Merge from vendor branch OPENSSH:
[dragonfly.git] / sys / kern / kern_slaballoc.c
1 /*
2  * KERN_SLABALLOC.C     - Kernel SLAB memory allocator
3  * 
4  * Copyright (c) 2003,2004 The DragonFly Project.  All rights reserved.
5  * 
6  * This code is derived from software contributed to The DragonFly Project
7  * by Matthew Dillon <dillon@backplane.com>
8  * 
9  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
10  * modification, are permitted provided that the following conditions
11  * are met:
12  * 
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
17  *    the documentation and/or other materials provided with the
18  *    distribution.
19  * 3. Neither the name of The DragonFly Project nor the names of its
20  *    contributors may be used to endorse or promote products derived
21  *    from this software without specific, prior written permission.
22  * 
23  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
24  * ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
25  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS
26  * FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE
27  * COPYRIGHT HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
28  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
29  * BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
30  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED
31  * AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
32  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT
33  * OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
34  * SUCH DAMAGE.
35  * 
36  * $DragonFly: src/sys/kern/kern_slaballoc.c,v 1.54 2008/07/01 02:02:54 dillon Exp $
37  *
38  * This module implements a slab allocator drop-in replacement for the
39  * kernel malloc().
40  *
41  * A slab allocator reserves a ZONE for each chunk size, then lays the
42  * chunks out in an array within the zone.  Allocation and deallocation
43  * is nearly instantanious, and fragmentation/overhead losses are limited
44  * to a fixed worst-case amount.
45  *
46  * The downside of this slab implementation is in the chunk size
47  * multiplied by the number of zones.  ~80 zones * 128K = 10MB of VM per cpu.
48  * In a kernel implementation all this memory will be physical so
49  * the zone size is adjusted downward on machines with less physical
50  * memory.  The upside is that overhead is bounded... this is the *worst*
51  * case overhead.
52  *
53  * Slab management is done on a per-cpu basis and no locking or mutexes
54  * are required, only a critical section.  When one cpu frees memory
55  * belonging to another cpu's slab manager an asynchronous IPI message
56  * will be queued to execute the operation.   In addition, both the
57  * high level slab allocator and the low level zone allocator optimize
58  * M_ZERO requests, and the slab allocator does not have to pre initialize
59  * the linked list of chunks.
60  *
61  * XXX Balancing is needed between cpus.  Balance will be handled through
62  * asynchronous IPIs primarily by reassigning the z_Cpu ownership of chunks.
63  *
64  * XXX If we have to allocate a new zone and M_USE_RESERVE is set, use of
65  * the new zone should be restricted to M_USE_RESERVE requests only.
66  *
67  *      Alloc Size      Chunking        Number of zones
68  *      0-127           8               16
69  *      128-255         16              8
70  *      256-511         32              8
71  *      512-1023        64              8
72  *      1024-2047       128             8
73  *      2048-4095       256             8
74  *      4096-8191       512             8
75  *      8192-16383      1024            8
76  *      16384-32767     2048            8
77  *      (if PAGE_SIZE is 4K the maximum zone allocation is 16383)
78  *
79  *      Allocations >= ZoneLimit go directly to kmem.
80  *
81  *                      API REQUIREMENTS AND SIDE EFFECTS
82  *
83  *    To operate as a drop-in replacement to the FreeBSD-4.x malloc() we
84  *    have remained compatible with the following API requirements:
85  *
86  *    + small power-of-2 sized allocations are power-of-2 aligned (kern_tty)
87  *    + all power-of-2 sized allocations are power-of-2 aligned (twe)
88  *    + malloc(0) is allowed and returns non-NULL (ahc driver)
89  *    + ability to allocate arbitrarily large chunks of memory
90  */
91
92 #include "opt_vm.h"
93
94 #include <sys/param.h>
95 #include <sys/systm.h>
96 #include <sys/kernel.h>
97 #include <sys/slaballoc.h>
98 #include <sys/mbuf.h>
99 #include <sys/vmmeter.h>
100 #include <sys/lock.h>
101 #include <sys/thread.h>
102 #include <sys/globaldata.h>
103 #include <sys/sysctl.h>
104 #include <sys/ktr.h>
105
106 #include <vm/vm.h>
107 #include <vm/vm_param.h>
108 #include <vm/vm_kern.h>
109 #include <vm/vm_extern.h>
110 #include <vm/vm_object.h>
111 #include <vm/pmap.h>
112 #include <vm/vm_map.h>
113 #include <vm/vm_page.h>
114 #include <vm/vm_pageout.h>
115
116 #include <machine/cpu.h>
117
118 #include <sys/thread2.h>
119
120 #define arysize(ary)    (sizeof(ary)/sizeof((ary)[0]))
121
122 #define MEMORY_STRING   "ptr=%p type=%p size=%d flags=%04x"
123 #define MEMORY_ARG_SIZE (sizeof(void *) * 2 + sizeof(unsigned long) +   \
124                         sizeof(int))
125
126 #if !defined(KTR_MEMORY)
127 #define KTR_MEMORY      KTR_ALL
128 #endif
129 KTR_INFO_MASTER(memory);
130 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, malloc, 0, MEMORY_STRING, MEMORY_ARG_SIZE);
131 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_zero, 1, MEMORY_STRING, MEMORY_ARG_SIZE);
132 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_ovsz, 2, MEMORY_STRING, MEMORY_ARG_SIZE);
133 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_ovsz_delayed, 3, MEMORY_STRING, MEMORY_ARG_SIZE);
134 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_chunk, 4, MEMORY_STRING, MEMORY_ARG_SIZE);
135 #ifdef SMP
136 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_request, 5, MEMORY_STRING, MEMORY_ARG_SIZE);
137 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_remote, 6, MEMORY_STRING, MEMORY_ARG_SIZE);
138 #endif
139 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, malloc_beg, 0, "malloc begin", 0);
140 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_beg, 0, "free begin", 0);
141 KTR_INFO(KTR_MEMORY, memory, free_end, 0, "free end", 0);
142
143 #define logmemory(name, ptr, type, size, flags)                         \
144         KTR_LOG(memory_ ## name, ptr, type, size, flags)
145 #define logmemory_quick(name)                                           \
146         KTR_LOG(memory_ ## name)
147
148 /*
149  * Fixed globals (not per-cpu)
150  */
151 static int ZoneSize;
152 static int ZoneLimit;
153 static int ZonePageCount;
154 static int ZoneMask;
155 struct malloc_type *kmemstatistics;     /* exported to vmstat */
156 static struct kmemusage *kmemusage;
157 static int32_t weirdary[16];
158
159 static void *kmem_slab_alloc(vm_size_t bytes, vm_offset_t align, int flags);
160 static void kmem_slab_free(void *ptr, vm_size_t bytes);
161 #if defined(INVARIANTS)
162 static void chunk_mark_allocated(SLZone *z, void *chunk);
163 static void chunk_mark_free(SLZone *z, void *chunk);
164 #endif
165
166 /*
167  * Misc constants.  Note that allocations that are exact multiples of 
168  * PAGE_SIZE, or exceed the zone limit, fall through to the kmem module.
169  * IN_SAME_PAGE_MASK is used to sanity-check the per-page free lists.
170  */
171 #define MIN_CHUNK_SIZE          8               /* in bytes */
172 #define MIN_CHUNK_MASK          (MIN_CHUNK_SIZE - 1)
173 #define ZONE_RELS_THRESH        2               /* threshold number of zones */
174 #define IN_SAME_PAGE_MASK       (~(intptr_t)PAGE_MASK | MIN_CHUNK_MASK)
175
176 /*
177  * The WEIRD_ADDR is used as known text to copy into free objects to
178  * try to create deterministic failure cases if the data is accessed after
179  * free.
180  */    
181 #define WEIRD_ADDR      0xdeadc0de
182 #define MAX_COPY        sizeof(weirdary)
183 #define ZERO_LENGTH_PTR ((void *)-8)
184
185 /*
186  * Misc global malloc buckets
187  */
188
189 MALLOC_DEFINE(M_CACHE, "cache", "Various Dynamically allocated caches");
190 MALLOC_DEFINE(M_DEVBUF, "devbuf", "device driver memory");
191 MALLOC_DEFINE(M_TEMP, "temp", "misc temporary data buffers");
192  
193 MALLOC_DEFINE(M_IP6OPT, "ip6opt", "IPv6 options");
194 MALLOC_DEFINE(M_IP6NDP, "ip6ndp", "IPv6 Neighbor Discovery");
195
196 /*
197  * Initialize the slab memory allocator.  We have to choose a zone size based
198  * on available physical memory.  We choose a zone side which is approximately
199  * 1/1024th of our memory, so if we have 128MB of ram we have a zone size of
200  * 128K.  The zone size is limited to the bounds set in slaballoc.h
201  * (typically 32K min, 128K max). 
202  */
203 static void kmeminit(void *dummy);
204
205 SYSINIT(kmem, SI_BOOT1_ALLOCATOR, SI_ORDER_FIRST, kmeminit, NULL)
206
207 #ifdef INVARIANTS
208 /*
209  * If enabled any memory allocated without M_ZERO is initialized to -1.
210  */
211 static int  use_malloc_pattern;
212 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, use_malloc_pattern, CTLFLAG_RW,
213                 &use_malloc_pattern, 0, "");
214 #endif
215
216 static void
217 kmeminit(void *dummy)
218 {
219     vm_poff_t limsize;
220     int usesize;
221     int i;
222     vm_pindex_t npg;
223
224     limsize = (vm_poff_t)vmstats.v_page_count * PAGE_SIZE;
225     if (limsize > KvaSize)
226         limsize = KvaSize;
227
228     usesize = (int)(limsize / 1024);    /* convert to KB */
229
230     ZoneSize = ZALLOC_MIN_ZONE_SIZE;
231     while (ZoneSize < ZALLOC_MAX_ZONE_SIZE && (ZoneSize << 1) < usesize)
232         ZoneSize <<= 1;
233     ZoneLimit = ZoneSize / 4;
234     if (ZoneLimit > ZALLOC_ZONE_LIMIT)
235         ZoneLimit = ZALLOC_ZONE_LIMIT;
236     ZoneMask = ZoneSize - 1;
237     ZonePageCount = ZoneSize / PAGE_SIZE;
238
239     npg = KvaSize / PAGE_SIZE;
240     kmemusage = kmem_slab_alloc(npg * sizeof(struct kmemusage), 
241                                 PAGE_SIZE, M_WAITOK|M_ZERO);
242
243     for (i = 0; i < arysize(weirdary); ++i)
244         weirdary[i] = WEIRD_ADDR;
245
246     if (bootverbose)
247         kprintf("Slab ZoneSize set to %dKB\n", ZoneSize / 1024);
248 }
249
250 /*
251  * Initialize a malloc type tracking structure.
252  */
253 void
254 malloc_init(void *data)
255 {
256     struct malloc_type *type = data;
257     vm_poff_t limsize;
258
259     if (type->ks_magic != M_MAGIC)
260         panic("malloc type lacks magic");
261                                            
262     if (type->ks_limit != 0)
263         return;
264
265     if (vmstats.v_page_count == 0)
266         panic("malloc_init not allowed before vm init");
267
268     limsize = (vm_poff_t)vmstats.v_page_count * PAGE_SIZE;
269     if (limsize > KvaSize)
270         limsize = KvaSize;
271     type->ks_limit = limsize / 10;
272
273     type->ks_next = kmemstatistics;
274     kmemstatistics = type;
275 }
276
277 void
278 malloc_uninit(void *data)
279 {
280     struct malloc_type *type = data;
281     struct malloc_type *t;
282 #ifdef INVARIANTS
283     int i;
284     long ttl;
285 #endif
286
287     if (type->ks_magic != M_MAGIC)
288         panic("malloc type lacks magic");
289
290     if (vmstats.v_page_count == 0)
291         panic("malloc_uninit not allowed before vm init");
292
293     if (type->ks_limit == 0)
294         panic("malloc_uninit on uninitialized type");
295
296 #ifdef SMP
297     /* Make sure that all pending kfree()s are finished. */
298     lwkt_synchronize_ipiqs("muninit");
299 #endif
300
301 #ifdef INVARIANTS
302     /*
303      * memuse is only correct in aggregation.  Due to memory being allocated
304      * on one cpu and freed on another individual array entries may be 
305      * negative or positive (canceling each other out).
306      */
307     for (i = ttl = 0; i < ncpus; ++i)
308         ttl += type->ks_memuse[i];
309     if (ttl) {
310         kprintf("malloc_uninit: %ld bytes of '%s' still allocated on cpu %d\n",
311             ttl, type->ks_shortdesc, i);
312     }
313 #endif
314     if (type == kmemstatistics) {
315         kmemstatistics = type->ks_next;
316     } else {
317         for (t = kmemstatistics; t->ks_next != NULL; t = t->ks_next) {
318             if (t->ks_next == type) {
319                 t->ks_next = type->ks_next;
320                 break;
321             }
322         }
323     }
324     type->ks_next = NULL;
325     type->ks_limit = 0;
326 }
327
328 /*
329  * Calculate the zone index for the allocation request size and set the
330  * allocation request size to that particular zone's chunk size.
331  */
332 static __inline int
333 zoneindex(unsigned long *bytes)
334 {
335     unsigned int n = (unsigned int)*bytes;      /* unsigned for shift opt */
336     if (n < 128) {
337         *bytes = n = (n + 7) & ~7;
338         return(n / 8 - 1);              /* 8 byte chunks, 16 zones */
339     }
340     if (n < 256) {
341         *bytes = n = (n + 15) & ~15;
342         return(n / 16 + 7);
343     }
344     if (n < 8192) {
345         if (n < 512) {
346             *bytes = n = (n + 31) & ~31;
347             return(n / 32 + 15);
348         }
349         if (n < 1024) {
350             *bytes = n = (n + 63) & ~63;
351             return(n / 64 + 23);
352         } 
353         if (n < 2048) {
354             *bytes = n = (n + 127) & ~127;
355             return(n / 128 + 31);
356         }
357         if (n < 4096) {
358             *bytes = n = (n + 255) & ~255;
359             return(n / 256 + 39);
360         }
361         *bytes = n = (n + 511) & ~511;
362         return(n / 512 + 47);
363     }
364 #if ZALLOC_ZONE_LIMIT > 8192
365     if (n < 16384) {
366         *bytes = n = (n + 1023) & ~1023;
367         return(n / 1024 + 55);
368     }
369 #endif
370 #if ZALLOC_ZONE_LIMIT > 16384
371     if (n < 32768) {
372         *bytes = n = (n + 2047) & ~2047;
373         return(n / 2048 + 63);
374     }
375 #endif
376     panic("Unexpected byte count %d", n);
377     return(0);
378 }
379
380 /*
381  * malloc()     (SLAB ALLOCATOR)
382  *
383  *      Allocate memory via the slab allocator.  If the request is too large,
384  *      or if it page-aligned beyond a certain size, we fall back to the
385  *      KMEM subsystem.  A SLAB tracking descriptor must be specified, use
386  *      &SlabMisc if you don't care.
387  *
388  *      M_RNOWAIT       - don't block.
389  *      M_NULLOK        - return NULL instead of blocking.
390  *      M_ZERO          - zero the returned memory.
391  *      M_USE_RESERVE   - allow greater drawdown of the free list
392  *      M_USE_INTERRUPT_RESERVE - allow the freelist to be exhausted
393  *
394  * MPSAFE
395  */
396
397 void *
398 kmalloc(unsigned long size, struct malloc_type *type, int flags)
399 {
400     SLZone *z;
401     SLChunk *chunk;
402     SLGlobalData *slgd;
403     struct globaldata *gd;
404     int zi;
405 #ifdef INVARIANTS
406     int i;
407 #endif
408
409     logmemory_quick(malloc_beg);
410     gd = mycpu;
411     slgd = &gd->gd_slab;
412
413     /*
414      * XXX silly to have this in the critical path.
415      */
416     if (type->ks_limit == 0) {
417         crit_enter();
418         if (type->ks_limit == 0)
419             malloc_init(type);
420         crit_exit();
421     }
422     ++type->ks_calls;
423
424     /*
425      * Handle the case where the limit is reached.  Panic if we can't return
426      * NULL.  The original malloc code looped, but this tended to
427      * simply deadlock the computer.
428      *
429      * ks_loosememuse is an up-only limit that is NOT MP-synchronized, used
430      * to determine if a more complete limit check should be done.  The
431      * actual memory use is tracked via ks_memuse[cpu].
432      */
433     while (type->ks_loosememuse >= type->ks_limit) {
434         int i;
435         long ttl;
436
437         for (i = ttl = 0; i < ncpus; ++i)
438             ttl += type->ks_memuse[i];
439         type->ks_loosememuse = ttl;     /* not MP synchronized */
440         if (ttl >= type->ks_limit) {
441             if (flags & M_NULLOK) {
442                 logmemory(malloc, NULL, type, size, flags);
443                 return(NULL);
444             }
445             panic("%s: malloc limit exceeded", type->ks_shortdesc);
446         }
447     }
448
449     /*
450      * Handle the degenerate size == 0 case.  Yes, this does happen.
451      * Return a special pointer.  This is to maintain compatibility with
452      * the original malloc implementation.  Certain devices, such as the
453      * adaptec driver, not only allocate 0 bytes, they check for NULL and
454      * also realloc() later on.  Joy.
455      */
456     if (size == 0) {
457         logmemory(malloc, ZERO_LENGTH_PTR, type, size, flags);
458         return(ZERO_LENGTH_PTR);
459     }
460
461     /*
462      * Handle hysteresis from prior frees here in malloc().  We cannot
463      * safely manipulate the kernel_map in free() due to free() possibly
464      * being called via an IPI message or from sensitive interrupt code.
465      */
466     while (slgd->NFreeZones > ZONE_RELS_THRESH && (flags & M_RNOWAIT) == 0) {
467         crit_enter();
468         if (slgd->NFreeZones > ZONE_RELS_THRESH) {      /* crit sect race */
469             z = slgd->FreeZones;
470             slgd->FreeZones = z->z_Next;
471             --slgd->NFreeZones;
472             kmem_slab_free(z, ZoneSize);        /* may block */
473         }
474         crit_exit();
475     }
476     /*
477      * XXX handle oversized frees that were queued from free().
478      */
479     while (slgd->FreeOvZones && (flags & M_RNOWAIT) == 0) {
480         crit_enter();
481         if ((z = slgd->FreeOvZones) != NULL) {
482             KKASSERT(z->z_Magic == ZALLOC_OVSZ_MAGIC);
483             slgd->FreeOvZones = z->z_Next;
484             kmem_slab_free(z, z->z_ChunkSize);  /* may block */
485         }
486         crit_exit();
487     }
488
489     /*
490      * Handle large allocations directly.  There should not be very many of
491      * these so performance is not a big issue.
492      *
493      * The backend allocator is pretty nasty on a SMP system.   Use the
494      * slab allocator for one and two page-sized chunks even though we lose
495      * some efficiency.  XXX maybe fix mmio and the elf loader instead.
496      */
497     if (size >= ZoneLimit || ((size & PAGE_MASK) == 0 && size > PAGE_SIZE*2)) {
498         struct kmemusage *kup;
499
500         size = round_page(size);
501         chunk = kmem_slab_alloc(size, PAGE_SIZE, flags);
502         if (chunk == NULL) {
503             logmemory(malloc, NULL, type, size, flags);
504             return(NULL);
505         }
506         flags &= ~M_ZERO;       /* result already zero'd if M_ZERO was set */
507         flags |= M_PASSIVE_ZERO;
508         kup = btokup(chunk);
509         kup->ku_pagecnt = size / PAGE_SIZE;
510         kup->ku_cpu = gd->gd_cpuid;
511         crit_enter();
512         goto done;
513     }
514
515     /*
516      * Attempt to allocate out of an existing zone.  First try the free list,
517      * then allocate out of unallocated space.  If we find a good zone move
518      * it to the head of the list so later allocations find it quickly
519      * (we might have thousands of zones in the list).
520      *
521      * Note: zoneindex() will panic of size is too large.
522      */
523     zi = zoneindex(&size);
524     KKASSERT(zi < NZONES);
525     crit_enter();
526     if ((z = slgd->ZoneAry[zi]) != NULL) {
527         KKASSERT(z->z_NFree > 0);
528
529         /*
530          * Remove us from the ZoneAry[] when we become empty
531          */
532         if (--z->z_NFree == 0) {
533             slgd->ZoneAry[zi] = z->z_Next;
534             z->z_Next = NULL;
535         }
536
537         /*
538          * Locate a chunk in a free page.  This attempts to localize
539          * reallocations into earlier pages without us having to sort
540          * the chunk list.  A chunk may still overlap a page boundary.
541          */
542         while (z->z_FirstFreePg < ZonePageCount) {
543             if ((chunk = z->z_PageAry[z->z_FirstFreePg]) != NULL) {
544 #ifdef DIAGNOSTIC
545                 /*
546                  * Diagnostic: c_Next is not total garbage.
547                  */
548                 KKASSERT(chunk->c_Next == NULL ||
549                         ((intptr_t)chunk->c_Next & IN_SAME_PAGE_MASK) ==
550                         ((intptr_t)chunk & IN_SAME_PAGE_MASK));
551 #endif
552 #ifdef INVARIANTS
553                 if ((vm_offset_t)chunk < KvaStart || (vm_offset_t)chunk >= KvaEnd)
554                         panic("chunk %p FFPG %d/%d", chunk, z->z_FirstFreePg, ZonePageCount);
555                 if (chunk->c_Next && (vm_offset_t)chunk->c_Next < KvaStart)
556                         panic("chunkNEXT %p %p FFPG %d/%d", chunk, chunk->c_Next, z->z_FirstFreePg, ZonePageCount);
557                 chunk_mark_allocated(z, chunk);
558 #endif
559                 z->z_PageAry[z->z_FirstFreePg] = chunk->c_Next;
560                 goto done;
561             }
562             ++z->z_FirstFreePg;
563         }
564
565         /*
566          * No chunks are available but NFree said we had some memory, so
567          * it must be available in the never-before-used-memory area
568          * governed by UIndex.  The consequences are very serious if our zone
569          * got corrupted so we use an explicit panic rather then a KASSERT.
570          */
571         if (z->z_UIndex + 1 != z->z_NMax)
572             z->z_UIndex = z->z_UIndex + 1;
573         else
574             z->z_UIndex = 0;
575         if (z->z_UIndex == z->z_UEndIndex)
576             panic("slaballoc: corrupted zone");
577         chunk = (SLChunk *)(z->z_BasePtr + z->z_UIndex * size);
578         if ((z->z_Flags & SLZF_UNOTZEROD) == 0) {
579             flags &= ~M_ZERO;
580             flags |= M_PASSIVE_ZERO;
581         }
582 #if defined(INVARIANTS)
583         chunk_mark_allocated(z, chunk);
584 #endif
585         goto done;
586     }
587
588     /*
589      * If all zones are exhausted we need to allocate a new zone for this
590      * index.  Use M_ZERO to take advantage of pre-zerod pages.  Also see
591      * UAlloc use above in regards to M_ZERO.  Note that when we are reusing
592      * a zone from the FreeZones list UAlloc'd data will not be zero'd, and
593      * we do not pre-zero it because we do not want to mess up the L1 cache.
594      *
595      * At least one subsystem, the tty code (see CROUND) expects power-of-2
596      * allocations to be power-of-2 aligned.  We maintain compatibility by
597      * adjusting the base offset below.
598      */
599     {
600         int off;
601
602         if ((z = slgd->FreeZones) != NULL) {
603             slgd->FreeZones = z->z_Next;
604             --slgd->NFreeZones;
605             bzero(z, sizeof(SLZone));
606             z->z_Flags |= SLZF_UNOTZEROD;
607         } else {
608             z = kmem_slab_alloc(ZoneSize, ZoneSize, flags|M_ZERO);
609             if (z == NULL)
610                 goto fail;
611         }
612
613         /*
614          * How big is the base structure?
615          */
616 #if defined(INVARIANTS)
617         /*
618          * Make room for z_Bitmap.  An exact calculation is somewhat more
619          * complicated so don't make an exact calculation.
620          */
621         off = offsetof(SLZone, z_Bitmap[(ZoneSize / size + 31) / 32]);
622         bzero(z->z_Bitmap, (ZoneSize / size + 31) / 8);
623 #else
624         off = sizeof(SLZone);
625 #endif
626
627         /*
628          * Guarentee power-of-2 alignment for power-of-2-sized chunks.
629          * Otherwise just 8-byte align the data.
630          */
631         if ((size | (size - 1)) + 1 == (size << 1))
632             off = (off + size - 1) & ~(size - 1);
633         else
634             off = (off + MIN_CHUNK_MASK) & ~MIN_CHUNK_MASK;
635         z->z_Magic = ZALLOC_SLAB_MAGIC;
636         z->z_ZoneIndex = zi;
637         z->z_NMax = (ZoneSize - off) / size;
638         z->z_NFree = z->z_NMax - 1;
639         z->z_BasePtr = (char *)z + off;
640         z->z_UIndex = z->z_UEndIndex = slgd->JunkIndex % z->z_NMax;
641         z->z_ChunkSize = size;
642         z->z_FirstFreePg = ZonePageCount;
643         z->z_CpuGd = gd;
644         z->z_Cpu = gd->gd_cpuid;
645         chunk = (SLChunk *)(z->z_BasePtr + z->z_UIndex * size);
646         z->z_Next = slgd->ZoneAry[zi];
647         slgd->ZoneAry[zi] = z;
648         if ((z->z_Flags & SLZF_UNOTZEROD) == 0) {
649             flags &= ~M_ZERO;   /* already zero'd */
650             flags |= M_PASSIVE_ZERO;
651         }
652 #if defined(INVARIANTS)
653         chunk_mark_allocated(z, chunk);
654 #endif
655
656         /*
657          * Slide the base index for initial allocations out of the next
658          * zone we create so we do not over-weight the lower part of the
659          * cpu memory caches.
660          */
661         slgd->JunkIndex = (slgd->JunkIndex + ZALLOC_SLAB_SLIDE)
662                                 & (ZALLOC_MAX_ZONE_SIZE - 1);
663     }
664 done:
665     ++type->ks_inuse[gd->gd_cpuid];
666     type->ks_memuse[gd->gd_cpuid] += size;
667     type->ks_loosememuse += size;       /* not MP synchronized */
668     crit_exit();
669     if (flags & M_ZERO)
670         bzero(chunk, size);
671 #ifdef INVARIANTS
672     else if ((flags & (M_ZERO|M_PASSIVE_ZERO)) == 0) {
673         if (use_malloc_pattern) {
674             for (i = 0; i < size; i += sizeof(int)) {
675                 *(int *)((char *)chunk + i) = -1;
676             }
677         }
678         chunk->c_Next = (void *)-1; /* avoid accidental double-free check */
679     }
680 #endif
681     logmemory(malloc, chunk, type, size, flags);
682     return(chunk);
683 fail:
684     crit_exit();
685     logmemory(malloc, NULL, type, size, flags);
686     return(NULL);
687 }
688
689 /*
690  * kernel realloc.  (SLAB ALLOCATOR) (MP SAFE)
691  *
692  * Generally speaking this routine is not called very often and we do
693  * not attempt to optimize it beyond reusing the same pointer if the
694  * new size fits within the chunking of the old pointer's zone.
695  */
696 void *
697 krealloc(void *ptr, unsigned long size, struct malloc_type *type, int flags)
698 {
699     SLZone *z;
700     void *nptr;
701     unsigned long osize;
702
703     KKASSERT((flags & M_ZERO) == 0);    /* not supported */
704
705     if (ptr == NULL || ptr == ZERO_LENGTH_PTR)
706         return(kmalloc(size, type, flags));
707     if (size == 0) {
708         kfree(ptr, type);
709         return(NULL);
710     }
711
712     /*
713      * Handle oversized allocations.  XXX we really should require that a
714      * size be passed to free() instead of this nonsense.
715      */
716     {
717         struct kmemusage *kup;
718
719         kup = btokup(ptr);
720         if (kup->ku_pagecnt) {
721             osize = kup->ku_pagecnt << PAGE_SHIFT;
722             if (osize == round_page(size))
723                 return(ptr);
724             if ((nptr = kmalloc(size, type, flags)) == NULL)
725                 return(NULL);
726             bcopy(ptr, nptr, min(size, osize));
727             kfree(ptr, type);
728             return(nptr);
729         }
730     }
731
732     /*
733      * Get the original allocation's zone.  If the new request winds up
734      * using the same chunk size we do not have to do anything.
735      */
736     z = (SLZone *)((uintptr_t)ptr & ~(uintptr_t)ZoneMask);
737     KKASSERT(z->z_Magic == ZALLOC_SLAB_MAGIC);
738
739     zoneindex(&size);
740     if (z->z_ChunkSize == size)
741         return(ptr);
742
743     /*
744      * Allocate memory for the new request size.  Note that zoneindex has
745      * already adjusted the request size to the appropriate chunk size, which
746      * should optimize our bcopy().  Then copy and return the new pointer.
747      */
748     if ((nptr = kmalloc(size, type, flags)) == NULL)
749         return(NULL);
750     bcopy(ptr, nptr, min(size, z->z_ChunkSize));
751     kfree(ptr, type);
752     return(nptr);
753 }
754
755 /*
756  * Return the kmalloc limit for this type, in bytes.
757  */
758 long
759 kmalloc_limit(struct malloc_type *type)
760 {
761     if (type->ks_limit == 0) {
762         crit_enter();
763         if (type->ks_limit == 0)
764             malloc_init(type);
765         crit_exit();
766     }
767     return(type->ks_limit);
768 }
769
770 /*
771  * Allocate a copy of the specified string.
772  *
773  * (MP SAFE) (MAY BLOCK)
774  */
775 char *
776 kstrdup(const char *str, struct malloc_type *type)
777 {
778     int zlen;   /* length inclusive of terminating NUL */
779     char *nstr;
780
781     if (str == NULL)
782         return(NULL);
783     zlen = strlen(str) + 1;
784     nstr = kmalloc(zlen, type, M_WAITOK);
785     bcopy(str, nstr, zlen);
786     return(nstr);
787 }
788
789 #ifdef SMP
790 /*
791  * free()       (SLAB ALLOCATOR)
792  *
793  *      Free the specified chunk of memory.
794  */
795 static
796 void
797 free_remote(void *ptr)
798 {
799     logmemory(free_remote, ptr, *(struct malloc_type **)ptr, -1, 0);
800     kfree(ptr, *(struct malloc_type **)ptr);
801 }
802
803 #endif
804
805 /*
806  * free (SLAB ALLOCATOR)
807  *
808  * Free a memory block previously allocated by malloc.  Note that we do not
809  * attempt to uplodate ks_loosememuse as MP races could prevent us from
810  * checking memory limits in malloc.
811  *
812  * MPSAFE
813  */
814 void
815 kfree(void *ptr, struct malloc_type *type)
816 {
817     SLZone *z;
818     SLChunk *chunk;
819     SLGlobalData *slgd;
820     struct globaldata *gd;
821     int pgno;
822
823     logmemory_quick(free_beg);
824     gd = mycpu;
825     slgd = &gd->gd_slab;
826
827     if (ptr == NULL)
828         panic("trying to free NULL pointer");
829
830     /*
831      * Handle special 0-byte allocations
832      */
833     if (ptr == ZERO_LENGTH_PTR) {
834         logmemory(free_zero, ptr, type, -1, 0);
835         logmemory_quick(free_end);
836         return;
837     }
838
839     /*
840      * Handle oversized allocations.  XXX we really should require that a
841      * size be passed to free() instead of this nonsense.
842      *
843      * This code is never called via an ipi.
844      */
845     {
846         struct kmemusage *kup;
847         unsigned long size;
848
849         kup = btokup(ptr);
850         if (kup->ku_pagecnt) {
851             size = kup->ku_pagecnt << PAGE_SHIFT;
852             kup->ku_pagecnt = 0;
853 #ifdef INVARIANTS
854             KKASSERT(sizeof(weirdary) <= size);
855             bcopy(weirdary, ptr, sizeof(weirdary));
856 #endif
857             /*
858              * note: we always adjust our cpu's slot, not the originating
859              * cpu (kup->ku_cpuid).  The statistics are in aggregate.
860              *
861              * note: XXX we have still inherited the interrupts-can't-block
862              * assumption.  An interrupt thread does not bump
863              * gd_intr_nesting_level so check TDF_INTTHREAD.  This is
864              * primarily until we can fix softupdate's assumptions about free().
865              */
866             crit_enter();
867             --type->ks_inuse[gd->gd_cpuid];
868             type->ks_memuse[gd->gd_cpuid] -= size;
869             if (mycpu->gd_intr_nesting_level || (gd->gd_curthread->td_flags & TDF_INTTHREAD)) {
870                 logmemory(free_ovsz_delayed, ptr, type, size, 0);
871                 z = (SLZone *)ptr;
872                 z->z_Magic = ZALLOC_OVSZ_MAGIC;
873                 z->z_Next = slgd->FreeOvZones;
874                 z->z_ChunkSize = size;
875                 slgd->FreeOvZones = z;
876                 crit_exit();
877             } else {
878                 crit_exit();
879                 logmemory(free_ovsz, ptr, type, size, 0);
880                 kmem_slab_free(ptr, size);      /* may block */
881             }
882             logmemory_quick(free_end);
883             return;
884         }
885     }
886
887     /*
888      * Zone case.  Figure out the zone based on the fact that it is
889      * ZoneSize aligned. 
890      */
891     z = (SLZone *)((uintptr_t)ptr & ~(uintptr_t)ZoneMask);
892     KKASSERT(z->z_Magic == ZALLOC_SLAB_MAGIC);
893
894     /*
895      * If we do not own the zone then forward the request to the
896      * cpu that does.  Since the timing is non-critical, a passive
897      * message is sent.
898      */
899     if (z->z_CpuGd != gd) {
900         *(struct malloc_type **)ptr = type;
901 #ifdef SMP
902         logmemory(free_request, ptr, type, z->z_ChunkSize, 0);
903         lwkt_send_ipiq_passive(z->z_CpuGd, free_remote, ptr);
904 #else
905         panic("Corrupt SLZone");
906 #endif
907         logmemory_quick(free_end);
908         return;
909     }
910
911     logmemory(free_chunk, ptr, type, z->z_ChunkSize, 0);
912
913     if (type->ks_magic != M_MAGIC)
914         panic("free: malloc type lacks magic");
915
916     crit_enter();
917     pgno = ((char *)ptr - (char *)z) >> PAGE_SHIFT;
918     chunk = ptr;
919
920 #ifdef INVARIANTS
921     /*
922      * Attempt to detect a double-free.  To reduce overhead we only check
923      * if there appears to be link pointer at the base of the data.
924      */
925     if (((intptr_t)chunk->c_Next - (intptr_t)z) >> PAGE_SHIFT == pgno) {
926         SLChunk *scan;
927         for (scan = z->z_PageAry[pgno]; scan; scan = scan->c_Next) {
928             if (scan == chunk)
929                 panic("Double free at %p", chunk);
930         }
931     }
932     chunk_mark_free(z, chunk);
933 #endif
934
935     /*
936      * Put weird data into the memory to detect modifications after freeing,
937      * illegal pointer use after freeing (we should fault on the odd address),
938      * and so forth.  XXX needs more work, see the old malloc code.
939      */
940 #ifdef INVARIANTS
941     if (z->z_ChunkSize < sizeof(weirdary))
942         bcopy(weirdary, chunk, z->z_ChunkSize);
943     else
944         bcopy(weirdary, chunk, sizeof(weirdary));
945 #endif
946
947     /*
948      * Add this free non-zero'd chunk to a linked list for reuse, adjust
949      * z_FirstFreePg.
950      */
951 #ifdef INVARIANTS
952     if ((vm_offset_t)chunk < KvaStart || (vm_offset_t)chunk >= KvaEnd)
953         panic("BADFREE %p", chunk);
954 #endif
955     chunk->c_Next = z->z_PageAry[pgno];
956     z->z_PageAry[pgno] = chunk;
957 #ifdef INVARIANTS
958     if (chunk->c_Next && (vm_offset_t)chunk->c_Next < KvaStart)
959         panic("BADFREE2");
960 #endif
961     if (z->z_FirstFreePg > pgno)
962         z->z_FirstFreePg = pgno;
963
964     /*
965      * Bump the number of free chunks.  If it becomes non-zero the zone
966      * must be added back onto the appropriate list.
967      */
968     if (z->z_NFree++ == 0) {
969         z->z_Next = slgd->ZoneAry[z->z_ZoneIndex];
970         slgd->ZoneAry[z->z_ZoneIndex] = z;
971     }
972
973     --type->ks_inuse[z->z_Cpu];
974     type->ks_memuse[z->z_Cpu] -= z->z_ChunkSize;
975
976     /*
977      * If the zone becomes totally free, and there are other zones we
978      * can allocate from, move this zone to the FreeZones list.  Since
979      * this code can be called from an IPI callback, do *NOT* try to mess
980      * with kernel_map here.  Hysteresis will be performed at malloc() time.
981      */
982     if (z->z_NFree == z->z_NMax && 
983         (z->z_Next || slgd->ZoneAry[z->z_ZoneIndex] != z)
984     ) {
985         SLZone **pz;
986
987         for (pz = &slgd->ZoneAry[z->z_ZoneIndex]; z != *pz; pz = &(*pz)->z_Next)
988             ;
989         *pz = z->z_Next;
990         z->z_Magic = -1;
991         z->z_Next = slgd->FreeZones;
992         slgd->FreeZones = z;
993         ++slgd->NFreeZones;
994     }
995     logmemory_quick(free_end);
996     crit_exit();
997 }
998
999 #if defined(INVARIANTS)
1000 /*
1001  * Helper routines for sanity checks
1002  */
1003 static
1004 void
1005 chunk_mark_allocated(SLZone *z, void *chunk)
1006 {
1007     int bitdex = ((char *)chunk - (char *)z->z_BasePtr) / z->z_ChunkSize;
1008     __uint32_t *bitptr;
1009
1010     KASSERT(bitdex >= 0 && bitdex < z->z_NMax, ("memory chunk %p bit index %d is illegal", chunk, bitdex));
1011     bitptr = &z->z_Bitmap[bitdex >> 5];
1012     bitdex &= 31;
1013     KASSERT((*bitptr & (1 << bitdex)) == 0, ("memory chunk %p is already allocated!", chunk));
1014     *bitptr |= 1 << bitdex;
1015 }
1016
1017 static
1018 void
1019 chunk_mark_free(SLZone *z, void *chunk)
1020 {
1021     int bitdex = ((char *)chunk - (char *)z->z_BasePtr) / z->z_ChunkSize;
1022     __uint32_t *bitptr;
1023
1024     KASSERT(bitdex >= 0 && bitdex < z->z_NMax, ("memory chunk %p bit index %d is illegal!", chunk, bitdex));
1025     bitptr = &z->z_Bitmap[bitdex >> 5];
1026     bitdex &= 31;
1027     KASSERT((*bitptr & (1 << bitdex)) != 0, ("memory chunk %p is already free!", chunk));
1028     *bitptr &= ~(1 << bitdex);
1029 }
1030
1031 #endif
1032
1033 /*
1034  * kmem_slab_alloc()
1035  *
1036  *      Directly allocate and wire kernel memory in PAGE_SIZE chunks with the
1037  *      specified alignment.  M_* flags are expected in the flags field.
1038  *
1039  *      Alignment must be a multiple of PAGE_SIZE.
1040  *
1041  *      NOTE! XXX For the moment we use vm_map_entry_reserve/release(),
1042  *      but when we move zalloc() over to use this function as its backend
1043  *      we will have to switch to kreserve/krelease and call reserve(0)
1044  *      after the new space is made available.
1045  *
1046  *      Interrupt code which has preempted other code is not allowed to
1047  *      use PQ_CACHE pages.  However, if an interrupt thread is run
1048  *      non-preemptively or blocks and then runs non-preemptively, then
1049  *      it is free to use PQ_CACHE pages.
1050  *
1051  *      This routine will currently obtain the BGL.
1052  *
1053  * MPALMOSTSAFE - acquires mplock
1054  */
1055 static void *
1056 kmem_slab_alloc(vm_size_t size, vm_offset_t align, int flags)
1057 {
1058     vm_size_t i;
1059     vm_offset_t addr;
1060     int count, vmflags, base_vmflags;
1061     thread_t td;
1062
1063     size = round_page(size);
1064     addr = vm_map_min(&kernel_map);
1065
1066     /*
1067      * Reserve properly aligned space from kernel_map.  RNOWAIT allocations
1068      * cannot block.
1069      */
1070     if (flags & M_RNOWAIT) {
1071         if (try_mplock() == 0)
1072             return(NULL);
1073     } else {
1074         get_mplock();
1075     }
1076     count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
1077     crit_enter();
1078     vm_map_lock(&kernel_map);
1079     if (vm_map_findspace(&kernel_map, addr, size, align, &addr)) {
1080         vm_map_unlock(&kernel_map);
1081         if ((flags & M_NULLOK) == 0)
1082             panic("kmem_slab_alloc(): kernel_map ran out of space!");
1083         crit_exit();
1084         vm_map_entry_release(count);
1085         rel_mplock();
1086         return(NULL);
1087     }
1088
1089     /*
1090      * kernel_object maps 1:1 to kernel_map.
1091      */
1092     vm_object_reference(&kernel_object);
1093     vm_map_insert(&kernel_map, &count, 
1094                     &kernel_object, addr, addr, addr + size,
1095                     VM_MAPTYPE_NORMAL,
1096                     VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
1097                     0);
1098
1099     td = curthread;
1100
1101     base_vmflags = 0;
1102     if (flags & M_ZERO)
1103         base_vmflags |= VM_ALLOC_ZERO;
1104     if (flags & M_USE_RESERVE)
1105         base_vmflags |= VM_ALLOC_SYSTEM;
1106     if (flags & M_USE_INTERRUPT_RESERVE)
1107         base_vmflags |= VM_ALLOC_INTERRUPT;
1108     if ((flags & (M_RNOWAIT|M_WAITOK)) == 0)
1109         panic("kmem_slab_alloc: bad flags %08x (%p)", flags, ((int **)&size)[-1]);
1110
1111
1112     /*
1113      * Allocate the pages.  Do not mess with the PG_ZERO flag yet.
1114      */
1115     for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
1116         vm_page_t m;
1117
1118         /*
1119          * VM_ALLOC_NORMAL can only be set if we are not preempting.
1120          *
1121          * VM_ALLOC_SYSTEM is automatically set if we are preempting and
1122          * M_WAITOK was specified as an alternative (i.e. M_USE_RESERVE is
1123          * implied in this case), though I'm not sure if we really need to
1124          * do that.
1125          */
1126         vmflags = base_vmflags;
1127         if (flags & M_WAITOK) {
1128             if (td->td_preempted)
1129                 vmflags |= VM_ALLOC_SYSTEM;
1130             else
1131                 vmflags |= VM_ALLOC_NORMAL;
1132         }
1133
1134         m = vm_page_alloc(&kernel_object, OFF_TO_IDX(addr + i), vmflags);
1135
1136         /*
1137          * If the allocation failed we either return NULL or we retry.
1138          *
1139          * If M_WAITOK is specified we wait for more memory and retry.
1140          * If M_WAITOK is specified from a preemption we yield instead of
1141          * wait.  Livelock will not occur because the interrupt thread
1142          * will not be preempting anyone the second time around after the
1143          * yield.
1144          */
1145         if (m == NULL) {
1146             if (flags & M_WAITOK) {
1147                 if (td->td_preempted) {
1148                     vm_map_unlock(&kernel_map);
1149                     lwkt_yield();
1150                     vm_map_lock(&kernel_map);
1151                 } else {
1152                     vm_map_unlock(&kernel_map);
1153                     vm_wait(0);
1154                     vm_map_lock(&kernel_map);
1155                 }
1156                 i -= PAGE_SIZE; /* retry */
1157                 continue;
1158             }
1159
1160             /*
1161              * We were unable to recover, cleanup and return NULL
1162              */
1163             while (i != 0) {
1164                 i -= PAGE_SIZE;
1165                 m = vm_page_lookup(&kernel_object, OFF_TO_IDX(addr + i));
1166                 /* page should already be busy */
1167                 vm_page_free(m);
1168             }
1169             vm_map_delete(&kernel_map, addr, addr + size, &count);
1170             vm_map_unlock(&kernel_map);
1171             crit_exit();
1172             vm_map_entry_release(count);
1173             rel_mplock();
1174             return(NULL);
1175         }
1176     }
1177
1178     /*
1179      * Success!
1180      *
1181      * Mark the map entry as non-pageable using a routine that allows us to
1182      * populate the underlying pages.
1183      *
1184      * The pages were busied by the allocations above.
1185      */
1186     vm_map_set_wired_quick(&kernel_map, addr, size, &count);
1187     crit_exit();
1188
1189     /*
1190      * Enter the pages into the pmap and deal with PG_ZERO and M_ZERO.
1191      */
1192     for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
1193         vm_page_t m;
1194
1195         m = vm_page_lookup(&kernel_object, OFF_TO_IDX(addr + i));
1196         m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
1197         /* page should already be busy */
1198         vm_page_wire(m);
1199         vm_page_wakeup(m);
1200         pmap_enter(&kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
1201         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0 && (flags & M_ZERO))
1202             bzero((char *)addr + i, PAGE_SIZE);
1203         vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
1204         KKASSERT(m->flags & (PG_WRITEABLE | PG_MAPPED));
1205         vm_page_flag_set(m, PG_REFERENCED);
1206     }
1207     vm_map_unlock(&kernel_map);
1208     vm_map_entry_release(count);
1209     rel_mplock();
1210     return((void *)addr);
1211 }
1212
1213 /*
1214  * kmem_slab_free()
1215  *
1216  * MPALMOSTSAFE - acquires mplock
1217  */
1218 static void
1219 kmem_slab_free(void *ptr, vm_size_t size)
1220 {
1221     get_mplock();
1222     crit_enter();
1223     vm_map_remove(&kernel_map, (vm_offset_t)ptr, (vm_offset_t)ptr + size);
1224     crit_exit();
1225     rel_mplock();
1226 }
1227