kernel - Refactor cpu localization for VM page allocations (2)
[dragonfly.git] / sys / vm / vm_page.c
1 /*
2  * (MPSAFE)
3  *
4  * Copyright (c) 1991 Regents of the University of California.
5  * 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_page.c     7.4 (Berkeley) 5/7/91
35  * $FreeBSD: src/sys/vm/vm_page.c,v 1.147.2.18 2002/03/10 05:03:19 alc Exp $
36  */
37
38 /*
39  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
40  * All rights reserved.
41  *
42  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
43  *
44  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
45  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
46  * notice and this permission notice appear in all copies of the
47  * software, derivative works or modified versions, and any portions
48  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
49  *
50  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
51  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
52  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
53  *
54  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
55  *
56  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
57  *  School of Computer Science
58  *  Carnegie Mellon University
59  *  Pittsburgh PA 15213-3890
60  *
61  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
62  * rights to redistribute these changes.
63  */
64 /*
65  * Resident memory management module.  The module manipulates 'VM pages'.
66  * A VM page is the core building block for memory management.
67  */
68
69 #include <sys/param.h>
70 #include <sys/systm.h>
71 #include <sys/malloc.h>
72 #include <sys/proc.h>
73 #include <sys/vmmeter.h>
74 #include <sys/vnode.h>
75 #include <sys/kernel.h>
76 #include <sys/alist.h>
77 #include <sys/sysctl.h>
78 #include <sys/cpu_topology.h>
79
80 #include <vm/vm.h>
81 #include <vm/vm_param.h>
82 #include <sys/lock.h>
83 #include <vm/vm_kern.h>
84 #include <vm/pmap.h>
85 #include <vm/vm_map.h>
86 #include <vm/vm_object.h>
87 #include <vm/vm_page.h>
88 #include <vm/vm_pageout.h>
89 #include <vm/vm_pager.h>
90 #include <vm/vm_extern.h>
91 #include <vm/swap_pager.h>
92
93 #include <machine/inttypes.h>
94 #include <machine/md_var.h>
95 #include <machine/specialreg.h>
96
97 #include <vm/vm_page2.h>
98 #include <sys/spinlock2.h>
99
100 /*
101  * Action hash for user umtx support.
102  */
103 #define VMACTION_HSIZE          256
104 #define VMACTION_HMASK          (VMACTION_HSIZE - 1)
105
106 /*
107  * SET - Minimum required set associative size, must be a power of 2.  We
108  *       want this to match or exceed the set-associativeness of the cpu.
109  *
110  * GRP - A larger set that allows bleed-over into the domains of other
111  *       nearby cpus.  Also must be a power of 2.  Used by the page zeroing
112  *       code to smooth things out a bit.
113  */
114 #define PQ_SET_ASSOC            16
115 #define PQ_SET_ASSOC_MASK       (PQ_SET_ASSOC - 1)
116
117 #define PQ_GRP_ASSOC            (PQ_SET_ASSOC * 2)
118 #define PQ_GRP_ASSOC_MASK       (PQ_GRP_ASSOC - 1)
119
120 static void vm_page_queue_init(void);
121 static void vm_page_free_wakeup(void);
122 static vm_page_t vm_page_select_cache(u_short pg_color);
123 static vm_page_t _vm_page_list_find2(int basequeue, int index);
124 static void _vm_page_deactivate_locked(vm_page_t m, int athead);
125
126 /*
127  * Array of tailq lists
128  */
129 __cachealign struct vpgqueues vm_page_queues[PQ_COUNT];
130
131 LIST_HEAD(vm_page_action_list, vm_page_action);
132 struct vm_page_action_list      action_list[VMACTION_HSIZE];
133 static volatile int vm_pages_waiting;
134
135 static struct alist vm_contig_alist;
136 static struct almeta vm_contig_ameta[ALIST_RECORDS_65536];
137 static struct spinlock vm_contig_spin = SPINLOCK_INITIALIZER(&vm_contig_spin, "vm_contig_spin");
138
139 static u_long vm_dma_reserved = 0;
140 TUNABLE_ULONG("vm.dma_reserved", &vm_dma_reserved);
141 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, dma_reserved, CTLFLAG_RD, &vm_dma_reserved, 0,
142             "Memory reserved for DMA");
143 SYSCTL_UINT(_vm, OID_AUTO, dma_free_pages, CTLFLAG_RD,
144             &vm_contig_alist.bl_free, 0, "Memory reserved for DMA");
145
146 static int vm_contig_verbose = 0;
147 TUNABLE_INT("vm.contig_verbose", &vm_contig_verbose);
148
149 RB_GENERATE2(vm_page_rb_tree, vm_page, rb_entry, rb_vm_page_compare,
150              vm_pindex_t, pindex);
151
152 static void
153 vm_page_queue_init(void) 
154 {
155         int i;
156
157         for (i = 0; i < PQ_L2_SIZE; i++)
158                 vm_page_queues[PQ_FREE+i].cnt = &vmstats.v_free_count;
159         for (i = 0; i < PQ_L2_SIZE; i++)
160                 vm_page_queues[PQ_CACHE+i].cnt = &vmstats.v_cache_count;
161         for (i = 0; i < PQ_L2_SIZE; i++)
162                 vm_page_queues[PQ_INACTIVE+i].cnt = &vmstats.v_inactive_count;
163         for (i = 0; i < PQ_L2_SIZE; i++)
164                 vm_page_queues[PQ_ACTIVE+i].cnt = &vmstats.v_active_count;
165         for (i = 0; i < PQ_L2_SIZE; i++)
166                 vm_page_queues[PQ_HOLD+i].cnt = &vmstats.v_active_count;
167         /* PQ_NONE has no queue */
168
169         for (i = 0; i < PQ_COUNT; i++) {
170                 TAILQ_INIT(&vm_page_queues[i].pl);
171                 spin_init(&vm_page_queues[i].spin, "vm_page_queue_init");
172         }
173
174         for (i = 0; i < VMACTION_HSIZE; i++)
175                 LIST_INIT(&action_list[i]);
176 }
177
178 /*
179  * note: place in initialized data section?  Is this necessary?
180  */
181 long first_page = 0;
182 int vm_page_array_size = 0;
183 vm_page_t vm_page_array = NULL;
184 vm_paddr_t vm_low_phys_reserved;
185
186 /*
187  * (low level boot)
188  *
189  * Sets the page size, perhaps based upon the memory size.
190  * Must be called before any use of page-size dependent functions.
191  */
192 void
193 vm_set_page_size(void)
194 {
195         if (vmstats.v_page_size == 0)
196                 vmstats.v_page_size = PAGE_SIZE;
197         if (((vmstats.v_page_size - 1) & vmstats.v_page_size) != 0)
198                 panic("vm_set_page_size: page size not a power of two");
199 }
200
201 /*
202  * (low level boot)
203  *
204  * Add a new page to the freelist for use by the system.  New pages
205  * are added to both the head and tail of the associated free page
206  * queue in a bottom-up fashion, so both zero'd and non-zero'd page
207  * requests pull 'recent' adds (higher physical addresses) first.
208  *
209  * Beware that the page zeroing daemon will also be running soon after
210  * boot, moving pages from the head to the tail of the PQ_FREE queues.
211  *
212  * Must be called in a critical section.
213  */
214 static void
215 vm_add_new_page(vm_paddr_t pa)
216 {
217         struct vpgqueues *vpq;
218         vm_page_t m;
219
220         m = PHYS_TO_VM_PAGE(pa);
221         m->phys_addr = pa;
222         m->flags = 0;
223         m->pc = (pa >> PAGE_SHIFT) & PQ_L2_MASK;
224         m->pat_mode = PAT_WRITE_BACK;
225         /*
226          * Twist for cpu localization in addition to page coloring, so
227          * different cpus selecting by m->queue get different page colors.
228          */
229         m->pc ^= ((pa >> PAGE_SHIFT) / PQ_L2_SIZE) & PQ_L2_MASK;
230         m->pc ^= ((pa >> PAGE_SHIFT) / (PQ_L2_SIZE * PQ_L2_SIZE)) & PQ_L2_MASK;
231         /*
232          * Reserve a certain number of contiguous low memory pages for
233          * contigmalloc() to use.
234          */
235         if (pa < vm_low_phys_reserved) {
236                 atomic_add_int(&vmstats.v_page_count, 1);
237                 atomic_add_int(&vmstats.v_dma_pages, 1);
238                 m->queue = PQ_NONE;
239                 m->wire_count = 1;
240                 atomic_add_int(&vmstats.v_wire_count, 1);
241                 alist_free(&vm_contig_alist, pa >> PAGE_SHIFT, 1);
242                 return;
243         }
244
245         /*
246          * General page
247          */
248         m->queue = m->pc + PQ_FREE;
249         KKASSERT(m->dirty == 0);
250
251         atomic_add_int(&vmstats.v_page_count, 1);
252         atomic_add_int(&vmstats.v_free_count, 1);
253         vpq = &vm_page_queues[m->queue];
254 #if 0
255         /* too expensive time-wise in large-mem configurations */
256         if ((vpq->flipflop & 15) == 0) {
257                 pmap_zero_page(VM_PAGE_TO_PHYS(m));
258                 m->flags |= PG_ZERO;
259                 TAILQ_INSERT_TAIL(&vpq->pl, m, pageq);
260                 ++vpq->zero_count;
261         } else {
262 #endif
263                 TAILQ_INSERT_HEAD(&vpq->pl, m, pageq);
264 #if 0
265         }
266         ++vpq->flipflop;
267 #endif
268         ++vpq->lcnt;
269 }
270
271 /*
272  * (low level boot)
273  *
274  * Initializes the resident memory module.
275  *
276  * Preallocates memory for critical VM structures and arrays prior to
277  * kernel_map becoming available.
278  *
279  * Memory is allocated from (virtual2_start, virtual2_end) if available,
280  * otherwise memory is allocated from (virtual_start, virtual_end).
281  *
282  * On x86-64 (virtual_start, virtual_end) is only 2GB and may not be
283  * large enough to hold vm_page_array & other structures for machines with
284  * large amounts of ram, so we want to use virtual2* when available.
285  */
286 void
287 vm_page_startup(void)
288 {
289         vm_offset_t vaddr = virtual2_start ? virtual2_start : virtual_start;
290         vm_offset_t mapped;
291         vm_size_t npages;
292         vm_paddr_t page_range;
293         vm_paddr_t new_end;
294         int i;
295         vm_paddr_t pa;
296         int nblocks;
297         vm_paddr_t last_pa;
298         vm_paddr_t end;
299         vm_paddr_t biggestone, biggestsize;
300         vm_paddr_t total;
301
302         total = 0;
303         biggestsize = 0;
304         biggestone = 0;
305         nblocks = 0;
306         vaddr = round_page(vaddr);
307
308         for (i = 0; phys_avail[i + 1]; i += 2) {
309                 phys_avail[i] = round_page64(phys_avail[i]);
310                 phys_avail[i + 1] = trunc_page64(phys_avail[i + 1]);
311         }
312
313         for (i = 0; phys_avail[i + 1]; i += 2) {
314                 vm_paddr_t size = phys_avail[i + 1] - phys_avail[i];
315
316                 if (size > biggestsize) {
317                         biggestone = i;
318                         biggestsize = size;
319                 }
320                 ++nblocks;
321                 total += size;
322         }
323
324         end = phys_avail[biggestone+1];
325         end = trunc_page(end);
326
327         /*
328          * Initialize the queue headers for the free queue, the active queue
329          * and the inactive queue.
330          */
331         vm_page_queue_init();
332
333 #if !defined(_KERNEL_VIRTUAL)
334         /*
335          * VKERNELs don't support minidumps and as such don't need
336          * vm_page_dump
337          *
338          * Allocate a bitmap to indicate that a random physical page
339          * needs to be included in a minidump.
340          *
341          * The amd64 port needs this to indicate which direct map pages
342          * need to be dumped, via calls to dump_add_page()/dump_drop_page().
343          *
344          * However, i386 still needs this workspace internally within the
345          * minidump code.  In theory, they are not needed on i386, but are
346          * included should the sf_buf code decide to use them.
347          */
348         page_range = phys_avail[(nblocks - 1) * 2 + 1] / PAGE_SIZE;
349         vm_page_dump_size = round_page(roundup2(page_range, NBBY) / NBBY);
350         end -= vm_page_dump_size;
351         vm_page_dump = (void *)pmap_map(&vaddr, end, end + vm_page_dump_size,
352             VM_PROT_READ | VM_PROT_WRITE);
353         bzero((void *)vm_page_dump, vm_page_dump_size);
354 #endif
355         /*
356          * Compute the number of pages of memory that will be available for
357          * use (taking into account the overhead of a page structure per
358          * page).
359          */
360         first_page = phys_avail[0] / PAGE_SIZE;
361         page_range = phys_avail[(nblocks - 1) * 2 + 1] / PAGE_SIZE - first_page;
362         npages = (total - (page_range * sizeof(struct vm_page))) / PAGE_SIZE;
363
364 #ifndef _KERNEL_VIRTUAL
365         /*
366          * (only applies to real kernels)
367          *
368          * Reserve a large amount of low memory for potential 32-bit DMA
369          * space allocations.  Once device initialization is complete we
370          * release most of it, but keep (vm_dma_reserved) memory reserved
371          * for later use.  Typically for X / graphics.  Through trial and
372          * error we find that GPUs usually requires ~60-100MB or so.
373          *
374          * By default, 128M is left in reserve on machines with 2G+ of ram.
375          */
376         vm_low_phys_reserved = (vm_paddr_t)65536 << PAGE_SHIFT;
377         if (vm_low_phys_reserved > total / 4)
378                 vm_low_phys_reserved = total / 4;
379         if (vm_dma_reserved == 0) {
380                 vm_dma_reserved = 128 * 1024 * 1024;    /* 128MB */
381                 if (vm_dma_reserved > total / 16)
382                         vm_dma_reserved = total / 16;
383         }
384 #endif
385         alist_init(&vm_contig_alist, 65536, vm_contig_ameta,
386                    ALIST_RECORDS_65536);
387
388         /*
389          * Initialize the mem entry structures now, and put them in the free
390          * queue.
391          */
392         new_end = trunc_page(end - page_range * sizeof(struct vm_page));
393         mapped = pmap_map(&vaddr, new_end, end, VM_PROT_READ | VM_PROT_WRITE);
394         vm_page_array = (vm_page_t)mapped;
395
396 #if defined(__x86_64__) && !defined(_KERNEL_VIRTUAL)
397         /*
398          * since pmap_map on amd64 returns stuff out of a direct-map region,
399          * we have to manually add these pages to the minidump tracking so
400          * that they can be dumped, including the vm_page_array.
401          */
402         for (pa = new_end; pa < phys_avail[biggestone + 1]; pa += PAGE_SIZE)
403                 dump_add_page(pa);
404 #endif
405
406         /*
407          * Clear all of the page structures
408          */
409         bzero((caddr_t) vm_page_array, page_range * sizeof(struct vm_page));
410         vm_page_array_size = page_range;
411
412         /*
413          * Construct the free queue(s) in ascending order (by physical
414          * address) so that the first 16MB of physical memory is allocated
415          * last rather than first.  On large-memory machines, this avoids
416          * the exhaustion of low physical memory before isa_dmainit has run.
417          */
418         vmstats.v_page_count = 0;
419         vmstats.v_free_count = 0;
420         for (i = 0; phys_avail[i + 1] && npages > 0; i += 2) {
421                 pa = phys_avail[i];
422                 if (i == biggestone)
423                         last_pa = new_end;
424                 else
425                         last_pa = phys_avail[i + 1];
426                 while (pa < last_pa && npages-- > 0) {
427                         vm_add_new_page(pa);
428                         pa += PAGE_SIZE;
429                 }
430         }
431         if (virtual2_start)
432                 virtual2_start = vaddr;
433         else
434                 virtual_start = vaddr;
435 }
436
437 /*
438  * We tended to reserve a ton of memory for contigmalloc().  Now that most
439  * drivers have initialized we want to return most the remaining free
440  * reserve back to the VM page queues so they can be used for normal
441  * allocations.
442  *
443  * We leave vm_dma_reserved bytes worth of free pages in the reserve pool.
444  */
445 static void
446 vm_page_startup_finish(void *dummy __unused)
447 {
448         alist_blk_t blk;
449         alist_blk_t rblk;
450         alist_blk_t count;
451         alist_blk_t xcount;
452         alist_blk_t bfree;
453         vm_page_t m;
454
455         spin_lock(&vm_contig_spin);
456         for (;;) {
457                 bfree = alist_free_info(&vm_contig_alist, &blk, &count);
458                 if (bfree <= vm_dma_reserved / PAGE_SIZE)
459                         break;
460                 if (count == 0)
461                         break;
462
463                 /*
464                  * Figure out how much of the initial reserve we have to
465                  * free in order to reach our target.
466                  */
467                 bfree -= vm_dma_reserved / PAGE_SIZE;
468                 if (count > bfree) {
469                         blk += count - bfree;
470                         count = bfree;
471                 }
472
473                 /*
474                  * Calculate the nearest power of 2 <= count.
475                  */
476                 for (xcount = 1; xcount <= count; xcount <<= 1)
477                         ;
478                 xcount >>= 1;
479                 blk += count - xcount;
480                 count = xcount;
481
482                 /*
483                  * Allocate the pages from the alist, then free them to
484                  * the normal VM page queues.
485                  *
486                  * Pages allocated from the alist are wired.  We have to
487                  * busy, unwire, and free them.  We must also adjust
488                  * vm_low_phys_reserved before freeing any pages to prevent
489                  * confusion.
490                  */
491                 rblk = alist_alloc(&vm_contig_alist, blk, count);
492                 if (rblk != blk) {
493                         kprintf("vm_page_startup_finish: Unable to return "
494                                 "dma space @0x%08x/%d -> 0x%08x\n",
495                                 blk, count, rblk);
496                         break;
497                 }
498                 atomic_add_int(&vmstats.v_dma_pages, -count);
499                 spin_unlock(&vm_contig_spin);
500
501                 m = PHYS_TO_VM_PAGE((vm_paddr_t)blk << PAGE_SHIFT);
502                 vm_low_phys_reserved = VM_PAGE_TO_PHYS(m);
503                 while (count) {
504                         vm_page_busy_wait(m, FALSE, "cpgfr");
505                         vm_page_unwire(m, 0);
506                         vm_page_free(m);
507                         --count;
508                         ++m;
509                 }
510                 spin_lock(&vm_contig_spin);
511         }
512         spin_unlock(&vm_contig_spin);
513
514         /*
515          * Print out how much DMA space drivers have already allocated and
516          * how much is left over.
517          */
518         kprintf("DMA space used: %jdk, remaining available: %jdk\n",
519                 (intmax_t)(vmstats.v_dma_pages - vm_contig_alist.bl_free) *
520                 (PAGE_SIZE / 1024),
521                 (intmax_t)vm_contig_alist.bl_free * (PAGE_SIZE / 1024));
522 }
523 SYSINIT(vm_pgend, SI_SUB_PROC0_POST, SI_ORDER_ANY,
524         vm_page_startup_finish, NULL);
525
526
527 /*
528  * Scan comparison function for Red-Black tree scans.  An inclusive
529  * (start,end) is expected.  Other fields are not used.
530  */
531 int
532 rb_vm_page_scancmp(struct vm_page *p, void *data)
533 {
534         struct rb_vm_page_scan_info *info = data;
535
536         if (p->pindex < info->start_pindex)
537                 return(-1);
538         if (p->pindex > info->end_pindex)
539                 return(1);
540         return(0);
541 }
542
543 int
544 rb_vm_page_compare(struct vm_page *p1, struct vm_page *p2)
545 {
546         if (p1->pindex < p2->pindex)
547                 return(-1);
548         if (p1->pindex > p2->pindex)
549                 return(1);
550         return(0);
551 }
552
553 void
554 vm_page_init(vm_page_t m)
555 {
556         /* do nothing for now.  Called from pmap_page_init() */
557 }
558
559 /*
560  * Each page queue has its own spin lock, which is fairly optimal for
561  * allocating and freeing pages at least.
562  *
563  * The caller must hold the vm_page_spin_lock() before locking a vm_page's
564  * queue spinlock via this function.  Also note that m->queue cannot change
565  * unless both the page and queue are locked.
566  */
567 static __inline
568 void
569 _vm_page_queue_spin_lock(vm_page_t m)
570 {
571         u_short queue;
572
573         queue = m->queue;
574         if (queue != PQ_NONE) {
575                 spin_lock(&vm_page_queues[queue].spin);
576                 KKASSERT(queue == m->queue);
577         }
578 }
579
580 static __inline
581 void
582 _vm_page_queue_spin_unlock(vm_page_t m)
583 {
584         u_short queue;
585
586         queue = m->queue;
587         cpu_ccfence();
588         if (queue != PQ_NONE)
589                 spin_unlock(&vm_page_queues[queue].spin);
590 }
591
592 static __inline
593 void
594 _vm_page_queues_spin_lock(u_short queue)
595 {
596         cpu_ccfence();
597         if (queue != PQ_NONE)
598                 spin_lock(&vm_page_queues[queue].spin);
599 }
600
601
602 static __inline
603 void
604 _vm_page_queues_spin_unlock(u_short queue)
605 {
606         cpu_ccfence();
607         if (queue != PQ_NONE)
608                 spin_unlock(&vm_page_queues[queue].spin);
609 }
610
611 void
612 vm_page_queue_spin_lock(vm_page_t m)
613 {
614         _vm_page_queue_spin_lock(m);
615 }
616
617 void
618 vm_page_queues_spin_lock(u_short queue)
619 {
620         _vm_page_queues_spin_lock(queue);
621 }
622
623 void
624 vm_page_queue_spin_unlock(vm_page_t m)
625 {
626         _vm_page_queue_spin_unlock(m);
627 }
628
629 void
630 vm_page_queues_spin_unlock(u_short queue)
631 {
632         _vm_page_queues_spin_unlock(queue);
633 }
634
635 /*
636  * This locks the specified vm_page and its queue in the proper order
637  * (page first, then queue).  The queue may change so the caller must
638  * recheck on return.
639  */
640 static __inline
641 void
642 _vm_page_and_queue_spin_lock(vm_page_t m)
643 {
644         vm_page_spin_lock(m);
645         _vm_page_queue_spin_lock(m);
646 }
647
648 static __inline
649 void
650 _vm_page_and_queue_spin_unlock(vm_page_t m)
651 {
652         _vm_page_queues_spin_unlock(m->queue);
653         vm_page_spin_unlock(m);
654 }
655
656 void
657 vm_page_and_queue_spin_unlock(vm_page_t m)
658 {
659         _vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
660 }
661
662 void
663 vm_page_and_queue_spin_lock(vm_page_t m)
664 {
665         _vm_page_and_queue_spin_lock(m);
666 }
667
668 /*
669  * Helper function removes vm_page from its current queue.
670  * Returns the base queue the page used to be on.
671  *
672  * The vm_page and the queue must be spinlocked.
673  * This function will unlock the queue but leave the page spinlocked.
674  */
675 static __inline u_short
676 _vm_page_rem_queue_spinlocked(vm_page_t m)
677 {
678         struct vpgqueues *pq;
679         u_short queue;
680         u_short oqueue;
681
682         queue = m->queue;
683         if (queue != PQ_NONE) {
684                 pq = &vm_page_queues[queue];
685                 TAILQ_REMOVE(&pq->pl, m, pageq);
686                 atomic_add_int(pq->cnt, -1);
687                 pq->lcnt--;
688                 m->queue = PQ_NONE;
689                 oqueue = queue;
690                 if ((queue - m->pc) == PQ_FREE && (m->flags & PG_ZERO))
691                         --pq->zero_count;
692                 if ((queue - m->pc) == PQ_CACHE || (queue - m->pc) == PQ_FREE)
693                         queue -= m->pc;
694                 vm_page_queues_spin_unlock(oqueue);     /* intended */
695         }
696         return queue;
697 }
698
699 /*
700  * Helper function places the vm_page on the specified queue.
701  *
702  * The vm_page must be spinlocked.
703  * This function will return with both the page and the queue locked.
704  */
705 static __inline void
706 _vm_page_add_queue_spinlocked(vm_page_t m, u_short queue, int athead)
707 {
708         struct vpgqueues *pq;
709
710         KKASSERT(m->queue == PQ_NONE);
711
712         if (queue != PQ_NONE) {
713                 vm_page_queues_spin_lock(queue);
714                 pq = &vm_page_queues[queue];
715                 ++pq->lcnt;
716                 atomic_add_int(pq->cnt, 1);
717                 m->queue = queue;
718
719                 /*
720                  * Put zero'd pages on the end ( where we look for zero'd pages
721                  * first ) and non-zerod pages at the head.
722                  */
723                 if (queue - m->pc == PQ_FREE) {
724                         if (m->flags & PG_ZERO) {
725                                 TAILQ_INSERT_TAIL(&pq->pl, m, pageq);
726                                 ++pq->zero_count;
727                         } else {
728                                 TAILQ_INSERT_HEAD(&pq->pl, m, pageq);
729                         }
730                 } else if (athead) {
731                         TAILQ_INSERT_HEAD(&pq->pl, m, pageq);
732                 } else {
733                         TAILQ_INSERT_TAIL(&pq->pl, m, pageq);
734                 }
735                 /* leave the queue spinlocked */
736         }
737 }
738
739 /*
740  * Wait until page is no longer PG_BUSY or (if also_m_busy is TRUE)
741  * m->busy is zero.  Returns TRUE if it had to sleep, FALSE if we
742  * did not.  Only one sleep call will be made before returning.
743  *
744  * This function does NOT busy the page and on return the page is not
745  * guaranteed to be available.
746  */
747 void
748 vm_page_sleep_busy(vm_page_t m, int also_m_busy, const char *msg)
749 {
750         u_int32_t flags;
751
752         for (;;) {
753                 flags = m->flags;
754                 cpu_ccfence();
755
756                 if ((flags & PG_BUSY) == 0 &&
757                     (also_m_busy == 0 || (flags & PG_SBUSY) == 0)) {
758                         break;
759                 }
760                 tsleep_interlock(m, 0);
761                 if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
762                                       flags | PG_WANTED | PG_REFERENCED)) {
763                         tsleep(m, PINTERLOCKED, msg, 0);
764                         break;
765                 }
766         }
767 }
768
769 /*
770  * This calculates and returns a page color given an optional VM object and
771  * either a pindex or an iterator.  We attempt to return a cpu-localized
772  * pg_color that is still roughly 16-way set-associative.  The CPU topology
773  * is used if it was probed.
774  *
775  * The caller may use the returned value to index into e.g. PQ_FREE when
776  * allocating a page in order to nominally obtain pages that are hopefully
777  * already localized to the requesting cpu.  This function is not able to
778  * provide any sort of guarantee of this, but does its best to improve
779  * hardware cache management performance.
780  *
781  * WARNING! The caller must mask the returned value with PQ_L2_MASK.
782  */
783 u_short
784 vm_get_pg_color(globaldata_t gd, vm_object_t object, vm_pindex_t pindex)
785 {
786         u_short pg_color;
787         int phys_id;
788         int core_id;
789         int object_pg_color;
790
791         phys_id = get_cpu_phys_id(gd->gd_cpuid);
792         core_id = get_cpu_core_id(gd->gd_cpuid);
793         object_pg_color = object ? object->pg_color : 0;
794
795         if (cpu_topology_phys_ids && cpu_topology_core_ids) {
796                 int grpsize = PQ_L2_SIZE / cpu_topology_phys_ids;
797
798                 if (grpsize / cpu_topology_core_ids >= PQ_SET_ASSOC) {
799                         /*
800                          * Enough space for a full break-down.
801                          */
802                         pg_color = phys_id * grpsize;
803                         pg_color += core_id * grpsize / cpu_topology_core_ids;
804                         pg_color += (pindex + object_pg_color) %
805                                     (grpsize / cpu_topology_core_ids);
806                 } else {
807                         /*
808                          * Not enough space, split up by physical package,
809                          * then split up by core id but only down to a
810                          * 16-set.  If all else fails, force a 16-set.
811                          */
812                         pg_color = phys_id * grpsize;
813                         if (grpsize > 16) {
814                                 pg_color += 16 * (core_id % (grpsize / 16));
815                                 grpsize = 16;
816                         } else {
817                                 grpsize = 16;
818                         }
819                         pg_color += (pindex + object_pg_color) %
820                                     grpsize;
821                 }
822         } else {
823                 /*
824                  * Unknown topology, distribute things evenly.
825                  */
826                 pg_color = gd->gd_cpuid * PQ_L2_SIZE / ncpus;
827                 pg_color += pindex + object_pg_color;
828         }
829         return pg_color;
830 }
831
832 /*
833  * Wait until PG_BUSY can be set, then set it.  If also_m_busy is TRUE we
834  * also wait for m->busy to become 0 before setting PG_BUSY.
835  */
836 void
837 VM_PAGE_DEBUG_EXT(vm_page_busy_wait)(vm_page_t m,
838                                      int also_m_busy, const char *msg
839                                      VM_PAGE_DEBUG_ARGS)
840 {
841         u_int32_t flags;
842
843         for (;;) {
844                 flags = m->flags;
845                 cpu_ccfence();
846                 if (flags & PG_BUSY) {
847                         tsleep_interlock(m, 0);
848                         if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
849                                           flags | PG_WANTED | PG_REFERENCED)) {
850                                 tsleep(m, PINTERLOCKED, msg, 0);
851                         }
852                 } else if (also_m_busy && (flags & PG_SBUSY)) {
853                         tsleep_interlock(m, 0);
854                         if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
855                                           flags | PG_WANTED | PG_REFERENCED)) {
856                                 tsleep(m, PINTERLOCKED, msg, 0);
857                         }
858                 } else {
859                         if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
860                                               flags | PG_BUSY)) {
861 #ifdef VM_PAGE_DEBUG
862                                 m->busy_func = func;
863                                 m->busy_line = lineno;
864 #endif
865                                 break;
866                         }
867                 }
868         }
869 }
870
871 /*
872  * Attempt to set PG_BUSY.  If also_m_busy is TRUE we only succeed if m->busy
873  * is also 0.
874  *
875  * Returns non-zero on failure.
876  */
877 int
878 VM_PAGE_DEBUG_EXT(vm_page_busy_try)(vm_page_t m, int also_m_busy
879                                     VM_PAGE_DEBUG_ARGS)
880 {
881         u_int32_t flags;
882
883         for (;;) {
884                 flags = m->flags;
885                 cpu_ccfence();
886                 if (flags & PG_BUSY)
887                         return TRUE;
888                 if (also_m_busy && (flags & PG_SBUSY))
889                         return TRUE;
890                 if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags, flags | PG_BUSY)) {
891 #ifdef VM_PAGE_DEBUG
892                                 m->busy_func = func;
893                                 m->busy_line = lineno;
894 #endif
895                         return FALSE;
896                 }
897         }
898 }
899
900 /*
901  * Clear the PG_BUSY flag and return non-zero to indicate to the caller
902  * that a wakeup() should be performed.
903  *
904  * The vm_page must be spinlocked and will remain spinlocked on return.
905  * The related queue must NOT be spinlocked (which could deadlock us).
906  *
907  * (inline version)
908  */
909 static __inline
910 int
911 _vm_page_wakeup(vm_page_t m)
912 {
913         u_int32_t flags;
914
915         for (;;) {
916                 flags = m->flags;
917                 cpu_ccfence();
918                 if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
919                                       flags & ~(PG_BUSY | PG_WANTED))) {
920                         break;
921                 }
922         }
923         return(flags & PG_WANTED);
924 }
925
926 /*
927  * Clear the PG_BUSY flag and wakeup anyone waiting for the page.  This
928  * is typically the last call you make on a page before moving onto
929  * other things.
930  */
931 void
932 vm_page_wakeup(vm_page_t m)
933 {
934         KASSERT(m->flags & PG_BUSY, ("vm_page_wakeup: page not busy!!!"));
935         vm_page_spin_lock(m);
936         if (_vm_page_wakeup(m)) {
937                 vm_page_spin_unlock(m);
938                 wakeup(m);
939         } else {
940                 vm_page_spin_unlock(m);
941         }
942 }
943
944 /*
945  * Holding a page keeps it from being reused.  Other parts of the system
946  * can still disassociate the page from its current object and free it, or
947  * perform read or write I/O on it and/or otherwise manipulate the page,
948  * but if the page is held the VM system will leave the page and its data
949  * intact and not reuse the page for other purposes until the last hold
950  * reference is released.  (see vm_page_wire() if you want to prevent the
951  * page from being disassociated from its object too).
952  *
953  * The caller must still validate the contents of the page and, if necessary,
954  * wait for any pending I/O (e.g. vm_page_sleep_busy() loop) to complete
955  * before manipulating the page.
956  *
957  * XXX get vm_page_spin_lock() here and move FREE->HOLD if necessary
958  */
959 void
960 vm_page_hold(vm_page_t m)
961 {
962         vm_page_spin_lock(m);
963         atomic_add_int(&m->hold_count, 1);
964         if (m->queue - m->pc == PQ_FREE) {
965                 _vm_page_queue_spin_lock(m);
966                 _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
967                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m, PQ_HOLD + m->pc, 0);
968                 _vm_page_queue_spin_unlock(m);
969         }
970         vm_page_spin_unlock(m);
971 }
972
973 /*
974  * The opposite of vm_page_hold().  If the page is on the HOLD queue
975  * it was freed while held and must be moved back to the FREE queue.
976  */
977 void
978 vm_page_unhold(vm_page_t m)
979 {
980         KASSERT(m->hold_count > 0 && m->queue - m->pc != PQ_FREE,
981                 ("vm_page_unhold: pg %p illegal hold_count (%d) or on FREE queue (%d)",
982                  m, m->hold_count, m->queue - m->pc));
983         vm_page_spin_lock(m);
984         atomic_add_int(&m->hold_count, -1);
985         if (m->hold_count == 0 && m->queue - m->pc == PQ_HOLD) {
986                 _vm_page_queue_spin_lock(m);
987                 _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
988                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m, PQ_FREE + m->pc, 0);
989                 _vm_page_queue_spin_unlock(m);
990         }
991         vm_page_spin_unlock(m);
992 }
993
994 /*
995  *      vm_page_getfake:
996  *
997  *      Create a fictitious page with the specified physical address and
998  *      memory attribute.  The memory attribute is the only the machine-
999  *      dependent aspect of a fictitious page that must be initialized.
1000  */
1001
1002 void
1003 vm_page_initfake(vm_page_t m, vm_paddr_t paddr, vm_memattr_t memattr)
1004 {
1005
1006         if ((m->flags & PG_FICTITIOUS) != 0) {
1007                 /*
1008                  * The page's memattr might have changed since the
1009                  * previous initialization.  Update the pmap to the
1010                  * new memattr.
1011                  */
1012                 goto memattr;
1013         }
1014         m->phys_addr = paddr;
1015         m->queue = PQ_NONE;
1016         /* Fictitious pages don't use "segind". */
1017         /* Fictitious pages don't use "order" or "pool". */
1018         m->flags = PG_FICTITIOUS | PG_UNMANAGED | PG_BUSY;
1019         m->wire_count = 1;
1020         pmap_page_init(m);
1021 memattr:
1022         pmap_page_set_memattr(m, memattr);
1023 }
1024
1025 /*
1026  * Inserts the given vm_page into the object and object list.
1027  *
1028  * The pagetables are not updated but will presumably fault the page
1029  * in if necessary, or if a kernel page the caller will at some point
1030  * enter the page into the kernel's pmap.  We are not allowed to block
1031  * here so we *can't* do this anyway.
1032  *
1033  * This routine may not block.
1034  * This routine must be called with the vm_object held.
1035  * This routine must be called with a critical section held.
1036  *
1037  * This routine returns TRUE if the page was inserted into the object
1038  * successfully, and FALSE if the page already exists in the object.
1039  */
1040 int
1041 vm_page_insert(vm_page_t m, vm_object_t object, vm_pindex_t pindex)
1042 {
1043         ASSERT_LWKT_TOKEN_HELD_EXCL(vm_object_token(object));
1044         if (m->object != NULL)
1045                 panic("vm_page_insert: already inserted");
1046
1047         object->generation++;
1048
1049         /*
1050          * Record the object/offset pair in this page and add the
1051          * pv_list_count of the page to the object.
1052          *
1053          * The vm_page spin lock is required for interactions with the pmap.
1054          */
1055         vm_page_spin_lock(m);
1056         m->object = object;
1057         m->pindex = pindex;
1058         if (vm_page_rb_tree_RB_INSERT(&object->rb_memq, m)) {
1059                 m->object = NULL;
1060                 m->pindex = 0;
1061                 vm_page_spin_unlock(m);
1062                 return FALSE;
1063         }
1064         ++object->resident_page_count;
1065         ++mycpu->gd_vmtotal.t_rm;
1066         /* atomic_add_int(&object->agg_pv_list_count, m->md.pv_list_count); */
1067         vm_page_spin_unlock(m);
1068
1069         /*
1070          * Since we are inserting a new and possibly dirty page,
1071          * update the object's OBJ_WRITEABLE and OBJ_MIGHTBEDIRTY flags.
1072          */
1073         if ((m->valid & m->dirty) ||
1074             (m->flags & (PG_WRITEABLE | PG_NEED_COMMIT)))
1075                 vm_object_set_writeable_dirty(object);
1076
1077         /*
1078          * Checks for a swap assignment and sets PG_SWAPPED if appropriate.
1079          */
1080         swap_pager_page_inserted(m);
1081         return TRUE;
1082 }
1083
1084 /*
1085  * Removes the given vm_page_t from the (object,index) table
1086  *
1087  * The underlying pmap entry (if any) is NOT removed here.
1088  * This routine may not block.
1089  *
1090  * The page must be BUSY and will remain BUSY on return.
1091  * No other requirements.
1092  *
1093  * NOTE: FreeBSD side effect was to unbusy the page on return.  We leave
1094  *       it busy.
1095  */
1096 void
1097 vm_page_remove(vm_page_t m)
1098 {
1099         vm_object_t object;
1100
1101         if (m->object == NULL) {
1102                 return;
1103         }
1104
1105         if ((m->flags & PG_BUSY) == 0)
1106                 panic("vm_page_remove: page not busy");
1107
1108         object = m->object;
1109
1110         vm_object_hold(object);
1111
1112         /*
1113          * Remove the page from the object and update the object.
1114          *
1115          * The vm_page spin lock is required for interactions with the pmap.
1116          */
1117         vm_page_spin_lock(m);
1118         vm_page_rb_tree_RB_REMOVE(&object->rb_memq, m);
1119         --object->resident_page_count;
1120         --mycpu->gd_vmtotal.t_rm;
1121         /* atomic_add_int(&object->agg_pv_list_count, -m->md.pv_list_count); */
1122         m->object = NULL;
1123         vm_page_spin_unlock(m);
1124
1125         object->generation++;
1126
1127         vm_object_drop(object);
1128 }
1129
1130 /*
1131  * Locate and return the page at (object, pindex), or NULL if the
1132  * page could not be found.
1133  *
1134  * The caller must hold the vm_object token.
1135  */
1136 vm_page_t
1137 vm_page_lookup(vm_object_t object, vm_pindex_t pindex)
1138 {
1139         vm_page_t m;
1140
1141         /*
1142          * Search the hash table for this object/offset pair
1143          */
1144         ASSERT_LWKT_TOKEN_HELD(vm_object_token(object));
1145         m = vm_page_rb_tree_RB_LOOKUP(&object->rb_memq, pindex);
1146         KKASSERT(m == NULL || (m->object == object && m->pindex == pindex));
1147         return(m);
1148 }
1149
1150 vm_page_t
1151 VM_PAGE_DEBUG_EXT(vm_page_lookup_busy_wait)(struct vm_object *object,
1152                                             vm_pindex_t pindex,
1153                                             int also_m_busy, const char *msg
1154                                             VM_PAGE_DEBUG_ARGS)
1155 {
1156         u_int32_t flags;
1157         vm_page_t m;
1158
1159         ASSERT_LWKT_TOKEN_HELD(vm_object_token(object));
1160         m = vm_page_rb_tree_RB_LOOKUP(&object->rb_memq, pindex);
1161         while (m) {
1162                 KKASSERT(m->object == object && m->pindex == pindex);
1163                 flags = m->flags;
1164                 cpu_ccfence();
1165                 if (flags & PG_BUSY) {
1166                         tsleep_interlock(m, 0);
1167                         if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
1168                                           flags | PG_WANTED | PG_REFERENCED)) {
1169                                 tsleep(m, PINTERLOCKED, msg, 0);
1170                                 m = vm_page_rb_tree_RB_LOOKUP(&object->rb_memq,
1171                                                               pindex);
1172                         }
1173                 } else if (also_m_busy && (flags & PG_SBUSY)) {
1174                         tsleep_interlock(m, 0);
1175                         if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
1176                                           flags | PG_WANTED | PG_REFERENCED)) {
1177                                 tsleep(m, PINTERLOCKED, msg, 0);
1178                                 m = vm_page_rb_tree_RB_LOOKUP(&object->rb_memq,
1179                                                               pindex);
1180                         }
1181                 } else if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags,
1182                                              flags | PG_BUSY)) {
1183 #ifdef VM_PAGE_DEBUG
1184                         m->busy_func = func;
1185                         m->busy_line = lineno;
1186 #endif
1187                         break;
1188                 }
1189         }
1190         return m;
1191 }
1192
1193 /*
1194  * Attempt to lookup and busy a page.
1195  *
1196  * Returns NULL if the page could not be found
1197  *
1198  * Returns a vm_page and error == TRUE if the page exists but could not
1199  * be busied.
1200  *
1201  * Returns a vm_page and error == FALSE on success.
1202  */
1203 vm_page_t
1204 VM_PAGE_DEBUG_EXT(vm_page_lookup_busy_try)(struct vm_object *object,
1205                                            vm_pindex_t pindex,
1206                                            int also_m_busy, int *errorp
1207                                            VM_PAGE_DEBUG_ARGS)
1208 {
1209         u_int32_t flags;
1210         vm_page_t m;
1211
1212         ASSERT_LWKT_TOKEN_HELD(vm_object_token(object));
1213         m = vm_page_rb_tree_RB_LOOKUP(&object->rb_memq, pindex);
1214         *errorp = FALSE;
1215         while (m) {
1216                 KKASSERT(m->object == object && m->pindex == pindex);
1217                 flags = m->flags;
1218                 cpu_ccfence();
1219                 if (flags & PG_BUSY) {
1220                         *errorp = TRUE;
1221                         break;
1222                 }
1223                 if (also_m_busy && (flags & PG_SBUSY)) {
1224                         *errorp = TRUE;
1225                         break;
1226                 }
1227                 if (atomic_cmpset_int(&m->flags, flags, flags | PG_BUSY)) {
1228 #ifdef VM_PAGE_DEBUG
1229                         m->busy_func = func;
1230                         m->busy_line = lineno;
1231 #endif
1232                         break;
1233                 }
1234         }
1235         return m;
1236 }
1237
1238 /*
1239  * Attempt to repurpose the passed-in page.  If the passed-in page cannot
1240  * be repurposed it will be released, *must_reenter will be set to 1, and
1241  * this function will fall-through to vm_page_lookup_busy_try().
1242  *
1243  * The passed-in page must be wired and not busy.  The returned page will
1244  * be busied and not wired.
1245  *
1246  * A different page may be returned.  The returned page will be busied and
1247  * not wired.
1248  *
1249  * NULL can be returned.  If so, the required page could not be busied.
1250  * The passed-in page will be unwired.
1251  */
1252 vm_page_t
1253 vm_page_repurpose(struct vm_object *object, vm_pindex_t pindex,
1254                   int also_m_busy, int *errorp, vm_page_t m,
1255                   int *must_reenter, int *iswired)
1256 {
1257         if (m) {
1258                 vm_page_busy_wait(m, TRUE, "biodep");
1259                 if ((m->flags & (PG_UNMANAGED | PG_MAPPED | PG_FICTITIOUS)) ||
1260                     m->busy || m->wire_count != 1 || m->hold_count) {
1261                         vm_page_unwire(m, 0);
1262                         vm_page_wakeup(m);
1263                         /* fall through to normal lookup */
1264                 } else if (m->dirty || (m->flags & PG_NEED_COMMIT)) {
1265                         vm_page_unwire(m, 0);
1266                         vm_page_deactivate(m);
1267                         vm_page_wakeup(m);
1268                         /* fall through to normal lookup */
1269                 } else {
1270                         /*
1271                          * We can safely repurpose the page.  It should
1272                          * already be unqueued.
1273                          */
1274                         KKASSERT(m->queue == PQ_NONE && m->dirty == 0);
1275                         vm_page_remove(m);
1276                         m->valid = 0;
1277                         m->act_count = 0;
1278                         if (vm_page_insert(m, object, pindex)) {
1279                                 *errorp = 0;
1280                                 *iswired = 1;
1281
1282                                 return m;
1283                         }
1284                         vm_page_unwire(m, 0);
1285                         vm_page_free(m);
1286                         /* fall through to normal lookup */
1287                 }
1288         }
1289         *must_reenter = 1;
1290         *iswired = 0;
1291         m = vm_page_lookup_busy_try(object, pindex, also_m_busy, errorp);
1292
1293         return m;
1294 }
1295
1296 /*
1297  * Caller must hold the related vm_object
1298  */
1299 vm_page_t
1300 vm_page_next(vm_page_t m)
1301 {
1302         vm_page_t next;
1303
1304         next = vm_page_rb_tree_RB_NEXT(m);
1305         if (next && next->pindex != m->pindex + 1)
1306                 next = NULL;
1307         return (next);
1308 }
1309
1310 /*
1311  * vm_page_rename()
1312  *
1313  * Move the given vm_page from its current object to the specified
1314  * target object/offset.  The page must be busy and will remain so
1315  * on return.
1316  *
1317  * new_object must be held.
1318  * This routine might block. XXX ?
1319  *
1320  * NOTE: Swap associated with the page must be invalidated by the move.  We
1321  *       have to do this for several reasons:  (1) we aren't freeing the
1322  *       page, (2) we are dirtying the page, (3) the VM system is probably
1323  *       moving the page from object A to B, and will then later move
1324  *       the backing store from A to B and we can't have a conflict.
1325  *
1326  * NOTE: We *always* dirty the page.  It is necessary both for the
1327  *       fact that we moved it, and because we may be invalidating
1328  *       swap.  If the page is on the cache, we have to deactivate it
1329  *       or vm_page_dirty() will panic.  Dirty pages are not allowed
1330  *       on the cache.
1331  */
1332 void
1333 vm_page_rename(vm_page_t m, vm_object_t new_object, vm_pindex_t new_pindex)
1334 {
1335         KKASSERT(m->flags & PG_BUSY);
1336         ASSERT_LWKT_TOKEN_HELD_EXCL(vm_object_token(new_object));
1337         if (m->object) {
1338                 ASSERT_LWKT_TOKEN_HELD_EXCL(vm_object_token(m->object));
1339                 vm_page_remove(m);
1340         }
1341         if (vm_page_insert(m, new_object, new_pindex) == FALSE) {
1342                 panic("vm_page_rename: target exists (%p,%"PRIu64")",
1343                       new_object, new_pindex);
1344         }
1345         if (m->queue - m->pc == PQ_CACHE)
1346                 vm_page_deactivate(m);
1347         vm_page_dirty(m);
1348 }
1349
1350 /*
1351  * vm_page_unqueue() without any wakeup.  This routine is used when a page
1352  * is to remain BUSYied by the caller.
1353  *
1354  * This routine may not block.
1355  */
1356 void
1357 vm_page_unqueue_nowakeup(vm_page_t m)
1358 {
1359         vm_page_and_queue_spin_lock(m);
1360         (void)_vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
1361         vm_page_spin_unlock(m);
1362 }
1363
1364 /*
1365  * vm_page_unqueue() - Remove a page from its queue, wakeup the pagedemon
1366  * if necessary.
1367  *
1368  * This routine may not block.
1369  */
1370 void
1371 vm_page_unqueue(vm_page_t m)
1372 {
1373         u_short queue;
1374
1375         vm_page_and_queue_spin_lock(m);
1376         queue = _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
1377         if (queue == PQ_FREE || queue == PQ_CACHE) {
1378                 vm_page_spin_unlock(m);
1379                 pagedaemon_wakeup();
1380         } else {
1381                 vm_page_spin_unlock(m);
1382         }
1383 }
1384
1385 /*
1386  * vm_page_list_find()
1387  *
1388  * Find a page on the specified queue with color optimization.
1389  *
1390  * The page coloring optimization attempts to locate a page that does
1391  * not overload other nearby pages in the object in the cpu's L1 or L2
1392  * caches.  We need this optimization because cpu caches tend to be
1393  * physical caches, while object spaces tend to be virtual.
1394  *
1395  * The page coloring optimization also, very importantly, tries to localize
1396  * memory to cpus and physical sockets.
1397  *
1398  * On MP systems each PQ_FREE and PQ_CACHE color queue has its own spinlock
1399  * and the algorithm is adjusted to localize allocations on a per-core basis.
1400  * This is done by 'twisting' the colors.
1401  *
1402  * The page is returned spinlocked and removed from its queue (it will
1403  * be on PQ_NONE), or NULL. The page is not PG_BUSY'd.  The caller
1404  * is responsible for dealing with the busy-page case (usually by
1405  * deactivating the page and looping).
1406  *
1407  * NOTE:  This routine is carefully inlined.  A non-inlined version
1408  *        is available for outside callers but the only critical path is
1409  *        from within this source file.
1410  *
1411  * NOTE:  This routine assumes that the vm_pages found in PQ_CACHE and PQ_FREE
1412  *        represent stable storage, allowing us to order our locks vm_page
1413  *        first, then queue.
1414  */
1415 static __inline
1416 vm_page_t
1417 _vm_page_list_find(int basequeue, int index, boolean_t prefer_zero)
1418 {
1419         vm_page_t m;
1420
1421         for (;;) {
1422                 if (prefer_zero) {
1423                         m = TAILQ_LAST(&vm_page_queues[basequeue+index].pl,
1424                                        pglist);
1425                 } else {
1426                         m = TAILQ_FIRST(&vm_page_queues[basequeue+index].pl);
1427                 }
1428                 if (m == NULL) {
1429                         m = _vm_page_list_find2(basequeue, index);
1430                         return(m);
1431                 }
1432                 vm_page_and_queue_spin_lock(m);
1433                 if (m->queue == basequeue + index) {
1434                         _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
1435                         /* vm_page_t spin held, no queue spin */
1436                         break;
1437                 }
1438                 vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
1439         }
1440         return(m);
1441 }
1442
1443 /*
1444  * If we could not find the page in the desired queue try to find it in
1445  * a nearby queue.
1446  */
1447 static vm_page_t
1448 _vm_page_list_find2(int basequeue, int index)
1449 {
1450         struct vpgqueues *pq;
1451         vm_page_t m = NULL;
1452         int pqmask = PQ_SET_ASSOC_MASK >> 1;
1453         int pqi;
1454         int i;
1455
1456         index &= PQ_L2_MASK;
1457         pq = &vm_page_queues[basequeue];
1458
1459         /*
1460          * Run local sets of 16, 32, 64, 128, and the whole queue if all
1461          * else fails (PQ_L2_MASK which is 255).
1462          */
1463         do {
1464                 pqmask = (pqmask << 1) | 1;
1465                 for (i = 0; i <= pqmask; ++i) {
1466                         pqi = (index & ~pqmask) | ((index + i) & pqmask);
1467                         m = TAILQ_FIRST(&pq[pqi].pl);
1468                         if (m) {
1469                                 _vm_page_and_queue_spin_lock(m);
1470                                 if (m->queue == basequeue + pqi) {
1471                                         _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
1472                                         return(m);
1473                                 }
1474                                 _vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
1475                                 --i;
1476                                 continue;
1477                         }
1478                 }
1479         } while (pqmask != PQ_L2_MASK);
1480
1481         return(m);
1482 }
1483
1484 /*
1485  * Returns a vm_page candidate for allocation.  The page is not busied so
1486  * it can move around.  The caller must busy the page (and typically
1487  * deactivate it if it cannot be busied!)
1488  *
1489  * Returns a spinlocked vm_page that has been removed from its queue.
1490  */
1491 vm_page_t
1492 vm_page_list_find(int basequeue, int index, boolean_t prefer_zero)
1493 {
1494         return(_vm_page_list_find(basequeue, index, prefer_zero));
1495 }
1496
1497 /*
1498  * Find a page on the cache queue with color optimization, remove it
1499  * from the queue, and busy it.  The returned page will not be spinlocked.
1500  *
1501  * A candidate failure will be deactivated.  Candidates can fail due to
1502  * being busied by someone else, in which case they will be deactivated.
1503  *
1504  * This routine may not block.
1505  *
1506  */
1507 static vm_page_t
1508 vm_page_select_cache(u_short pg_color)
1509 {
1510         vm_page_t m;
1511
1512         for (;;) {
1513                 m = _vm_page_list_find(PQ_CACHE, pg_color & PQ_L2_MASK, FALSE);
1514                 if (m == NULL)
1515                         break;
1516                 /*
1517                  * (m) has been removed from its queue and spinlocked
1518                  */
1519                 if (vm_page_busy_try(m, TRUE)) {
1520                         _vm_page_deactivate_locked(m, 0);
1521                         vm_page_spin_unlock(m);
1522                 } else {
1523                         /*
1524                          * We successfully busied the page
1525                          */
1526                         if ((m->flags & (PG_UNMANAGED | PG_NEED_COMMIT)) == 0 &&
1527                             m->hold_count == 0 &&
1528                             m->wire_count == 0 &&
1529                             (m->dirty & m->valid) == 0) {
1530                                 vm_page_spin_unlock(m);
1531                                 pagedaemon_wakeup();
1532                                 return(m);
1533                         }
1534
1535                         /*
1536                          * The page cannot be recycled, deactivate it.
1537                          */
1538                         _vm_page_deactivate_locked(m, 0);
1539                         if (_vm_page_wakeup(m)) {
1540                                 vm_page_spin_unlock(m);
1541                                 wakeup(m);
1542                         } else {
1543                                 vm_page_spin_unlock(m);
1544                         }
1545                 }
1546         }
1547         return (m);
1548 }
1549
1550 /*
1551  * Find a free or zero page, with specified preference.  We attempt to
1552  * inline the nominal case and fall back to _vm_page_select_free() 
1553  * otherwise.  A busied page is removed from the queue and returned.
1554  *
1555  * This routine may not block.
1556  */
1557 static __inline vm_page_t
1558 vm_page_select_free(u_short pg_color, boolean_t prefer_zero)
1559 {
1560         vm_page_t m;
1561
1562         for (;;) {
1563                 m = _vm_page_list_find(PQ_FREE, pg_color & PQ_L2_MASK,
1564                                        prefer_zero);
1565                 if (m == NULL)
1566                         break;
1567                 if (vm_page_busy_try(m, TRUE)) {
1568                         /*
1569                          * Various mechanisms such as a pmap_collect can
1570                          * result in a busy page on the free queue.  We
1571                          * have to move the page out of the way so we can
1572                          * retry the allocation.  If the other thread is not
1573                          * allocating the page then m->valid will remain 0 and
1574                          * the pageout daemon will free the page later on.
1575                          *
1576                          * Since we could not busy the page, however, we
1577                          * cannot make assumptions as to whether the page
1578                          * will be allocated by the other thread or not,
1579                          * so all we can do is deactivate it to move it out
1580                          * of the way.  In particular, if the other thread
1581                          * wires the page it may wind up on the inactive
1582                          * queue and the pageout daemon will have to deal
1583                          * with that case too.
1584                          */
1585                         _vm_page_deactivate_locked(m, 0);
1586                         vm_page_spin_unlock(m);
1587                 } else {
1588                         /*
1589                          * Theoretically if we are able to busy the page
1590                          * atomic with the queue removal (using the vm_page
1591                          * lock) nobody else should be able to mess with the
1592                          * page before us.
1593                          */
1594                         KKASSERT((m->flags & (PG_UNMANAGED |
1595                                               PG_NEED_COMMIT)) == 0);
1596                         KASSERT(m->hold_count == 0, ("m->hold_count is not zero "
1597                                                      "pg %p q=%d flags=%08x hold=%d wire=%d",
1598                                                      m, m->queue, m->flags, m->hold_count, m->wire_count));
1599                         KKASSERT(m->wire_count == 0);
1600                         vm_page_spin_unlock(m);
1601                         pagedaemon_wakeup();
1602
1603                         /* return busied and removed page */
1604                         return(m);
1605                 }
1606         }
1607         return(m);
1608 }
1609
1610 /*
1611  * This implements a per-cpu cache of free, zero'd, ready-to-go pages.
1612  * The idea is to populate this cache prior to acquiring any locks so
1613  * we don't wind up potentially zeroing VM pages (under heavy loads) while
1614  * holding potentialy contending locks.
1615  *
1616  * Note that we allocate the page uninserted into anything and use a pindex
1617  * of 0, the vm_page_alloc() will effectively add gd_cpuid so these
1618  * allocations should wind up being uncontended.  However, we still want
1619  * to rove across PQ_L2_SIZE.
1620  */
1621 void
1622 vm_page_pcpu_cache(void)
1623 {
1624 #if 0
1625         globaldata_t gd = mycpu;
1626         vm_page_t m;
1627
1628         if (gd->gd_vmpg_count < GD_MINVMPG) {
1629                 crit_enter_gd(gd);
1630                 while (gd->gd_vmpg_count < GD_MAXVMPG) {
1631                         m = vm_page_alloc(NULL, ticks & ~ncpus2_mask,
1632                                           VM_ALLOC_NULL_OK | VM_ALLOC_NORMAL |
1633                                           VM_ALLOC_NULL_OK | VM_ALLOC_ZERO);
1634                         if (gd->gd_vmpg_count < GD_MAXVMPG) {
1635                                 if ((m->flags & PG_ZERO) == 0) {
1636                                         pmap_zero_page(VM_PAGE_TO_PHYS(m));
1637                                         vm_page_flag_set(m, PG_ZERO);
1638                                 }
1639                                 gd->gd_vmpg_array[gd->gd_vmpg_count++] = m;
1640                         } else {
1641                                 vm_page_free(m);
1642                         }
1643                 }
1644                 crit_exit_gd(gd);
1645         }
1646 #endif
1647 }
1648
1649 /*
1650  * vm_page_alloc()
1651  *
1652  * Allocate and return a memory cell associated with this VM object/offset
1653  * pair.  If object is NULL an unassociated page will be allocated.
1654  *
1655  * The returned page will be busied and removed from its queues.  This
1656  * routine can block and may return NULL if a race occurs and the page
1657  * is found to already exist at the specified (object, pindex).
1658  *
1659  *      VM_ALLOC_NORMAL         allow use of cache pages, nominal free drain
1660  *      VM_ALLOC_QUICK          like normal but cannot use cache
1661  *      VM_ALLOC_SYSTEM         greater free drain
1662  *      VM_ALLOC_INTERRUPT      allow free list to be completely drained
1663  *      VM_ALLOC_ZERO           advisory request for pre-zero'd page only
1664  *      VM_ALLOC_FORCE_ZERO     advisory request for pre-zero'd page only
1665  *      VM_ALLOC_NULL_OK        ok to return NULL on insertion collision
1666  *                              (see vm_page_grab())
1667  *      VM_ALLOC_USE_GD         ok to use per-gd cache
1668  *
1669  * The object must be held if not NULL
1670  * This routine may not block
1671  *
1672  * Additional special handling is required when called from an interrupt
1673  * (VM_ALLOC_INTERRUPT).  We are not allowed to mess with the page cache
1674  * in this case.
1675  */
1676 vm_page_t
1677 vm_page_alloc(vm_object_t object, vm_pindex_t pindex, int page_req)
1678 {
1679         globaldata_t gd = mycpu;
1680         vm_object_t obj;
1681         vm_page_t m;
1682         u_short pg_color;
1683
1684 #if 0
1685         /*
1686          * Special per-cpu free VM page cache.  The pages are pre-busied
1687          * and pre-zerod for us.
1688          */
1689         if (gd->gd_vmpg_count && (page_req & VM_ALLOC_USE_GD)) {
1690                 crit_enter_gd(gd);
1691                 if (gd->gd_vmpg_count) {
1692                         m = gd->gd_vmpg_array[--gd->gd_vmpg_count];
1693                         crit_exit_gd(gd);
1694                         goto done;
1695                 }
1696                 crit_exit_gd(gd);
1697         }
1698 #endif
1699         m = NULL;
1700
1701         /*
1702          * CPU LOCALIZATION
1703          *
1704          * CPU localization algorithm.  Break the page queues up by physical
1705          * id and core id (note that two cpu threads will have the same core
1706          * id, and core_id != gd_cpuid).
1707          *
1708          * This is nowhere near perfect, for example the last pindex in a
1709          * subgroup will overflow into the next cpu or package.  But this
1710          * should get us good page reuse locality in heavy mixed loads.
1711          */
1712         pg_color = vm_get_pg_color(gd, object, pindex);
1713
1714         KKASSERT(page_req & 
1715                 (VM_ALLOC_NORMAL|VM_ALLOC_QUICK|
1716                  VM_ALLOC_INTERRUPT|VM_ALLOC_SYSTEM));
1717
1718         /*
1719          * Certain system threads (pageout daemon, buf_daemon's) are
1720          * allowed to eat deeper into the free page list.
1721          */
1722         if (curthread->td_flags & TDF_SYSTHREAD)
1723                 page_req |= VM_ALLOC_SYSTEM;
1724
1725         /*
1726          * Impose various limitations.  Note that the v_free_reserved test
1727          * must match the opposite of vm_page_count_target() to avoid
1728          * livelocks, be careful.
1729          */
1730 loop:
1731         if (vmstats.v_free_count >= vmstats.v_free_reserved ||
1732             ((page_req & VM_ALLOC_INTERRUPT) && vmstats.v_free_count > 0) ||
1733             ((page_req & VM_ALLOC_SYSTEM) && vmstats.v_cache_count == 0 &&
1734                 vmstats.v_free_count > vmstats.v_interrupt_free_min)
1735         ) {
1736                 /*
1737                  * The free queue has sufficient free pages to take one out.
1738                  */
1739                 if (page_req & (VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_FORCE_ZERO))
1740                         m = vm_page_select_free(pg_color, TRUE);
1741                 else
1742                         m = vm_page_select_free(pg_color, FALSE);
1743         } else if (page_req & VM_ALLOC_NORMAL) {
1744                 /*
1745                  * Allocatable from the cache (non-interrupt only).  On
1746                  * success, we must free the page and try again, thus
1747                  * ensuring that vmstats.v_*_free_min counters are replenished.
1748                  */
1749 #ifdef INVARIANTS
1750                 if (curthread->td_preempted) {
1751                         kprintf("vm_page_alloc(): warning, attempt to allocate"
1752                                 " cache page from preempting interrupt\n");
1753                         m = NULL;
1754                 } else {
1755                         m = vm_page_select_cache(pg_color);
1756                 }
1757 #else
1758                 m = vm_page_select_cache(pg_color);
1759 #endif
1760                 /*
1761                  * On success move the page into the free queue and loop.
1762                  *
1763                  * Only do this if we can safely acquire the vm_object lock,
1764                  * because this is effectively a random page and the caller
1765                  * might be holding the lock shared, we don't want to
1766                  * deadlock.
1767                  */
1768                 if (m != NULL) {
1769                         KASSERT(m->dirty == 0,
1770                                 ("Found dirty cache page %p", m));
1771                         if ((obj = m->object) != NULL) {
1772                                 if (vm_object_hold_try(obj)) {
1773                                         vm_page_protect(m, VM_PROT_NONE);
1774                                         vm_page_free(m);
1775                                         /* m->object NULL here */
1776                                         vm_object_drop(obj);
1777                                 } else {
1778                                         vm_page_deactivate(m);
1779                                         vm_page_wakeup(m);
1780                                 }
1781                         } else {
1782                                 vm_page_protect(m, VM_PROT_NONE);
1783                                 vm_page_free(m);
1784                         }
1785                         goto loop;
1786                 }
1787
1788                 /*
1789                  * On failure return NULL
1790                  */
1791 #if defined(DIAGNOSTIC)
1792                 if (vmstats.v_cache_count > 0)
1793                         kprintf("vm_page_alloc(NORMAL): missing pages on cache queue: %d\n", vmstats.v_cache_count);
1794 #endif
1795                 vm_pageout_deficit++;
1796                 pagedaemon_wakeup();
1797                 return (NULL);
1798         } else {
1799                 /*
1800                  * No pages available, wakeup the pageout daemon and give up.
1801                  */
1802                 vm_pageout_deficit++;
1803                 pagedaemon_wakeup();
1804                 return (NULL);
1805         }
1806
1807         /*
1808          * v_free_count can race so loop if we don't find the expected
1809          * page.
1810          */
1811         if (m == NULL)
1812                 goto loop;
1813
1814         /*
1815          * Good page found.  The page has already been busied for us and
1816          * removed from its queues.
1817          */
1818         KASSERT(m->dirty == 0,
1819                 ("vm_page_alloc: free/cache page %p was dirty", m));
1820         KKASSERT(m->queue == PQ_NONE);
1821
1822 #if 0
1823 done:
1824 #endif
1825         /*
1826          * Initialize the structure, inheriting some flags but clearing
1827          * all the rest.  The page has already been busied for us.
1828          */
1829         vm_page_flag_clear(m, ~(PG_ZERO | PG_BUSY | PG_SBUSY));
1830         KKASSERT(m->wire_count == 0);
1831         KKASSERT(m->busy == 0);
1832         m->act_count = 0;
1833         m->valid = 0;
1834
1835         /*
1836          * Caller must be holding the object lock (asserted by
1837          * vm_page_insert()).
1838          *
1839          * NOTE: Inserting a page here does not insert it into any pmaps
1840          *       (which could cause us to block allocating memory).
1841          *
1842          * NOTE: If no object an unassociated page is allocated, m->pindex
1843          *       can be used by the caller for any purpose.
1844          */
1845         if (object) {
1846                 if (vm_page_insert(m, object, pindex) == FALSE) {
1847                         vm_page_free(m);
1848                         if ((page_req & VM_ALLOC_NULL_OK) == 0)
1849                                 panic("PAGE RACE %p[%ld]/%p",
1850                                       object, (long)pindex, m);
1851                         m = NULL;
1852                 }
1853         } else {
1854                 m->pindex = pindex;
1855         }
1856
1857         /*
1858          * Don't wakeup too often - wakeup the pageout daemon when
1859          * we would be nearly out of memory.
1860          */
1861         pagedaemon_wakeup();
1862
1863         /*
1864          * A PG_BUSY page is returned.
1865          */
1866         return (m);
1867 }
1868
1869 /*
1870  * Returns number of pages available in our DMA memory reserve
1871  * (adjusted with vm.dma_reserved=<value>m in /boot/loader.conf)
1872  */
1873 vm_size_t
1874 vm_contig_avail_pages(void)
1875 {
1876         alist_blk_t blk;
1877         alist_blk_t count;
1878         alist_blk_t bfree;
1879         spin_lock(&vm_contig_spin);
1880         bfree = alist_free_info(&vm_contig_alist, &blk, &count);
1881         spin_unlock(&vm_contig_spin);
1882
1883         return bfree;
1884 }
1885
1886 /*
1887  * Attempt to allocate contiguous physical memory with the specified
1888  * requirements.
1889  */
1890 vm_page_t
1891 vm_page_alloc_contig(vm_paddr_t low, vm_paddr_t high,
1892                      unsigned long alignment, unsigned long boundary,
1893                      unsigned long size, vm_memattr_t memattr)
1894 {
1895         alist_blk_t blk;
1896         vm_page_t m;
1897         int i;
1898
1899         alignment >>= PAGE_SHIFT;
1900         if (alignment == 0)
1901                 alignment = 1;
1902         boundary >>= PAGE_SHIFT;
1903         if (boundary == 0)
1904                 boundary = 1;
1905         size = (size + PAGE_MASK) >> PAGE_SHIFT;
1906
1907         spin_lock(&vm_contig_spin);
1908         blk = alist_alloc(&vm_contig_alist, 0, size);
1909         if (blk == ALIST_BLOCK_NONE) {
1910                 spin_unlock(&vm_contig_spin);
1911                 if (bootverbose) {
1912                         kprintf("vm_page_alloc_contig: %ldk nospace\n",
1913                                 (size + PAGE_MASK) * (PAGE_SIZE / 1024));
1914                 }
1915                 return(NULL);
1916         }
1917         if (high && ((vm_paddr_t)(blk + size) << PAGE_SHIFT) > high) {
1918                 alist_free(&vm_contig_alist, blk, size);
1919                 spin_unlock(&vm_contig_spin);
1920                 if (bootverbose) {
1921                         kprintf("vm_page_alloc_contig: %ldk high "
1922                                 "%016jx failed\n",
1923                                 (size + PAGE_MASK) * (PAGE_SIZE / 1024),
1924                                 (intmax_t)high);
1925                 }
1926                 return(NULL);
1927         }
1928         spin_unlock(&vm_contig_spin);
1929         if (vm_contig_verbose) {
1930                 kprintf("vm_page_alloc_contig: %016jx/%ldk\n",
1931                         (intmax_t)(vm_paddr_t)blk << PAGE_SHIFT,
1932                         (size + PAGE_MASK) * (PAGE_SIZE / 1024));
1933         }
1934
1935         m = PHYS_TO_VM_PAGE((vm_paddr_t)blk << PAGE_SHIFT);
1936         if (memattr != VM_MEMATTR_DEFAULT)
1937                 for (i = 0;i < size;i++)
1938                         pmap_page_set_memattr(&m[i], memattr);
1939         return m;
1940 }
1941
1942 /*
1943  * Free contiguously allocated pages.  The pages will be wired but not busy.
1944  * When freeing to the alist we leave them wired and not busy.
1945  */
1946 void
1947 vm_page_free_contig(vm_page_t m, unsigned long size)
1948 {
1949         vm_paddr_t pa = VM_PAGE_TO_PHYS(m);
1950         vm_pindex_t start = pa >> PAGE_SHIFT;
1951         vm_pindex_t pages = (size + PAGE_MASK) >> PAGE_SHIFT;
1952
1953         if (vm_contig_verbose) {
1954                 kprintf("vm_page_free_contig:  %016jx/%ldk\n",
1955                         (intmax_t)pa, size / 1024);
1956         }
1957         if (pa < vm_low_phys_reserved) {
1958                 KKASSERT(pa + size <= vm_low_phys_reserved);
1959                 spin_lock(&vm_contig_spin);
1960                 alist_free(&vm_contig_alist, start, pages);
1961                 spin_unlock(&vm_contig_spin);
1962         } else {
1963                 while (pages) {
1964                         vm_page_busy_wait(m, FALSE, "cpgfr");
1965                         vm_page_unwire(m, 0);
1966                         vm_page_free(m);
1967                         --pages;
1968                         ++m;
1969                 }
1970
1971         }
1972 }
1973
1974
1975 /*
1976  * Wait for sufficient free memory for nominal heavy memory use kernel
1977  * operations.
1978  *
1979  * WARNING!  Be sure never to call this in any vm_pageout code path, which
1980  *           will trivially deadlock the system.
1981  */
1982 void
1983 vm_wait_nominal(void)
1984 {
1985         while (vm_page_count_min(0))
1986                 vm_wait(0);
1987 }
1988
1989 /*
1990  * Test if vm_wait_nominal() would block.
1991  */
1992 int
1993 vm_test_nominal(void)
1994 {
1995         if (vm_page_count_min(0))
1996                 return(1);
1997         return(0);
1998 }
1999
2000 /*
2001  * Block until free pages are available for allocation, called in various
2002  * places before memory allocations.
2003  *
2004  * The caller may loop if vm_page_count_min() == FALSE so we cannot be
2005  * more generous then that.
2006  */
2007 void
2008 vm_wait(int timo)
2009 {
2010         /*
2011          * never wait forever
2012          */
2013         if (timo == 0)
2014                 timo = hz;
2015         lwkt_gettoken(&vm_token);
2016
2017         if (curthread == pagethread) {
2018                 /*
2019                  * The pageout daemon itself needs pages, this is bad.
2020                  */
2021                 if (vm_page_count_min(0)) {
2022                         vm_pageout_pages_needed = 1;
2023                         tsleep(&vm_pageout_pages_needed, 0, "VMWait", timo);
2024                 }
2025         } else {
2026                 /*
2027                  * Wakeup the pageout daemon if necessary and wait.
2028                  *
2029                  * Do not wait indefinitely for the target to be reached,
2030                  * as load might prevent it from being reached any time soon.
2031                  * But wait a little to try to slow down page allocations
2032                  * and to give more important threads (the pagedaemon)
2033                  * allocation priority.
2034                  */
2035                 if (vm_page_count_target()) {
2036                         if (vm_pages_needed == 0) {
2037                                 vm_pages_needed = 1;
2038                                 wakeup(&vm_pages_needed);
2039                         }
2040                         ++vm_pages_waiting;     /* SMP race ok */
2041                         tsleep(&vmstats.v_free_count, 0, "vmwait", timo);
2042                 }
2043         }
2044         lwkt_reltoken(&vm_token);
2045 }
2046
2047 /*
2048  * Block until free pages are available for allocation
2049  *
2050  * Called only from vm_fault so that processes page faulting can be
2051  * easily tracked.
2052  */
2053 void
2054 vm_wait_pfault(void)
2055 {
2056         /*
2057          * Wakeup the pageout daemon if necessary and wait.
2058          *
2059          * Do not wait indefinitely for the target to be reached,
2060          * as load might prevent it from being reached any time soon.
2061          * But wait a little to try to slow down page allocations
2062          * and to give more important threads (the pagedaemon)
2063          * allocation priority.
2064          */
2065         if (vm_page_count_min(0)) {
2066                 lwkt_gettoken(&vm_token);
2067                 while (vm_page_count_severe()) {
2068                         if (vm_page_count_target()) {
2069                                 if (vm_pages_needed == 0) {
2070                                         vm_pages_needed = 1;
2071                                         wakeup(&vm_pages_needed);
2072                                 }
2073                                 ++vm_pages_waiting;     /* SMP race ok */
2074                                 tsleep(&vmstats.v_free_count, 0, "pfault", hz);
2075                         }
2076                 }
2077                 lwkt_reltoken(&vm_token);
2078         }
2079 }
2080
2081 /*
2082  * Put the specified page on the active list (if appropriate).  Ensure
2083  * that act_count is at least ACT_INIT but do not otherwise mess with it.
2084  *
2085  * The caller should be holding the page busied ? XXX
2086  * This routine may not block.
2087  */
2088 void
2089 vm_page_activate(vm_page_t m)
2090 {
2091         u_short oqueue;
2092
2093         vm_page_spin_lock(m);
2094         if (m->queue - m->pc != PQ_ACTIVE) {
2095                 _vm_page_queue_spin_lock(m);
2096                 oqueue = _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
2097                 /* page is left spinlocked, queue is unlocked */
2098
2099                 if (oqueue == PQ_CACHE)
2100                         mycpu->gd_cnt.v_reactivated++;
2101                 if (m->wire_count == 0 && (m->flags & PG_UNMANAGED) == 0) {
2102                         if (m->act_count < ACT_INIT)
2103                                 m->act_count = ACT_INIT;
2104                         _vm_page_add_queue_spinlocked(m, PQ_ACTIVE + m->pc, 0);
2105                 }
2106                 _vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
2107                 if (oqueue == PQ_CACHE || oqueue == PQ_FREE)
2108                         pagedaemon_wakeup();
2109         } else {
2110                 if (m->act_count < ACT_INIT)
2111                         m->act_count = ACT_INIT;
2112                 vm_page_spin_unlock(m);
2113         }
2114 }
2115
2116 /*
2117  * Helper routine for vm_page_free_toq() and vm_page_cache().  This
2118  * routine is called when a page has been added to the cache or free
2119  * queues.
2120  *
2121  * This routine may not block.
2122  */
2123 static __inline void
2124 vm_page_free_wakeup(void)
2125 {
2126         /*
2127          * If the pageout daemon itself needs pages, then tell it that
2128          * there are some free.
2129          */
2130         if (vm_pageout_pages_needed &&
2131             vmstats.v_cache_count + vmstats.v_free_count >= 
2132             vmstats.v_pageout_free_min
2133         ) {
2134                 vm_pageout_pages_needed = 0;
2135                 wakeup(&vm_pageout_pages_needed);
2136         }
2137
2138         /*
2139          * Wakeup processes that are waiting on memory.
2140          *
2141          * Generally speaking we want to wakeup stuck processes as soon as
2142          * possible.  !vm_page_count_min(0) is the absolute minimum point
2143          * where we can do this.  Wait a bit longer to reduce degenerate
2144          * re-blocking (vm_page_free_hysteresis).  The target check is just
2145          * to make sure the min-check w/hysteresis does not exceed the
2146          * normal target.
2147          */
2148         if (vm_pages_waiting) {
2149                 if (!vm_page_count_min(vm_page_free_hysteresis) ||
2150                     !vm_page_count_target()) {
2151                         vm_pages_waiting = 0;
2152                         wakeup(&vmstats.v_free_count);
2153                         ++mycpu->gd_cnt.v_ppwakeups;
2154                 }
2155 #if 0
2156                 if (!vm_page_count_target()) {
2157                         /*
2158                          * Plenty of pages are free, wakeup everyone.
2159                          */
2160                         vm_pages_waiting = 0;
2161                         wakeup(&vmstats.v_free_count);
2162                         ++mycpu->gd_cnt.v_ppwakeups;
2163                 } else if (!vm_page_count_min(0)) {
2164                         /*
2165                          * Some pages are free, wakeup someone.
2166                          */
2167                         int wcount = vm_pages_waiting;
2168                         if (wcount > 0)
2169                                 --wcount;
2170                         vm_pages_waiting = wcount;
2171                         wakeup_one(&vmstats.v_free_count);
2172                         ++mycpu->gd_cnt.v_ppwakeups;
2173                 }
2174 #endif
2175         }
2176 }
2177
2178 /*
2179  * Returns the given page to the PQ_FREE or PQ_HOLD list and disassociates
2180  * it from its VM object.
2181  *
2182  * The vm_page must be PG_BUSY on entry.  PG_BUSY will be released on
2183  * return (the page will have been freed).
2184  */
2185 void
2186 vm_page_free_toq(vm_page_t m)
2187 {
2188         mycpu->gd_cnt.v_tfree++;
2189         KKASSERT((m->flags & PG_MAPPED) == 0);
2190         KKASSERT(m->flags & PG_BUSY);
2191
2192         if (m->busy || ((m->queue - m->pc) == PQ_FREE)) {
2193                 kprintf("vm_page_free: pindex(%lu), busy(%d), "
2194                         "PG_BUSY(%d), hold(%d)\n",
2195                         (u_long)m->pindex, m->busy,
2196                         ((m->flags & PG_BUSY) ? 1 : 0), m->hold_count);
2197                 if ((m->queue - m->pc) == PQ_FREE)
2198                         panic("vm_page_free: freeing free page");
2199                 else
2200                         panic("vm_page_free: freeing busy page");
2201         }
2202
2203         /*
2204          * Remove from object, spinlock the page and its queues and
2205          * remove from any queue.  No queue spinlock will be held
2206          * after this section (because the page was removed from any
2207          * queue).
2208          */
2209         vm_page_remove(m);
2210         vm_page_and_queue_spin_lock(m);
2211         _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
2212
2213         /*
2214          * No further management of fictitious pages occurs beyond object
2215          * and queue removal.
2216          */
2217         if ((m->flags & PG_FICTITIOUS) != 0) {
2218                 vm_page_spin_unlock(m);
2219                 vm_page_wakeup(m);
2220                 return;
2221         }
2222
2223         m->valid = 0;
2224         vm_page_undirty(m);
2225
2226         if (m->wire_count != 0) {
2227                 if (m->wire_count > 1) {
2228                     panic(
2229                         "vm_page_free: invalid wire count (%d), pindex: 0x%lx",
2230                         m->wire_count, (long)m->pindex);
2231                 }
2232                 panic("vm_page_free: freeing wired page");
2233         }
2234
2235         /*
2236          * Clear the UNMANAGED flag when freeing an unmanaged page.
2237          * Clear the NEED_COMMIT flag
2238          */
2239         if (m->flags & PG_UNMANAGED)
2240                 vm_page_flag_clear(m, PG_UNMANAGED);
2241         if (m->flags & PG_NEED_COMMIT)
2242                 vm_page_flag_clear(m, PG_NEED_COMMIT);
2243
2244         if (m->hold_count != 0) {
2245                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
2246                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m, PQ_HOLD + m->pc, 0);
2247         } else {
2248                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m, PQ_FREE + m->pc, 0);
2249         }
2250
2251         /*
2252          * This sequence allows us to clear PG_BUSY while still holding
2253          * its spin lock, which reduces contention vs allocators.  We
2254          * must not leave the queue locked or _vm_page_wakeup() may
2255          * deadlock.
2256          */
2257         _vm_page_queue_spin_unlock(m);
2258         if (_vm_page_wakeup(m)) {
2259                 vm_page_spin_unlock(m);
2260                 wakeup(m);
2261         } else {
2262                 vm_page_spin_unlock(m);
2263         }
2264         vm_page_free_wakeup();
2265 }
2266
2267 /*
2268  * vm_page_free_fromq_fast()
2269  *
2270  * Remove a non-zero page from one of the free queues; the page is removed for
2271  * zeroing, so do not issue a wakeup.
2272  *
2273  * Our zeroidle code is now per-cpu so only do a limited scan.  We try to
2274  * stay within a single cpu's domain but we do a little statistical
2275  * improvement by encompassing two cpu's domains worst-case.
2276  */
2277 vm_page_t
2278 vm_page_free_fromq_fast(void)
2279 {
2280         globaldata_t gd = mycpu;
2281         vm_page_t m;
2282         int i;
2283         int qi;
2284
2285         m = NULL;
2286         qi = vm_get_pg_color(gd, NULL, ++gd->gd_quick_color);
2287         qi = qi & PQ_L2_MASK;
2288
2289         /*
2290          * 16 = one cpu's domain
2291          * 32 = two cpu's domains
2292          * (note masking at bottom of loop!)
2293          */
2294         for (i = 0; i < 10; ++i) {
2295                 m = vm_page_list_find(PQ_FREE, qi, FALSE);
2296                 /* page is returned spinlocked and removed from its queue */
2297                 if (m) {
2298                         if (vm_page_busy_try(m, TRUE)) {
2299                                 /*
2300                                  * We were unable to busy the page, deactivate
2301                                  * it and loop.
2302                                  */
2303                                 _vm_page_deactivate_locked(m, 0);
2304                                 vm_page_spin_unlock(m);
2305                         } else if (m->flags & PG_ZERO) {
2306                                 /*
2307                                  * The page is already PG_ZERO, requeue it
2308                                  * and loop.
2309                                  */
2310                                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m,
2311                                                               PQ_FREE + m->pc,
2312                                                               0);
2313                                 vm_page_queue_spin_unlock(m);
2314                                 if (_vm_page_wakeup(m)) {
2315                                         vm_page_spin_unlock(m);
2316                                         wakeup(m);
2317                                 } else {
2318                                         vm_page_spin_unlock(m);
2319                                 }
2320                         } else {
2321                                 /*
2322                                  * The page is not PG_ZERO'd so return it.
2323                                  */
2324                                 KKASSERT((m->flags & (PG_UNMANAGED |
2325                                                       PG_NEED_COMMIT)) == 0);
2326                                 KKASSERT(m->hold_count == 0);
2327                                 KKASSERT(m->wire_count == 0);
2328                                 vm_page_spin_unlock(m);
2329                                 break;
2330                         }
2331                         m = NULL;
2332                 }
2333         }
2334         return (m);
2335 }
2336
2337 /*
2338  * vm_page_unmanage()
2339  *
2340  * Prevent PV management from being done on the page.  The page is
2341  * removed from the paging queues as if it were wired, and as a 
2342  * consequence of no longer being managed the pageout daemon will not
2343  * touch it (since there is no way to locate the pte mappings for the
2344  * page).  madvise() calls that mess with the pmap will also no longer
2345  * operate on the page.
2346  *
2347  * Beyond that the page is still reasonably 'normal'.  Freeing the page
2348  * will clear the flag.
2349  *
2350  * This routine is used by OBJT_PHYS objects - objects using unswappable
2351  * physical memory as backing store rather then swap-backed memory and
2352  * will eventually be extended to support 4MB unmanaged physical 
2353  * mappings.
2354  *
2355  * Caller must be holding the page busy.
2356  */
2357 void
2358 vm_page_unmanage(vm_page_t m)
2359 {
2360         KKASSERT(m->flags & PG_BUSY);
2361         if ((m->flags & PG_UNMANAGED) == 0) {
2362                 if (m->wire_count == 0)
2363                         vm_page_unqueue(m);
2364         }
2365         vm_page_flag_set(m, PG_UNMANAGED);
2366 }
2367
2368 /*
2369  * Mark this page as wired down by yet another map, removing it from
2370  * paging queues as necessary.
2371  *
2372  * Caller must be holding the page busy.
2373  */
2374 void
2375 vm_page_wire(vm_page_t m)
2376 {
2377         /*
2378          * Only bump the wire statistics if the page is not already wired,
2379          * and only unqueue the page if it is on some queue (if it is unmanaged
2380          * it is already off the queues).  Don't do anything with fictitious
2381          * pages because they are always wired.
2382          */
2383         KKASSERT(m->flags & PG_BUSY);
2384         if ((m->flags & PG_FICTITIOUS) == 0) {
2385                 if (atomic_fetchadd_int(&m->wire_count, 1) == 0) {
2386                         if ((m->flags & PG_UNMANAGED) == 0)
2387                                 vm_page_unqueue(m);
2388                         atomic_add_int(&vmstats.v_wire_count, 1);
2389                 }
2390                 KASSERT(m->wire_count != 0,
2391                         ("vm_page_wire: wire_count overflow m=%p", m));
2392         }
2393 }
2394
2395 /*
2396  * Release one wiring of this page, potentially enabling it to be paged again.
2397  *
2398  * Many pages placed on the inactive queue should actually go
2399  * into the cache, but it is difficult to figure out which.  What
2400  * we do instead, if the inactive target is well met, is to put
2401  * clean pages at the head of the inactive queue instead of the tail.
2402  * This will cause them to be moved to the cache more quickly and
2403  * if not actively re-referenced, freed more quickly.  If we just
2404  * stick these pages at the end of the inactive queue, heavy filesystem
2405  * meta-data accesses can cause an unnecessary paging load on memory bound 
2406  * processes.  This optimization causes one-time-use metadata to be
2407  * reused more quickly.
2408  *
2409  * Pages marked PG_NEED_COMMIT are always activated and never placed on
2410  * the inactive queue.  This helps the pageout daemon determine memory
2411  * pressure and act on out-of-memory situations more quickly.
2412  *
2413  * BUT, if we are in a low-memory situation we have no choice but to
2414  * put clean pages on the cache queue.
2415  *
2416  * A number of routines use vm_page_unwire() to guarantee that the page
2417  * will go into either the inactive or active queues, and will NEVER
2418  * be placed in the cache - for example, just after dirtying a page.
2419  * dirty pages in the cache are not allowed.
2420  *
2421  * This routine may not block.
2422  */
2423 void
2424 vm_page_unwire(vm_page_t m, int activate)
2425 {
2426         KKASSERT(m->flags & PG_BUSY);
2427         if (m->flags & PG_FICTITIOUS) {
2428                 /* do nothing */
2429         } else if (m->wire_count <= 0) {
2430                 panic("vm_page_unwire: invalid wire count: %d", m->wire_count);
2431         } else {
2432                 if (atomic_fetchadd_int(&m->wire_count, -1) == 1) {
2433                         atomic_add_int(&vmstats.v_wire_count, -1);
2434                         if (m->flags & PG_UNMANAGED) {
2435                                 ;
2436                         } else if (activate || (m->flags & PG_NEED_COMMIT)) {
2437                                 vm_page_spin_lock(m);
2438                                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m,
2439                                                         PQ_ACTIVE + m->pc, 0);
2440                                 _vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
2441                         } else {
2442                                 vm_page_spin_lock(m);
2443                                 vm_page_flag_clear(m, PG_WINATCFLS);
2444                                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m,
2445                                                         PQ_INACTIVE + m->pc, 0);
2446                                 ++vm_swapcache_inactive_heuristic;
2447                                 _vm_page_and_queue_spin_unlock(m);
2448                         }
2449                 }
2450         }
2451 }
2452
2453 /*
2454  * Move the specified page to the inactive queue.  If the page has
2455  * any associated swap, the swap is deallocated.
2456  *
2457  * Normally athead is 0 resulting in LRU operation.  athead is set
2458  * to 1 if we want this page to be 'as if it were placed in the cache',
2459  * except without unmapping it from the process address space.
2460  *
2461  * vm_page's spinlock must be held on entry and will remain held on return.
2462  * This routine may not block.
2463  */
2464 static void
2465 _vm_page_deactivate_locked(vm_page_t m, int athead)
2466 {
2467         u_short oqueue;
2468
2469         /*
2470          * Ignore if already inactive.
2471          */
2472         if (m->queue - m->pc == PQ_INACTIVE)
2473                 return;
2474         _vm_page_queue_spin_lock(m);
2475         oqueue = _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
2476
2477         if (m->wire_count == 0 && (m->flags & PG_UNMANAGED) == 0) {
2478                 if (oqueue == PQ_CACHE)
2479                         mycpu->gd_cnt.v_reactivated++;
2480                 vm_page_flag_clear(m, PG_WINATCFLS);
2481                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m, PQ_INACTIVE + m->pc, athead);
2482                 if (athead == 0)
2483                         ++vm_swapcache_inactive_heuristic;
2484         }
2485         /* NOTE: PQ_NONE if condition not taken */
2486         _vm_page_queue_spin_unlock(m);
2487         /* leaves vm_page spinlocked */
2488 }
2489
2490 /*
2491  * Attempt to deactivate a page.
2492  *
2493  * No requirements.
2494  */
2495 void
2496 vm_page_deactivate(vm_page_t m)
2497 {
2498         vm_page_spin_lock(m);
2499         _vm_page_deactivate_locked(m, 0);
2500         vm_page_spin_unlock(m);
2501 }
2502
2503 void
2504 vm_page_deactivate_locked(vm_page_t m)
2505 {
2506         _vm_page_deactivate_locked(m, 0);
2507 }
2508
2509 /*
2510  * Attempt to move a page to PQ_CACHE.
2511  *
2512  * Returns 0 on failure, 1 on success
2513  *
2514  * The page should NOT be busied by the caller.  This function will validate
2515  * whether the page can be safely moved to the cache.
2516  */
2517 int
2518 vm_page_try_to_cache(vm_page_t m)
2519 {
2520         vm_page_spin_lock(m);
2521         if (vm_page_busy_try(m, TRUE)) {
2522                 vm_page_spin_unlock(m);
2523                 return(0);
2524         }
2525         if (m->dirty || m->hold_count || m->wire_count ||
2526             (m->flags & (PG_UNMANAGED | PG_NEED_COMMIT))) {
2527                 if (_vm_page_wakeup(m)) {
2528                         vm_page_spin_unlock(m);
2529                         wakeup(m);
2530                 } else {
2531                         vm_page_spin_unlock(m);
2532                 }
2533                 return(0);
2534         }
2535         vm_page_spin_unlock(m);
2536
2537         /*
2538          * Page busied by us and no longer spinlocked.  Dirty pages cannot
2539          * be moved to the cache.
2540          */
2541         vm_page_test_dirty(m);
2542         if (m->dirty || (m->flags & PG_NEED_COMMIT)) {
2543                 vm_page_wakeup(m);
2544                 return(0);
2545         }
2546         vm_page_cache(m);
2547         return(1);
2548 }
2549
2550 /*
2551  * Attempt to free the page.  If we cannot free it, we do nothing.
2552  * 1 is returned on success, 0 on failure.
2553  *
2554  * No requirements.
2555  */
2556 int
2557 vm_page_try_to_free(vm_page_t m)
2558 {
2559         vm_page_spin_lock(m);
2560         if (vm_page_busy_try(m, TRUE)) {
2561                 vm_page_spin_unlock(m);
2562                 return(0);
2563         }
2564
2565         /*
2566          * The page can be in any state, including already being on the free
2567          * queue.  Check to see if it really can be freed.
2568          */
2569         if (m->dirty ||                         /* can't free if it is dirty */
2570             m->hold_count ||                    /* or held (XXX may be wrong) */
2571             m->wire_count ||                    /* or wired */
2572             (m->flags & (PG_UNMANAGED |         /* or unmanaged */
2573                          PG_NEED_COMMIT)) ||    /* or needs a commit */
2574             m->queue - m->pc == PQ_FREE ||      /* already on PQ_FREE */
2575             m->queue - m->pc == PQ_HOLD) {      /* already on PQ_HOLD */
2576                 if (_vm_page_wakeup(m)) {
2577                         vm_page_spin_unlock(m);
2578                         wakeup(m);
2579                 } else {
2580                         vm_page_spin_unlock(m);
2581                 }
2582                 return(0);
2583         }
2584         vm_page_spin_unlock(m);
2585
2586         /*
2587          * We can probably free the page.
2588          *
2589          * Page busied by us and no longer spinlocked.  Dirty pages will
2590          * not be freed by this function.    We have to re-test the
2591          * dirty bit after cleaning out the pmaps.
2592          */
2593         vm_page_test_dirty(m);
2594         if (m->dirty || (m->flags & PG_NEED_COMMIT)) {
2595                 vm_page_wakeup(m);
2596                 return(0);
2597         }
2598         vm_page_protect(m, VM_PROT_NONE);
2599         if (m->dirty || (m->flags & PG_NEED_COMMIT)) {
2600                 vm_page_wakeup(m);
2601                 return(0);
2602         }
2603         vm_page_free(m);
2604         return(1);
2605 }
2606
2607 /*
2608  * vm_page_cache
2609  *
2610  * Put the specified page onto the page cache queue (if appropriate).
2611  *
2612  * The page must be busy, and this routine will release the busy and
2613  * possibly even free the page.
2614  */
2615 void
2616 vm_page_cache(vm_page_t m)
2617 {
2618         if ((m->flags & (PG_UNMANAGED | PG_NEED_COMMIT)) ||
2619             m->busy || m->wire_count || m->hold_count) {
2620                 kprintf("vm_page_cache: attempting to cache busy/held page\n");
2621                 vm_page_wakeup(m);
2622                 return;
2623         }
2624
2625         /*
2626          * Already in the cache (and thus not mapped)
2627          */
2628         if ((m->queue - m->pc) == PQ_CACHE) {
2629                 KKASSERT((m->flags & PG_MAPPED) == 0);
2630                 vm_page_wakeup(m);
2631                 return;
2632         }
2633
2634         /*
2635          * Caller is required to test m->dirty, but note that the act of
2636          * removing the page from its maps can cause it to become dirty
2637          * on an SMP system due to another cpu running in usermode.
2638          */
2639         if (m->dirty) {
2640                 panic("vm_page_cache: caching a dirty page, pindex: %ld",
2641                         (long)m->pindex);
2642         }
2643
2644         /*
2645          * Remove all pmaps and indicate that the page is not
2646          * writeable or mapped.  Our vm_page_protect() call may
2647          * have blocked (especially w/ VM_PROT_NONE), so recheck
2648          * everything.
2649          */
2650         vm_page_protect(m, VM_PROT_NONE);
2651         if ((m->flags & (PG_UNMANAGED | PG_MAPPED)) ||
2652             m->busy || m->wire_count || m->hold_count) {
2653                 vm_page_wakeup(m);
2654         } else if (m->dirty || (m->flags & PG_NEED_COMMIT)) {
2655                 vm_page_deactivate(m);
2656                 vm_page_wakeup(m);
2657         } else {
2658                 _vm_page_and_queue_spin_lock(m);
2659                 _vm_page_rem_queue_spinlocked(m);
2660                 _vm_page_add_queue_spinlocked(m, PQ_CACHE + m->pc, 0);
2661                 _vm_page_queue_spin_unlock(m);
2662                 if (_vm_page_wakeup(m)) {
2663                         vm_page_spin_unlock(m);
2664                         wakeup(m);
2665                 } else {
2666                         vm_page_spin_unlock(m);
2667                 }
2668                 vm_page_free_wakeup();
2669         }
2670 }
2671
2672 /*
2673  * vm_page_dontneed()
2674  *
2675  * Cache, deactivate, or do nothing as appropriate.  This routine
2676  * is typically used by madvise() MADV_DONTNEED.
2677  *
2678  * Generally speaking we want to move the page into the cache so
2679  * it gets reused quickly.  However, this can result in a silly syndrome
2680  * due to the page recycling too quickly.  Small objects will not be
2681  * fully cached.  On the otherhand, if we move the page to the inactive
2682  * queue we wind up with a problem whereby very large objects 
2683  * unnecessarily blow away our inactive and cache queues.
2684  *
2685  * The solution is to move the pages based on a fixed weighting.  We
2686  * either leave them alone, deactivate them, or move them to the cache,
2687  * where moving them to the cache has the highest weighting.
2688  * By forcing some pages into other queues we eventually force the
2689  * system to balance the queues, potentially recovering other unrelated
2690  * space from active.  The idea is to not force this to happen too
2691  * often.
2692  *
2693  * The page must be busied.
2694  */
2695 void
2696 vm_page_dontneed(vm_page_t m)
2697 {
2698         static int dnweight;
2699         int dnw;
2700         int head;
2701
2702         dnw = ++dnweight;
2703
2704         /*
2705          * occassionally leave the page alone
2706          */
2707         if ((dnw & 0x01F0) == 0 ||
2708             m->queue - m->pc == PQ_INACTIVE ||
2709             m->queue - m->pc == PQ_CACHE
2710         ) {
2711                 if (m->act_count >= ACT_INIT)
2712                         --m->act_count;
2713                 return;
2714         }
2715
2716         /*
2717          * If vm_page_dontneed() is inactivating a page, it must clear
2718          * the referenced flag; otherwise the pagedaemon will see references
2719          * on the page in the inactive queue and reactivate it. Until the 
2720          * page can move to the cache queue, madvise's job is not done.
2721          */
2722         vm_page_flag_clear(m, PG_REFERENCED);
2723         pmap_clear_reference(m);
2724
2725         if (m->dirty == 0)
2726                 vm_page_test_dirty(m);
2727
2728         if (m->dirty || (dnw & 0x0070) == 0) {
2729                 /*
2730                  * Deactivate the page 3 times out of 32.
2731                  */
2732                 head = 0;
2733         } else {
2734                 /*
2735                  * Cache the page 28 times out of every 32.  Note that
2736                  * the page is deactivated instead of cached, but placed
2737                  * at the head of the queue instead of the tail.
2738                  */
2739                 head = 1;
2740         }
2741         vm_page_spin_lock(m);
2742         _vm_page_deactivate_locked(m, head);
2743         vm_page_spin_unlock(m);
2744 }
2745
2746 /*
2747  * These routines manipulate the 'soft busy' count for a page.  A soft busy
2748  * is almost like PG_BUSY except that it allows certain compatible operations
2749  * to occur on the page while it is busy.  For example, a page undergoing a
2750  * write can still be mapped read-only.
2751  *
2752  * Because vm_pages can overlap buffers m->busy can be > 1.  m->busy is only
2753  * adjusted while the vm_page is PG_BUSY so the flash will occur when the
2754  * busy bit is cleared.
2755  */
2756 void
2757 vm_page_io_start(vm_page_t m)
2758 {
2759         KASSERT(m->flags & PG_BUSY, ("vm_page_io_start: page not busy!!!"));
2760         atomic_add_char(&m->busy, 1);
2761         vm_page_flag_set(m, PG_SBUSY);
2762 }
2763
2764 void
2765 vm_page_io_finish(vm_page_t m)
2766 {
2767         KASSERT(m->flags & PG_BUSY, ("vm_page_io_finish: page not busy!!!"));
2768         atomic_subtract_char(&m->busy, 1);
2769         if (m->busy == 0)
2770                 vm_page_flag_clear(m, PG_SBUSY);
2771 }
2772
2773 /*
2774  * Indicate that a clean VM page requires a filesystem commit and cannot
2775  * be reused.  Used by tmpfs.
2776  */
2777 void
2778 vm_page_need_commit(vm_page_t m)
2779 {
2780         vm_page_flag_set(m, PG_NEED_COMMIT);
2781         vm_object_set_writeable_dirty(m->object);
2782 }
2783
2784 void
2785 vm_page_clear_commit(vm_page_t m)
2786 {
2787         vm_page_flag_clear(m, PG_NEED_COMMIT);
2788 }
2789
2790 /*
2791  * Grab a page, blocking if it is busy and allocating a page if necessary.
2792  * A busy page is returned or NULL.  The page may or may not be valid and
2793  * might not be on a queue (the caller is responsible for the disposition of
2794  * the page).
2795  *
2796  * If VM_ALLOC_ZERO is specified and the grab must allocate a new page, the
2797  * page will be zero'd and marked valid.
2798  *
2799  * If VM_ALLOC_FORCE_ZERO is specified the page will be zero'd and marked
2800  * valid even if it already exists.
2801  *
2802  * If VM_ALLOC_RETRY is specified this routine will never return NULL.  Also
2803  * note that VM_ALLOC_NORMAL must be specified if VM_ALLOC_RETRY is specified.
2804  * VM_ALLOC_NULL_OK is implied when VM_ALLOC_RETRY is specified.
2805  *
2806  * This routine may block, but if VM_ALLOC_RETRY is not set then NULL is
2807  * always returned if we had blocked.  
2808  *
2809  * This routine may not be called from an interrupt.
2810  *
2811  * PG_ZERO is *ALWAYS* cleared by this routine.
2812  *
2813  * No other requirements.
2814  */
2815 vm_page_t
2816 vm_page_grab(vm_object_t object, vm_pindex_t pindex, int allocflags)
2817 {
2818         vm_page_t m;
2819         int error;
2820         int shared = 1;
2821
2822         KKASSERT(allocflags &
2823                 (VM_ALLOC_NORMAL|VM_ALLOC_INTERRUPT|VM_ALLOC_SYSTEM));
2824         vm_object_hold_shared(object);
2825         for (;;) {
2826                 m = vm_page_lookup_busy_try(object, pindex, TRUE, &error);
2827                 if (error) {
2828                         vm_page_sleep_busy(m, TRUE, "pgrbwt");
2829                         if ((allocflags & VM_ALLOC_RETRY) == 0) {
2830                                 m = NULL;
2831                                 break;
2832                         }
2833                         /* retry */
2834                 } else if (m == NULL) {
2835                         if (shared) {
2836                                 vm_object_upgrade(object);
2837                                 shared = 0;
2838                         }
2839                         if (allocflags & VM_ALLOC_RETRY)
2840                                 allocflags |= VM_ALLOC_NULL_OK;
2841                         m = vm_page_alloc(object, pindex,
2842                                           allocflags & ~VM_ALLOC_RETRY);
2843                         if (m)
2844                                 break;
2845                         vm_wait(0);
2846                         if ((allocflags & VM_ALLOC_RETRY) == 0)
2847                                 goto failed;
2848                 } else {
2849                         /* m found */
2850                         break;
2851                 }
2852         }
2853
2854         /*
2855          * If VM_ALLOC_ZERO an invalid page will be zero'd and set valid.
2856          *
2857          * If VM_ALLOC_FORCE_ZERO the page is unconditionally zero'd and set
2858          * valid even if already valid.
2859          */
2860         if (m->valid == 0) {
2861                 if (allocflags & (VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_FORCE_ZERO)) {
2862                         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0)
2863                                 pmap_zero_page(VM_PAGE_TO_PHYS(m));
2864                         m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
2865                 }
2866         } else if (allocflags & VM_ALLOC_FORCE_ZERO) {
2867                 pmap_zero_page(VM_PAGE_TO_PHYS(m));
2868                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
2869         }
2870         vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
2871 failed:
2872         vm_object_drop(object);
2873         return(m);
2874 }
2875
2876 /*
2877  * Mapping function for valid bits or for dirty bits in
2878  * a page.  May not block.
2879  *
2880  * Inputs are required to range within a page.
2881  *
2882  * No requirements.
2883  * Non blocking.
2884  */
2885 int
2886 vm_page_bits(int base, int size)
2887 {
2888         int first_bit;
2889         int last_bit;
2890
2891         KASSERT(
2892             base + size <= PAGE_SIZE,
2893             ("vm_page_bits: illegal base/size %d/%d", base, size)
2894         );
2895
2896         if (size == 0)          /* handle degenerate case */
2897                 return(0);
2898
2899         first_bit = base >> DEV_BSHIFT;
2900         last_bit = (base + size - 1) >> DEV_BSHIFT;
2901
2902         return ((2 << last_bit) - (1 << first_bit));
2903 }
2904
2905 /*
2906  * Sets portions of a page valid and clean.  The arguments are expected
2907  * to be DEV_BSIZE aligned but if they aren't the bitmap is inclusive
2908  * of any partial chunks touched by the range.  The invalid portion of
2909  * such chunks will be zero'd.
2910  *
2911  * NOTE: When truncating a buffer vnode_pager_setsize() will automatically
2912  *       align base to DEV_BSIZE so as not to mark clean a partially
2913  *       truncated device block.  Otherwise the dirty page status might be
2914  *       lost.
2915  *
2916  * This routine may not block.
2917  *
2918  * (base + size) must be less then or equal to PAGE_SIZE.
2919  */
2920 static void
2921 _vm_page_zero_valid(vm_page_t m, int base, int size)
2922 {
2923         int frag;
2924         int endoff;
2925
2926         if (size == 0)  /* handle degenerate case */
2927                 return;
2928
2929         /*
2930          * If the base is not DEV_BSIZE aligned and the valid
2931          * bit is clear, we have to zero out a portion of the
2932          * first block.
2933          */
2934
2935         if ((frag = base & ~(DEV_BSIZE - 1)) != base &&
2936             (m->valid & (1 << (base >> DEV_BSHIFT))) == 0
2937         ) {
2938                 pmap_zero_page_area(
2939                     VM_PAGE_TO_PHYS(m),
2940                     frag,
2941                     base - frag
2942                 );
2943         }
2944
2945         /*
2946          * If the ending offset is not DEV_BSIZE aligned and the 
2947          * valid bit is clear, we have to zero out a portion of
2948          * the last block.
2949          */
2950
2951         endoff = base + size;
2952
2953         if ((frag = endoff & ~(DEV_BSIZE - 1)) != endoff &&
2954             (m->valid & (1 << (endoff >> DEV_BSHIFT))) == 0
2955         ) {
2956                 pmap_zero_page_area(
2957                     VM_PAGE_TO_PHYS(m),
2958                     endoff,
2959                     DEV_BSIZE - (endoff & (DEV_BSIZE - 1))
2960                 );
2961         }
2962 }
2963
2964 /*
2965  * Set valid, clear dirty bits.  If validating the entire
2966  * page we can safely clear the pmap modify bit.  We also
2967  * use this opportunity to clear the PG_NOSYNC flag.  If a process
2968  * takes a write fault on a MAP_NOSYNC memory area the flag will
2969  * be set again.
2970  *
2971  * We set valid bits inclusive of any overlap, but we can only
2972  * clear dirty bits for DEV_BSIZE chunks that are fully within
2973  * the range.
2974  *
2975  * Page must be busied?
2976  * No other requirements.
2977  */
2978 void
2979 vm_page_set_valid(vm_page_t m, int base, int size)
2980 {
2981         _vm_page_zero_valid(m, base, size);
2982         m->valid |= vm_page_bits(base, size);
2983 }
2984
2985
2986 /*
2987  * Set valid bits and clear dirty bits.
2988  *
2989  * NOTE: This function does not clear the pmap modified bit.
2990  *       Also note that e.g. NFS may use a byte-granular base
2991  *       and size.
2992  *
2993  * WARNING: Page must be busied?  But vfs_clean_one_page() will call
2994  *          this without necessarily busying the page (via bdwrite()).
2995  *          So for now vm_token must also be held.
2996  *
2997  * No other requirements.
2998  */
2999 void
3000 vm_page_set_validclean(vm_page_t m, int base, int size)
3001 {
3002         int pagebits;
3003
3004         _vm_page_zero_valid(m, base, size);
3005         pagebits = vm_page_bits(base, size);
3006         m->valid |= pagebits;
3007         m->dirty &= ~pagebits;
3008         if (base == 0 && size == PAGE_SIZE) {
3009                 /*pmap_clear_modify(m);*/
3010                 vm_page_flag_clear(m, PG_NOSYNC);
3011         }
3012 }
3013
3014 /*
3015  * Set valid & dirty.  Used by buwrite()
3016  *
3017  * WARNING: Page must be busied?  But vfs_dirty_one_page() will
3018  *          call this function in buwrite() so for now vm_token must
3019  *          be held.
3020  *
3021  * No other requirements.
3022  */
3023 void
3024 vm_page_set_validdirty(vm_page_t m, int base, int size)
3025 {
3026         int pagebits;
3027
3028         pagebits = vm_page_bits(base, size);
3029         m->valid |= pagebits;
3030         m->dirty |= pagebits;
3031         if (m->object)
3032                vm_object_set_writeable_dirty(m->object);
3033 }
3034
3035 /*
3036  * Clear dirty bits.
3037  *
3038  * NOTE: This function does not clear the pmap modified bit.
3039  *       Also note that e.g. NFS may use a byte-granular base
3040  *       and size.
3041  *
3042  * Page must be busied?
3043  * No other requirements.
3044  */
3045 void
3046 vm_page_clear_dirty(vm_page_t m, int base, int size)
3047 {
3048         m->dirty &= ~vm_page_bits(base, size);
3049         if (base == 0 && size == PAGE_SIZE) {
3050                 /*pmap_clear_modify(m);*/
3051                 vm_page_flag_clear(m, PG_NOSYNC);
3052         }
3053 }
3054
3055 /*
3056  * Make the page all-dirty.
3057  *
3058  * Also make sure the related object and vnode reflect the fact that the
3059  * object may now contain a dirty page.
3060  *
3061  * Page must be busied?
3062  * No other requirements.
3063  */
3064 void
3065 vm_page_dirty(vm_page_t m)
3066 {
3067 #ifdef INVARIANTS
3068         int pqtype = m->queue - m->pc;
3069 #endif
3070         KASSERT(pqtype != PQ_CACHE && pqtype != PQ_FREE,
3071                 ("vm_page_dirty: page in free/cache queue!"));
3072         if (m->dirty != VM_PAGE_BITS_ALL) {
3073                 m->dirty = VM_PAGE_BITS_ALL;
3074                 if (m->object)
3075                         vm_object_set_writeable_dirty(m->object);
3076         }
3077 }
3078
3079 /*
3080  * Invalidates DEV_BSIZE'd chunks within a page.  Both the
3081  * valid and dirty bits for the effected areas are cleared.
3082  *
3083  * Page must be busied?
3084  * Does not block.
3085  * No other requirements.
3086  */
3087 void
3088 vm_page_set_invalid(vm_page_t m, int base, int size)
3089 {
3090         int bits;
3091
3092         bits = vm_page_bits(base, size);
3093         m->valid &= ~bits;
3094         m->dirty &= ~bits;
3095         m->object->generation++;
3096 }
3097
3098 /*
3099  * The kernel assumes that the invalid portions of a page contain 
3100  * garbage, but such pages can be mapped into memory by user code.
3101  * When this occurs, we must zero out the non-valid portions of the
3102  * page so user code sees what it expects.
3103  *
3104  * Pages are most often semi-valid when the end of a file is mapped 
3105  * into memory and the file's size is not page aligned.
3106  *
3107  * Page must be busied?
3108  * No other requirements.
3109  */
3110 void
3111 vm_page_zero_invalid(vm_page_t m, boolean_t setvalid)
3112 {
3113         int b;
3114         int i;
3115
3116         /*
3117          * Scan the valid bits looking for invalid sections that
3118          * must be zerod.  Invalid sub-DEV_BSIZE'd areas ( where the
3119          * valid bit may be set ) have already been zerod by
3120          * vm_page_set_validclean().
3121          */
3122         for (b = i = 0; i <= PAGE_SIZE / DEV_BSIZE; ++i) {
3123                 if (i == (PAGE_SIZE / DEV_BSIZE) || 
3124                     (m->valid & (1 << i))
3125                 ) {
3126                         if (i > b) {
3127                                 pmap_zero_page_area(
3128                                     VM_PAGE_TO_PHYS(m), 
3129                                     b << DEV_BSHIFT,
3130                                     (i - b) << DEV_BSHIFT
3131                                 );
3132                         }
3133                         b = i + 1;
3134                 }
3135         }
3136
3137         /*
3138          * setvalid is TRUE when we can safely set the zero'd areas
3139          * as being valid.  We can do this if there are no cache consistency
3140          * issues.  e.g. it is ok to do with UFS, but not ok to do with NFS.
3141          */
3142         if (setvalid)
3143                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
3144 }
3145
3146 /*
3147  * Is a (partial) page valid?  Note that the case where size == 0
3148  * will return FALSE in the degenerate case where the page is entirely
3149  * invalid, and TRUE otherwise.
3150  *
3151  * Does not block.
3152  * No other requirements.
3153  */
3154 int
3155 vm_page_is_valid(vm_page_t m, int base, int size)
3156 {
3157         int bits = vm_page_bits(base, size);
3158
3159         if (m->valid && ((m->valid & bits) == bits))
3160                 return 1;
3161         else
3162                 return 0;
3163 }
3164
3165 /*
3166  * update dirty bits from pmap/mmu.  May not block.
3167  *
3168  * Caller must hold the page busy
3169  */
3170 void
3171 vm_page_test_dirty(vm_page_t m)
3172 {
3173         if ((m->dirty != VM_PAGE_BITS_ALL) && pmap_is_modified(m)) {
3174                 vm_page_dirty(m);
3175         }
3176 }
3177
3178 /*
3179  * Register an action, associating it with its vm_page
3180  */
3181 void
3182 vm_page_register_action(vm_page_action_t action, vm_page_event_t event)
3183 {
3184         struct vm_page_action_list *list;
3185         int hv;
3186
3187         hv = (int)((intptr_t)action->m >> 8) & VMACTION_HMASK;
3188         list = &action_list[hv];
3189
3190         lwkt_gettoken(&vm_token);
3191         vm_page_flag_set(action->m, PG_ACTIONLIST);
3192         action->event = event;
3193         LIST_INSERT_HEAD(list, action, entry);
3194         lwkt_reltoken(&vm_token);
3195 }
3196
3197 /*
3198  * Unregister an action, disassociating it from its related vm_page
3199  */
3200 void
3201 vm_page_unregister_action(vm_page_action_t action)
3202 {
3203         struct vm_page_action_list *list;
3204         int hv;
3205
3206         lwkt_gettoken(&vm_token);
3207         if (action->event != VMEVENT_NONE) {
3208                 action->event = VMEVENT_NONE;
3209                 LIST_REMOVE(action, entry);
3210
3211                 hv = (int)((intptr_t)action->m >> 8) & VMACTION_HMASK;
3212                 list = &action_list[hv];
3213                 if (LIST_EMPTY(list))
3214                         vm_page_flag_clear(action->m, PG_ACTIONLIST);
3215         }
3216         lwkt_reltoken(&vm_token);
3217 }
3218
3219 /*
3220  * Issue an event on a VM page.  Corresponding action structures are
3221  * removed from the page's list and called.
3222  *
3223  * If the vm_page has no more pending action events we clear its
3224  * PG_ACTIONLIST flag.
3225  */
3226 void
3227 vm_page_event_internal(vm_page_t m, vm_page_event_t event)
3228 {
3229         struct vm_page_action_list *list;
3230         struct vm_page_action *scan;
3231         struct vm_page_action *next;
3232         int hv;
3233         int all;
3234
3235         hv = (int)((intptr_t)m >> 8) & VMACTION_HMASK;
3236         list = &action_list[hv];
3237         all = 1;
3238
3239         lwkt_gettoken(&vm_token);
3240         LIST_FOREACH_MUTABLE(scan, list, entry, next) {
3241                 if (scan->m == m) {
3242                         if (scan->event == event) {
3243                                 scan->event = VMEVENT_NONE;
3244                                 LIST_REMOVE(scan, entry);
3245                                 scan->func(m, scan);
3246                                 /* XXX */
3247                         } else {
3248                                 all = 0;
3249                         }
3250                 }
3251         }
3252         if (all)
3253                 vm_page_flag_clear(m, PG_ACTIONLIST);
3254         lwkt_reltoken(&vm_token);
3255 }
3256
3257 #include "opt_ddb.h"
3258 #ifdef DDB
3259 #include <sys/kernel.h>
3260
3261 #include <ddb/ddb.h>
3262
3263 DB_SHOW_COMMAND(page, vm_page_print_page_info)
3264 {
3265         db_printf("vmstats.v_free_count: %d\n", vmstats.v_free_count);
3266         db_printf("vmstats.v_cache_count: %d\n", vmstats.v_cache_count);
3267         db_printf("vmstats.v_inactive_count: %d\n", vmstats.v_inactive_count);
3268         db_printf("vmstats.v_active_count: %d\n", vmstats.v_active_count);
3269         db_printf("vmstats.v_wire_count: %d\n", vmstats.v_wire_count);
3270         db_printf("vmstats.v_free_reserved: %d\n", vmstats.v_free_reserved);
3271         db_printf("vmstats.v_free_min: %d\n", vmstats.v_free_min);
3272         db_printf("vmstats.v_free_target: %d\n", vmstats.v_free_target);
3273         db_printf("vmstats.v_cache_min: %d\n", vmstats.v_cache_min);
3274         db_printf("vmstats.v_inactive_target: %d\n", vmstats.v_inactive_target);
3275 }
3276
3277 DB_SHOW_COMMAND(pageq, vm_page_print_pageq_info)
3278 {
3279         int i;
3280         db_printf("PQ_FREE:");
3281         for(i=0;i<PQ_L2_SIZE;i++) {
3282                 db_printf(" %d", vm_page_queues[PQ_FREE + i].lcnt);
3283         }
3284         db_printf("\n");
3285                 
3286         db_printf("PQ_CACHE:");
3287         for(i=0;i<PQ_L2_SIZE;i++) {
3288                 db_printf(" %d", vm_page_queues[PQ_CACHE + i].lcnt);
3289         }
3290         db_printf("\n");
3291
3292         db_printf("PQ_ACTIVE:");
3293         for(i=0;i<PQ_L2_SIZE;i++) {
3294                 db_printf(" %d", vm_page_queues[PQ_ACTIVE + i].lcnt);
3295         }
3296         db_printf("\n");
3297
3298         db_printf("PQ_INACTIVE:");
3299         for(i=0;i<PQ_L2_SIZE;i++) {
3300                 db_printf(" %d", vm_page_queues[PQ_INACTIVE + i].lcnt);
3301         }
3302         db_printf("\n");
3303 }
3304 #endif /* DDB */