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 1.5 2003/07/26 22:10:02 rob 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_extern.h>
  86
  87 vm_map_t kernel_map=0;
  88 vm_map_t kmem_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
 102 vm_offset_t
 103 kmem_alloc_pageable(map, size)
 104         vm_map_t map;
 105         vm_size_t size;
 106 {
 107         vm_offset_t addr;
 108         int result;
 109
 110         size = round_page(size);
 111         addr = vm_map_min(map);
 112         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 113             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 114         if (result != KERN_SUCCESS) {
 115                 return (0);
 116         }
 117         return (addr);
 118 }
 119
 120 /*
 121  *      kmem_alloc_nofault:
 122  *
 123  *      Same as kmem_alloc_pageable, except that it create a nofault entry.
 124  */
 125
 126 vm_offset_t
 127 kmem_alloc_nofault(map, size)
 128         vm_map_t map;
 129         vm_size_t size;
 130 {
 131         vm_offset_t addr;
 132         int result;
 133
 134         size = round_page(size);
 135         addr = vm_map_min(map);
 136         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 137             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 138         if (result != KERN_SUCCESS) {
 139                 return (0);
 140         }
 141         return (addr);
 142 }
 143
 144 /*
 145  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 146  *      or a submap.
 147  */
 148 vm_offset_t
 149 kmem_alloc(map, size)
 150         vm_map_t map;
 151         vm_size_t size;
 152 {
 153         vm_offset_t addr;
 154         vm_offset_t offset;
 155         vm_offset_t i;
 156
 157         size = round_page(size);
 158
 159         /*
 160          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 161          * region of the kernel object is referenced more than once.
 162          */
 163
 164         /*
 165          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 166          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 167          * offset within the kernel map.
 168          */
 169         vm_map_lock(map);
 170         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 171                 vm_map_unlock(map);
 172                 return (0);
 173         }
 174         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 175         vm_object_reference(kernel_object);
 176         vm_map_insert(map, kernel_object, offset, addr, addr + size,
 177                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 178         vm_map_unlock(map);
 179
 180         /*
 181          * Guarantee that there are pages already in this object before
 182          * calling vm_map_pageable.  This is to prevent the following
 183          * scenario:
 184          *
 185          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 186          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 187          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_pageable calls vm_fault;
 188          * there is no page, but there is a pager, so we call
 189          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 190          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 191          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 192          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 193          *
 194          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 195          * race with page-out.  vm_map_pageable will wire the pages.
 196          */
 197
 198         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 199                 vm_page_t mem;
 200
 201                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 202                                 VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 203                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 204                         vm_page_zero_fill(mem);
 205                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 206                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 207                 vm_page_wakeup(mem);
 208         }
 209
 210         /*
 211          * And finally, mark the data as non-pageable.
 212          */
 213
 214         (void) vm_map_pageable(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, FALSE);
 215
 216         return (addr);
 217 }
 218
 219 /*
 220  *      kmem_free:
 221  *
 222  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 223  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 224  *      associated with that region.
 225  *
 226  *      This routine may not block on kernel maps.
 227  */
 228 void
 229 kmem_free(map, addr, size)
 230         vm_map_t map;
 231         vm_offset_t addr;
 232         vm_size_t size;
 233 {
 234         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 235 }
 236
 237 /*
 238  *      kmem_suballoc:
 239  *
 240  *      Allocates a map to manage a subrange
 241  *      of the kernel virtual address space.
 242  *
 243  *      Arguments are as follows:
 244  *
 245  *      parent          Map to take range from
 246  *      size            Size of range to find
 247  *      min, max        Returned endpoints of map
 248  *      pageable        Can the region be paged
 249  */
 250 vm_map_t
 251 kmem_suballoc(parent, min, max, size)
 252         vm_map_t parent;
 253         vm_offset_t *min, *max;
 254         vm_size_t size;
 255 {
 256         int ret;
 257         vm_map_t result;
 258
 259         size = round_page(size);
 260
 261         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 262         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 263             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 264         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 265                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 266                 panic("kmem_suballoc");
 267         }
 268         *max = *min + size;
 269         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 270         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 271         if (result == NULL)
 272                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 273         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 274                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 275         return (result);
 276 }
 277
 278 /*
 279  *      kmem_malloc:
 280  *
 281  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 282  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 283  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 284  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 285  *
 286  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 287  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 288  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 289  *
 290  *      Note that this still only works in a uni-processor environment and
 291  *      when called at splhigh().
 292  *
 293  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 294  *      for wired maps are statically allocated.
 295  *
 296  *      NOTE:  This routine is not supposed to block if M_NOWAIT is set, but
 297  *      I have not verified that it actually does not block.
 298  */
 299 vm_offset_t
 300 kmem_malloc(map, size, flags)
 301         vm_map_t map;
 302         vm_size_t size;
 303         int flags;
 304 {
 305         vm_offset_t offset, i;
 306         vm_map_entry_t entry;
 307         vm_offset_t addr;
 308         vm_page_t m;
 309
 310         if (map != kmem_map && map != mb_map)
 311                 panic("kmem_malloc: map != {kmem,mb}_map");
 312
 313         size = round_page(size);
 314         addr = vm_map_min(map);
 315
 316         /*
 317          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 318          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 319          * offset within the kernel map.
 320          */
 321         vm_map_lock(map);
 322         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr)) {
 323                 vm_map_unlock(map);
 324                 if (map == mb_map) {
 325                         mb_map_full = TRUE;
 326                         printf("Out of mbuf clusters - adjust NMBCLUSTERS or increase maxusers!\n");
 327                         return (0);
 328                 }
 329                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
 330                         panic("kmem_malloc(%ld): kmem_map too small: %ld total allocated",
 331                                 (long)size, (long)map->size);
 332                 return (0);
 333         }
 334         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 335         vm_object_reference(kmem_object);
 336         vm_map_insert(map, kmem_object, offset, addr, addr + size,
 337                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 338
 339         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 340                 /*
 341                  * Note: if M_NOWAIT specified alone, allocate from
 342                  * interrupt-safe queues only (just the free list).  If
 343                  * M_USE_RESERVE is also specified, we can also
 344                  * allocate from the cache.  Neither of the latter two
 345                  * flags may be specified from an interrupt since interrupts
 346                  * are not allowed to mess with the cache queue.
 347                  */
 348 retry:
 349                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 350                     ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT) ?
 351                         VM_ALLOC_INTERRUPT :
 352                         VM_ALLOC_SYSTEM);
 353
 354                 /*
 355                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 356                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 357                  * aren't on any queues.
 358                  */
 359                 if (m == NULL) {
 360                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 361                                 vm_map_unlock(map);
 362                                 VM_WAIT;
 363                                 vm_map_lock(map);
 364                                 goto retry;
 365                         }
 366                         /*
 367                          * Free the pages before removing the map entry.
 368                          * They are already marked busy.  Calling
 369                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 370                          * unbusied will cause a deadlock.
 371                          */
 372                         while (i != 0) {
 373                                 i -= PAGE_SIZE;
 374                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 375                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 376                                 vm_page_free(m);
 377                         }
 378                         vm_map_delete(map, addr, addr + size);
 379                         vm_map_unlock(map);
 380                         return (0);
 381                 }
 382                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 383                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 384         }
 385
 386         /*
 387          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 388          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 389          * exactly corresponding to this address range and it will have
 390          * wired_count == 0.
 391          */
 392         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 393             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 394             entry->wired_count != 0)
 395                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 396         entry->wired_count = 1;
 397
 398         vm_map_simplify_entry(map, entry);
 399
 400         /*
 401          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 402          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 403          * splimp...)
 404          */
 405         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 406                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 407                 vm_page_wire(m);
 408                 vm_page_wakeup(m);
 409                 /*
 410                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 411                  */
 412                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
 413                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 414         }
 415         vm_map_unlock(map);
 416
 417         return (addr);
 418 }
 419
 420 /*
 421  *      kmem_alloc_wait:
 422  *
 423  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 424  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 425  *
 426  *      This routine may block.
 427  */
 428
 429 vm_offset_t
 430 kmem_alloc_wait(map, size)
 431         vm_map_t map;
 432         vm_size_t size;
 433 {
 434         vm_offset_t addr;
 435
 436         size = round_page(size);
 437
 438         for (;;) {
 439                 /*
 440                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 441                  * to lock out sleepers/wakers.
 442                  */
 443                 vm_map_lock(map);
 444                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 445                         break;
 446                 /* no space now; see if we can ever get space */
 447                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 448                         vm_map_unlock(map);
 449                         return (0);
 450                 }
 451                 vm_map_unlock(map);
 452                 tsleep(map, 0, "kmaw", 0);
 453         }
 454         vm_map_insert(map, NULL, (vm_offset_t) 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 455         vm_map_unlock(map);
 456         return (addr);
 457 }
 458
 459 /*
 460  *      kmem_free_wakeup:
 461  *
 462  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 463  *      waiting for memory in that map.
 464  */
 465 void
 466 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 467         vm_map_t map;
 468         vm_offset_t addr;
 469         vm_size_t size;
 470 {
 471         vm_map_lock(map);
 472         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 473         wakeup(map);
 474         vm_map_unlock(map);
 475 }
 476
 477 /*
 478  *      kmem_init:
 479  *
 480  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 481  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 482  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 483  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 484  */
 485
 486 void
 487 kmem_init(start, end)
 488         vm_offset_t start, end;
 489 {
 490         vm_map_t m;
 491
 492         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 493         vm_map_lock(m);
 494         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 495         kernel_map = m;
 496         kernel_map->system_map = 1;
 497         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_offset_t) 0,
 498             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 499         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 500         vm_map_unlock(m);
 501 }
 502