sys/vm/vm_contig.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2003, 2004 The DragonFly Project.  All rights reserved.
   3  *
   4  * This code is derived from software contributed to The DragonFly Project
   5  * by Hiten Pandya <hmp@backplane.com>.
   6  *
   7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   8  * modification, are permitted provided that the following conditions
   9  * are met:
  10  *
  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
  15  *    the documentation and/or other materials provided with the
  16  *    distribution.
  17  * 3. Neither the name of The DragonFly Project nor the names of its
  18  *    contributors may be used to endorse or promote products derived
  19  *    from this software without specific, prior written permission.
  20  *
  21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
  22  * ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
  23  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS
  24  * FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE
  25  * COPYRIGHT HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
  26  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
  27  * BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
  28  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED
  29  * AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
  30  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT
  31  * OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  32  * SUCH DAMAGE.
  33  *
  34  */
  35 /*
  36  * Copyright (c) 1991 Regents of the University of California.
  37  * All rights reserved.
  38  *
  39  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
  40  * The Mach Operating System project at Carnegie-Mellon University.
  41  *
  42  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  43  * modification, are permitted provided that the following conditions
  44  * are met:
  45  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  46  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  47  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  48  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  49  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  50  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  51  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  52  *    without specific prior written permission.
  53  *
  54  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  55  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  56  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  57  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  58  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  59  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  60  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  61  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  62  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  63  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  64  * SUCH DAMAGE.
  65  *
  66  *      from: @(#)vm_page.c     7.4 (Berkeley) 5/7/91
  67  * $DragonFly: src/sys/vm/vm_contig.c,v 1.21 2006/12/28 21:24:02 dillon Exp $
  68  */
  69
  70 /*
  71  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  72  * All rights reserved.
  73  *
  74  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  75  *
  76  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  77  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  78  * notice and this permission notice appear in all copies of the
  79  * software, derivative works or modified versions, and any portions
  80  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
  81  *
  82  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
  83  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
  84  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
  85  *
  86  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  87  *
  88  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  89  *  School of Computer Science
  90  *  Carnegie Mellon University
  91  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  92  *
  93  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  94  * rights to redistribute these changes.
  95  */
  96
  97 /*
  98  * Contiguous memory allocation API.
  99  */
 100
 101 #include <sys/param.h>
 102 #include <sys/systm.h>
 103 #include <sys/malloc.h>
 104 #include <sys/proc.h>
 105 #include <sys/lock.h>
 106 #include <sys/vmmeter.h>
 107 #include <sys/vnode.h>
 108
 109 #include <vm/vm.h>
 110 #include <vm/vm_param.h>
 111 #include <vm/vm_kern.h>
 112 #include <vm/pmap.h>
 113 #include <vm/vm_map.h>
 114 #include <vm/vm_object.h>
 115 #include <vm/vm_page.h>
 116 #include <vm/vm_pageout.h>
 117 #include <vm/vm_pager.h>
 118 #include <vm/vm_extern.h>
 119
 120 #include <sys/thread2.h>
 121 #include <sys/spinlock2.h>
 122 #include <vm/vm_page2.h>
 123
 124 static void vm_contig_pg_free(int start, u_long size);
 125
 126 /*
 127  * vm_contig_pg_clean:
 128  *
 129  * Do a thorough cleanup of the specified 'queue', which can be either
 130  * PQ_ACTIVE or PQ_INACTIVE by doing a walkthrough.  If the page is not
 131  * marked dirty, it is shoved into the page cache, provided no one has
 132  * currently aqcuired it, otherwise localized action per object type
 133  * is taken for cleanup:
 134  *
 135  *      In the OBJT_VNODE case, the whole page range is cleaned up
 136  *      using the vm_object_page_clean() routine, by specyfing a
 137  *      start and end of '0'.
 138  *
 139  *      Otherwise if the object is of any other type, the generic
 140  *      pageout (daemon) flush routine is invoked.
 141  */
 142 static void
 143 vm_contig_pg_clean(int queue, int count)
 144 {
 145         vm_object_t object;
 146         vm_page_t m, m_tmp;
 147         struct vm_page marker;
 148         struct vpgqueues *pq = &vm_page_queues[queue];
 149
 150         /*
 151          * Setup a local marker
 152          */
 153         bzero(&marker, sizeof(marker));
 154         marker.flags = PG_FICTITIOUS | PG_MARKER;
 155         marker.busy_count = PBUSY_LOCKED;
 156         marker.queue = queue;
 157         marker.wire_count = 1;
 158
 159         vm_page_queues_spin_lock(queue);
 160         TAILQ_INSERT_HEAD(&pq->pl, &marker, pageq);
 161         vm_page_queues_spin_unlock(queue);
 162
 163         /*
 164          * Iterate the queue.  Note that the vm_page spinlock must be
 165          * acquired before the pageq spinlock so it's easiest to simply
 166          * not hold it in the loop iteration.
 167          */
 168         while (count-- > 0 && (m = TAILQ_NEXT(&marker, pageq)) != NULL) {
 169                 vm_page_and_queue_spin_lock(m);
 170                 if (m != TAILQ_NEXT(&marker, pageq)) {
 171                         vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
 172                         ++count;
 173                         continue;
 174                 }
 175                 KKASSERT(m->queue == queue);
 176
 177                 TAILQ_REMOVE(&pq->pl, &marker, pageq);
 178                 TAILQ_INSERT_AFTER(&pq->pl, m, &marker, pageq);
 179
 180                 if (m->flags & PG_MARKER) {
 181                         vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
 182                         continue;
 183                 }
 184                 if (vm_page_busy_try(m, TRUE)) {
 185                         vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
 186                         continue;
 187                 }
 188                 vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
 189
 190                 /*
 191                  * We've successfully busied the page
 192                  */
 193                 if (m->queue - m->pc != queue) {
 194                         vm_page_wakeup(m);
 195                         continue;
 196                 }
 197                 if (m->wire_count || m->hold_count) {
 198                         vm_page_wakeup(m);
 199                         continue;
 200                 }
 201                 if ((object = m->object) == NULL) {
 202                         vm_page_wakeup(m);
 203                         continue;
 204                 }
 205                 vm_page_test_dirty(m);
 206                 if (m->dirty || (m->flags & PG_NEED_COMMIT)) {
 207                         vm_object_hold(object);
 208                         KKASSERT(m->object == object);
 209
 210                         if (object->type == OBJT_VNODE) {
 211                                 vm_page_wakeup(m);
 212                                 vn_lock(object->handle, LK_EXCLUSIVE|LK_RETRY);
 213                                 vm_object_page_clean(object, 0, 0, OBJPC_SYNC);
 214                                 vn_unlock(((struct vnode *)object->handle));
 215                         } else if (object->type == OBJT_SWAP ||
 216                                         object->type == OBJT_DEFAULT) {
 217                                 m_tmp = m;
 218                                 vm_pageout_flush(&m_tmp, 1, 0);
 219                         } else {
 220                                 vm_page_wakeup(m);
 221                         }
 222                         vm_object_drop(object);
 223                 } else if (m->hold_count == 0) {
 224                         vm_page_cache(m);
 225                 } else {
 226                         vm_page_wakeup(m);
 227                 }
 228         }
 229
 230         /*
 231          * Scrap our local marker
 232          */
 233         vm_page_queues_spin_lock(queue);
 234         TAILQ_REMOVE(&pq->pl, &marker, pageq);
 235         vm_page_queues_spin_unlock(queue);
 236 }
 237
 238 /*
 239  * vm_contig_pg_alloc:
 240  *
 241  * Allocate contiguous pages from the VM.  This function does not
 242  * map the allocated pages into the kernel map, otherwise it is
 243  * impossible to make large allocations (i.e. >2G).
 244  *
 245  * Malloc()'s data structures have been used for collection of
 246  * statistics and for allocations of less than a page.
 247  */
 248 static int
 249 vm_contig_pg_alloc(unsigned long size, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 250                    unsigned long alignment, unsigned long boundary, int mflags)
 251 {
 252         int i, q, start, pass;
 253         vm_offset_t phys;
 254         vm_page_t pga = vm_page_array;
 255         vm_page_t m;
 256         int pqtype;
 257
 258         size = round_page(size);
 259         if (size == 0)
 260                 panic("vm_contig_pg_alloc: size must not be 0");
 261         if ((alignment & (alignment - 1)) != 0)
 262                 panic("vm_contig_pg_alloc: alignment must be a power of 2");
 263         if ((boundary & (boundary - 1)) != 0)
 264                 panic("vm_contig_pg_alloc: boundary must be a power of 2");
 265
 266         /*
 267          * See if we can get the pages from the contiguous page reserve
 268          * alist.  The returned pages will be allocated and wired but not
 269          * busied.
 270          */
 271         m = vm_page_alloc_contig(
 272                 low, high, alignment, boundary, size, VM_MEMATTR_DEFAULT);
 273         if (m)
 274                 return (m - &pga[0]);
 275
 276         /*
 277          * Three passes (0, 1, 2).  Each pass scans the VM page list for
 278          * free or cached pages.  After each pass if the entire scan failed
 279          * we attempt to flush inactive pages and reset the start index back
 280          * to 0.  For passes 1 and 2 we also attempt to flush active pages.
 281          */
 282         start = 0;
 283         for (pass = 0; pass < 3; pass++) {
 284                 /*
 285                  * Find first page in array that is free, within range,
 286                  * aligned, and such that the boundary won't be crossed.
 287                  */
 288 again:
 289                 for (i = start; i < vmstats.v_page_count; i++) {
 290                         m = &pga[i];
 291                         phys = VM_PAGE_TO_PHYS(m);
 292                         pqtype = m->queue - m->pc;
 293                         if (((pqtype == PQ_FREE) || (pqtype == PQ_CACHE)) &&
 294                             (phys >= low) && (phys < high) &&
 295                             ((phys & (alignment - 1)) == 0) &&
 296                             (((phys ^ (phys + size - 1)) & ~(boundary - 1)) == 0) &&
 297                             m->wire_count == 0 && m->hold_count == 0 &&
 298                             (m->busy_count &
 299                              (PBUSY_LOCKED | PBUSY_MASK)) == 0 &&
 300                             (m->flags & PG_NEED_COMMIT) == 0)
 301                         {
 302                                 break;
 303                         }
 304                 }
 305
 306                 /*
 307                  * If we cannot find the page in the given range, or we have
 308                  * crossed the boundary, call the vm_contig_pg_clean() function
 309                  * for flushing out the queues, and returning it back to
 310                  * normal state.
 311                  */
 312                 if ((i == vmstats.v_page_count) ||
 313                     ((VM_PAGE_TO_PHYS(&pga[i]) + size) > high)) {
 314
 315                         /*
 316                          * Best effort flush of all inactive pages.
 317                          * This is quite quick, for now stall all
 318                          * callers, even if they've specified M_NOWAIT.
 319                          */
 320                         for (q = 0; q < PQ_L2_SIZE; ++q) {
 321                                 vm_contig_pg_clean(PQ_INACTIVE + q,
 322                                                    vmstats.v_inactive_count);
 323                                 lwkt_yield();
 324                         }
 325
 326                         /*
 327                          * Best effort flush of active pages.
 328                          *
 329                          * This is very, very slow.
 330                          * Only do this if the caller has agreed to M_WAITOK.
 331                          *
 332                          * If enough pages are flushed, we may succeed on
 333                          * next (final) pass, if not the caller, contigmalloc(),
 334                          * will fail in the index < 0 case.
 335                          */
 336                         if (pass > 0 && (mflags & M_WAITOK)) {
 337                                 for (q = 0; q < PQ_L2_SIZE; ++q) {
 338                                         vm_contig_pg_clean(PQ_ACTIVE + q,
 339                                                        vmstats.v_active_count);
 340                                 }
 341                                 lwkt_yield();
 342                         }
 343
 344                         /*
 345                          * We're already too high in the address space
 346                          * to succeed, reset to 0 for the next iteration.
 347                          */
 348                         start = 0;
 349                         continue;       /* next pass */
 350                 }
 351                 start = i;
 352
 353                 /*
 354                  * Check successive pages for contiguous and free.
 355                  *
 356                  * (still in critical section)
 357                  */
 358                 for (i = start + 1; i < (start + size / PAGE_SIZE); i++) {
 359                         m = &pga[i];
 360                         pqtype = m->queue - m->pc;
 361                         if ((VM_PAGE_TO_PHYS(&m[0]) !=
 362                             (VM_PAGE_TO_PHYS(&m[-1]) + PAGE_SIZE)) ||
 363                             ((pqtype != PQ_FREE) && (pqtype != PQ_CACHE)) ||
 364                             m->wire_count ||
 365                             m->hold_count ||
 366                             (m->busy_count & (PBUSY_LOCKED | PBUSY_MASK)) ||
 367                             (m->flags & PG_NEED_COMMIT))
 368                         {
 369                                 start++;
 370                                 goto again;
 371                         }
 372                 }
 373
 374                 /*
 375                  * Try to allocate the pages, wiring them as we go.
 376                  *
 377                  * (still in critical section)
 378                  */
 379                 for (i = start; i < (start + size / PAGE_SIZE); i++) {
 380                         m = &pga[i];
 381
 382                         if (vm_page_busy_try(m, TRUE)) {
 383                                 vm_contig_pg_free(start,
 384                                                   (i - start) * PAGE_SIZE);
 385                                 start++;
 386                                 goto again;
 387                         }
 388                         pqtype = m->queue - m->pc;
 389                         if (pqtype == PQ_CACHE &&
 390                             m->hold_count == 0 &&
 391                             m->wire_count == 0 &&
 392                             (m->flags & (PG_UNMANAGED | PG_NEED_COMMIT)) == 0) {
 393                                 vm_page_protect(m, VM_PROT_NONE);
 394                                 KKASSERT((m->flags & PG_MAPPED) == 0);
 395                                 KKASSERT(m->dirty == 0);
 396                                 vm_page_free(m);
 397                                 --i;
 398                                 continue;       /* retry the page */
 399                         }
 400                         if (pqtype != PQ_FREE || m->hold_count) {
 401                                 vm_page_wakeup(m);
 402                                 vm_contig_pg_free(start,
 403                                                   (i - start) * PAGE_SIZE);
 404                                 start++;
 405                                 goto again;
 406                         }
 407                         KKASSERT((m->valid & m->dirty) == 0);
 408                         KKASSERT(m->wire_count == 0);
 409                         KKASSERT(m->object == NULL);
 410                         vm_page_unqueue_nowakeup(m);
 411                         m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 412                         KASSERT(m->dirty == 0,
 413                                 ("vm_contig_pg_alloc: page %p was dirty", m));
 414                         KKASSERT(m->wire_count == 0);
 415                         KKASSERT((m->busy_count & PBUSY_MASK) == 0);
 416
 417                         /*
 418                          * Clear all flags.  Then unbusy the now allocated
 419                          * page.
 420                          */
 421                         vm_page_flag_clear(m, ~PG_KEEP_NEWPAGE_MASK);
 422                         vm_page_wire(m);
 423                         vm_page_wakeup(m);
 424                 }
 425
 426                 /*
 427                  * Our job is done, return the index page of vm_page_array.
 428                  */
 429                 return (start); /* aka &pga[start] */
 430         }
 431
 432         /*
 433          * Failed.
 434          */
 435         return (-1);
 436 }
 437
 438 /*
 439  * vm_contig_pg_free:
 440  *
 441  * Remove pages previously allocated by vm_contig_pg_alloc, and
 442  * assume all references to the pages have been removed, and that
 443  * it is OK to add them back to the free list.
 444  *
 445  * Caller must ensure no races on the page range in question.
 446  * No other requirements.
 447  */
 448 static void
 449 vm_contig_pg_free(int start, u_long size)
 450 {
 451         vm_page_t pga = vm_page_array;
 452
 453         size = round_page(size);
 454         if (size == 0)
 455                 panic("vm_contig_pg_free: size must not be 0");
 456
 457         /*
 458          * The pages are wired, vm_page_free_contig() determines whether they
 459          * belong to the contig space or not and either frees them to that
 460          * space (leaving them wired), or unwires the page and frees it to the
 461          * normal PQ_FREE queue.
 462          */
 463         vm_page_free_contig(&pga[start], size);
 464 }
 465
 466 /*
 467  * vm_contig_pg_kmap:
 468  *
 469  * Map previously allocated (vm_contig_pg_alloc) range of pages from
 470  * vm_page_array[] into the KVA.  Once mapped, the pages are part of
 471  * the Kernel, and are to free'ed with kmem_free(&kernel_map, addr, size).
 472  *
 473  * No requirements.
 474  */
 475 static vm_offset_t
 476 vm_contig_pg_kmap(int start, u_long size, vm_map_t map, int flags)
 477 {
 478         vm_offset_t addr;
 479         vm_paddr_t pa;
 480         vm_page_t pga = vm_page_array;
 481         u_long offset;
 482
 483         if (size == 0)
 484                 panic("vm_contig_pg_kmap: size must not be 0");
 485         size = round_page(size);
 486         addr = kmem_alloc_pageable(&kernel_map, size, VM_SUBSYS_CONTIG);
 487         if (addr) {
 488                 pa = VM_PAGE_TO_PHYS(&pga[start]);
 489                 for (offset = 0; offset < size; offset += PAGE_SIZE)
 490                         pmap_kenter_noinval(addr + offset, pa + offset);
 491                 pmap_invalidate_range(&kernel_pmap, addr, addr + size);
 492                 if (flags & M_ZERO)
 493                         bzero((void *)addr, size);
 494         }
 495         return(addr);
 496 }
 497
 498 /*
 499  * No requirements.
 500  */
 501 void *
 502 contigmalloc(
 503         unsigned long size,     /* should be size_t here and for malloc() */
 504         struct malloc_type *type,
 505         int flags,
 506         vm_paddr_t low,
 507         vm_paddr_t high,
 508         unsigned long alignment,
 509         unsigned long boundary)
 510 {
 511         return contigmalloc_map(size, type, flags, low, high, alignment,
 512                         boundary, &kernel_map);
 513 }
 514
 515 /*
 516  * No requirements.
 517  */
 518 void *
 519 contigmalloc_map(unsigned long size, struct malloc_type *type,
 520                  int flags, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 521                  unsigned long alignment, unsigned long boundary,
 522                  vm_map_t map)
 523 {
 524         int index;
 525         void *rv;
 526
 527         index = vm_contig_pg_alloc(size, low, high, alignment, boundary, flags);
 528         if (index < 0) {
 529                 kprintf("contigmalloc_map: failed size %lu low=%llx "
 530                         "high=%llx align=%lu boundary=%lu flags=%08x\n",
 531                         size, (long long)low, (long long)high,
 532                         alignment, boundary, flags);
 533                 return NULL;
 534         }
 535
 536         rv = (void *)vm_contig_pg_kmap(index, size, map, flags);
 537         if (rv == NULL)
 538                 vm_contig_pg_free(index, size);
 539
 540         return rv;
 541 }
 542
 543 /*
 544  * No requirements.
 545  */
 546 void
 547 contigfree(void *addr, unsigned long size, struct malloc_type *type)
 548 {
 549         vm_paddr_t pa;
 550         vm_page_t m;
 551
 552         if (size == 0)
 553                 panic("vm_contig_pg_kmap: size must not be 0");
 554         size = round_page(size);
 555
 556         pa = pmap_kextract((vm_offset_t)addr);
 557         pmap_qremove((vm_offset_t)addr, size / PAGE_SIZE);
 558         kmem_free(&kernel_map, (vm_offset_t)addr, size);
 559
 560         m = PHYS_TO_VM_PAGE(pa);
 561         vm_page_free_contig(m, size);
 562 }
 563
 564 /*
 565  * No requirements.
 566  */
 567 vm_offset_t
 568 kmem_alloc_contig(vm_offset_t size, vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
 569                   vm_offset_t alignment)
 570 {
 571         return ((vm_offset_t)contigmalloc_map(size, M_DEVBUF, M_NOWAIT, low,
 572                                 high, alignment, 0ul, &kernel_map));
 573 }