Merge branch 'vendor/OPENSSL'
[dragonfly.git] / lib / libc / stdlib / nmalloc.c
1 /*
2  * NMALLOC.C    - New Malloc (ported from kernel slab allocator)
3  *
4  * Copyright (c) 2003,2004,2009,2010 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> and by 
8  * Venkatesh Srinivas <me@endeavour.zapto.org>.
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  *
14  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
15  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
16  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
17  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in
18  *    the documentation and/or other materials provided with the
19  *    distribution.
20  * 3. Neither the name of The DragonFly Project nor the names of its
21  *    contributors may be used to endorse or promote products derived
22  *    from this software without specific, prior written permission.
23  *
24  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
25  * ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
26  * LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS
27  * FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE
28  * COPYRIGHT HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
29  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
30  * BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
31  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED
32  * AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
33  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT
34  * OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
35  * SUCH DAMAGE.
36  *
37  * $Id: nmalloc.c,v 1.37 2010/07/23 08:20:35 vsrinivas Exp $
38  */
39 /*
40  * This module implements a slab allocator drop-in replacement for the
41  * libc malloc().
42  *
43  * A slab allocator reserves a ZONE for each chunk size, then lays the
44  * chunks out in an array within the zone.  Allocation and deallocation
45  * is nearly instantaneous, and overhead losses are limited to a fixed
46  * worst-case amount.
47  *
48  * The slab allocator does not have to pre-initialize the list of
49  * free chunks for each zone, and the underlying VM will not be
50  * touched at all beyond the zone header until an actual allocation
51  * needs it.
52  *
53  * Slab management and locking is done on a per-zone basis.
54  *
55  *      Alloc Size      Chunking        Number of zones
56  *      0-127           8               16
57  *      128-255         16              8
58  *      256-511         32              8
59  *      512-1023        64              8
60  *      1024-2047       128             8
61  *      2048-4095       256             8
62  *      4096-8191       512             8
63  *      8192-16383      1024            8
64  *      16384-32767     2048            8
65  *
66  *      Allocations >= ZoneLimit (16K) go directly to mmap and a hash table
67  *      is used to locate for free.  One and Two-page allocations use the
68  *      zone mechanic to avoid excessive mmap()/munmap() calls.
69  *
70  *                         API FEATURES AND SIDE EFFECTS
71  *
72  *    + power-of-2 sized allocations up to a page will be power-of-2 aligned.
73  *      Above that power-of-2 sized allocations are page-aligned.  Non
74  *      power-of-2 sized allocations are aligned the same as the chunk
75  *      size for their zone.
76  *    + malloc(0) returns a special non-NULL value
77  *    + ability to allocate arbitrarily large chunks of memory
78  *    + realloc will reuse the passed pointer if possible, within the
79  *      limitations of the zone chunking.
80  *
81  * Multithreaded enhancements for small allocations introduced August 2010.
82  * These are in the spirit of 'libumem'. See:
83  *      Bonwick, J.; Adams, J. (2001). "Magazines and Vmem: Extending the
84  *      slab allocator to many CPUs and arbitrary resources". In Proc. 2001 
85  *      USENIX Technical Conference. USENIX Association.
86  *
87  * TUNING
88  *
89  * The value of the environment variable MALLOC_OPTIONS is a character string
90  * containing various flags to tune nmalloc.
91  *
92  * 'U'   / ['u']        Generate / do not generate utrace entries for ktrace(1)
93  *                      This will generate utrace events for all malloc, 
94  *                      realloc, and free calls. There are tools (mtrplay) to
95  *                      replay and allocation pattern or to graph heap structure
96  *                      (mtrgraph) which can interpret these logs.
97  * 'Z'   / ['z']        Zero out / do not zero all allocations.
98  *                      Each new byte of memory allocated by malloc, realloc, or
99  *                      reallocf will be initialized to 0. This is intended for
100  *                      debugging and will affect performance negatively.
101  * 'H'  /  ['h']        Pass a hint to the kernel about pages unused by the
102  *                      allocation functions. 
103  */
104
105 /* cc -shared -fPIC -g -O -I/usr/src/lib/libc/include -o nmalloc.so nmalloc.c */
106
107 #include "libc_private.h"
108
109 #include <sys/param.h>
110 #include <sys/types.h>
111 #include <sys/mman.h>
112 #include <sys/queue.h>
113 #include <sys/uio.h>
114 #include <sys/ktrace.h>
115 #include <stdio.h>
116 #include <stdint.h>
117 #include <stdlib.h>
118 #include <stdarg.h>
119 #include <stddef.h>
120 #include <unistd.h>
121 #include <string.h>
122 #include <fcntl.h>
123 #include <errno.h>
124 #include <pthread.h>
125
126 #include "spinlock.h"
127 #include "un-namespace.h"
128
129 /*
130  * Linked list of large allocations
131  */
132 typedef struct bigalloc {
133         struct bigalloc *next;  /* hash link */
134         void    *base;          /* base pointer */
135         u_long  bytes;          /* bytes allocated */
136 } *bigalloc_t;
137
138 /*
139  * Note that any allocations which are exact multiples of PAGE_SIZE, or
140  * which are >= ZALLOC_ZONE_LIMIT, will fall through to the kmem subsystem.
141  */
142 #define ZALLOC_ZONE_LIMIT       (16 * 1024)     /* max slab-managed alloc */
143 #define ZALLOC_MIN_ZONE_SIZE    (32 * 1024)     /* minimum zone size */
144 #define ZALLOC_MAX_ZONE_SIZE    (128 * 1024)    /* maximum zone size */
145 #define ZALLOC_ZONE_SIZE        (64 * 1024)
146 #define ZALLOC_SLAB_MAGIC       0x736c6162      /* magic sanity */
147 #define ZALLOC_SLAB_SLIDE       20              /* L1-cache skip */
148
149 #if ZALLOC_ZONE_LIMIT == 16384
150 #define NZONES                  72
151 #elif ZALLOC_ZONE_LIMIT == 32768
152 #define NZONES                  80
153 #else
154 #error "I couldn't figure out NZONES"
155 #endif
156
157 /*
158  * Chunk structure for free elements
159  */
160 typedef struct slchunk {
161         struct slchunk *c_Next;
162 } *slchunk_t;
163
164 /*
165  * The IN-BAND zone header is placed at the beginning of each zone.
166  */
167 struct slglobaldata;
168
169 typedef struct slzone {
170         int32_t         z_Magic;        /* magic number for sanity check */
171         int             z_NFree;        /* total free chunks / ualloc space */
172         struct slzone *z_Next;          /* ZoneAry[] link if z_NFree non-zero */
173         int             z_NMax;         /* maximum free chunks */
174         char            *z_BasePtr;     /* pointer to start of chunk array */
175         int             z_UIndex;       /* current initial allocation index */
176         int             z_UEndIndex;    /* last (first) allocation index */
177         int             z_ChunkSize;    /* chunk size for validation */
178         int             z_FirstFreePg;  /* chunk list on a page-by-page basis */
179         int             z_ZoneIndex;
180         int             z_Flags;
181         struct slchunk *z_PageAry[ZALLOC_ZONE_SIZE / PAGE_SIZE];
182 #if defined(INVARIANTS)
183         __uint32_t      z_Bitmap[];     /* bitmap of free chunks / sanity */
184 #endif
185 } *slzone_t;
186
187 typedef struct slglobaldata {
188         spinlock_t      Spinlock;
189         slzone_t        ZoneAry[NZONES];/* linked list of zones NFree > 0 */
190         int             JunkIndex;
191 } *slglobaldata_t;
192
193 #define SLZF_UNOTZEROD          0x0001
194
195 #define FASTSLABREALLOC         0x02
196
197 /*
198  * Misc constants.  Note that allocations that are exact multiples of
199  * PAGE_SIZE, or exceed the zone limit, fall through to the kmem module.
200  * IN_SAME_PAGE_MASK is used to sanity-check the per-page free lists.
201  */
202 #define MIN_CHUNK_SIZE          8               /* in bytes */
203 #define MIN_CHUNK_MASK          (MIN_CHUNK_SIZE - 1)
204 #define IN_SAME_PAGE_MASK       (~(intptr_t)PAGE_MASK | MIN_CHUNK_MASK)
205
206 /*
207  * The WEIRD_ADDR is used as known text to copy into free objects to
208  * try to create deterministic failure cases if the data is accessed after
209  * free.
210  *
211  * WARNING: A limited number of spinlocks are available, BIGXSIZE should
212  *          not be larger then 64.
213  */
214 #define WEIRD_ADDR      0xdeadc0de
215 #define MAX_COPY        sizeof(weirdary)
216 #define ZERO_LENGTH_PTR ((void *)&malloc_dummy_pointer)
217
218 #define BIGHSHIFT       10                      /* bigalloc hash table */
219 #define BIGHSIZE        (1 << BIGHSHIFT)
220 #define BIGHMASK        (BIGHSIZE - 1)
221 #define BIGXSIZE        (BIGHSIZE / 16)         /* bigalloc lock table */
222 #define BIGXMASK        (BIGXSIZE - 1)
223
224 #define SAFLAG_ZERO     0x0001
225 #define SAFLAG_PASSIVE  0x0002
226
227 /*
228  * Thread control
229  */
230
231 #define arysize(ary)    (sizeof(ary)/sizeof((ary)[0]))
232
233 #define MASSERT(exp)    do { if (__predict_false(!(exp)))       \
234                                 _mpanic("assertion: %s in %s",  \
235                                 #exp, __func__);                \
236                             } while (0)
237
238 /*
239  * Magazines 
240  */
241
242 #define M_MAX_ROUNDS    64
243 #define M_ZONE_ROUNDS   64
244 #define M_LOW_ROUNDS    32
245 #define M_INIT_ROUNDS   8
246 #define M_BURST_FACTOR  8
247 #define M_BURST_NSCALE  2
248
249 #define M_BURST         0x0001
250 #define M_BURST_EARLY   0x0002
251
252 struct magazine {
253         SLIST_ENTRY(magazine) nextmagazine;
254
255         int             flags;
256         int             capacity;       /* Max rounds in this magazine */
257         int             rounds;         /* Current number of free rounds */ 
258         int             burst_factor;   /* Number of blocks to prefill with */
259         int             low_factor;     /* Free till low_factor from full mag */
260         void            *objects[M_MAX_ROUNDS];
261 };
262
263 SLIST_HEAD(magazinelist, magazine);
264
265 static spinlock_t zone_mag_lock;
266 static struct magazine zone_magazine = {
267         .flags = M_BURST | M_BURST_EARLY,
268         .capacity = M_ZONE_ROUNDS,
269         .rounds = 0,
270         .burst_factor = M_BURST_FACTOR,
271         .low_factor = M_LOW_ROUNDS
272 };
273
274 #define MAGAZINE_FULL(mp)       (mp->rounds == mp->capacity)
275 #define MAGAZINE_NOTFULL(mp)    (mp->rounds < mp->capacity)
276 #define MAGAZINE_EMPTY(mp)      (mp->rounds == 0)
277 #define MAGAZINE_NOTEMPTY(mp)   (mp->rounds != 0)
278
279 /* Each thread will have a pair of magazines per size-class (NZONES)
280  * The loaded magazine will support immediate allocations, the previous
281  * magazine will either be full or empty and can be swapped at need */
282 typedef struct magazine_pair {
283         struct magazine *loaded;
284         struct magazine *prev;
285 } magazine_pair;
286
287 /* A depot is a collection of magazines for a single zone. */
288 typedef struct magazine_depot {
289         struct magazinelist full;
290         struct magazinelist empty;
291         spinlock_t      lock;
292 } magazine_depot;
293
294 typedef struct thr_mags {
295         magazine_pair   mags[NZONES];
296         struct magazine *newmag;
297         int             init;
298 } thr_mags;
299
300 /*
301  * With this attribute set, do not require a function call for accessing
302  * this variable when the code is compiled -fPIC. Empty for libc_rtld
303  * (like __thread).
304  */
305 #ifdef __LIBC_RTLD
306 #define TLS_ATTRIBUTE
307 #else
308 #define TLS_ATTRIBUTE __attribute__ ((tls_model ("initial-exec")))
309 #endif
310
311 static int mtmagazine_free_live;
312 static __thread thr_mags thread_mags TLS_ATTRIBUTE;
313 static pthread_key_t thread_mags_key;
314 static pthread_once_t thread_mags_once = PTHREAD_ONCE_INIT;
315 static magazine_depot depots[NZONES];
316
317 /*
318  * Fixed globals (not per-cpu)
319  */
320 static const int ZoneSize = ZALLOC_ZONE_SIZE;
321 static const int ZoneLimit = ZALLOC_ZONE_LIMIT;
322 static const int ZonePageCount = ZALLOC_ZONE_SIZE / PAGE_SIZE;
323 static const int ZoneMask = ZALLOC_ZONE_SIZE - 1;
324
325 static int opt_madvise = 0;
326 static int opt_utrace = 0;
327 static int g_malloc_flags = 0;
328 static struct slglobaldata      SLGlobalData;
329 static bigalloc_t bigalloc_array[BIGHSIZE];
330 static spinlock_t bigspin_array[BIGXSIZE];
331 static int malloc_panic;
332 static int malloc_dummy_pointer;
333
334 static const int32_t weirdary[16] = {
335         WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR,
336         WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR,
337         WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR,
338         WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR, WEIRD_ADDR
339 };
340
341 static void *_slaballoc(size_t size, int flags);
342 static void *_slabrealloc(void *ptr, size_t size);
343 static void _slabfree(void *ptr, int, bigalloc_t *);
344 static void *_vmem_alloc(size_t bytes, size_t align, int flags);
345 static void _vmem_free(void *ptr, size_t bytes);
346 static void *magazine_alloc(struct magazine *, int *);
347 static int magazine_free(struct magazine *, void *);
348 static void *mtmagazine_alloc(int zi);
349 static int mtmagazine_free(int zi, void *);
350 static void mtmagazine_init(void);
351 static void mtmagazine_destructor(void *);
352 static slzone_t zone_alloc(int flags);
353 static void zone_free(void *z);
354 static void _mpanic(const char *ctl, ...) __printflike(1, 2);
355 static void malloc_init(void) __constructor(101);
356 #if defined(INVARIANTS)
357 static void chunk_mark_allocated(slzone_t z, void *chunk);
358 static void chunk_mark_free(slzone_t z, void *chunk);
359 #endif
360
361 struct nmalloc_utrace {
362         void *p;
363         size_t s;
364         void *r;
365 };
366
367 #define UTRACE(a, b, c)                                         \
368         if (opt_utrace) {                                       \
369                 struct nmalloc_utrace ut = {                    \
370                         .p = (a),                               \
371                         .s = (b),                               \
372                         .r = (c)                                \
373                 };                                              \
374                 utrace(&ut, sizeof(ut));                        \
375         }
376
377 #ifdef INVARIANTS
378 /*
379  * If enabled any memory allocated without M_ZERO is initialized to -1.
380  */
381 static int  use_malloc_pattern;
382 #endif
383
384 static void
385 malloc_init(void)
386 {
387         const char *p = NULL;
388
389         if (issetugid() == 0) 
390                 p = getenv("MALLOC_OPTIONS");
391
392         for (; p != NULL && *p != '\0'; p++) {
393                 switch(*p) {
394                 case 'u':       opt_utrace = 0; break;
395                 case 'U':       opt_utrace = 1; break;
396                 case 'h':       opt_madvise = 0; break;
397                 case 'H':       opt_madvise = 1; break;
398                 case 'z':       g_malloc_flags = 0; break;
399                 case 'Z':       g_malloc_flags = SAFLAG_ZERO; break;
400                 default:
401                         break;
402                 }
403         }
404
405         UTRACE((void *) -1, 0, NULL);
406 }
407
408 /*
409  * We have to install a handler for nmalloc thread teardowns when
410  * the thread is created.  We cannot delay this because destructors in
411  * sophisticated userland programs can call malloc() for the first time
412  * during their thread exit.
413  *
414  * This routine is called directly from pthreads.
415  */
416 void
417 _nmalloc_thr_init(void)
418 {
419         thr_mags *tp;
420
421         /*
422          * Disallow mtmagazine operations until the mtmagazine is
423          * initialized.
424          */
425         tp = &thread_mags;
426         tp->init = -1;
427
428         if (mtmagazine_free_live == 0) {
429                 mtmagazine_free_live = 1;
430                 pthread_once(&thread_mags_once, mtmagazine_init);
431         }
432         pthread_setspecific(thread_mags_key, tp);
433         tp->init = 1;
434 }
435
436 /*
437  * Thread locks.
438  */
439 static __inline void
440 slgd_lock(slglobaldata_t slgd)
441 {
442         if (__isthreaded)
443                 _SPINLOCK(&slgd->Spinlock);
444 }
445
446 static __inline void
447 slgd_unlock(slglobaldata_t slgd)
448 {
449         if (__isthreaded)
450                 _SPINUNLOCK(&slgd->Spinlock);
451 }
452
453 static __inline void
454 depot_lock(magazine_depot *dp) 
455 {
456         if (__isthreaded)
457                 _SPINLOCK(&dp->lock);
458 }
459
460 static __inline void
461 depot_unlock(magazine_depot *dp)
462 {
463         if (__isthreaded)
464                 _SPINUNLOCK(&dp->lock);
465 }
466
467 static __inline void
468 zone_magazine_lock(void)
469 {
470         if (__isthreaded)
471                 _SPINLOCK(&zone_mag_lock);
472 }
473
474 static __inline void
475 zone_magazine_unlock(void)
476 {
477         if (__isthreaded)
478                 _SPINUNLOCK(&zone_mag_lock);
479 }
480
481 static __inline void
482 swap_mags(magazine_pair *mp)
483 {
484         struct magazine *tmp;
485         tmp = mp->loaded;
486         mp->loaded = mp->prev;
487         mp->prev = tmp;
488 }
489
490 /*
491  * bigalloc hashing and locking support.
492  *
493  * Return an unmasked hash code for the passed pointer.
494  */
495 static __inline int
496 _bigalloc_hash(void *ptr)
497 {
498         int hv;
499
500         hv = ((int)(intptr_t)ptr >> PAGE_SHIFT) ^
501               ((int)(intptr_t)ptr >> (PAGE_SHIFT + BIGHSHIFT));
502
503         return(hv);
504 }
505
506 /*
507  * Lock the hash chain and return a pointer to its base for the specified
508  * address.
509  */
510 static __inline bigalloc_t *
511 bigalloc_lock(void *ptr)
512 {
513         int hv = _bigalloc_hash(ptr);
514         bigalloc_t *bigp;
515
516         bigp = &bigalloc_array[hv & BIGHMASK];
517         if (__isthreaded)
518                 _SPINLOCK(&bigspin_array[hv & BIGXMASK]);
519         return(bigp);
520 }
521
522 /*
523  * Lock the hash chain and return a pointer to its base for the specified
524  * address.
525  *
526  * BUT, if the hash chain is empty, just return NULL and do not bother
527  * to lock anything.
528  */
529 static __inline bigalloc_t *
530 bigalloc_check_and_lock(void *ptr)
531 {
532         int hv = _bigalloc_hash(ptr);
533         bigalloc_t *bigp;
534
535         bigp = &bigalloc_array[hv & BIGHMASK];
536         if (*bigp == NULL)
537                 return(NULL);
538         if (__isthreaded) {
539                 _SPINLOCK(&bigspin_array[hv & BIGXMASK]);
540         }
541         return(bigp);
542 }
543
544 static __inline void
545 bigalloc_unlock(void *ptr)
546 {
547         int hv;
548
549         if (__isthreaded) {
550                 hv = _bigalloc_hash(ptr);
551                 _SPINUNLOCK(&bigspin_array[hv & BIGXMASK]);
552         }
553 }
554
555 /*
556  * Calculate the zone index for the allocation request size and set the
557  * allocation request size to that particular zone's chunk size.
558  */
559 static __inline int
560 zoneindex(size_t *bytes, size_t *chunking)
561 {
562         size_t n = (unsigned int)*bytes;        /* unsigned for shift opt */
563         if (n < 128) {
564                 *bytes = n = (n + 7) & ~7;
565                 *chunking = 8;
566                 return(n / 8 - 1);              /* 8 byte chunks, 16 zones */
567         }
568         if (n < 256) {
569                 *bytes = n = (n + 15) & ~15;
570                 *chunking = 16;
571                 return(n / 16 + 7);
572         }
573         if (n < 8192) {
574                 if (n < 512) {
575                         *bytes = n = (n + 31) & ~31;
576                         *chunking = 32;
577                         return(n / 32 + 15);
578                 }
579                 if (n < 1024) {
580                         *bytes = n = (n + 63) & ~63;
581                         *chunking = 64;
582                         return(n / 64 + 23);
583                 }
584                 if (n < 2048) {
585                         *bytes = n = (n + 127) & ~127;
586                         *chunking = 128;
587                         return(n / 128 + 31);
588                 }
589                 if (n < 4096) {
590                         *bytes = n = (n + 255) & ~255;
591                         *chunking = 256;
592                         return(n / 256 + 39);
593                 }
594                 *bytes = n = (n + 511) & ~511;
595                 *chunking = 512;
596                 return(n / 512 + 47);
597         }
598 #if ZALLOC_ZONE_LIMIT > 8192
599         if (n < 16384) {
600                 *bytes = n = (n + 1023) & ~1023;
601                 *chunking = 1024;
602                 return(n / 1024 + 55);
603         }
604 #endif
605 #if ZALLOC_ZONE_LIMIT > 16384
606         if (n < 32768) {
607                 *bytes = n = (n + 2047) & ~2047;
608                 *chunking = 2048;
609                 return(n / 2048 + 63);
610         }
611 #endif
612         _mpanic("Unexpected byte count %zu", n);
613         return(0);
614 }
615
616 /*
617  * malloc() - call internal slab allocator
618  */
619 void *
620 malloc(size_t size)
621 {
622         void *ptr;
623
624         ptr = _slaballoc(size, 0);
625         if (ptr == NULL)
626                 errno = ENOMEM;
627         else
628                 UTRACE(0, size, ptr);
629         return(ptr);
630 }
631
632 #define MUL_NO_OVERFLOW (1UL << (sizeof(size_t) * 4))
633
634 /*
635  * calloc() - call internal slab allocator
636  */
637 void *
638 calloc(size_t number, size_t size)
639 {
640         void *ptr;
641
642         if ((number >= MUL_NO_OVERFLOW || size >= MUL_NO_OVERFLOW) &&
643              number > 0 && SIZE_MAX / number < size) {
644                 errno = ENOMEM;
645                 return(NULL);
646         }
647
648         ptr = _slaballoc(number * size, SAFLAG_ZERO);
649         if (ptr == NULL)
650                 errno = ENOMEM;
651         else
652                 UTRACE(0, number * size, ptr);
653         return(ptr);
654 }
655
656 /*
657  * realloc() (SLAB ALLOCATOR)
658  *
659  * We do not attempt to optimize this routine beyond reusing the same
660  * pointer if the new size fits within the chunking of the old pointer's
661  * zone.
662  */
663 void *
664 realloc(void *ptr, size_t size)
665 {
666         void *ret;
667         ret = _slabrealloc(ptr, size);
668         if (ret == NULL)
669                 errno = ENOMEM;
670         else
671                 UTRACE(ptr, size, ret);
672         return(ret);
673 }
674
675 /*
676  * posix_memalign()
677  *
678  * Allocate (size) bytes with a alignment of (alignment), where (alignment)
679  * is a power of 2 >= sizeof(void *).
680  *
681  * The slab allocator will allocate on power-of-2 boundaries up to
682  * at least PAGE_SIZE.  We use the zoneindex mechanic to find a
683  * zone matching the requirements, and _vmem_alloc() otherwise.
684  */
685 int
686 posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size)
687 {
688         bigalloc_t *bigp;
689         bigalloc_t big;
690         size_t chunking;
691         int zi __unused;
692
693         /*
694          * OpenGroup spec issue 6 checks
695          */
696         if ((alignment | (alignment - 1)) + 1 != (alignment << 1)) {
697                 *memptr = NULL;
698                 return(EINVAL);
699         }
700         if (alignment < sizeof(void *)) {
701                 *memptr = NULL;
702                 return(EINVAL);
703         }
704
705         /*
706          * Our zone mechanism guarantees same-sized alignment for any
707          * power-of-2 allocation.  If size is a power-of-2 and reasonable
708          * we can just call _slaballoc() and be done.  We round size up
709          * to the nearest alignment boundary to improve our odds of
710          * it becoming a power-of-2 if it wasn't before.
711          */
712         if (size <= alignment)
713                 size = alignment;
714         else
715                 size = (size + alignment - 1) & ~(size_t)(alignment - 1);
716         if (size < PAGE_SIZE && (size | (size - 1)) + 1 == (size << 1)) {
717                 *memptr = _slaballoc(size, 0);
718                 return(*memptr ? 0 : ENOMEM);
719         }
720
721         /*
722          * Otherwise locate a zone with a chunking that matches
723          * the requested alignment, within reason.   Consider two cases:
724          *
725          * (1) A 1K allocation on a 32-byte alignment.  The first zoneindex
726          *     we find will be the best fit because the chunking will be
727          *     greater or equal to the alignment.
728          *
729          * (2) A 513 allocation on a 256-byte alignment.  In this case
730          *     the first zoneindex we find will be for 576 byte allocations
731          *     with a chunking of 64, which is not sufficient.  To fix this
732          *     we simply find the nearest power-of-2 >= size and use the
733          *     same side-effect of _slaballoc() which guarantees
734          *     same-alignment on a power-of-2 allocation.
735          */
736         if (size < PAGE_SIZE) {
737                 zi = zoneindex(&size, &chunking);
738                 if (chunking >= alignment) {
739                         *memptr = _slaballoc(size, 0);
740                         return(*memptr ? 0 : ENOMEM);
741                 }
742                 if (size >= 1024)
743                         alignment = 1024;
744                 if (size >= 16384)
745                         alignment = 16384;
746                 while (alignment < size)
747                         alignment <<= 1;
748                 *memptr = _slaballoc(alignment, 0);
749                 return(*memptr ? 0 : ENOMEM);
750         }
751
752         /*
753          * If the slab allocator cannot handle it use vmem_alloc().
754          *
755          * Alignment must be adjusted up to at least PAGE_SIZE in this case.
756          */
757         if (alignment < PAGE_SIZE)
758                 alignment = PAGE_SIZE;
759         if (size < alignment)
760                 size = alignment;
761         size = (size + PAGE_MASK) & ~(size_t)PAGE_MASK;
762         *memptr = _vmem_alloc(size, alignment, 0);
763         if (*memptr == NULL)
764                 return(ENOMEM);
765
766         big = _slaballoc(sizeof(struct bigalloc), 0);
767         if (big == NULL) {
768                 _vmem_free(*memptr, size);
769                 *memptr = NULL;
770                 return(ENOMEM);
771         }
772         bigp = bigalloc_lock(*memptr);
773         big->base = *memptr;
774         big->bytes = size;
775         big->next = *bigp;
776         *bigp = big;
777         bigalloc_unlock(*memptr);
778
779         return(0);
780 }
781
782 /*
783  * free() (SLAB ALLOCATOR) - do the obvious
784  */
785 void
786 free(void *ptr)
787 {
788         UTRACE(ptr, 0, 0);
789         _slabfree(ptr, 0, NULL);
790 }
791
792 /*
793  * _slaballoc() (SLAB ALLOCATOR)
794  *
795  *      Allocate memory via the slab allocator.  If the request is too large,
796  *      or if it page-aligned beyond a certain size, we fall back to the
797  *      KMEM subsystem
798  */
799 static void *
800 _slaballoc(size_t size, int flags)
801 {
802         slzone_t z;
803         slchunk_t chunk;
804         slglobaldata_t slgd;
805         size_t chunking;
806         int zi;
807 #ifdef INVARIANTS
808         int i;
809 #endif
810         int off;
811         void *obj;
812
813         /*
814          * Handle the degenerate size == 0 case.  Yes, this does happen.
815          * Return a special pointer.  This is to maintain compatibility with
816          * the original malloc implementation.  Certain devices, such as the
817          * adaptec driver, not only allocate 0 bytes, they check for NULL and
818          * also realloc() later on.  Joy.
819          */
820         if (size == 0)
821                 return(ZERO_LENGTH_PTR);
822
823         /* Capture global flags */
824         flags |= g_malloc_flags;
825
826         /*
827          * Handle large allocations directly.  There should not be very many
828          * of these so performance is not a big issue.
829          *
830          * The backend allocator is pretty nasty on a SMP system.   Use the
831          * slab allocator for one and two page-sized chunks even though we
832          * lose some efficiency.
833          */
834         if (size >= ZoneLimit ||
835             ((size & PAGE_MASK) == 0 && size > PAGE_SIZE*2)) {
836                 bigalloc_t big;
837                 bigalloc_t *bigp;
838
839                 /*
840                  * Page-align and cache-color in case of virtually indexed
841                  * physically tagged L1 caches (aka SandyBridge).  No sweat
842                  * otherwise, so just do it.
843                  */
844                 size = (size + PAGE_MASK) & ~(size_t)PAGE_MASK;
845                 if ((size & 8191) == 0)
846                         size += 4096;
847
848                 chunk = _vmem_alloc(size, PAGE_SIZE, flags);
849                 if (chunk == NULL)
850                         return(NULL);
851
852                 big = _slaballoc(sizeof(struct bigalloc), 0);
853                 if (big == NULL) {
854                         _vmem_free(chunk, size);
855                         return(NULL);
856                 }
857                 bigp = bigalloc_lock(chunk);
858                 big->base = chunk;
859                 big->bytes = size;
860                 big->next = *bigp;
861                 *bigp = big;
862                 bigalloc_unlock(chunk);
863
864                 return(chunk);
865         }
866
867         /* Compute allocation zone; zoneindex will panic on excessive sizes */
868         zi = zoneindex(&size, &chunking);
869         MASSERT(zi < NZONES);
870
871         obj = mtmagazine_alloc(zi);
872         if (obj != NULL) {
873                 if (flags & SAFLAG_ZERO)
874                         bzero(obj, size);
875                 return (obj);
876         }
877
878         slgd = &SLGlobalData;
879         slgd_lock(slgd);
880
881         /*
882          * Attempt to allocate out of an existing zone.  If all zones are
883          * exhausted pull one off the free list or allocate a new one.
884          */
885         if ((z = slgd->ZoneAry[zi]) == NULL) {
886                 z = zone_alloc(flags);
887                 if (z == NULL)
888                         goto fail;
889
890                 /*
891                  * How big is the base structure?
892                  */
893 #if defined(INVARIANTS)
894                 /*
895                  * Make room for z_Bitmap.  An exact calculation is
896                  * somewhat more complicated so don't make an exact
897                  * calculation.
898                  */
899                 off = offsetof(struct slzone,
900                                 z_Bitmap[(ZoneSize / size + 31) / 32]);
901                 bzero(z->z_Bitmap, (ZoneSize / size + 31) / 8);
902 #else
903                 off = sizeof(struct slzone);
904 #endif
905
906                 /*
907                  * Align the storage in the zone based on the chunking.
908                  *
909                  * Guarantee power-of-2 alignment for power-of-2-sized
910                  * chunks.  Otherwise align based on the chunking size
911                  * (typically 8 or 16 bytes for small allocations).
912                  *
913                  * NOTE: Allocations >= ZoneLimit are governed by the
914                  * bigalloc code and typically only guarantee page-alignment.
915                  *
916                  * Set initial conditions for UIndex near the zone header
917                  * to reduce unecessary page faults, vs semi-randomization
918                  * to improve L1 cache saturation.
919                  */
920                 if ((size | (size - 1)) + 1 == (size << 1))
921                         off = roundup2(off, size);
922                 else
923                         off = roundup2(off, chunking);
924                 z->z_Magic = ZALLOC_SLAB_MAGIC;
925                 z->z_ZoneIndex = zi;
926                 z->z_NMax = (ZoneSize - off) / size;
927                 z->z_NFree = z->z_NMax;
928                 z->z_BasePtr = (char *)z + off;
929                 z->z_UIndex = z->z_UEndIndex = 0;
930                 z->z_ChunkSize = size;
931                 z->z_FirstFreePg = ZonePageCount;
932                 z->z_Next = slgd->ZoneAry[zi];
933                 slgd->ZoneAry[zi] = z;
934                 if ((z->z_Flags & SLZF_UNOTZEROD) == 0) {
935                         flags &= ~SAFLAG_ZERO;  /* already zero'd */
936                         flags |= SAFLAG_PASSIVE;
937                 }
938
939                 /*
940                  * Slide the base index for initial allocations out of the
941                  * next zone we create so we do not over-weight the lower
942                  * part of the cpu memory caches.
943                  */
944                 slgd->JunkIndex = (slgd->JunkIndex + ZALLOC_SLAB_SLIDE)
945                                         & (ZALLOC_MAX_ZONE_SIZE - 1);
946         }
947
948         /*
949          * Ok, we have a zone from which at least one chunk is available.
950          *
951          * Remove us from the ZoneAry[] when we become empty
952          */
953         MASSERT(z->z_NFree > 0);
954
955         if (--z->z_NFree == 0) {
956                 slgd->ZoneAry[zi] = z->z_Next;
957                 z->z_Next = NULL;
958         }
959
960         /*
961          * Locate a chunk in a free page.  This attempts to localize
962          * reallocations into earlier pages without us having to sort
963          * the chunk list.  A chunk may still overlap a page boundary.
964          */
965         while (z->z_FirstFreePg < ZonePageCount) {
966                 if ((chunk = z->z_PageAry[z->z_FirstFreePg]) != NULL) {
967 #ifdef DIAGNOSTIC
968                         /*
969                          * Diagnostic: c_Next is not total garbage.
970                          */
971                         MASSERT(chunk->c_Next == NULL ||
972                             ((intptr_t)chunk->c_Next & IN_SAME_PAGE_MASK) ==
973                             ((intptr_t)chunk & IN_SAME_PAGE_MASK));
974 #endif
975 #ifdef INVARIANTS
976                         chunk_mark_allocated(z, chunk);
977 #endif
978                         MASSERT((uintptr_t)chunk & ZoneMask);
979                         z->z_PageAry[z->z_FirstFreePg] = chunk->c_Next;
980                         goto done;
981                 }
982                 ++z->z_FirstFreePg;
983         }
984
985         /*
986          * No chunks are available but NFree said we had some memory,
987          * so it must be available in the never-before-used-memory
988          * area governed by UIndex.  The consequences are very
989          * serious if our zone got corrupted so we use an explicit
990          * panic rather then a KASSERT.
991          */
992         chunk = (slchunk_t)(z->z_BasePtr + z->z_UIndex * size);
993
994         if (++z->z_UIndex == z->z_NMax)
995                 z->z_UIndex = 0;
996         if (z->z_UIndex == z->z_UEndIndex) {
997                 if (z->z_NFree != 0)
998                         _mpanic("slaballoc: corrupted zone");
999         }
1000
1001         if ((z->z_Flags & SLZF_UNOTZEROD) == 0) {
1002                 flags &= ~SAFLAG_ZERO;
1003                 flags |= SAFLAG_PASSIVE;
1004         }
1005 #if defined(INVARIANTS)
1006         chunk_mark_allocated(z, chunk);
1007 #endif
1008
1009 done:
1010         slgd_unlock(slgd);
1011         if (flags & SAFLAG_ZERO) {
1012                 bzero(chunk, size);
1013 #ifdef INVARIANTS
1014         } else if ((flags & (SAFLAG_ZERO|SAFLAG_PASSIVE)) == 0) {
1015                 if (use_malloc_pattern) {
1016                         for (i = 0; i < size; i += sizeof(int)) {
1017                                 *(int *)((char *)chunk + i) = -1;
1018                         }
1019                 }
1020                 /* avoid accidental double-free check */
1021                 chunk->c_Next = (void *)-1;
1022 #endif
1023         }
1024         return(chunk);
1025 fail:
1026         slgd_unlock(slgd);
1027         return(NULL);
1028 }
1029
1030 /*
1031  * Reallocate memory within the chunk
1032  */
1033 static void *
1034 _slabrealloc(void *ptr, size_t size)
1035 {
1036         bigalloc_t *bigp;
1037         void *nptr;
1038         slzone_t z;
1039         size_t chunking;
1040
1041         if (ptr == NULL || ptr == ZERO_LENGTH_PTR) {
1042                 return(_slaballoc(size, 0));
1043         }
1044
1045         if (size == 0) {
1046                 free(ptr);
1047                 return(ZERO_LENGTH_PTR);
1048         }
1049
1050         /*
1051          * Handle oversized allocations. 
1052          */
1053         if ((bigp = bigalloc_check_and_lock(ptr)) != NULL) {
1054                 bigalloc_t big;
1055                 size_t bigbytes;
1056
1057                 while ((big = *bigp) != NULL) {
1058                         if (big->base == ptr) {
1059                                 size = (size + PAGE_MASK) & ~(size_t)PAGE_MASK;
1060                                 bigbytes = big->bytes;
1061                                 if (bigbytes == size) {
1062                                         bigalloc_unlock(ptr);
1063                                         return(ptr);
1064                                 }
1065                                 *bigp = big->next;
1066                                 bigalloc_unlock(ptr);
1067                                 if ((nptr = _slaballoc(size, 0)) == NULL) {
1068                                         /* Relink block */
1069                                         bigp = bigalloc_lock(ptr);
1070                                         big->next = *bigp;
1071                                         *bigp = big;
1072                                         bigalloc_unlock(ptr);
1073                                         return(NULL);
1074                                 }
1075                                 if (size > bigbytes)
1076                                         size = bigbytes;
1077                                 bcopy(ptr, nptr, size);
1078                                 _slabfree(ptr, FASTSLABREALLOC, &big);
1079                                 return(nptr);
1080                         }
1081                         bigp = &big->next;
1082                 }
1083                 bigalloc_unlock(ptr);
1084         }
1085
1086         /*
1087          * Get the original allocation's zone.  If the new request winds
1088          * up using the same chunk size we do not have to do anything.
1089          *
1090          * NOTE: We don't have to lock the globaldata here, the fields we
1091          * access here will not change at least as long as we have control
1092          * over the allocation.
1093          */
1094         z = (slzone_t)((uintptr_t)ptr & ~(uintptr_t)ZoneMask);
1095         MASSERT(z->z_Magic == ZALLOC_SLAB_MAGIC);
1096
1097         /*
1098          * Use zoneindex() to chunk-align the new size, as long as the
1099          * new size is not too large.
1100          */
1101         if (size < ZoneLimit) {
1102                 zoneindex(&size, &chunking);
1103                 if (z->z_ChunkSize == size) {
1104                         return(ptr);
1105                 }
1106         }
1107
1108         /*
1109          * Allocate memory for the new request size and copy as appropriate.
1110          */
1111         if ((nptr = _slaballoc(size, 0)) != NULL) {
1112                 if (size > z->z_ChunkSize)
1113                         size = z->z_ChunkSize;
1114                 bcopy(ptr, nptr, size);
1115                 _slabfree(ptr, 0, NULL);
1116         }
1117
1118         return(nptr);
1119 }
1120
1121 /*
1122  * free (SLAB ALLOCATOR)
1123  *
1124  * Free a memory block previously allocated by malloc.  Note that we do not
1125  * attempt to uplodate ks_loosememuse as MP races could prevent us from
1126  * checking memory limits in malloc.
1127  *
1128  * flags:
1129  *      FASTSLABREALLOC         Fast call from realloc, *rbigp already
1130  *                              unlinked.
1131  *
1132  * MPSAFE
1133  */
1134 static void
1135 _slabfree(void *ptr, int flags, bigalloc_t *rbigp)
1136 {
1137         slzone_t z;
1138         slchunk_t chunk;
1139         bigalloc_t big;
1140         bigalloc_t *bigp;
1141         slglobaldata_t slgd;
1142         size_t size;
1143         int zi;
1144         int pgno;
1145
1146         /* Fast realloc path for big allocations */
1147         if (flags & FASTSLABREALLOC) {
1148                 big = *rbigp;
1149                 goto fastslabrealloc;
1150         }
1151
1152         /*
1153          * Handle NULL frees and special 0-byte allocations
1154          */
1155         if (ptr == NULL)
1156                 return;
1157         if (ptr == ZERO_LENGTH_PTR)
1158                 return;
1159
1160         /*
1161          * Handle oversized allocations.
1162          */
1163         if ((bigp = bigalloc_check_and_lock(ptr)) != NULL) {
1164                 while ((big = *bigp) != NULL) {
1165                         if (big->base == ptr) {
1166                                 *bigp = big->next;
1167                                 bigalloc_unlock(ptr);
1168 fastslabrealloc:
1169                                 size = big->bytes;
1170                                 _slabfree(big, 0, NULL);
1171 #ifdef INVARIANTS
1172                                 MASSERT(sizeof(weirdary) <= size);
1173                                 bcopy(weirdary, ptr, sizeof(weirdary));
1174 #endif
1175                                 _vmem_free(ptr, size);
1176                                 return;
1177                         }
1178                         bigp = &big->next;
1179                 }
1180                 bigalloc_unlock(ptr);
1181         }
1182
1183         /*
1184          * Zone case.  Figure out the zone based on the fact that it is
1185          * ZoneSize aligned.
1186          */
1187         z = (slzone_t)((uintptr_t)ptr & ~(uintptr_t)ZoneMask);
1188         MASSERT(z->z_Magic == ZALLOC_SLAB_MAGIC);
1189
1190         size = z->z_ChunkSize;
1191         zi = z->z_ZoneIndex;
1192
1193         if (g_malloc_flags & SAFLAG_ZERO)
1194                 bzero(ptr, size);
1195
1196         if (mtmagazine_free(zi, ptr) == 0)
1197                 return;
1198
1199         pgno = ((char *)ptr - (char *)z) >> PAGE_SHIFT;
1200         chunk = ptr;
1201         slgd = &SLGlobalData;
1202         slgd_lock(slgd);
1203
1204 #ifdef INVARIANTS
1205         /*
1206          * Attempt to detect a double-free.  To reduce overhead we only check
1207          * if there appears to be link pointer at the base of the data.
1208          */
1209         if (((intptr_t)chunk->c_Next - (intptr_t)z) >> PAGE_SHIFT == pgno) {
1210                 slchunk_t scan;
1211
1212                 for (scan = z->z_PageAry[pgno]; scan; scan = scan->c_Next) {
1213                         if (scan == chunk)
1214                                 _mpanic("Double free at %p", chunk);
1215                 }
1216         }
1217         chunk_mark_free(z, chunk);
1218 #endif
1219
1220         /*
1221          * Put weird data into the memory to detect modifications after
1222          * freeing, illegal pointer use after freeing (we should fault on
1223          * the odd address), and so forth.
1224          */
1225 #ifdef INVARIANTS
1226         if (z->z_ChunkSize < sizeof(weirdary))
1227                 bcopy(weirdary, chunk, z->z_ChunkSize);
1228         else
1229                 bcopy(weirdary, chunk, sizeof(weirdary));
1230 #endif
1231
1232         /*
1233          * Add this free non-zero'd chunk to a linked list for reuse, adjust
1234          * z_FirstFreePg.
1235          */
1236         chunk->c_Next = z->z_PageAry[pgno];
1237         z->z_PageAry[pgno] = chunk;
1238         if (z->z_FirstFreePg > pgno)
1239                 z->z_FirstFreePg = pgno;
1240
1241         /*
1242          * Bump the number of free chunks.  If it becomes non-zero the zone
1243          * must be added back onto the appropriate list.
1244          */
1245         if (z->z_NFree++ == 0) {
1246                 z->z_Next = slgd->ZoneAry[z->z_ZoneIndex];
1247                 slgd->ZoneAry[z->z_ZoneIndex] = z;
1248         }
1249
1250         /*
1251          * If the zone becomes totally free then release it.
1252          */
1253         if (z->z_NFree == z->z_NMax) {
1254                 slzone_t *pz;
1255
1256                 pz = &slgd->ZoneAry[z->z_ZoneIndex];
1257                 while (z != *pz)
1258                         pz = &(*pz)->z_Next;
1259                 *pz = z->z_Next;
1260                 z->z_Magic = -1;
1261                 z->z_Next = NULL;
1262                 zone_free(z);
1263                 /* slgd lock released */
1264                 return;
1265         }
1266         slgd_unlock(slgd);
1267 }
1268
1269 #if defined(INVARIANTS)
1270 /*
1271  * Helper routines for sanity checks
1272  */
1273 static
1274 void
1275 chunk_mark_allocated(slzone_t z, void *chunk)
1276 {
1277         int bitdex = ((char *)chunk - (char *)z->z_BasePtr) / z->z_ChunkSize;
1278         __uint32_t *bitptr;
1279
1280         MASSERT(bitdex >= 0 && bitdex < z->z_NMax);
1281         bitptr = &z->z_Bitmap[bitdex >> 5];
1282         bitdex &= 31;
1283         MASSERT((*bitptr & (1 << bitdex)) == 0);
1284         *bitptr |= 1 << bitdex;
1285 }
1286
1287 static
1288 void
1289 chunk_mark_free(slzone_t z, void *chunk)
1290 {
1291         int bitdex = ((char *)chunk - (char *)z->z_BasePtr) / z->z_ChunkSize;
1292         __uint32_t *bitptr;
1293
1294         MASSERT(bitdex >= 0 && bitdex < z->z_NMax);
1295         bitptr = &z->z_Bitmap[bitdex >> 5];
1296         bitdex &= 31;
1297         MASSERT((*bitptr & (1 << bitdex)) != 0);
1298         *bitptr &= ~(1 << bitdex);
1299 }
1300
1301 #endif
1302
1303 /*
1304  * Allocate and return a magazine.  NULL is returned and *burst is adjusted
1305  * if the magazine is empty.
1306  */
1307 static __inline void *
1308 magazine_alloc(struct magazine *mp, int *burst)
1309 {
1310         void *obj;
1311
1312         if (mp == NULL)
1313                 return(NULL);
1314         if (MAGAZINE_NOTEMPTY(mp)) {
1315                 obj = mp->objects[--mp->rounds];
1316                 return(obj);
1317         }
1318
1319         /*
1320          * Return burst factor to caller along with NULL
1321          */
1322         if ((mp->flags & M_BURST) && (burst != NULL)) {
1323                 *burst = mp->burst_factor;
1324         }
1325         /* Reduce burst factor by NSCALE; if it hits 1, disable BURST */
1326         if ((mp->flags & M_BURST) && (mp->flags & M_BURST_EARLY) &&
1327             (burst != NULL)) {
1328                 mp->burst_factor -= M_BURST_NSCALE;
1329                 if (mp->burst_factor <= 1) {
1330                         mp->burst_factor = 1;
1331                         mp->flags &= ~(M_BURST);
1332                         mp->flags &= ~(M_BURST_EARLY);
1333                 }
1334         }
1335         return (NULL);
1336 }
1337
1338 static __inline int
1339 magazine_free(struct magazine *mp, void *p)
1340 {
1341         if (mp != NULL && MAGAZINE_NOTFULL(mp)) {
1342                 mp->objects[mp->rounds++] = p;
1343                 return 0;
1344         }
1345
1346         return -1;
1347 }
1348
1349 static void *
1350 mtmagazine_alloc(int zi)
1351 {
1352         thr_mags *tp;
1353         struct magazine *mp, *emptymag;
1354         magazine_depot *d;
1355         void *obj;
1356
1357         /*
1358          * Do not try to access per-thread magazines while the mtmagazine
1359          * is being initialized or destroyed.
1360          */
1361         tp = &thread_mags;
1362         if (tp->init < 0)
1363                 return(NULL);
1364
1365         /*
1366          * Primary per-thread allocation loop
1367          */
1368         for (;;) {
1369                 /*
1370                  * If the loaded magazine has rounds, allocate and return
1371                  */
1372                 mp = tp->mags[zi].loaded;
1373                 obj = magazine_alloc(mp, NULL);
1374                 if (obj)
1375                         break;
1376
1377                 /*
1378                  * If the prev magazine is full, swap with the loaded
1379                  * magazine and retry.
1380                  */
1381                 mp = tp->mags[zi].prev;
1382                 if (mp && MAGAZINE_FULL(mp)) {
1383                         MASSERT(mp->rounds != 0);
1384                         swap_mags(&tp->mags[zi]);       /* prev now empty */
1385                         continue;
1386                 }
1387
1388                 /*
1389                  * Try to get a full magazine from the depot.  Cycle
1390                  * through depot(full)->loaded->prev->depot(empty).
1391                  * Retry if a full magazine was available from the depot.
1392                  *
1393                  * Return NULL (caller will fall through) if no magazines
1394                  * can be found anywhere.
1395                  */
1396                 d = &depots[zi];
1397                 depot_lock(d);
1398                 emptymag = tp->mags[zi].prev;
1399                 if (emptymag)
1400                         SLIST_INSERT_HEAD(&d->empty, emptymag, nextmagazine);
1401                 tp->mags[zi].prev = tp->mags[zi].loaded;
1402                 mp = SLIST_FIRST(&d->full);     /* loaded magazine */
1403                 tp->mags[zi].loaded = mp;
1404                 if (mp) {
1405                         SLIST_REMOVE_HEAD(&d->full, nextmagazine);
1406                         MASSERT(MAGAZINE_NOTEMPTY(mp));
1407                         depot_unlock(d);
1408                         continue;
1409                 }
1410                 depot_unlock(d);
1411                 break;
1412         } 
1413
1414         return (obj);
1415 }
1416
1417 static int
1418 mtmagazine_free(int zi, void *ptr)
1419 {
1420         thr_mags *tp;
1421         struct magazine *mp, *loadedmag;
1422         magazine_depot *d;
1423         int rc = -1;
1424
1425         /*
1426          * Do not try to access per-thread magazines while the mtmagazine
1427          * is being initialized or destroyed.
1428          */
1429         tp = &thread_mags;
1430         if (tp->init < 0)
1431                 return(-1);
1432
1433         /*
1434          * Primary per-thread freeing loop
1435          */
1436         for (;;) {
1437                 /*
1438                  * Make sure a new magazine is available in case we have
1439                  * to use it.  Staging the newmag allows us to avoid
1440                  * some locking/reentrancy complexity.
1441                  *
1442                  * Temporarily disable the per-thread caches for this
1443                  * allocation to avoid reentrancy and/or to avoid a
1444                  * stack overflow if the [zi] happens to be the same that
1445                  * would be used to allocate the new magazine.
1446                  */
1447                 if (tp->newmag == NULL) {
1448                         tp->init = -1;
1449                         tp->newmag = _slaballoc(sizeof(struct magazine),
1450                                                 SAFLAG_ZERO);
1451                         tp->init = 1;
1452                         if (tp->newmag == NULL) {
1453                                 rc = -1;
1454                                 break;
1455                         }
1456                 }
1457
1458                 /*
1459                  * If the loaded magazine has space, free directly to it
1460                  */
1461                 rc = magazine_free(tp->mags[zi].loaded, ptr);
1462                 if (rc == 0)
1463                         break;
1464
1465                 /*
1466                  * If the prev magazine is empty, swap with the loaded
1467                  * magazine and retry.
1468                  */
1469                 mp = tp->mags[zi].prev;
1470                 if (mp && MAGAZINE_EMPTY(mp)) {
1471                         MASSERT(mp->rounds == 0);
1472                         swap_mags(&tp->mags[zi]);       /* prev now full */
1473                         continue;
1474                 }
1475
1476                 /*
1477                  * Try to get an empty magazine from the depot.  Cycle
1478                  * through depot(empty)->loaded->prev->depot(full).
1479                  * Retry if an empty magazine was available from the depot.
1480                  */
1481                 d = &depots[zi];
1482                 depot_lock(d);
1483
1484                 if ((loadedmag = tp->mags[zi].prev) != NULL)
1485                         SLIST_INSERT_HEAD(&d->full, loadedmag, nextmagazine);
1486                 tp->mags[zi].prev = tp->mags[zi].loaded;
1487                 mp = SLIST_FIRST(&d->empty);
1488                 if (mp) {
1489                         tp->mags[zi].loaded = mp;
1490                         SLIST_REMOVE_HEAD(&d->empty, nextmagazine);
1491                         MASSERT(MAGAZINE_NOTFULL(mp));
1492                 } else {
1493                         mp = tp->newmag;
1494                         tp->newmag = NULL;
1495                         mp->capacity = M_MAX_ROUNDS;
1496                         mp->rounds = 0;
1497                         mp->flags = 0;
1498                         tp->mags[zi].loaded = mp;
1499                 }
1500                 depot_unlock(d);
1501         } 
1502
1503         return rc;
1504 }
1505
1506 static void 
1507 mtmagazine_init(void)
1508 {
1509         int error;
1510
1511         error = pthread_key_create(&thread_mags_key, mtmagazine_destructor);
1512         if (error)
1513                 abort();
1514 }
1515
1516 /*
1517  * This function is only used by the thread exit destructor
1518  */
1519 static void
1520 mtmagazine_drain(struct magazine *mp)
1521 {
1522         void *obj;
1523
1524         while (MAGAZINE_NOTEMPTY(mp)) {
1525                 obj = magazine_alloc(mp, NULL);
1526                 _slabfree(obj, 0, NULL);
1527         }
1528 }
1529
1530 /* 
1531  * mtmagazine_destructor()
1532  *
1533  * When a thread exits, we reclaim all its resources; all its magazines are
1534  * drained and the structures are freed. 
1535  *
1536  * WARNING!  The destructor can be called multiple times if the larger user
1537  *           program has its own destructors which run after ours which
1538  *           allocate or free memory.
1539  */
1540 static void
1541 mtmagazine_destructor(void *thrp)
1542 {
1543         thr_mags *tp = thrp;
1544         struct magazine *mp;
1545         int i;
1546
1547         /*
1548          * Prevent further use of mtmagazines while we are destructing
1549          * them, as well as for any destructors which are run after us
1550          * prior to the thread actually being destroyed.
1551          */
1552         tp->init = -1;
1553
1554         for (i = 0; i < NZONES; i++) {
1555                 mp = tp->mags[i].loaded;
1556                 tp->mags[i].loaded = NULL;
1557                 if (mp) {
1558                         if (MAGAZINE_NOTEMPTY(mp))
1559                                 mtmagazine_drain(mp);
1560                         _slabfree(mp, 0, NULL);
1561                 }
1562
1563                 mp = tp->mags[i].prev;
1564                 tp->mags[i].prev = NULL;
1565                 if (mp) {
1566                         if (MAGAZINE_NOTEMPTY(mp))
1567                                 mtmagazine_drain(mp);
1568                         _slabfree(mp, 0, NULL);
1569                 }
1570         }
1571
1572         if (tp->newmag) {
1573                 mp = tp->newmag;
1574                 tp->newmag = NULL;
1575                 _slabfree(mp, 0, NULL);
1576         }
1577 }
1578
1579 /*
1580  * zone_alloc()
1581  *
1582  * Attempt to allocate a zone from the zone magazine; the zone magazine has
1583  * M_BURST_EARLY enabled, so honor the burst request from the magazine.
1584  */
1585 static slzone_t
1586 zone_alloc(int flags) 
1587 {
1588         slglobaldata_t slgd = &SLGlobalData;
1589         int burst = 1;
1590         int i, j;
1591         slzone_t z;
1592
1593         zone_magazine_lock();
1594         slgd_unlock(slgd);
1595
1596         z = magazine_alloc(&zone_magazine, &burst);
1597         if (z == NULL && burst == 1) {
1598                 zone_magazine_unlock();
1599                 z = _vmem_alloc(ZoneSize * burst, ZoneSize, flags);
1600         } else if (z == NULL) {
1601                 z = _vmem_alloc(ZoneSize * burst, ZoneSize, flags);
1602                 if (z) {
1603                         for (i = 1; i < burst; i++) {
1604                                 j = magazine_free(&zone_magazine,
1605                                                   (char *) z + (ZoneSize * i));
1606                                 MASSERT(j == 0);
1607                         }
1608                 }
1609                 zone_magazine_unlock();
1610         } else {
1611                 z->z_Flags |= SLZF_UNOTZEROD;
1612                 zone_magazine_unlock();
1613         }
1614         slgd_lock(slgd);
1615         return z;
1616 }
1617
1618 /*
1619  * zone_free()
1620  *
1621  * Release a zone and unlock the slgd lock.
1622  */
1623 static void
1624 zone_free(void *z)
1625 {
1626         slglobaldata_t slgd = &SLGlobalData;
1627         void *excess[M_ZONE_ROUNDS - M_LOW_ROUNDS] = {};
1628         int i, j;
1629
1630         zone_magazine_lock();
1631         slgd_unlock(slgd);
1632         
1633         bzero(z, sizeof(struct slzone));
1634
1635         if (opt_madvise)
1636                 madvise(z, ZoneSize, MADV_FREE);
1637
1638         i = magazine_free(&zone_magazine, z);
1639
1640         /*
1641          * If we failed to free, collect excess magazines; release the zone
1642          * magazine lock, and then free to the system via _vmem_free. Re-enable
1643          * BURST mode for the magazine.
1644          */
1645         if (i == -1) {
1646                 j = zone_magazine.rounds - zone_magazine.low_factor;
1647                 for (i = 0; i < j; i++) {
1648                         excess[i] = magazine_alloc(&zone_magazine, NULL);
1649                         MASSERT(excess[i] !=  NULL);
1650                 }
1651
1652                 zone_magazine_unlock();
1653
1654                 for (i = 0; i < j; i++) 
1655                         _vmem_free(excess[i], ZoneSize);
1656
1657                 _vmem_free(z, ZoneSize);
1658         } else {
1659                 zone_magazine_unlock();
1660         }
1661 }
1662
1663 /*
1664  * _vmem_alloc()
1665  *
1666  *      Directly map memory in PAGE_SIZE'd chunks with the specified
1667  *      alignment.
1668  *
1669  *      Alignment must be a multiple of PAGE_SIZE.
1670  *
1671  *      Size must be >= alignment.
1672  */
1673 static void *
1674 _vmem_alloc(size_t size, size_t align, int flags)
1675 {
1676         char *addr;
1677         char *save;
1678         size_t excess;
1679
1680         /*
1681          * Map anonymous private memory.
1682          */
1683         addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE,
1684                     MAP_PRIVATE|MAP_ANON, -1, 0);
1685         if (addr == MAP_FAILED)
1686                 return(NULL);
1687
1688         /*
1689          * Check alignment.  The misaligned offset is also the excess
1690          * amount.  If misaligned unmap the excess so we have a chance of
1691          * mapping at the next alignment point and recursively try again.
1692          *
1693          * BBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBB  block alignment
1694          *   aaaaaaaaa aaaaaaaaaaa aa           mis-aligned allocation
1695          *   xxxxxxxxx                          final excess calculation
1696          *   ^ returned address
1697          */
1698         excess = (uintptr_t)addr & (align - 1);
1699
1700         if (excess) {
1701                 excess = align - excess;
1702                 save = addr;
1703
1704                 munmap(save + excess, size - excess);
1705                 addr = _vmem_alloc(size, align, flags);
1706                 munmap(save, excess);
1707         }
1708         return((void *)addr);
1709 }
1710
1711 /*
1712  * _vmem_free()
1713  *
1714  *      Free a chunk of memory allocated with _vmem_alloc()
1715  */
1716 static void
1717 _vmem_free(void *ptr, size_t size)
1718 {
1719         munmap(ptr, size);
1720 }
1721
1722 /*
1723  * Panic on fatal conditions
1724  */
1725 static void
1726 _mpanic(const char *ctl, ...)
1727 {
1728         va_list va;
1729
1730         if (malloc_panic == 0) {
1731                 malloc_panic = 1;
1732                 va_start(va, ctl);
1733                 vfprintf(stderr, ctl, va);
1734                 fprintf(stderr, "\n");
1735                 fflush(stderr);
1736                 va_end(va);
1737         }
1738         abort();
1739 }