]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-linux.git/blob - mm/zsmalloc.c
zsmalloc: account the number of compacted pages
[karo-tx-linux.git] / mm / zsmalloc.c
1 /*
2  * zsmalloc memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2011  Nitin Gupta
5  * Copyright (C) 2012, 2013 Minchan Kim
6  *
7  * This code is released using a dual license strategy: BSD/GPL
8  * You can choose the license that better fits your requirements.
9  *
10  * Released under the terms of 3-clause BSD License
11  * Released under the terms of GNU General Public License Version 2.0
12  */
13
14 /*
15  * Following is how we use various fields and flags of underlying
16  * struct page(s) to form a zspage.
17  *
18  * Usage of struct page fields:
19  *      page->first_page: points to the first component (0-order) page
20  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
21  *              starting in this page. For the first page, this is
22  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
23  *              to the first free object in zspage.
24  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
25  *              of a zspage
26  *
27  *      For _first_ page only:
28  *
29  *      page->private (union with page->first_page): refers to the
30  *              component page after the first page
31  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
32  *              Look at size_class->huge.
33  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
34  *              Free objects are linked together using in-place
35  *              metadata.
36  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
37  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
38  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
39  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
40  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
41  *
42  * Usage of struct page flags:
43  *      PG_private: identifies the first component page
44  *      PG_private2: identifies the last component page
45  *
46  */
47
48 #include <linux/module.h>
49 #include <linux/kernel.h>
50 #include <linux/sched.h>
51 #include <linux/bitops.h>
52 #include <linux/errno.h>
53 #include <linux/highmem.h>
54 #include <linux/string.h>
55 #include <linux/slab.h>
56 #include <asm/tlbflush.h>
57 #include <asm/pgtable.h>
58 #include <linux/cpumask.h>
59 #include <linux/cpu.h>
60 #include <linux/vmalloc.h>
61 #include <linux/hardirq.h>
62 #include <linux/spinlock.h>
63 #include <linux/types.h>
64 #include <linux/debugfs.h>
65 #include <linux/zsmalloc.h>
66 #include <linux/zpool.h>
67
68 /*
69  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
70  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
71  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
72  * to restore link_free pointer values.
73  */
74 #define ZS_ALIGN                8
75
76 /*
77  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
78  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
79  */
80 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
81 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
82
83 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
84
85 /*
86  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
87  * as single (unsigned long) handle value.
88  *
89  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
90  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
91  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
92  *
93  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
94  */
95
96 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
97 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
98 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
99 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
100 /*
101  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
102  * be PAGE_SHIFT
103  */
104 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
105 #endif
106 #endif
107 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
108
109 /*
110  * Memory for allocating for handle keeps object position by
111  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
112  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
113  * We use the bit to synchronize between object access by
114  * user and migration.
115  */
116 #define HANDLE_PIN_BIT  0
117
118 /*
119  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
120  * to identify the object was allocated or not.
121  * It's okay to add the status bit in the least bit because
122  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
123  * have room for two bit at least.
124  */
125 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
126 #define OBJ_TAG_BITS 1
127 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
128 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
129
130 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
131 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
132 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
133         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
134 /* each chunk includes extra space to keep handle */
135 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
136
137 /*
138  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
139  * trader-off here:
140  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
141  *    spread across these classes
142  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
143  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
144  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
145  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
146  *
147  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
148  *  (reason above)
149  */
150 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
151
152 /*
153  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
154  */
155 enum fullness_group {
156         ZS_ALMOST_FULL,
157         ZS_ALMOST_EMPTY,
158         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
159
160         ZS_EMPTY,
161         ZS_FULL
162 };
163
164 enum zs_stat_type {
165         OBJ_ALLOCATED,
166         OBJ_USED,
167         CLASS_ALMOST_FULL,
168         CLASS_ALMOST_EMPTY,
169         NR_ZS_STAT_TYPE,
170 };
171
172 struct zs_size_stat {
173         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
174 };
175
176 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
177 static struct dentry *zs_stat_root;
178 #endif
179
180 /*
181  * number of size_classes
182  */
183 static int zs_size_classes;
184
185 /*
186  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
187  *      n <= N / f, where
188  * n = number of allocated objects
189  * N = total number of objects zspage can store
190  * f = fullness_threshold_frac
191  *
192  * Similarly, we assign zspage to:
193  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
194  *      ZS_EMPTY        when n == 0
195  *      ZS_FULL         when n == N
196  *
197  * (see: fix_fullness_group())
198  */
199 static const int fullness_threshold_frac = 4;
200
201 struct size_class {
202         spinlock_t lock;
203         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
204         /*
205          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
206          * of ZS_ALIGN.
207          */
208         int size;
209         unsigned int index;
210
211         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
212         int pages_per_zspage;
213         struct zs_size_stat stats;
214
215         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
216         bool huge;
217 };
218
219 /*
220  * Placed within free objects to form a singly linked list.
221  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
222  *
223  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
224  */
225 struct link_free {
226         union {
227                 /*
228                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
229                  * It's valid for non-allocated object
230                  */
231                 void *next;
232                 /*
233                  * Handle of allocated object.
234                  */
235                 unsigned long handle;
236         };
237 };
238
239 struct zs_pool {
240         char *name;
241
242         struct size_class **size_class;
243         struct kmem_cache *handle_cachep;
244
245         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
246         atomic_long_t pages_allocated;
247
248         struct zs_pool_stats stats;
249 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
250         struct dentry *stat_dentry;
251 #endif
252 };
253
254 /*
255  * A zspage's class index and fullness group
256  * are encoded in its (first)page->mapping
257  */
258 #define CLASS_IDX_BITS  28
259 #define FULLNESS_BITS   4
260 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
261 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
262
263 struct mapping_area {
264 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
265         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
266 #else
267         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
268 #endif
269         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
270         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
271         bool huge;
272 };
273
274 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
275 {
276         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
277                                         0, 0, NULL);
278         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
279 }
280
281 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
282 {
283         if (pool->handle_cachep)
284                 kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
285 }
286
287 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool)
288 {
289         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
290                 pool->flags & ~__GFP_HIGHMEM);
291 }
292
293 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
294 {
295         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
296 }
297
298 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
299 {
300         *(unsigned long *)handle = obj;
301 }
302
303 /* zpool driver */
304
305 #ifdef CONFIG_ZPOOL
306
307 static void *zs_zpool_create(char *name, gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops,
308                              struct zpool *zpool)
309 {
310         return zs_create_pool(name, gfp);
311 }
312
313 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
314 {
315         zs_destroy_pool(pool);
316 }
317
318 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
319                         unsigned long *handle)
320 {
321         *handle = zs_malloc(pool, size);
322         return *handle ? 0 : -1;
323 }
324 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
325 {
326         zs_free(pool, handle);
327 }
328
329 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
330                         unsigned int *reclaimed)
331 {
332         return -EINVAL;
333 }
334
335 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
336                         enum zpool_mapmode mm)
337 {
338         enum zs_mapmode zs_mm;
339
340         switch (mm) {
341         case ZPOOL_MM_RO:
342                 zs_mm = ZS_MM_RO;
343                 break;
344         case ZPOOL_MM_WO:
345                 zs_mm = ZS_MM_WO;
346                 break;
347         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
348         default:
349                 zs_mm = ZS_MM_RW;
350                 break;
351         }
352
353         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
354 }
355 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
356 {
357         zs_unmap_object(pool, handle);
358 }
359
360 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
361 {
362         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
363 }
364
365 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
366         .type =         "zsmalloc",
367         .owner =        THIS_MODULE,
368         .create =       zs_zpool_create,
369         .destroy =      zs_zpool_destroy,
370         .malloc =       zs_zpool_malloc,
371         .free =         zs_zpool_free,
372         .shrink =       zs_zpool_shrink,
373         .map =          zs_zpool_map,
374         .unmap =        zs_zpool_unmap,
375         .total_size =   zs_zpool_total_size,
376 };
377
378 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
379 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
380
381 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
382 {
383         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
384 }
385
386 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
387 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
388
389 static int is_first_page(struct page *page)
390 {
391         return PagePrivate(page);
392 }
393
394 static int is_last_page(struct page *page)
395 {
396         return PagePrivate2(page);
397 }
398
399 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
400                                 enum fullness_group *fullness)
401 {
402         unsigned long m;
403         BUG_ON(!is_first_page(page));
404
405         m = (unsigned long)page->mapping;
406         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
407         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
408 }
409
410 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
411                                 enum fullness_group fullness)
412 {
413         unsigned long m;
414         BUG_ON(!is_first_page(page));
415
416         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
417                         (fullness & FULLNESS_MASK);
418         page->mapping = (struct address_space *)m;
419 }
420
421 /*
422  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
423  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
424  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
425  * classes depending on its size. This function returns index of the
426  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
427  */
428 static int get_size_class_index(int size)
429 {
430         int idx = 0;
431
432         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
433                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
434                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
435
436         return min(zs_size_classes - 1, idx);
437 }
438
439 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
440                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
441 {
442         class->stats.objs[type] += cnt;
443 }
444
445 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
446                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
447 {
448         class->stats.objs[type] -= cnt;
449 }
450
451 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
452                                 enum zs_stat_type type)
453 {
454         return class->stats.objs[type];
455 }
456
457 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
458
459 static int __init zs_stat_init(void)
460 {
461         if (!debugfs_initialized())
462                 return -ENODEV;
463
464         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
465         if (!zs_stat_root)
466                 return -ENOMEM;
467
468         return 0;
469 }
470
471 static void __exit zs_stat_exit(void)
472 {
473         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
474 }
475
476 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
477 {
478         int i;
479         struct zs_pool *pool = s->private;
480         struct size_class *class;
481         int objs_per_zspage;
482         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
483         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used;
484         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
485         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
486
487         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s\n",
488                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
489                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
490                         "pages_per_zspage");
491
492         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
493                 class = pool->size_class[i];
494
495                 if (class->index != i)
496                         continue;
497
498                 spin_lock(&class->lock);
499                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
500                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
501                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
502                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
503                 spin_unlock(&class->lock);
504
505                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
506                                 class->pages_per_zspage);
507                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
508                                 class->pages_per_zspage;
509
510                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16d\n",
511                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
512                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
513                         class->pages_per_zspage);
514
515                 total_class_almost_full += class_almost_full;
516                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
517                 total_objs += obj_allocated;
518                 total_used_objs += obj_used;
519                 total_pages += pages_used;
520         }
521
522         seq_puts(s, "\n");
523         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu\n",
524                         "Total", "", total_class_almost_full,
525                         total_class_almost_empty, total_objs,
526                         total_used_objs, total_pages);
527
528         return 0;
529 }
530
531 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
532 {
533         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
534 }
535
536 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
537         .open           = zs_stats_size_open,
538         .read           = seq_read,
539         .llseek         = seq_lseek,
540         .release        = single_release,
541 };
542
543 static int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
544 {
545         struct dentry *entry;
546
547         if (!zs_stat_root)
548                 return -ENODEV;
549
550         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
551         if (!entry) {
552                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
553                 return -ENOMEM;
554         }
555         pool->stat_dentry = entry;
556
557         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
558                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
559         if (!entry) {
560                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
561                                 name, "classes");
562                 return -ENOMEM;
563         }
564
565         return 0;
566 }
567
568 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
569 {
570         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
571 }
572
573 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
574 static int __init zs_stat_init(void)
575 {
576         return 0;
577 }
578
579 static void __exit zs_stat_exit(void)
580 {
581 }
582
583 static inline int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
584 {
585         return 0;
586 }
587
588 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
589 {
590 }
591 #endif
592
593
594 /*
595  * For each size class, zspages are divided into different groups
596  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
597  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
598  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
599  * status of the given page.
600  */
601 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
602 {
603         int inuse, max_objects;
604         enum fullness_group fg;
605         BUG_ON(!is_first_page(page));
606
607         inuse = page->inuse;
608         max_objects = page->objects;
609
610         if (inuse == 0)
611                 fg = ZS_EMPTY;
612         else if (inuse == max_objects)
613                 fg = ZS_FULL;
614         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
615                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
616         else
617                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
618
619         return fg;
620 }
621
622 /*
623  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
624  * to one of these freelists based on the number of live objects they
625  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
626  * identified by <class, fullness_group>.
627  */
628 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
629                                 enum fullness_group fullness)
630 {
631         struct page **head;
632
633         BUG_ON(!is_first_page(page));
634
635         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
636                 return;
637
638         head = &class->fullness_list[fullness];
639         if (*head)
640                 list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
641
642         *head = page;
643         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
644                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
645 }
646
647 /*
648  * This function removes the given zspage from the freelist identified
649  * by <class, fullness_group>.
650  */
651 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
652                                 enum fullness_group fullness)
653 {
654         struct page **head;
655
656         BUG_ON(!is_first_page(page));
657
658         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
659                 return;
660
661         head = &class->fullness_list[fullness];
662         BUG_ON(!*head);
663         if (list_empty(&(*head)->lru))
664                 *head = NULL;
665         else if (*head == page)
666                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
667                                         struct page, lru);
668
669         list_del_init(&page->lru);
670         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
671                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
672 }
673
674 /*
675  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
676  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
677  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
678  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
679  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
680  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
681  * fullness group.
682  */
683 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
684                                                 struct page *page)
685 {
686         int class_idx;
687         enum fullness_group currfg, newfg;
688
689         BUG_ON(!is_first_page(page));
690
691         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
692         newfg = get_fullness_group(page);
693         if (newfg == currfg)
694                 goto out;
695
696         remove_zspage(page, class, currfg);
697         insert_zspage(page, class, newfg);
698         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
699
700 out:
701         return newfg;
702 }
703
704 /*
705  * We have to decide on how many pages to link together
706  * to form a zspage for each size class. This is important
707  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
708  * each zspage which is given as:
709  *     wastage = Zp % class_size
710  *     usage = Zp - wastage
711  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
712  *
713  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
714  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
715  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
716  */
717 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
718 {
719         int i, max_usedpc = 0;
720         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
721         int max_usedpc_order = 1;
722
723         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
724                 int zspage_size;
725                 int waste, usedpc;
726
727                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
728                 waste = zspage_size % class_size;
729                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
730
731                 if (usedpc > max_usedpc) {
732                         max_usedpc = usedpc;
733                         max_usedpc_order = i;
734                 }
735         }
736
737         return max_usedpc_order;
738 }
739
740 /*
741  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
742  * linked together using fields in struct page. This function finds
743  * the first/head page, given any component page of a zspage.
744  */
745 static struct page *get_first_page(struct page *page)
746 {
747         if (is_first_page(page))
748                 return page;
749         else
750                 return page->first_page;
751 }
752
753 static struct page *get_next_page(struct page *page)
754 {
755         struct page *next;
756
757         if (is_last_page(page))
758                 next = NULL;
759         else if (is_first_page(page))
760                 next = (struct page *)page_private(page);
761         else
762                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
763
764         return next;
765 }
766
767 /*
768  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
769  * We use the least bit of handle for tagging.
770  */
771 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
772 {
773         unsigned long obj;
774
775         if (!page) {
776                 BUG_ON(obj_idx);
777                 return NULL;
778         }
779
780         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
781         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
782         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
783
784         return (void *)obj;
785 }
786
787 /*
788  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
789  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
790  * location_to_obj().
791  */
792 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
793                                 unsigned long *obj_idx)
794 {
795         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
796         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
797         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
798 }
799
800 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
801 {
802         return *(unsigned long *)handle;
803 }
804
805 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
806                         void *obj)
807 {
808         if (class->huge) {
809                 VM_BUG_ON(!is_first_page(page));
810                 return *(unsigned long *)page_private(page);
811         } else
812                 return *(unsigned long *)obj;
813 }
814
815 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
816                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
817 {
818         unsigned long off = 0;
819
820         if (!is_first_page(page))
821                 off = page->index;
822
823         return off + obj_idx * class_size;
824 }
825
826 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
827 {
828         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
829
830         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
831 }
832
833 static void pin_tag(unsigned long handle)
834 {
835         while (!trypin_tag(handle));
836 }
837
838 static void unpin_tag(unsigned long handle)
839 {
840         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
841
842         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
843 }
844
845 static void reset_page(struct page *page)
846 {
847         clear_bit(PG_private, &page->flags);
848         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
849         set_page_private(page, 0);
850         page->mapping = NULL;
851         page->freelist = NULL;
852         page_mapcount_reset(page);
853 }
854
855 static void free_zspage(struct page *first_page)
856 {
857         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
858
859         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
860         BUG_ON(first_page->inuse);
861
862         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
863
864         reset_page(first_page);
865         __free_page(first_page);
866
867         /* zspage with only 1 system page */
868         if (!head_extra)
869                 return;
870
871         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
872                 list_del(&nextp->lru);
873                 reset_page(nextp);
874                 __free_page(nextp);
875         }
876         reset_page(head_extra);
877         __free_page(head_extra);
878 }
879
880 /* Initialize a newly allocated zspage */
881 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
882 {
883         unsigned long off = 0;
884         struct page *page = first_page;
885
886         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
887         while (page) {
888                 struct page *next_page;
889                 struct link_free *link;
890                 unsigned int i = 1;
891                 void *vaddr;
892
893                 /*
894                  * page->index stores offset of first object starting
895                  * in the page. For the first page, this is always 0,
896                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
897                  * head of corresponding zspage's freelist.
898                  */
899                 if (page != first_page)
900                         page->index = off;
901
902                 vaddr = kmap_atomic(page);
903                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
904
905                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
906                         link->next = location_to_obj(page, i++);
907                         link += class->size / sizeof(*link);
908                 }
909
910                 /*
911                  * We now come to the last (full or partial) object on this
912                  * page, which must point to the first object on the next
913                  * page (if present)
914                  */
915                 next_page = get_next_page(page);
916                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
917                 kunmap_atomic(vaddr);
918                 page = next_page;
919                 off %= PAGE_SIZE;
920         }
921 }
922
923 /*
924  * Allocate a zspage for the given size class
925  */
926 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
927 {
928         int i, error;
929         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
930
931         /*
932          * Allocate individual pages and link them together as:
933          * 1. first page->private = first sub-page
934          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
935          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
936          *
937          * For each size class, First/Head pages are linked together using
938          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
939          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
940          * identify the last page.
941          */
942         error = -ENOMEM;
943         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
944                 struct page *page;
945
946                 page = alloc_page(flags);
947                 if (!page)
948                         goto cleanup;
949
950                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
951                 if (i == 0) {   /* first page */
952                         SetPagePrivate(page);
953                         set_page_private(page, 0);
954                         first_page = page;
955                         first_page->inuse = 0;
956                 }
957                 if (i == 1)
958                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
959                 if (i >= 1)
960                         page->first_page = first_page;
961                 if (i >= 2)
962                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
963                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
964                         SetPagePrivate2(page);
965                 prev_page = page;
966         }
967
968         init_zspage(first_page, class);
969
970         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
971         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
972         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
973
974         error = 0; /* Success */
975
976 cleanup:
977         if (unlikely(error) && first_page) {
978                 free_zspage(first_page);
979                 first_page = NULL;
980         }
981
982         return first_page;
983 }
984
985 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
986 {
987         int i;
988         struct page *page;
989
990         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
991                 page = class->fullness_list[i];
992                 if (page)
993                         break;
994         }
995
996         return page;
997 }
998
999 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1000 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1001 {
1002         /*
1003          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1004          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1005          */
1006         if (area->vm)
1007                 return 0;
1008         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1009         if (!area->vm)
1010                 return -ENOMEM;
1011         return 0;
1012 }
1013
1014 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1015 {
1016         if (area->vm)
1017                 free_vm_area(area->vm);
1018         area->vm = NULL;
1019 }
1020
1021 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1022                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1023 {
1024         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1025         area->vm_addr = area->vm->addr;
1026         return area->vm_addr + off;
1027 }
1028
1029 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1030                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1031 {
1032         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1033
1034         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1035 }
1036
1037 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1038
1039 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1040 {
1041         /*
1042          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1043          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1044          */
1045         if (area->vm_buf)
1046                 return 0;
1047         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1048         if (!area->vm_buf)
1049                 return -ENOMEM;
1050         return 0;
1051 }
1052
1053 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1054 {
1055         kfree(area->vm_buf);
1056         area->vm_buf = NULL;
1057 }
1058
1059 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1060                         struct page *pages[2], int off, int size)
1061 {
1062         int sizes[2];
1063         void *addr;
1064         char *buf = area->vm_buf;
1065
1066         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1067         pagefault_disable();
1068
1069         /* no read fastpath */
1070         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1071                 goto out;
1072
1073         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1074         sizes[1] = size - sizes[0];
1075
1076         /* copy object to per-cpu buffer */
1077         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1078         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1079         kunmap_atomic(addr);
1080         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1081         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1082         kunmap_atomic(addr);
1083 out:
1084         return area->vm_buf;
1085 }
1086
1087 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1088                         struct page *pages[2], int off, int size)
1089 {
1090         int sizes[2];
1091         void *addr;
1092         char *buf;
1093
1094         /* no write fastpath */
1095         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1096                 goto out;
1097
1098         buf = area->vm_buf;
1099         if (!area->huge) {
1100                 buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1101                 size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1102                 off += ZS_HANDLE_SIZE;
1103         }
1104
1105         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1106         sizes[1] = size - sizes[0];
1107
1108         /* copy per-cpu buffer to object */
1109         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1110         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1111         kunmap_atomic(addr);
1112         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1113         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1114         kunmap_atomic(addr);
1115
1116 out:
1117         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1118         pagefault_enable();
1119 }
1120
1121 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1122
1123 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1124                                 void *pcpu)
1125 {
1126         int ret, cpu = (long)pcpu;
1127         struct mapping_area *area;
1128
1129         switch (action) {
1130         case CPU_UP_PREPARE:
1131                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1132                 ret = __zs_cpu_up(area);
1133                 if (ret)
1134                         return notifier_from_errno(ret);
1135                 break;
1136         case CPU_DEAD:
1137         case CPU_UP_CANCELED:
1138                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1139                 __zs_cpu_down(area);
1140                 break;
1141         }
1142
1143         return NOTIFY_OK;
1144 }
1145
1146 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1147         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1148 };
1149
1150 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1151 {
1152         int cpu, uninitialized_var(ret);
1153
1154         cpu_notifier_register_begin();
1155
1156         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1157         for_each_online_cpu(cpu) {
1158                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1159                 if (notifier_to_errno(ret))
1160                         break;
1161         }
1162
1163         cpu_notifier_register_done();
1164         return notifier_to_errno(ret);
1165 }
1166
1167 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1168 {
1169         int cpu;
1170
1171         cpu_notifier_register_begin();
1172
1173         for_each_online_cpu(cpu)
1174                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1175         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1176
1177         cpu_notifier_register_done();
1178 }
1179
1180 static void init_zs_size_classes(void)
1181 {
1182         int nr;
1183
1184         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1185         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1186                 nr += 1;
1187
1188         zs_size_classes = nr;
1189 }
1190
1191 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1192 {
1193         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1194                 return false;
1195
1196         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1197                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1198                 return false;
1199
1200         return true;
1201 }
1202
1203 static bool zspage_full(struct page *page)
1204 {
1205         BUG_ON(!is_first_page(page));
1206
1207         return page->inuse == page->objects;
1208 }
1209
1210 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1211 {
1212         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1213 }
1214 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1215
1216 /**
1217  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1218  * @pool: pool from which the object was allocated
1219  * @handle: handle returned from zs_malloc
1220  *
1221  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1222  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1223  * zs_unmap_object.
1224  *
1225  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1226  * against nested mappings.
1227  *
1228  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1229  */
1230 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1231                         enum zs_mapmode mm)
1232 {
1233         struct page *page;
1234         unsigned long obj, obj_idx, off;
1235
1236         unsigned int class_idx;
1237         enum fullness_group fg;
1238         struct size_class *class;
1239         struct mapping_area *area;
1240         struct page *pages[2];
1241         void *ret;
1242
1243         BUG_ON(!handle);
1244
1245         /*
1246          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1247          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1248          * because it can corrupt another users mappings.
1249          */
1250         BUG_ON(in_interrupt());
1251
1252         /* From now on, migration cannot move the object */
1253         pin_tag(handle);
1254
1255         obj = handle_to_obj(handle);
1256         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1257         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1258         class = pool->size_class[class_idx];
1259         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1260
1261         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1262         area->vm_mm = mm;
1263         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1264                 /* this object is contained entirely within a page */
1265                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1266                 ret = area->vm_addr + off;
1267                 goto out;
1268         }
1269
1270         /* this object spans two pages */
1271         pages[0] = page;
1272         pages[1] = get_next_page(page);
1273         BUG_ON(!pages[1]);
1274
1275         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1276 out:
1277         if (!class->huge)
1278                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1279
1280         return ret;
1281 }
1282 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1283
1284 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1285 {
1286         struct page *page;
1287         unsigned long obj, obj_idx, off;
1288
1289         unsigned int class_idx;
1290         enum fullness_group fg;
1291         struct size_class *class;
1292         struct mapping_area *area;
1293
1294         BUG_ON(!handle);
1295
1296         obj = handle_to_obj(handle);
1297         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1298         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1299         class = pool->size_class[class_idx];
1300         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1301
1302         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1303         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1304                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1305         else {
1306                 struct page *pages[2];
1307
1308                 pages[0] = page;
1309                 pages[1] = get_next_page(page);
1310                 BUG_ON(!pages[1]);
1311
1312                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1313         }
1314         put_cpu_var(zs_map_area);
1315         unpin_tag(handle);
1316 }
1317 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1318
1319 static unsigned long obj_malloc(struct page *first_page,
1320                 struct size_class *class, unsigned long handle)
1321 {
1322         unsigned long obj;
1323         struct link_free *link;
1324
1325         struct page *m_page;
1326         unsigned long m_objidx, m_offset;
1327         void *vaddr;
1328
1329         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1330         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1331         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1332         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1333
1334         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1335         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1336         first_page->freelist = link->next;
1337         if (!class->huge)
1338                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1339                 link->handle = handle;
1340         else
1341                 /* record handle in first_page->private */
1342                 set_page_private(first_page, handle);
1343         kunmap_atomic(vaddr);
1344         first_page->inuse++;
1345         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1346
1347         return obj;
1348 }
1349
1350
1351 /**
1352  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1353  * @pool: pool to allocate from
1354  * @size: size of block to allocate
1355  *
1356  * On success, handle to the allocated object is returned,
1357  * otherwise 0.
1358  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1359  */
1360 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1361 {
1362         unsigned long handle, obj;
1363         struct size_class *class;
1364         struct page *first_page;
1365
1366         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1367                 return 0;
1368
1369         handle = alloc_handle(pool);
1370         if (!handle)
1371                 return 0;
1372
1373         /* extra space in chunk to keep the handle */
1374         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1375         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1376
1377         spin_lock(&class->lock);
1378         first_page = find_get_zspage(class);
1379
1380         if (!first_page) {
1381                 spin_unlock(&class->lock);
1382                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1383                 if (unlikely(!first_page)) {
1384                         free_handle(pool, handle);
1385                         return 0;
1386                 }
1387
1388                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1389                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1390                                         &pool->pages_allocated);
1391
1392                 spin_lock(&class->lock);
1393                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1394                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1395         }
1396
1397         obj = obj_malloc(first_page, class, handle);
1398         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1399         fix_fullness_group(class, first_page);
1400         record_obj(handle, obj);
1401         spin_unlock(&class->lock);
1402
1403         return handle;
1404 }
1405 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1406
1407 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1408                         unsigned long obj)
1409 {
1410         struct link_free *link;
1411         struct page *first_page, *f_page;
1412         unsigned long f_objidx, f_offset;
1413         void *vaddr;
1414         int class_idx;
1415         enum fullness_group fullness;
1416
1417         BUG_ON(!obj);
1418
1419         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1420         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1421         first_page = get_first_page(f_page);
1422
1423         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1424         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1425
1426         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1427
1428         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1429         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1430         link->next = first_page->freelist;
1431         if (class->huge)
1432                 set_page_private(first_page, 0);
1433         kunmap_atomic(vaddr);
1434         first_page->freelist = (void *)obj;
1435         first_page->inuse--;
1436         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1437 }
1438
1439 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1440 {
1441         struct page *first_page, *f_page;
1442         unsigned long obj, f_objidx;
1443         int class_idx;
1444         struct size_class *class;
1445         enum fullness_group fullness;
1446
1447         if (unlikely(!handle))
1448                 return;
1449
1450         pin_tag(handle);
1451         obj = handle_to_obj(handle);
1452         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1453         first_page = get_first_page(f_page);
1454
1455         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1456         class = pool->size_class[class_idx];
1457
1458         spin_lock(&class->lock);
1459         obj_free(pool, class, obj);
1460         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1461         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1462                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1463                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1464                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1465                                 &pool->pages_allocated);
1466                 free_zspage(first_page);
1467         }
1468         spin_unlock(&class->lock);
1469         unpin_tag(handle);
1470
1471         free_handle(pool, handle);
1472 }
1473 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1474
1475 static void zs_object_copy(unsigned long dst, unsigned long src,
1476                                 struct size_class *class)
1477 {
1478         struct page *s_page, *d_page;
1479         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1480         unsigned long s_off, d_off;
1481         void *s_addr, *d_addr;
1482         int s_size, d_size, size;
1483         int written = 0;
1484
1485         s_size = d_size = class->size;
1486
1487         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1488         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1489
1490         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1491         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1492
1493         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1494                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1495
1496         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1497                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1498
1499         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1500         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1501
1502         while (1) {
1503                 size = min(s_size, d_size);
1504                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1505                 written += size;
1506
1507                 if (written == class->size)
1508                         break;
1509
1510                 s_off += size;
1511                 s_size -= size;
1512                 d_off += size;
1513                 d_size -= size;
1514
1515                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1516                         kunmap_atomic(d_addr);
1517                         kunmap_atomic(s_addr);
1518                         s_page = get_next_page(s_page);
1519                         BUG_ON(!s_page);
1520                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1521                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1522                         s_size = class->size - written;
1523                         s_off = 0;
1524                 }
1525
1526                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1527                         kunmap_atomic(d_addr);
1528                         d_page = get_next_page(d_page);
1529                         BUG_ON(!d_page);
1530                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1531                         d_size = class->size - written;
1532                         d_off = 0;
1533                 }
1534         }
1535
1536         kunmap_atomic(d_addr);
1537         kunmap_atomic(s_addr);
1538 }
1539
1540 /*
1541  * Find alloced object in zspage from index object and
1542  * return handle.
1543  */
1544 static unsigned long find_alloced_obj(struct page *page, int index,
1545                                         struct size_class *class)
1546 {
1547         unsigned long head;
1548         int offset = 0;
1549         unsigned long handle = 0;
1550         void *addr = kmap_atomic(page);
1551
1552         if (!is_first_page(page))
1553                 offset = page->index;
1554         offset += class->size * index;
1555
1556         while (offset < PAGE_SIZE) {
1557                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1558                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1559                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1560                         if (trypin_tag(handle))
1561                                 break;
1562                         handle = 0;
1563                 }
1564
1565                 offset += class->size;
1566                 index++;
1567         }
1568
1569         kunmap_atomic(addr);
1570         return handle;
1571 }
1572
1573 struct zs_compact_control {
1574         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1575         struct page *s_page;
1576         /* Destination page for migration which should be a first page
1577          * of zspage. */
1578         struct page *d_page;
1579          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1580           * in the subpage. */
1581         int index;
1582 };
1583
1584 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1585                                 struct zs_compact_control *cc)
1586 {
1587         unsigned long used_obj, free_obj;
1588         unsigned long handle;
1589         struct page *s_page = cc->s_page;
1590         struct page *d_page = cc->d_page;
1591         unsigned long index = cc->index;
1592         int ret = 0;
1593
1594         while (1) {
1595                 handle = find_alloced_obj(s_page, index, class);
1596                 if (!handle) {
1597                         s_page = get_next_page(s_page);
1598                         if (!s_page)
1599                                 break;
1600                         index = 0;
1601                         continue;
1602                 }
1603
1604                 /* Stop if there is no more space */
1605                 if (zspage_full(d_page)) {
1606                         unpin_tag(handle);
1607                         ret = -ENOMEM;
1608                         break;
1609                 }
1610
1611                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1612                 free_obj = obj_malloc(d_page, class, handle);
1613                 zs_object_copy(free_obj, used_obj, class);
1614                 index++;
1615                 record_obj(handle, free_obj);
1616                 unpin_tag(handle);
1617                 obj_free(pool, class, used_obj);
1618         }
1619
1620         /* Remember last position in this iteration */
1621         cc->s_page = s_page;
1622         cc->index = index;
1623
1624         return ret;
1625 }
1626
1627 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1628 {
1629         int i;
1630         struct page *page;
1631
1632         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1633                 page = class->fullness_list[i];
1634                 if (page) {
1635                         remove_zspage(page, class, i);
1636                         break;
1637                 }
1638         }
1639
1640         return page;
1641 }
1642
1643 /*
1644  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1645  * @pool: target pool
1646  * @class: destination class
1647  * @first_page: target page
1648  *
1649  * Return @fist_page's fullness_group
1650  */
1651 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1652                         struct size_class *class,
1653                         struct page *first_page)
1654 {
1655         enum fullness_group fullness;
1656
1657         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
1658
1659         fullness = get_fullness_group(first_page);
1660         insert_zspage(first_page, class, fullness);
1661         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1662
1663         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1664                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1665                         class->size, class->pages_per_zspage));
1666                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1667                                 &pool->pages_allocated);
1668
1669                 free_zspage(first_page);
1670         }
1671
1672         return fullness;
1673 }
1674
1675 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1676 {
1677         struct page *page;
1678
1679         page = class->fullness_list[ZS_ALMOST_EMPTY];
1680         if (page)
1681                 remove_zspage(page, class, ZS_ALMOST_EMPTY);
1682
1683         return page;
1684 }
1685
1686 /*
1687  *
1688  * Based on the number of unused allocated objects calculate
1689  * and return the number of pages that we can free.
1690  *
1691  * Should be called under class->lock.
1692  */
1693 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class)
1694 {
1695         unsigned long obj_wasted;
1696
1697         if (!zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY))
1698                 return 0;
1699
1700         obj_wasted = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED) -
1701                 zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1702
1703         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1704                         class->pages_per_zspage);
1705
1706         return obj_wasted * get_pages_per_zspage(class->size);
1707 }
1708
1709 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1710 {
1711         struct zs_compact_control cc;
1712         struct page *src_page;
1713         struct page *dst_page = NULL;
1714
1715         spin_lock(&class->lock);
1716         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1717
1718                 BUG_ON(!is_first_page(src_page));
1719
1720                 if (!zs_can_compact(class))
1721                         break;
1722
1723                 cc.index = 0;
1724                 cc.s_page = src_page;
1725
1726                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1727                         cc.d_page = dst_page;
1728                         /*
1729                          * If there is no more space in dst_page, resched
1730                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1731                          */
1732                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1733                                 break;
1734
1735                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1736                 }
1737
1738                 /* Stop if we couldn't find slot */
1739                 if (dst_page == NULL)
1740                         break;
1741
1742                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1743                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1744                         pool->stats.pages_compacted +=
1745                                 get_pages_per_zspage(class->size);
1746                 spin_unlock(&class->lock);
1747                 cond_resched();
1748                 spin_lock(&class->lock);
1749         }
1750
1751         if (src_page)
1752                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1753
1754         spin_unlock(&class->lock);
1755 }
1756
1757 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1758 {
1759         int i;
1760         struct size_class *class;
1761
1762         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1763                 class = pool->size_class[i];
1764                 if (!class)
1765                         continue;
1766                 if (class->index != i)
1767                         continue;
1768                 __zs_compact(pool, class);
1769         }
1770
1771         return pool->stats.pages_compacted;
1772 }
1773 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1774
1775 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1776 {
1777         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1778 }
1779 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1780
1781 /**
1782  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1783  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1784  *
1785  * This function must be called before anything when using
1786  * the zsmalloc allocator.
1787  *
1788  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1789  * otherwise NULL.
1790  */
1791 struct zs_pool *zs_create_pool(char *name, gfp_t flags)
1792 {
1793         int i;
1794         struct zs_pool *pool;
1795         struct size_class *prev_class = NULL;
1796
1797         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1798         if (!pool)
1799                 return NULL;
1800
1801         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1802                         GFP_KERNEL);
1803         if (!pool->size_class) {
1804                 kfree(pool);
1805                 return NULL;
1806         }
1807
1808         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1809         if (!pool->name)
1810                 goto err;
1811
1812         if (create_handle_cache(pool))
1813                 goto err;
1814
1815         /*
1816          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1817          * for merging should be larger or equal to current size.
1818          */
1819         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1820                 int size;
1821                 int pages_per_zspage;
1822                 struct size_class *class;
1823
1824                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1825                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1826                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1827                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1828
1829                 /*
1830                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1831                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1832                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1833                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1834                  * many different sizes whose size_class have same
1835                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1836                  * previous size_class if possible.
1837                  */
1838                 if (prev_class) {
1839                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1840                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1841                                 continue;
1842                         }
1843                 }
1844
1845                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1846                 if (!class)
1847                         goto err;
1848
1849                 class->size = size;
1850                 class->index = i;
1851                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1852                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1853                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1854                         class->huge = true;
1855                 spin_lock_init(&class->lock);
1856                 pool->size_class[i] = class;
1857
1858                 prev_class = class;
1859         }
1860
1861         pool->flags = flags;
1862
1863         if (zs_pool_stat_create(name, pool))
1864                 goto err;
1865
1866         return pool;
1867
1868 err:
1869         zs_destroy_pool(pool);
1870         return NULL;
1871 }
1872 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1873
1874 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1875 {
1876         int i;
1877
1878         zs_pool_stat_destroy(pool);
1879
1880         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1881                 int fg;
1882                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1883
1884                 if (!class)
1885                         continue;
1886
1887                 if (class->index != i)
1888                         continue;
1889
1890                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1891                         if (class->fullness_list[fg]) {
1892                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1893                                         class->size, fg);
1894                         }
1895                 }
1896                 kfree(class);
1897         }
1898
1899         destroy_handle_cache(pool);
1900         kfree(pool->size_class);
1901         kfree(pool->name);
1902         kfree(pool);
1903 }
1904 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
1905
1906 static int __init zs_init(void)
1907 {
1908         int ret = zs_register_cpu_notifier();
1909
1910         if (ret)
1911                 goto notifier_fail;
1912
1913         init_zs_size_classes();
1914
1915 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1916         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
1917 #endif
1918
1919         ret = zs_stat_init();
1920         if (ret) {
1921                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
1922                 goto stat_fail;
1923         }
1924         return 0;
1925
1926 stat_fail:
1927 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1928         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
1929 #endif
1930 notifier_fail:
1931         zs_unregister_cpu_notifier();
1932
1933         return ret;
1934 }
1935
1936 static void __exit zs_exit(void)
1937 {
1938 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1939         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
1940 #endif
1941         zs_unregister_cpu_notifier();
1942
1943         zs_stat_exit();
1944 }
1945
1946 module_init(zs_init);
1947 module_exit(zs_exit);
1948
1949 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
1950 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");