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 1.22 2006/01/13 20:45:30 swildner 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, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 109         if (result != KERN_SUCCESS) {
 110                 return (0);
 111         }
 112         return (addr);
 113 }
 114
 115 /*
 116  *      kmem_alloc_nofault:
 117  *
 118  *      Same as kmem_alloc_pageable, except that it create a nofault entry.
 119  */
 120 vm_offset_t
 121 kmem_alloc_nofault(vm_map_t map, vm_size_t size)
 122 {
 123         vm_offset_t addr;
 124         int result;
 125
 126         size = round_page(size);
 127         addr = vm_map_min(map);
 128         result = vm_map_find(map, NULL, (vm_offset_t) 0,
 129             &addr, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 130         if (result != KERN_SUCCESS) {
 131                 return (0);
 132         }
 133         return (addr);
 134 }
 135
 136 /*
 137  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map
 138  *      or a submap.
 139  */
 140 vm_offset_t
 141 kmem_alloc3(vm_map_t map, vm_size_t size, int kmflags)
 142 {
 143         vm_offset_t addr;
 144         vm_offset_t offset;
 145         vm_offset_t i;
 146         int count;
 147
 148         size = round_page(size);
 149
 150         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 151                 count = vm_map_entry_kreserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 152         else
 153                 count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 154
 155         /*
 156          * Use the kernel object for wired-down kernel pages. Assume that no
 157          * region of the kernel object is referenced more than once.
 158          *
 159          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 160          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 161          * offset within the kernel map.
 162          */
 163         vm_map_lock(map);
 164         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 165                 vm_map_unlock(map);
 166                 if (kmflags & KM_KRESERVE)
 167                         vm_map_entry_krelease(count);
 168                 else
 169                         vm_map_entry_release(count);
 170                 return (0);
 171         }
 172         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 173         vm_object_reference(kernel_object);
 174         vm_map_insert(map, &count,
 175                 kernel_object, offset, addr, addr + size,
 176                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 177         vm_map_unlock(map);
 178         if (kmflags & KM_KRESERVE)
 179                 vm_map_entry_krelease(count);
 180         else
 181                 vm_map_entry_release(count);
 182
 183         /*
 184          * Guarantee that there are pages already in this object before
 185          * calling vm_map_wire.  This is to prevent the following
 186          * scenario:
 187          *
 188          * 1) Threads have swapped out, so that there is a pager for the
 189          * kernel_object. 2) The kmsg zone is empty, and so we are
 190          * kmem_allocing a new page for it. 3) vm_map_wire calls vm_fault;
 191          * there is no page, but there is a pager, so we call
 192          * pager_data_request.  But the kmsg zone is empty, so we must
 193          * kmem_alloc. 4) goto 1 5) Even if the kmsg zone is not empty: when
 194          * we get the data back from the pager, it will be (very stale)
 195          * non-zero data.  kmem_alloc is defined to return zero-filled memory.
 196          *
 197          * We're intentionally not activating the pages we allocate to prevent a
 198          * race with page-out.  vm_map_wire will wire the pages.
 199          */
 200
 201         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 202                 vm_page_t mem;
 203
 204                 mem = vm_page_grab(kernel_object, OFF_TO_IDX(offset + i),
 205                             VM_ALLOC_ZERO | VM_ALLOC_NORMAL | VM_ALLOC_RETRY);
 206                 if ((mem->flags & PG_ZERO) == 0)
 207                         vm_page_zero_fill(mem);
 208                 mem->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 209                 vm_page_flag_clear(mem, PG_ZERO);
 210                 vm_page_wakeup(mem);
 211         }
 212
 213         /*
 214          * And finally, mark the data as non-pageable.
 215          */
 216
 217         vm_map_wire(map, (vm_offset_t) addr, addr + size, kmflags);
 218
 219         return (addr);
 220 }
 221
 222 /*
 223  *      kmem_free:
 224  *
 225  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 226  *      with kmem_alloc, and return the physical pages
 227  *      associated with that region.
 228  *
 229  *      This routine may not block on kernel maps.
 230  */
 231 void
 232 kmem_free(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 233 {
 234         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(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 252     vm_size_t size)
 253 {
 254         int ret;
 255         vm_map_t result;
 256
 257         size = round_page(size);
 258
 259         *min = (vm_offset_t) vm_map_min(parent);
 260         ret = vm_map_find(parent, NULL, (vm_offset_t) 0,
 261             min, size, TRUE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 262         if (ret != KERN_SUCCESS) {
 263                 printf("kmem_suballoc: bad status return of %d.\n", ret);
 264                 panic("kmem_suballoc");
 265         }
 266         *max = *min + size;
 267         pmap_reference(vm_map_pmap(parent));
 268         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 269         if (result == NULL)
 270                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 271         if ((ret = vm_map_submap(parent, *min, *max, result)) != KERN_SUCCESS)
 272                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 273         return (result);
 274 }
 275
 276 /*
 277  *      kmem_malloc:
 278  *
 279  *      Allocate wired-down memory in the kernel's address map for the higher
 280  *      level kernel memory allocator (kern/kern_malloc.c).  We cannot use
 281  *      kmem_alloc() because we may need to allocate memory at interrupt
 282  *      level where we cannot block (canwait == FALSE).
 283  *
 284  *      We don't worry about expanding the map (adding entries) since entries
 285  *      for wired maps are statically allocated.
 286  *
 287  *      NOTE:  Please see kmem_slab_alloc() for a better explanation of the
 288  *      M_* flags.
 289  */
 290 vm_offset_t
 291 kmem_malloc(vm_map_t map, vm_size_t size, int flags)
 292 {
 293         vm_offset_t offset, i;
 294         vm_map_entry_t entry;
 295         vm_offset_t addr;
 296         vm_page_t m;
 297         int count, vmflags, wanted_reserve;
 298         thread_t td;
 299
 300         if (map != kernel_map)
 301                 panic("kmem_malloc: map != kernel_map");
 302
 303         size = round_page(size);
 304         addr = vm_map_min(map);
 305
 306         /*
 307          * Locate sufficient space in the map.  This will give us the final
 308          * virtual address for the new memory, and thus will tell us the
 309          * offset within the kernel map.  If we are unable to allocate space
 310          * and neither RNOWAIT or NULLOK is set, we panic.
 311          */
 312         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 313         vm_map_lock(map);
 314         if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr)) {
 315                 vm_map_unlock(map);
 316                 vm_map_entry_release(count);
 317                 if ((flags & M_NULLOK) == 0) {
 318                         panic("kmem_malloc(%ld): kernel_map too small: "
 319                                 "%ld total allocated",
 320                                 (long)size, (long)map->size);
 321                 }
 322                 return (0);
 323         }
 324         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 325         vm_object_reference(kmem_object);
 326         vm_map_insert(map, &count,
 327                 kmem_object, offset, addr, addr + size,
 328                 VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 329
 330         td = curthread;
 331         wanted_reserve = 0;
 332
 333         vmflags = VM_ALLOC_SYSTEM;      /* XXX M_USE_RESERVE? */
 334         if ((flags & (M_WAITOK|M_RNOWAIT)) == 0)
 335                 panic("kmem_malloc: bad flags %08x (%p)\n", flags, ((int **)&map)[-1]);
 336         if (flags & M_USE_INTERRUPT_RESERVE)
 337                 vmflags |= VM_ALLOC_INTERRUPT;
 338
 339         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 340                 /*
 341                  * Only allocate PQ_CACHE pages for M_WAITOK requests and
 342                  * then only if we are not preempting.
 343                  */
 344                 if (flags & M_WAITOK) {
 345                         if (td->td_preempted) {
 346                                 vmflags &= ~VM_ALLOC_NORMAL;
 347                                 wanted_reserve = 1;
 348                         } else {
 349                                 vmflags |= VM_ALLOC_NORMAL;
 350                                 wanted_reserve = 0;
 351                         }
 352                 }
 353
 354                 m = vm_page_alloc(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i), vmflags);
 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_WAITOK is set we can yield or block.
 362                  */
 363                 if (m == NULL) {
 364                         if (flags & M_WAITOK) {
 365                                 if (wanted_reserve) {
 366                                         vm_map_unlock(map);
 367                                         lwkt_yield();
 368                                         vm_map_lock(map);
 369                                 } else {
 370                                         vm_map_unlock(map);
 371                                         vm_wait();
 372                                         vm_map_lock(map);
 373                                 }
 374                                 i -= PAGE_SIZE; /* retry */
 375                                 continue;
 376                         }
 377                         /*
 378                          * Free the pages before removing the map entry.
 379                          * They are already marked busy.  Calling
 380                          * vm_map_delete before the pages has been freed or
 381                          * unbusied will cause a deadlock.
 382                          */
 383                         while (i != 0) {
 384                                 i -= PAGE_SIZE;
 385                                 m = vm_page_lookup(kmem_object,
 386                                                    OFF_TO_IDX(offset + i));
 387                                 vm_page_free(m);
 388                         }
 389                         vm_map_delete(map, addr, addr + size, &count);
 390                         vm_map_unlock(map);
 391                         vm_map_entry_release(count);
 392                         return (0);
 393                 }
 394                 vm_page_flag_clear(m, PG_ZERO);
 395                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 396         }
 397
 398         /*
 399          * Mark map entry as non-pageable. Assert: vm_map_insert() will never
 400          * be able to extend the previous entry so there will be a new entry
 401          * exactly corresponding to this address range and it will have
 402          * wired_count == 0.
 403          */
 404         if (!vm_map_lookup_entry(map, addr, &entry) ||
 405             entry->start != addr || entry->end != addr + size ||
 406             entry->wired_count != 0)
 407                 panic("kmem_malloc: entry not found or misaligned");
 408         entry->wired_count = 1;
 409
 410         vm_map_simplify_entry(map, entry, &count);
 411
 412         /*
 413          * Loop thru pages, entering them in the pmap. (We cannot add them to
 414          * the wired count without wrapping the vm_page_queue_lock in
 415          * splimp...)
 416          */
 417         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 418                 m = vm_page_lookup(kmem_object, OFF_TO_IDX(offset + i));
 419                 vm_page_wire(m);
 420                 vm_page_wakeup(m);
 421                 /*
 422                  * Because this is kernel_pmap, this call will not block.
 423                  */
 424                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL, 1);
 425                 vm_page_flag_set(m, PG_MAPPED | PG_WRITEABLE | PG_REFERENCED);
 426         }
 427         vm_map_unlock(map);
 428         vm_map_entry_release(count);
 429
 430         return (addr);
 431 }
 432
 433 /*
 434  *      kmem_alloc_wait:
 435  *
 436  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 437  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 438  *
 439  *      This routine may block.
 440  */
 441
 442 vm_offset_t
 443 kmem_alloc_wait(vm_map_t map, vm_size_t size)
 444 {
 445         vm_offset_t addr;
 446         int count;
 447
 448         size = round_page(size);
 449
 450         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 451
 452         for (;;) {
 453                 /*
 454                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 455                  * to lock out sleepers/wakers.
 456                  */
 457                 vm_map_lock(map);
 458                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, 1, &addr) == 0)
 459                         break;
 460                 /* no space now; see if we can ever get space */
 461                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 462                         vm_map_entry_release(count);
 463                         vm_map_unlock(map);
 464                         return (0);
 465                 }
 466                 vm_map_unlock(map);
 467                 tsleep(map, 0, "kmaw", 0);
 468         }
 469         vm_map_insert(map, &count,
 470                     NULL, (vm_offset_t) 0,
 471                     addr, addr + size, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 472         vm_map_unlock(map);
 473         vm_map_entry_release(count);
 474         return (addr);
 475 }
 476
 477 /*
 478  *      kmem_free_wakeup:
 479  *
 480  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 481  *      waiting for memory in that map.
 482  */
 483 void
 484 kmem_free_wakeup(vm_map_t map, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 485 {
 486         int count;
 487
 488         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 489         vm_map_lock(map);
 490         vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size), &count);
 491         wakeup(map);
 492         vm_map_unlock(map);
 493         vm_map_entry_release(count);
 494 }
 495
 496 /*
 497  *      kmem_init:
 498  *
 499  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 500  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 501  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 502  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 503  *
 504  *      Depend on the zalloc bootstrap cache to get our vm_map_entry_t.
 505  */
 506 void
 507 kmem_init(vm_offset_t start, vm_offset_t end)
 508 {
 509         vm_map_t m;
 510         int count;
 511
 512         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 513         vm_map_lock(m);
 514         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 515         kernel_map = m;
 516         kernel_map->system_map = 1;
 517         count = vm_map_entry_reserve(MAP_RESERVE_COUNT);
 518         vm_map_insert(m, &count, NULL, (vm_offset_t) 0,
 519             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, 0);
 520         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 521         vm_map_unlock(m);
 522         vm_map_entry_release(count);
 523 }