sys/vm/vm_kern.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 1991, 1993
   3  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
   4  *
   5  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   6  * The Mach Operating System project at Carnegie-Mellon University.
   7  *
   8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9  * modification, are permitted provided that the following conditions
  10  * are met:
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  16  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this software
  17  *    must display the following acknowledgement:
  18  *      This product includes software developed by the University of
  19  *      California, Berkeley and its contributors.
  20  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  21  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  22  *    without specific prior written permission.
  23  *
  24  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  25  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  26  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  27  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  28  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  29  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  30  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  31  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  32  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  33  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  34  * SUCH DAMAGE.
  35  *
  36  *      from: @(#)vm_kern.c     8.3 (Berkeley) 1/12/94
  37  *
  38  *
  39  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  40  * All rights reserved.
  41  *
  42  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  43  *
  44  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  45  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  46  * notice and this permission notice appear in all copies of the
  47  * software, derivative works or modified versions, and any portions
  48  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
  49  *
  50  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
  51  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
  52  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
  53  *
  54  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  55  *
  56  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  57  *  School of Computer Science
  58  *  Carnegie Mellon University
  59  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  60  *
  61  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  62  * rights to redistribute these changes.
  63  *
  64  * $FreeBSD: src/sys/vm/vm_kern.c,v 1.61.2.2 2002/03/12 18:25:26 tegge Exp $
  65  */
  66
  67 /*
  68  *      Kernel memory management.
  69  */
  70
  71 #include <sys/param.h>
  72 #include <sys/systm.h>
  73 #include <sys/proc.h>
  74 #include <sys/malloc.h>
  75
  76 #include <vm/vm.h>
  77 #include <vm/vm_param.h>
  78 #include <sys/lock.h>
  79 #include <vm/pmap.h>
  80 #include <vm/vm_map.h>
  81 #include <vm/vm_object.h>
  82 #include <vm/vm_page.h>
  83 #include <vm/vm_pageout.h>
  84 #include <vm/vm_extern.h>
  85
  86 vm_map_t kernel_map=0;
  87 vm_map_t kmem_map=0;
  88 vm_map_t exec_map=0;
  89 vm_map_t clean_map=0;
  90 vm_map_t buffer_map=0;
  91 vm_map_t mb_map=0;
  92 int mb_map_full=0;
  93
  94 /*
  95  *      kmem_alloc_pageable:
  96  *
  97  *      Allocate pageable memory to the kernel's address map.
  98  *      "map" must be kernel_map or a submap of kernel_map.
  99  */
 100
 101 vm_offset_t
 102 kmem_alloc_pageable(map, size)
 103         vm_map_t map;
 104         register vm_size_t size;
 105 {
 106         vm_offset_t addr;
 107         register int result;
 108
 109         size = round_page(size);
 110         addr = vm_map_min(map);
 111         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 112             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 113         if (result != KERN_SUCCESS) {
 114                 return (0);
 115         }
 116         return (addr);
 117 }
 118
 119 /*
 120  *      kmem_alloc_nofault:
 121  *
 122  *      Same as kmem_alloc_pageable, except that it create a nofault entry.
 123  */
 124
 125 vm_offset_t
 126 kmem_alloc_nofault(map, size)
 127         vm_map_t map;
 128         register vm_size_t size;
 129 {
 130         vm_offset_t addr;
 131         register int result;
 132
 133         size = round_page(size);
 134         addr = vm_map_min(map);
 135         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 136             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 137         if (result != KERN_SUCCESS) {
 138                 return (0);
 139         }
 140         return (addr);
 141 }
 142
 143 /*
 144  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 145  *      or a submap.
 146  */
 147 vm_offset_t
 148 kmem_alloc(map, size)
 149         register vm_map_t map;
 150         register vm_size_t size;
 151 {
 152         vm_offset_t addr;
 153         register vm_offset_t offset;
 154         vm_offset_t i;
 155
 156         size = round_page(size);
 157
 158         /*
 159          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 160          * region of the kernel object is referenced more than once.
 161          */
 162
 163         /*
 164          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 165          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 166          * offset within the kernel map.
 167          */
 168         vm_map_lock(map);
 169         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 170                 vm_map_unlock(map);
 171                 return (0);
 172         }
 173         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 174         vm_object_reference(kernel_object);
 175         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 176                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 177         vm_map_unlock(map);
 178
 179         /*
 180          * Guarantee that there are pages already in this object before
 181          * calling vm_map_pageable.  This is to prevent the following
 182          * scenario:
 183          *
 184          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 185          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 186          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_pageable calls vm_fault;
 187          * there is no page, but there is a pager, so we call
 188          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 189          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 190          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 191          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 192          *
 193          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 194          * race with page-out.  vm_map_pageable will wire the pages.
 195          */
 196
 197         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 198                 vm_page_t mem;
 199
 200                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 201                                 VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 202                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 203                         vm_page_zero_fill(mem);
 204                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 205                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 206                 vm_page_wakeup(mem);
 207         }
 208
 209         /*
 210          * And finally, mark the data as non-pageable.
 211          */
 212
 213         (void) vm_map_pageable(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, FALSE);
 214
 215         return (addr);
 216 }
 217
 218 /*
 219  *      kmem_free:
 220  *
 221  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 222  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 223  *      associated with that region.
 224  *
 225  *      This routine may not block on kernel maps.
 226  */
 227 void
 228 kmem_free(map, addr, size)
 229         vm_map_t map;
 230         register vm_offset_t addr;
 231         vm_size_t size;
 232 {
 233         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 234 }
 235
 236 /*
 237  *      kmem_suballoc:
 238  *
 239  *      Allocates a map to manage a subrange
 240  *      of the kernel virtual address space.
 241  *
 242  *      Arguments are as follows:
 243  *
 244  *      parent          Map to take range from
 245  *      size            Size of range to find
 246  *      min, max        Returned endpoints of map
 247  *      pageable        Can the region be paged
 248  */
 249 vm_map_t
 250 kmem_suballoc(parent, min, max, size)
 251         register vm_map_t parent;
 252         vm_offset_t *min, *max;
 253         register vm_size_t size;
 254 {
 255         register int ret;
 256         vm_map_t result;
 257
 258         size = round_page(size);
 259
 260         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 261         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 262             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 263         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 264                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 265                 panic("kmem_suballoc");
 266         }
 267         *max = *min + size;
 268         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 269         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 270         if (result == NULL)
 271                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 272         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 273                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 274         return (result);
 275 }
 276
 277 /*
 278  *      kmem_malloc:
 279  *
 280  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 281  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 282  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 283  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 284  *
 285  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 286  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 287  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 288  *
 289  *      Note that this still only works in a uni-processor environment and
 290  *      when called at splhigh().
 291  *
 292  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 293  *      for wired maps are statically allocated.
 294  *
 295  *      NOTE:  This routine is not supposed to block if M_NOWAIT is set, but
 296  *      I have not verified that it actually does not block.
 297  */
 298 vm_offset_t
 299 kmem_malloc(map, size, flags)
 300         register vm_map_t map;
 301         register vm_size_t size;
 302         int flags;
 303 {
 304         register vm_offset_t offset, i;
 305         vm_map_entry_t entry;
 306         vm_offset_t addr;
 307         vm_page_t m;
 308
 309         if (map != kmem_map && map != mb_map)
 310                 panic("kmem_malloc: map != {kmem,mb}_map");
 311
 312         size = round_page(size);
 313         addr = vm_map_min(map);
 314
 315         /*
 316          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 317          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 318          * offset within the kernel map.
 319          */
 320         vm_map_lock(map);
 321         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 322                 vm_map_unlock(map);
 323                 if (map == mb_map) {
 324                         mb_map_full = TRUE;
 325                         printf("Out of mbuf clusters - adjust NMBCLUSTERS or increase maxusers!\n");
 326                         return (0);
 327                 }
 328                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
 329                         panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 330                                 (long)size, (long)map->size);
 331                 return (0);
 332         }
 333         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 334         vm_object_reference(kmem_object);
 335         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 336                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 337
 338         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 339                 /*
 340                  * Note: if M_NOWAIT specified alone, allocate from
 341                  * interrupt-safe queues only (just the free list).  If
 342                  * M_ASLEEP or M_USE_RESERVE is also specified, we can also
 343                  * allocate from the cache.  Neither of the latter two
 344                  * flags may be specified from an interrupt since interrupts
 345                  * are not allowed to mess with the cache queue.
 346                  */
 347 retry:
 348                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 349                     ((flags & (M_NOWAIT|M_ASLEEP|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT) ?
 350                         VM_ALLOC_INTERRUPT :
 351                         VM_ALLOC_SYSTEM);
 352
 353                 /*
 354                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 355                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 356                  * aren't on any queues.
 357                  */
 358                 if (m == NULL) {
 359                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 360                                 vm_map_unlock(map);
 361                                 VM_WAIT;
 362                                 vm_map_lock(map);
 363                                 goto retry;
 364                         }
 365                         /*
 366                          * Free the pages before removing the map entry.
 367                          * They are already marked busy.  Calling
 368                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 369                          * unbusied will cause a deadlock.
 370                          */
 371                         while (i != 0) {
 372                                 i -= PAGE_SIZE;
 373                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 374                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 375                                 vm_page_free(m);
 376                         }
 377                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 378                         vm_map_unlock(map);
 379                         if (flags & M_ASLEEP) {
 380                                 VM_AWAIT;
 381                         }
 382                         return (0);
 383                 }
 384                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 385                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 386         }
 387
 388         /*
 389          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 390          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 391          * exactly corresponding to this address range and it will have
 392          * wired_count == 0.
 393          */
 394         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 395             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 396             entry->wired_count != 0)
 397                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 398         entry->wired_count = 1;
 399
 400         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 401
 402         /*
 403          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 404          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 405          * splimp...)
 406          */
 407         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 408                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 409                 vm_page_wire(m);
 410                 vm_page_wakeup(m);
 411                 /*
 412                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 413                  */
 414                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
 415                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 416         }
 417         vm_map_unlock(map);
 418
 419         return (addr);
 420 }
 421
 422 /*
 423  *      kmem_alloc_wait:
 424  *
 425  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 426  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 427  *
 428  *      This routine may block.
 429  */
 430
 431 vm_offset_t
 432 kmem_alloc_wait(map, size)
 433         vm_map_t map;
 434         vm_size_t size;
 435 {
 436         vm_offset_t addr;
 437
 438         size = round_page(size);
 439
 440         for (;;) {
 441                 /*
 442                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 443                  * to lock out sleepers/wakers.
 444                  */
 445                 vm_map_lock(map);
 446                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 447                         break;
 448                 /* no space now; see if we can ever get space */
 449                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 450                         vm_map_unlock(map);
 451                         return (0);
 452                 }
 453                 vm_map_unlock(map);
 454                 tsleep(map, PVM, "kmaw", 0);
 455         }
 456         vm_map_insert(map, NULL, (vm_offset_t) 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 457         vm_map_unlock(map);
 458         return (addr);
 459 }
 460
 461 /*
 462  *      kmem_free_wakeup:
 463  *
 464  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 465  *      waiting for memory in that map.
 466  */
 467 void
 468 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 469         vm_map_t map;
 470         vm_offset_t addr;
 471         vm_size_t size;
 472 {
 473         vm_map_lock(map);
 474         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 475         wakeup(map);
 476         vm_map_unlock(map);
 477 }
 478
 479 /*
 480  *      kmem_init:
 481  *
 482  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 483  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 484  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 485  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 486  */
 487
 488 void
 489 kmem_init(start, end)
 490         vm_offset_t start, end;
 491 {
 492         register vm_map_t m;
 493
 494         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 495         vm_map_lock(m);
 496         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 497         kernel_map = m;
 498         kernel_map->system_map = 1;
 499         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_offset_t) 0,
 500             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 501         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 502         vm_map_unlock(m);
 503 }
 504