;
578         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
579 #ifdef __amd64__
580             KERNBASE,
581 #else                
582             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
583 #endif
584             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
585         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
586         vm_map_unlock(m);
587
588         kmem_init_zero_region();
589 }
590
591 #ifdef DIAGNOSTIC
592 /*
593  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
594  * purposes.
595  */
596 static int
597 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
598 {
599         int error, i;
600
601         i = 0;
602         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
603         if (error)
604                 return (error);
605         if (i)   
606                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, 0);
607         return (0);
608 }
609
610 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
611     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event");
612 #endif