sys/vm/vm_kern.c

   1 /*
   2  * (MPSAFE)
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991, 1993
   5  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
   6  *
   7  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   8  * The Mach Operating System project at Carnegie-Mellon University.
   9  *
  10  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  11  * modification, are permitted provided that the following conditions
  12  * are met:
  13  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  15  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  16  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  17  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  18  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  19  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  20  *    without specific prior written permission.
  21  *
  22  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  23  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  24  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  25  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  26  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  27  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  28  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  29  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  30  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  31  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  32  * SUCH DAMAGE.
  33  *
  34  *      from: @(#)vm_kern.c     8.3 (Berkeley) 1/12/94
  35  *
  36  *
  37  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  38  * All rights reserved.
  39  *
  40  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  41  *
  42  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  43  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  44  * notice and this permission notice appear in all copies of the
  45  * software, derivative works or modified versions, and any portions
  46  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
  47  *
  48  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
  49  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
  50  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
  51  *
  52  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  53  *
  54  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  55  *  School of Computer Science
  56  *  Carnegie Mellon University
  57  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  58  *
  59  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  60  * rights to redistribute these changes.
  61  *
  62  * $FreeBSD: src/sys/vm/vm_kern.c,v 1.61.2.2 2002/03/12 18:25:26 tegge Exp $
  63  */
  64
  65 /*
  66  *      Kernel memory management.
  67  */
  68
  69 #include <sys/param.h>
  70 #include <sys/systm.h>
  71 #include <sys/proc.h>
  72 #include <sys/malloc.h>
  73 #include <sys/kernel.h>
  74 #include <sys/sysctl.h>
  75
  76 #include <vm/vm.h>
  77 #include <vm/vm_param.h>
  78 #include <sys/lock.h>
  79 #include <vm/pmap.h>
  80 #include <vm/vm_map.h>
  81 #include <vm/vm_object.h>
  82 #include <vm/vm_page.h>
  83 #include <vm/vm_pageout.h>
  84 #include <vm/vm_kern.h>
  85 #include <vm/vm_extern.h>
  86
  87 struct vm_map kernel_map;
  88 struct vm_map clean_map;
  89 struct vm_map buffer_map;
  90
  91 /*
  92  * Allocate pageable memory to the kernel's address map.  "map" must
  93  * be kernel_map or a submap of kernel_map.
  94  *
  95  * No requirements.
  96  */
  97 vm_offset_t
  98 kmem_alloc_pageable(vm_map_t map, vm_size_t size)
  99 {
 100         vm_offset_t addr;
 101         int result;
 102
 103         size = round_page(size);
 104         addr = vm_map_min(map);
 105         result = vm_map_find(map, NULL, NULL,
 106                              (vm_offset_t) 0, &addr, size,
 107                              PAGE_SIZE,
 108                              TRUE, VM_MAPTYPE_NORMAL,
 109                              VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 110         if (result != KERN_SUCCESS)
 111                 return (0);
 112         return (addr);
 113 }
 114
 115 /*
 116  * Same as kmem_alloc_pageable, except that it create a nofault entry.
 117  *
 118  * No requirements.
 119  */
 120 vm_offset_t
 121 kmem_alloc_nofault(vm_map_t map, vm_size_t size, vm_size_t align)
 122 {
 123         vm_offset_t addr;
 124         int result;
 125
 126         size = round_page(size);
 127         addr = vm_map_min(map);
 128         result = vm_map_find(map, NULL, NULL,
 129                              (vm_offset_t) 0, &addr, size,
 130                              align,
 131                              TRUE, VM_MAPTYPE_NORMAL,
 132                              VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 133         if (result != KERN_SUCCESS)
 134                 return (0);
 135         return (addr);
 136 }
 137
 138 /*
 139  * Allocate wired-down memory in the kernel's address map or a submap.
 140  *
 141  * No requirements.
 142  */
 143 vm_offset_t
 144 kmem_alloc3(vm_map_t map, vm_size_t size, int kmflags)
 145 {
 146         vm_offset_t addr;
 147         vm_offset_t gstart;
 148         vm_offset_t i;
 149         int count;
 150         int cow;
 151
 152         size = round_page(size);
 153
 154         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 155                 count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 156         else
 157                 count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 158
 159         if (kmflags & KM_STACK) {
 160                 cow = MAP_IS_KSTACK;
 161                 gstart = PAGE_SIZE;
 162         } else {
 163                 cow = 0;
 164                 gstart = 0;
 165         }
 166
 167         /*
 168          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 169          * region of the kernel object is referenced more than once.
 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, PAGE_SIZE, 0, &addr)) {
 177                 vm_map_unlock(map);
 178                 if (kmflags & KM_KRESERVE)
 179                         vm_map_entry_krelease(count);
 180                 else
 181                         vm_map_entry_release(count);
 182                 return (0);
 183         }
 184         vm_object_hold(&kernel_object);
 185         vm_object_reference_locked(&kernel_object);
 186         vm_map_insert(map, &count,
 187                       &kernel_object, NULL,
 188                       addr, addr, addr + size,
 189                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 190                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, cow);
 191         vm_object_drop(&kernel_object);
 192
 193         vm_map_unlock(map);
 194         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 195                 vm_map_entry_krelease(count);
 196         else
 197                 vm_map_entry_release(count);
 198
 199         /*
 200          * Guarantee that there are pages already in this object before
 201          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 202          * scenario:
 203          *
 204          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 205          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 206          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 207          * there is no page, but there is a pager, so we call
 208          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 209          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 210          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 211          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 212          *
 213          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 214          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 215          */
 216         vm_object_hold(&kernel_object);
 217         for (i = gstart; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 218                 vm_page_t mem;
 219
 220                 mem = vm_page_grab(&kernel_object, OFF_TO_IDX(addr + i),
 221                                    VM_ALLOC_FORCE_ZERO | VM_ALLOC_NORMAL |
 222                                    VM_ALLOC_RETRY);
 223                 vm_page_unqueue_nowakeup(mem);
 224                 vm_page_wakeup(mem);
 225         }
 226         vm_object_drop(&kernel_object);
 227
 228         /*
 229          * And finally, mark the data as non-pageable.
 230          *
 231          * NOTE: vm_map_wire() handles any kstack guard.
 232          */
 233         vm_map_wire(map, addr, addr + size, kmflags);
 234
 235         return (addr);
 236 }
 237
 238 /*
 239  * Release a region of kernel virtual memory allocated with kmem_alloc,
 240  * and return the physical pages associated with that region.
 241  *
 242  * WARNING!  If the caller entered pages into the region using pmap_kenter()
 243  * it must remove the pages using pmap_kremove[_quick]() before freeing the
 244  * underlying kmem, otherwise resident_count will be mistabulated.
 245  *
 246  * No requirements.
 247  */
 248 void
 249 kmem_free(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 250 {
 251         vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 252 }
 253
 254 /*
 255  * Used to break a system map into smaller maps, usually to reduce
 256  * contention and to provide large KVA spaces for subsystems like the
 257  * buffer cache.
 258  *
 259  *      parent          Map to take range from
 260  *      result
 261  *      size            Size of range to find
 262  *      min, max        Returned endpoints of map
 263  *      pageable        Can the region be paged
 264  *
 265  * No requirements.
 266  */
 267 void
 268 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_map_t result,
 269               vm_offset_t *min, vm_offset_t *max, vm_size_t size)
 270 {
 271         int ret;
 272
 273         size = round_page(size);
 274
 275         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 276         ret = vm_map_find(parent, NULL, NULL,
 277                           (vm_offset_t) 0, min, size,
 278                           PAGE_SIZE,
 279                           TRUE, VM_MAPTYPE_UNSPECIFIED,
 280                           VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 281         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 282                 kprintf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 283                 panic("kmem_suballoc");
 284         }
 285         *max = *min + size;
 286         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 287         vm_map_init(result, *min, *max, vm_map_pmap(parent));
 288         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 289                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 290 }
 291
 292 /*
 293  * Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 294  * has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 295  *
 296  * No requirements.
 297  */
 298 vm_offset_t
 299 kmem_alloc_wait(vm_map_t map, vm_size_t size)
 300 {
 301         vm_offset_t addr;
 302         int count;
 303
 304         size = round_page(size);
 305
 306         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 307
 308         for (;;) {
 309                 /*
 310                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 311                  * to lock out sleepers/wakers.
 312                  */
 313                 vm_map_lock(map);
 314                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map),
 315                                      size, PAGE_SIZE, 0, &addr) == 0) {
 316                         break;
 317                 }
 318                 /* no space now; see if we can ever get space */
 319                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 320                         vm_map_entry_release(count);
 321                         vm_map_unlock(map);
 322                         return (0);
 323                 }
 324                 vm_map_unlock(map);
 325                 tsleep(map, 0, "kmaw", 0);
 326         }
 327         vm_map_insert(map, &count,
 328                       NULL, NULL,
 329                       (vm_offset_t) 0, addr, addr + size,
 330                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 331                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 332                       0);
 333         vm_map_unlock(map);
 334         vm_map_entry_release(count);
 335
 336         return (addr);
 337 }
 338
 339 /*
 340  *  Allocates a region from the kernel address map and physical pages
 341  *  within the specified address range to the kernel object.  Creates a
 342  *  wired mapping from this region to these pages, and returns the
 343  *  region's starting virtual address.  The allocated pages are not
 344  *  necessarily physically contiguous.  If M_ZERO is specified through the
 345  *  given flags, then the pages are zeroed before they are mapped.
 346  */
 347 vm_offset_t
 348 kmem_alloc_attr(vm_map_t map, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 349     vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 350 {
 351         vm_offset_t addr, i, offset;
 352         vm_page_t m;
 353         int count;
 354
 355         size = round_page(size);
 356         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 357         vm_map_lock(map);
 358         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, PAGE_SIZE,
 359                              flags, &addr)) {
 360                 vm_map_unlock(map);
 361                 vm_map_entry_release(count);
 362                 return (0);
 363         }
 364         offset = addr - vm_map_min(&kernel_map);
 365         vm_object_hold(&kernel_object);
 366         vm_object_reference_locked(&kernel_object);
 367         vm_map_insert(map, &count,
 368                       &kernel_object, NULL,
 369                       offset, addr, addr + size,
 370                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 371                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 372         vm_map_unlock(map);
 373         vm_map_entry_release(count);
 374         vm_object_drop(&kernel_object);
 375         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 376                 m = vm_page_alloc_contig(low, high, PAGE_SIZE, 0, PAGE_SIZE, memattr);
 377                 if (!m) {
 378                         return (0);
 379                 }
 380                 vm_object_hold(&kernel_object);
 381                 vm_page_insert(m, &kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 382                 vm_object_drop(&kernel_object);
 383                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 384                         pmap_zero_page(VM_PAGE_TO_PHYS(m));
 385                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 386         }
 387         vm_map_wire(map, addr, addr + size, 0);
 388         return (addr);
 389 }
 390
 391
 392 /*
 393  * Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 394  * waiting for memory in that map.
 395  *
 396  * No requirements.
 397  */
 398 void
 399 kmem_free_wakeup(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 400 {
 401         int count;
 402
 403         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 404         vm_map_lock(map);
 405         vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size), &count);
 406         wakeup(map);
 407         vm_map_unlock(map);
 408         vm_map_entry_release(count);
 409 }
 410
 411 /*
 412  * Create the kernel_ma for (KvaStart,KvaEnd) and insert mappings to
 413  * cover areas already allocated or reserved thus far.
 414  *
 415  * The areas (virtual_start, virtual_end) and (virtual2_start, virtual2_end)
 416  * are available so the cutouts are the areas around these ranges between
 417  * KvaStart and KvaEnd.
 418  *
 419  * Depend on the zalloc bootstrap cache to get our vm_map_entry_t.
 420  * Called from the low level boot code only.
 421  */
 422 void
 423 kmem_init(void)
 424 {
 425         vm_offset_t addr;
 426         vm_map_t m;
 427         int count;
 428
 429         m = vm_map_create(&kernel_map, &kernel_pmap, KvaStart, KvaEnd);
 430         vm_map_lock(m);
 431         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 432         m->system_map = 1;
 433         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 434         addr = KvaStart;
 435         if (virtual2_start) {
 436                 if (addr < virtual2_start) {
 437                         vm_map_insert(m, &count,
 438                                       NULL, NULL,
 439                                       (vm_offset_t) 0, addr, virtual2_start,
 440                                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 441                                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 442                 }
 443                 addr = virtual2_end;
 444         }
 445         if (addr < virtual_start) {
 446                 vm_map_insert(m, &count,
 447                               NULL, NULL,
 448                               (vm_offset_t) 0, addr, virtual_start,
 449                               VM_MAPTYPE_NORMAL,
 450                               VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 451         }
 452         addr = virtual_end;
 453         if (addr < KvaEnd) {
 454                 vm_map_insert(m, &count,
 455                               NULL, NULL,
 456                               (vm_offset_t) 0, addr, KvaEnd,
 457                               VM_MAPTYPE_NORMAL,
 458                               VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 459         }
 460         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 461         vm_map_unlock(m);
 462         vm_map_entry_release(count);
 463 }
 464
 465 /*
 466  * No requirements.
 467  */
 468 static int
 469 kvm_size(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 470 {
 471         unsigned long ksize = KvaSize;
 472
 473         return sysctl_handle_long(oidp, &ksize, 0, req);
 474 }
 475 SYSCTL_PROC(_vm, OID_AUTO, kvm_size, CTLTYPE_ULONG|CTLFLAG_RD,
 476     0, 0, kvm_size, "LU", "Size of KVM");
 477
 478 /*
 479  * No requirements.
 480  */
 481 static int
 482 kvm_free(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 483 {
 484         unsigned long kfree = virtual_end - kernel_vm_end;
 485
 486         return sysctl_handle_long(oidp, &kfree, 0, req);
 487 }
 488 SYSCTL_PROC(_vm, OID_AUTO, kvm_free, CTLTYPE_ULONG|CTLFLAG_RD,
 489     0, 0, kvm_free, "LU", "Amount of KVM free");
 490