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  * $DragonFly: src/sys/vm/vm_kern.c,v 1.14 2004/01/20 05:04:08 dillon Exp $
  66  */
  67
  68 /*
  69  *      Kernel memory management.
  70  */
  71
  72 #include <sys/param.h>
  73 #include <sys/systm.h>
  74 #include <sys/proc.h>
  75 #include <sys/malloc.h>
  76
  77 #include <vm/vm.h>
  78 #include <vm/vm_param.h>
  79 #include <sys/lock.h>
  80 #include <vm/pmap.h>
  81 #include <vm/vm_map.h>
  82 #include <vm/vm_object.h>
  83 #include <vm/vm_page.h>
  84 #include <vm/vm_pageout.h>
  85 #include <vm/vm_kern.h>
  86 #include <vm/vm_extern.h>
  87
  88 vm_map_t kernel_map=0;
  89 vm_map_t exec_map=0;
  90 vm_map_t clean_map=0;
  91 vm_map_t buffer_map=0;
  92 vm_map_t mb_map=0;
  93 int mb_map_full=0;
  94
  95 /*
  96  *      kmem_alloc_pageable:
  97  *
  98  *      Allocate pageable memory to the kernel's address map.
  99  *      "map" must be kernel_map or a submap of kernel_map.
 100  */
 101 vm_offset_t
 102 kmem_alloc_pageable(vm_map_t map, vm_size_t size)
 103 {
 104         vm_offset_t addr;
 105         int result;
 106
 107         size = round_page(size);
 108         addr = vm_map_min(map);
 109         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 110             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 111         if (result != KERN_SUCCESS) {
 112                 return (0);
 113         }
 114         return (addr);
 115 }
 116
 117 /*
 118  *      kmem_alloc_nofault:
 119  *
 120  *      Same as kmem_alloc_pageable, except that it create a nofault entry.
 121  */
 122 vm_offset_t
 123 kmem_alloc_nofault(vm_map_t map, vm_size_t size)
 124 {
 125         vm_offset_t addr;
 126         int result;
 127
 128         size = round_page(size);
 129         addr = vm_map_min(map);
 130         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 131             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 132         if (result != KERN_SUCCESS) {
 133                 return (0);
 134         }
 135         return (addr);
 136 }
 137
 138 /*
 139  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 140  *      or a submap.
 141  */
 142 vm_offset_t
 143 kmem_alloc3(vm_map_t map, vm_size_t size, int kmflags)
 144 {
 145         vm_offset_t addr;
 146         vm_offset_t offset;
 147         vm_offset_t i;
 148         int count;
 149
 150         size = round_page(size);
 151
 152         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 153                 count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 154         else
 155                 count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 156
 157         /*
 158          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 159          * region of the kernel object is referenced more than once.
 160          *
 161          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 162          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 163          * offset within the kernel map.
 164          */
 165         vm_map_lock(map);
 166         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 167                 vm_map_unlock(map);
 168                 if (kmflags & KM_KRESERVE)
 169                         vm_map_entry_krelease(count);
 170                 else
 171                         vm_map_entry_release(count);
 172                 return (0);
 173         }
 174         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 175         vm_object_reference(kernel_object);
 176         vm_map_insert(map, &count,
 177                 kernel_object, offset, addr, addr + size,
 178                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 179         vm_map_unlock(map);
 180         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 181                 vm_map_entry_krelease(count);
 182         else
 183                 vm_map_entry_release(count);
 184
 185         /*
 186          * Guarantee that there are pages already in this object before
 187          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 188          * scenario:
 189          *
 190          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 191          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 192          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 193          * there is no page, but there is a pager, so we call
 194          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 195          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 196          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 197          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 198          *
 199          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 200          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 201          */
 202
 203         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 204                 vm_page_t mem;
 205
 206                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 207                             VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_NORMAL | VM_ALLOC_RETRY);
 208                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 209                         vm_page_zero_fill(mem);
 210                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 211                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 212                 vm_page_wakeup(mem);
 213         }
 214
 215         /*
 216          * And finally, mark the data as non-pageable.
 217          */
 218
 219         (void) vm_map_wire(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, kmflags);
 220
 221         return (addr);
 222 }
 223
 224 /*
 225  *      kmem_free:
 226  *
 227  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 228  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 229  *      associated with that region.
 230  *
 231  *      This routine may not block on kernel maps.
 232  */
 233 void
 234 kmem_free(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 235 {
 236         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 237 }
 238
 239 /*
 240  *      kmem_suballoc:
 241  *
 242  *      Allocates a map to manage a subrange
 243  *      of the kernel virtual address space.
 244  *
 245  *      Arguments are as follows:
 246  *
 247  *      parent          Map to take range from
 248  *      size            Size of range to find
 249  *      min, max        Returned endpoints of map
 250  *      pageable        Can the region be paged
 251  */
 252 vm_map_t
 253 kmem_suballoc(parent, min, max, size)
 254         vm_map_t parent;
 255         vm_offset_t *min, *max;
 256         vm_size_t size;
 257 {
 258         int ret;
 259         vm_map_t result;
 260
 261         size = round_page(size);
 262
 263         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 264         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 265             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 266         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 267                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 268                 panic("kmem_suballoc");
 269         }
 270         *max = *min + size;
 271         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 272         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 273         if (result == NULL)
 274                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 275         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 276                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 277         return (result);
 278 }
 279
 280 /*
 281  *      kmem_malloc:
 282  *
 283  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 284  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 285  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 286  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 287  *
 288  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 289  *      for wired maps are statically allocated.
 290  *
 291  *      NOTE:  Please see kmem_slab_alloc() for a better explanation of the
 292  *      M_* flags.
 293  */
 294 vm_offset_t
 295 kmem_malloc(vm_map_t map, vm_size_t size, int flags)
 296 {
 297         vm_offset_t offset, i;
 298         vm_map_entry_t entry;
 299         vm_offset_t addr;
 300         vm_page_t m;
 301         int count;
 302         thread_t td;
 303         int wanted_reserve;
 304
 305         if (map != kernel_map && map != mb_map)
 306                 panic("kmem_malloc: map != {kmem,mb}_map");
 307
 308         size = round_page(size);
 309         addr = vm_map_min(map);
 310
 311         /*
 312          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 313          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 314          * offset within the kernel map.
 315          */
 316         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 317         vm_map_lock(map);
 318         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 319                 vm_map_unlock(map);
 320                 vm_map_entry_release(count);
 321                 if (map == mb_map) {
 322                         mb_map_full = TRUE;
 323                         printf("Out of mbuf clusters - adjust NMBCLUSTERS or increase maxusers!\n");
 324                         return (0);
 325                 }
 326                 if ((flags & (M_RNOWAIT|M_NULLOK)) == 0 ||
 327                     (flags & (M_FAILSAFE|M_NULLOK)) == M_FAILSAFE
 328                 ) {
 329                         panic("kmem_malloc(%ld): kernel_map too small: "
 330                                 "%ld total allocated",
 331                                 (long)size, (long)map->size);
 332                 }
 333                 return (0);
 334         }
 335         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 336         vm_object_reference(kmem_object);
 337         vm_map_insert(map, &count,
 338                 kmem_object, offset, addr, addr + size,
 339                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 340
 341         td = curthread;
 342         wanted_reserve = 0;
 343
 344         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 345                 int vmflags;
 346
 347                 vmflags = VM_ALLOC_SYSTEM;      /* XXX M_USE_RESERVE? */
 348                 if ((flags & (M_WAITOK|M_RNOWAIT)) == 0)
 349                         printf("kmem_malloc: bad flags %08x (%p)\n", flags, ((int **)&map)[-1]);
 350                 if (flags & M_USE_INTERRUPT_RESERVE)
 351                         vmflags |= VM_ALLOC_INTERRUPT;
 352                 if (flags & (M_FAILSAFE|M_WAITOK)) {
 353                         if (td->td_preempted) {
 354                                 wanted_reserve = 1;
 355                         } else {
 356                                 vmflags |= VM_ALLOC_NORMAL;
 357                                 wanted_reserve = 0;
 358                         }
 359                 }
 360
 361                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), vmflags);
 362
 363                 /*
 364                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 365                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 366                  * aren't on any queues.
 367                  *
 368                  * If M_WAITOK or M_FAILSAFE is set we can yield or block.
 369                  */
 370                 if (m == NULL) {
 371                         if (flags & (M_FAILSAFE|M_WAITOK)) {
 372                                 if (wanted_reserve) {
 373                                         if (flags & M_FAILSAFE)
 374                                                 printf("kmem_malloc: no memory, try failsafe\n");
 375                                         vm_map_unlock(map);
 376                                         lwkt_yield();
 377                                         vm_map_lock(map);
 378                                 } else {
 379                                         if (flags & M_FAILSAFE)
 380                                                 printf("kmem_malloc: no memory, block even though we shouldn't\n");
 381                                         vm_map_unlock(map);
 382                                         VM_WAIT;
 383                                         vm_map_lock(map);
 384                                 }
 385                                 i -= PAGE_SIZE; /* retry */
 386                                 continue;
 387                         }
 388                         /*
 389                          * Free the pages before removing the map entry.
 390                          * They are already marked busy.  Calling
 391                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 392                          * unbusied will cause a deadlock.
 393                          */
 394                         while (i != 0) {
 395                                 i -= PAGE_SIZE;
 396                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 397                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 398                                 vm_page_free(m);
 399                         }
 400                         vm_map_delete(map, addr, addr + size, &count);
 401                         vm_map_unlock(map);
 402                         vm_map_entry_release(count);
 403                         return (0);
 404                 }
 405                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 406                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 407         }
 408
 409         /*
 410          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 411          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 412          * exactly corresponding to this address range and it will have
 413          * wired_count == 0.
 414          */
 415         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 416             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 417             entry->wired_count != 0)
 418                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 419         entry->wired_count = 1;
 420
 421         vm_map_simplify_entry(map, entry, &count);
 422
 423         /*
 424          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 425          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 426          * splimp...)
 427          */
 428         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 429                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 430                 vm_page_wire(m);
 431                 vm_page_wakeup(m);
 432                 /*
 433                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 434                  */
 435                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
 436                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 437         }
 438         vm_map_unlock(map);
 439         vm_map_entry_release(count);
 440
 441         return (addr);
 442 }
 443
 444 /*
 445  *      kmem_alloc_wait:
 446  *
 447  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 448  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 449  *
 450  *      This routine may block.
 451  */
 452
 453 vm_offset_t
 454 kmem_alloc_wait(vm_map_t map, vm_size_t size)
 455 {
 456         vm_offset_t addr;
 457         int count;
 458
 459         size = round_page(size);
 460
 461         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 462
 463         for (;;) {
 464                 /*
 465                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 466                  * to lock out sleepers/wakers.
 467                  */
 468                 vm_map_lock(map);
 469                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr) == 0)
 470                         break;
 471                 /* no space now; see if we can ever get space */
 472                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 473                         vm_map_entry_release(count);
 474                         vm_map_unlock(map);
 475                         return (0);
 476                 }
 477                 vm_map_unlock(map);
 478                 tsleep(map, 0, "kmaw", 0);
 479         }
 480         vm_map_insert(map, &count,
 481                     NULL, (vm_offset_t) 0,
 482                     addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 483         vm_map_unlock(map);
 484         vm_map_entry_release(count);
 485         return (addr);
 486 }
 487
 488 /*
 489  *      kmem_free_wakeup:
 490  *
 491  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 492  *      waiting for memory in that map.
 493  */
 494 void
 495 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 496         vm_map_t map;
 497         vm_offset_t addr;
 498         vm_size_t size;
 499 {
 500         int count;
 501
 502         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 503         vm_map_lock(map);
 504         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size), &count);
 505         wakeup(map);
 506         vm_map_unlock(map);
 507         vm_map_entry_release(count);
 508 }
 509
 510 /*
 511  *      kmem_init:
 512  *
 513  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 514  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 515  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 516  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 517  *
 518  *      Depend on the zalloc bootstrap cache to get our vm_map_entry_t.
 519  */
 520 void
 521 kmem_init(vm_offset_t start, vm_offset_t end)
 522 {
 523         vm_map_t m;
 524         int count;
 525
 526         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 527         vm_map_lock(m);
 528         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 529         kernel_map = m;
 530         kernel_map->system_map = 1;
 531         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 532         (void) vm_map_insert(m, &count, NULL, (vm_offset_t) 0,
 533             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 534         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 535         vm_map_unlock(m);
 536         vm_map_entry_release(count);
 537 }
 538
 539 /*
 540  *      kmem_cpu_init:
 541  *
 542  *      Load up extra vm_map_entry structures in each cpu's globaldata
 543  *      cache.  These allow us to expand the mapent zone for kernel_map.
 544  *      Without them we would get into a recursion deadlock trying to
 545  *      reserve map entries (reserve->zalloc->kmem_alloc->reserve->...)
 546  */
 547 void
 548 kmem_cpu_init(void)
 549 {
 550         vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT * 2);
 551 }
 552