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 1.23 2006/09/11 20:25:31 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
  93 /*
  94  *      kmem_alloc_pageable:
  95  *
  96  *      Allocate pageable memory to the kernel's address map.
  97  *      "map" must be kernel_map or a submap of kernel_map.
  98  */
  99 vm_offset_t
 100 kmem_alloc_pageable(vm_map_t map, vm_size_t size)
 101 {
 102         vm_offset_t addr;
 103         int result;
 104
 105         size = round_page(size);
 106         addr = vm_map_min(map);
 107         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 108                              &addr, size,
 109                              TRUE,
 110                              VM_MAPTYPE_NORMAL,
 111                              VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 112                              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 vm_offset_t
 125 kmem_alloc_nofault(vm_map_t map, vm_size_t size)
 126 {
 127         vm_offset_t addr;
 128         int result;
 129
 130         size = round_page(size);
 131         addr = vm_map_min(map);
 132         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 133                              &addr, size,
 134                              TRUE,
 135                              VM_MAPTYPE_NORMAL,
 136                              VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 137                              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_alloc3(vm_map_t map, vm_size_t size, int kmflags)
 150 {
 151         vm_offset_t addr;
 152         vm_offset_t offset;
 153         vm_offset_t i;
 154         int count;
 155
 156         size = round_page(size);
 157
 158         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 159                 count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 160         else
 161                 count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 162
 163         /*
 164          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 165          * region of the kernel object is referenced more than once.
 166          *
 167          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 168          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 169          * offset within the kernel map.
 170          */
 171         vm_map_lock(map);
 172         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 173                 vm_map_unlock(map);
 174                 if (kmflags & KM_KRESERVE)
 175                         vm_map_entry_krelease(count);
 176                 else
 177                         vm_map_entry_release(count);
 178                 return (0);
 179         }
 180         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 181         vm_object_reference(kernel_object);
 182         vm_map_insert(map, &count,
 183                       kernel_object, offset, addr, addr + size,
 184                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 185                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 186                       0);
 187         vm_map_unlock(map);
 188         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 189                 vm_map_entry_krelease(count);
 190         else
 191                 vm_map_entry_release(count);
 192
 193         /*
 194          * Guarantee that there are pages already in this object before
 195          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 196          * scenario:
 197          *
 198          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 199          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 200          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 201          * there is no page, but there is a pager, so we call
 202          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 203          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 204          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 205          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 206          *
 207          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 208          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 209          */
 210
 211         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 212                 vm_page_t mem;
 213
 214                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 215                             VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_NORMAL | VM_ALLOC_RETRY);
 216                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 217                         vm_page_zero_fill(mem);
 218                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 219                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 220                 vm_page_wakeup(mem);
 221         }
 222
 223         /*
 224          * And finally, mark the data as non-pageable.
 225          */
 226
 227         vm_map_wire(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, kmflags);
 228
 229         return (addr);
 230 }
 231
 232 /*
 233  *      kmem_free:
 234  *
 235  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 236  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 237  *      associated with that region.
 238  *
 239  *      This routine may not block on kernel maps.
 240  */
 241 void
 242 kmem_free(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 243 {
 244         vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 245 }
 246
 247 /*
 248  *      kmem_suballoc:
 249  *
 250  *      Allocates a map to manage a subrange
 251  *      of the kernel virtual address space.
 252  *
 253  *      Arguments are as follows:
 254  *
 255  *      parent          Map to take range from
 256  *      size            Size of range to find
 257  *      min, max        Returned endpoints of map
 258  *      pageable        Can the region be paged
 259  */
 260 vm_map_t
 261 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 262     vm_size_t size)
 263 {
 264         int ret;
 265         vm_map_t result;
 266
 267         size = round_page(size);
 268
 269         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 270         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 271                           min, size,
 272                           TRUE,
 273                           VM_MAPTYPE_UNSPECIFIED,
 274                           VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 275                           0);
 276         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 277                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 278                 panic("kmem_suballoc");
 279         }
 280         *max = *min + size;
 281         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 282         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 283         if (result == NULL)
 284                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 285         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 286                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 287         return (result);
 288 }
 289
 290 /*
 291  *      kmem_malloc:
 292  *
 293  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 294  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 295  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 296  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 297  *
 298  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 299  *      for wired maps are statically allocated.
 300  *
 301  *      NOTE:  Please see kmem_slab_alloc() for a better explanation of the
 302  *      M_* flags.
 303  */
 304 vm_offset_t
 305 kmem_malloc(vm_map_t map, vm_size_t size, int flags)
 306 {
 307         vm_offset_t offset, i;
 308         vm_map_entry_t entry;
 309         vm_offset_t addr;
 310         vm_page_t m;
 311         int count, vmflags, wanted_reserve;
 312         thread_t td;
 313
 314         if (map != kernel_map)
 315                 panic("kmem_malloc: map != kernel_map");
 316
 317         size = round_page(size);
 318         addr = vm_map_min(map);
 319
 320         /*
 321          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 322          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 323          * offset within the kernel map.  If we are unable to allocate space
 324          * and neither RNOWAIT or NULLOK is set, we panic.
 325          */
 326         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 327         vm_map_lock(map);
 328         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 329                 vm_map_unlock(map);
 330                 vm_map_entry_release(count);
 331                 if ((flags & M_NULLOK) == 0) {
 332                         panic("kmem_malloc(%ld): kernel_map too small: "
 333                                 "%ld total allocated",
 334                                 (long)size, (long)map->size);
 335                 }
 336                 return (0);
 337         }
 338         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 339         vm_object_reference(kmem_object);
 340         vm_map_insert(map, &count,
 341                       kmem_object, offset, addr, addr + size,
 342                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 343                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 344                       0);
 345
 346         td = curthread;
 347         wanted_reserve = 0;
 348
 349         vmflags = VM_ALLOC_SYSTEM;      /* XXX M_USE_RESERVE? */
 350         if ((flags & (M_WAITOK|M_RNOWAIT)) == 0)
 351                 panic("kmem_malloc: bad flags %08x (%p)\n", flags, ((int **)&map)[-1]);
 352         if (flags & M_USE_INTERRUPT_RESERVE)
 353                 vmflags |= VM_ALLOC_INTERRUPT;
 354
 355         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 356                 /*
 357                  * Only allocate PQ_CACHE pages for M_WAITOK requests and
 358                  * then only if we are not preempting.
 359                  */
 360                 if (flags & M_WAITOK) {
 361                         if (td->td_preempted) {
 362                                 vmflags &= ~VM_ALLOC_NORMAL;
 363                                 wanted_reserve = 1;
 364                         } else {
 365                                 vmflags |= VM_ALLOC_NORMAL;
 366                                 wanted_reserve = 0;
 367                         }
 368                 }
 369
 370                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), vmflags);
 371
 372                 /*
 373                  * Ran out of space, free everything up and return.  Don't need
 374                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 375                  * aren't on any queues.
 376                  *
 377                  * If M_WAITOK is set we can yield or block.
 378                  */
 379                 if (m == NULL) {
 380                         if (flags & M_WAITOK) {
 381                                 if (wanted_reserve) {
 382                                         vm_map_unlock(map);
 383                                         lwkt_yield();
 384                                         vm_map_lock(map);
 385                                 } else {
 386                                         vm_map_unlock(map);
 387                                         vm_wait();
 388                                         vm_map_lock(map);
 389                                 }
 390                                 i -= PAGE_SIZE; /* retry */
 391                                 continue;
 392                         }
 393                         /*
 394                          * Free the pages before removing the map entry.
 395                          * They are already marked busy.  Calling
 396                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 397                          * unbusied will cause a deadlock.
 398                          */
 399                         while (i != 0) {
 400                                 i -= PAGE_SIZE;
 401                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 402                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 403                                 vm_page_free(m);
 404                         }
 405                         vm_map_delete(map, addr, addr + size, &count);
 406                         vm_map_unlock(map);
 407                         vm_map_entry_release(count);
 408                         return (0);
 409                 }
 410                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 411                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 412         }
 413
 414         /*
 415          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 416          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 417          * exactly corresponding to this address range and it will have
 418          * wired_count == 0.
 419          */
 420         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 421             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 422             entry->wired_count != 0)
 423                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 424         entry->wired_count = 1;
 425
 426         vm_map_simplify_entry(map, entry, &count);
 427
 428         /*
 429          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 430          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 431          * splimp...)
 432          */
 433         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 434                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 435                 vm_page_wire(m);
 436                 vm_page_wakeup(m);
 437                 /*
 438                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 439                  */
 440                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
 441                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 442         }
 443         vm_map_unlock(map);
 444         vm_map_entry_release(count);
 445
 446         return (addr);
 447 }
 448
 449 /*
 450  *      kmem_alloc_wait:
 451  *
 452  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 453  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 454  *
 455  *      This routine may block.
 456  */
 457
 458 vm_offset_t
 459 kmem_alloc_wait(vm_map_t map, vm_size_t size)
 460 {
 461         vm_offset_t addr;
 462         int count;
 463
 464         size = round_page(size);
 465
 466         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 467
 468         for (;;) {
 469                 /*
 470                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 471                  * to lock out sleepers/wakers.
 472                  */
 473                 vm_map_lock(map);
 474                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr) == 0)
 475                         break;
 476                 /* no space now; see if we can ever get space */
 477                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 478                         vm_map_entry_release(count);
 479                         vm_map_unlock(map);
 480                         return (0);
 481                 }
 482                 vm_map_unlock(map);
 483                 tsleep(map, 0, "kmaw", 0);
 484         }
 485         vm_map_insert(map, &count,
 486                       NULL, (vm_offset_t) 0,
 487                       addr, addr + size,
 488                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 489                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 490                       0);
 491         vm_map_unlock(map);
 492         vm_map_entry_release(count);
 493         return (addr);
 494 }
 495
 496 /*
 497  *      kmem_free_wakeup:
 498  *
 499  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 500  *      waiting for memory in that map.
 501  */
 502 void
 503 kmem_free_wakeup(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 504 {
 505         int count;
 506
 507         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 508         vm_map_lock(map);
 509         vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size), &count);
 510         wakeup(map);
 511         vm_map_unlock(map);
 512         vm_map_entry_release(count);
 513 }
 514
 515 /*
 516  *      kmem_init:
 517  *
 518  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 519  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 520  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 521  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 522  *
 523  *      Depend on the zalloc bootstrap cache to get our vm_map_entry_t.
 524  */
 525 void
 526 kmem_init(vm_offset_t start, vm_offset_t end)
 527 {
 528         vm_map_t m;
 529         int count;
 530
 531         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 532         vm_map_lock(m);
 533         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 534         kernel_map = m;
 535         kernel_map->system_map = 1;
 536         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 537         vm_map_insert(m, &count, NULL, (vm_offset_t) 0,
 538                       VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start,
 539                       VM_MAPTYPE_NORMAL,
 540                       VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 541                       0);
 542         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 543         vm_map_unlock(m);
 544         vm_map_entry_release(count);
 545 }