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 1.11 2003/10/19 00:23:30 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_extern.h>
  86
  87 vm_map_t kernel_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         vm_size_t size;
 105 {
 106         vm_offset_t addr;
 107         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         vm_size_t size;
 129 {
 130         vm_offset_t addr;
 131         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(vm_map_t map, vm_size_t size)
 149 {
 150         vm_offset_t addr;
 151         vm_offset_t offset;
 152         vm_offset_t i;
 153         int count;
 154
 155         size = round_page(size);
 156
 157         count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 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          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 164          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 165          * offset within the kernel map.
 166          */
 167         vm_map_lock(map);
 168         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 169                 vm_map_unlock(map);
 170                 vm_map_entry_krelease(count);
 171                 return (0);
 172         }
 173         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 174         vm_object_reference(kernel_object);
 175         vm_map_insert(map, &count,
 176                 kernel_object, offset, addr, addr + size,
 177                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 178         vm_map_unlock(map);
 179         vm_map_entry_krelease(count);
 180
 181         /*
 182          * Guarantee that there are pages already in this object before
 183          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 184          * scenario:
 185          *
 186          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 187          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 188          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 189          * there is no page, but there is a pager, so we call
 190          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 191          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 192          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 193          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 194          *
 195          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 196          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 197          */
 198
 199         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 200                 vm_page_t mem;
 201
 202                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 203                                 VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_RETRY);
 204                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 205                         vm_page_zero_fill(mem);
 206                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 207                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 208                 vm_page_wakeup(mem);
 209         }
 210
 211         /*
 212          * And finally, mark the data as non-pageable.
 213          */
 214
 215         (void) vm_map_wire(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, FALSE);
 216
 217         return (addr);
 218 }
 219
 220 /*
 221  *      kmem_free:
 222  *
 223  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 224  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 225  *      associated with that region.
 226  *
 227  *      This routine may not block on kernel maps.
 228  */
 229 void
 230 kmem_free(map, addr, size)
 231         vm_map_t map;
 232         vm_offset_t addr;
 233         vm_size_t size;
 234 {
 235         (void) vm_map_remove(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 236 }
 237
 238 /*
 239  *      kmem_suballoc:
 240  *
 241  *      Allocates a map to manage a subrange
 242  *      of the kernel virtual address space.
 243  *
 244  *      Arguments are as follows:
 245  *
 246  *      parent          Map to take range from
 247  *      size            Size of range to find
 248  *      min, max        Returned endpoints of map
 249  *      pageable        Can the region be paged
 250  */
 251 vm_map_t
 252 kmem_suballoc(parent, min, max, size)
 253         vm_map_t parent;
 254         vm_offset_t *min, *max;
 255         vm_size_t size;
 256 {
 257         int ret;
 258         vm_map_t result;
 259
 260         size = round_page(size);
 261
 262         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 263         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 264             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 265         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 266                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 267                 panic("kmem_suballoc");
 268         }
 269         *max = *min + size;
 270         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 271         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 272         if (result == NULL)
 273                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 274         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 275                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 276         return (result);
 277 }
 278
 279 /*
 280  *      kmem_malloc:
 281  *
 282  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 283  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 284  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 285  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 286  *
 287  *      This routine has its own private kernel submap (kmem_map) and object
 288  *      (kmem_object).  This, combined with the fact that only malloc uses
 289  *      this routine, ensures that we will never block in map or object waits.
 290  *
 291  *      Note that this still only works in a uni-processor environment and
 292  *      when called at splhigh().
 293  *
 294  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 295  *      for wired maps are statically allocated.
 296  *
 297  *      NOTE:  This routine is not supposed to block if M_NOWAIT is set, but
 298  *      I have not verified that it actually does not block.
 299  */
 300 vm_offset_t
 301 kmem_malloc(vm_map_t map, vm_size_t size, int flags)
 302 {
 303         vm_offset_t offset, i;
 304         vm_map_entry_t entry;
 305         vm_offset_t addr;
 306         vm_page_t m;
 307         int count;
 308
 309         if (map != kernel_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         count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 322         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 323                 vm_map_unlock(map);
 324                 vm_map_entry_krelease(count);
 325                 if (map == mb_map) {
 326                         mb_map_full = TRUE;
 327                         printf("Out of mbuf clusters - adjust NMBCLUSTERS or increase maxusers!\n");
 328                         return (0);
 329                 }
 330                 if ((flags & M_NOWAIT) == 0)
 331                         panic("kmem_malloc(%ld): kernel_map too small: %ld total allocated",
 332                                 (long)size, (long)map->size);
 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         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 342                 /*
 343                  * Note: if M_NOWAIT specified alone, allocate from
 344                  * interrupt-safe queues only (just the free list).  If
 345                  * M_USE_RESERVE is also specified, we can also
 346                  * allocate from the cache.  Neither of the latter two
 347                  * flags may be specified from an interrupt since interrupts
 348                  * are not allowed to mess with the cache queue.
 349                  */
 350 retry:
 351                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 352                     ((flags & (M_NOWAIT|M_USE_RESERVE)) == M_NOWAIT) ?
 353                         VM_ALLOC_INTERRUPT :
 354                         VM_ALLOC_SYSTEM);
 355
 356                 /*
 357                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 358                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 359                  * aren't on any queues.
 360                  */
 361                 if (m == NULL) {
 362                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 363                                 vm_map_unlock(map);
 364                                 VM_WAIT;
 365                                 vm_map_lock(map);
 366                                 goto retry;
 367                         }
 368                         /*
 369                          * Free the pages before removing the map entry.
 370                          * They are already marked busy.  Calling
 371                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 372                          * unbusied will cause a deadlock.
 373                          */
 374                         while (i != 0) {
 375                                 i -= PAGE_SIZE;
 376                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 377                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 378                                 vm_page_free(m);
 379                         }
 380                         vm_map_delete(map, addr, addr + size, &count);
 381                         vm_map_unlock(map);
 382                         vm_map_entry_krelease(count);
 383                         return (0);
 384                 }
 385                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 386                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 387         }
 388
 389         /*
 390          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 391          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 392          * exactly corresponding to this address range and it will have
 393          * wired_count == 0.
 394          */
 395         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 396             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 397             entry->wired_count != 0)
 398                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 399         entry->wired_count = 1;
 400
 401         vm_map_simplify_entry(map, entry, &count);
 402
 403         /*
 404          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 405          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 406          * splimp...)
 407          */
 408         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 409                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 410                 vm_page_wire(m);
 411                 vm_page_wakeup(m);
 412                 /*
 413                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 414                  */
 415                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
 416                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 417         }
 418         vm_map_unlock(map);
 419         vm_map_entry_krelease(count);
 420
 421         return (addr);
 422 }
 423
 424 /*
 425  *      kmem_alloc_wait:
 426  *
 427  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 428  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 429  *
 430  *      This routine may block.
 431  */
 432
 433 vm_offset_t
 434 kmem_alloc_wait(vm_map_t map, vm_size_t size)
 435 {
 436         vm_offset_t addr;
 437         int count;
 438
 439         size = round_page(size);
 440
 441         count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 442
 443         for (;;) {
 444                 /*
 445                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 446                  * to lock out sleepers/wakers.
 447                  */
 448                 vm_map_lock(map);
 449                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr) == 0)
 450                         break;
 451                 /* no space now; see if we can ever get space */
 452                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 453                         vm_map_entry_krelease(count);
 454                         vm_map_unlock(map);
 455                         return (0);
 456                 }
 457                 vm_map_unlock(map);
 458                 tsleep(map, 0, "kmaw", 0);
 459         }
 460         vm_map_insert(map, &count,
 461                     NULL, (vm_offset_t) 0,
 462                     addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 463         vm_map_unlock(map);
 464         vm_map_entry_krelease(count);
 465         return (addr);
 466 }
 467
 468 /*
 469  *      kmem_free_wakeup:
 470  *
 471  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 472  *      waiting for memory in that map.
 473  */
 474 void
 475 kmem_free_wakeup(map, addr, size)
 476         vm_map_t map;
 477         vm_offset_t addr;
 478         vm_size_t size;
 479 {
 480         int count;
 481
 482         count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 483         vm_map_lock(map);
 484         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size), &count);
 485         wakeup(map);
 486         vm_map_unlock(map);
 487         vm_map_entry_krelease(count);
 488 }
 489
 490 /*
 491  *      kmem_init:
 492  *
 493  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 494  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 495  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 496  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 497  *
 498  *      Depend on the zalloc bootstrap cache to get our vm_map_entry_t.
 499  */
 500 void
 501 kmem_init(vm_offset_t start, vm_offset_t end)
 502 {
 503         vm_map_t m;
 504         int count;
 505
 506         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 507         vm_map_lock(m);
 508         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 509         kernel_map = m;
 510         kernel_map->system_map = 1;
 511         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 512         (void) vm_map_insert(m, &count, NULL, (vm_offset_t) 0,
 513             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 514         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 515         vm_map_unlock(m);
 516         vm_map_entry_release(count);
 517 }
 518
 519 /*
 520  *      kmem_cpu_init:
 521  *
 522  *      Load up extra vm_map_entry structures in each cpu's globaldata
 523  *      cache.  These allow us to expand the mapent zone for kernel_map.
 524  *      Without them we would get into a recursion deadlock trying to
 525  *      reserve map entries (reserve->zalloc->kmem_alloc->reserve->...)
 526  */
 527 void
 528 kmem_cpu_init(void)
 529 {
 530         vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT * 2);
 531 }
 532