]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-linux.git/blob - mm/zsmalloc.c
mm/zsmalloc: support allocating obj with size of ZS_MAX_ALLOC_SIZE
[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  * This allocator is designed for use with zram. Thus, the allocator is
16  * supposed to work well under low memory conditions. In particular, it
17  * never attempts higher order page allocation which is very likely to
18  * fail under memory pressure. On the other hand, if we just use single
19  * (0-order) pages, it would suffer from very high fragmentation --
20  * any object of size PAGE_SIZE/2 or larger would occupy an entire page.
21  * This was one of the major issues with its predecessor (xvmalloc).
22  *
23  * To overcome these issues, zsmalloc allocates a bunch of 0-order pages
24  * and links them together using various 'struct page' fields. These linked
25  * pages act as a single higher-order page i.e. an object can span 0-order
26  * page boundaries. The code refers to these linked pages as a single entity
27  * called zspage.
28  *
29  * For simplicity, zsmalloc can only allocate objects of size up to PAGE_SIZE
30  * since this satisfies the requirements of all its current users (in the
31  * worst case, page is incompressible and is thus stored "as-is" i.e. in
32  * uncompressed form). For allocation requests larger than this size, failure
33  * is returned (see zs_malloc).
34  *
35  * Additionally, zs_malloc() does not return a dereferenceable pointer.
36  * Instead, it returns an opaque handle (unsigned long) which encodes actual
37  * location of the allocated object. The reason for this indirection is that
38  * zsmalloc does not keep zspages permanently mapped since that would cause
39  * issues on 32-bit systems where the VA region for kernel space mappings
40  * is very small. So, before using the allocating memory, the object has to
41  * be mapped using zs_map_object() to get a usable pointer and subsequently
42  * unmapped using zs_unmap_object().
43  *
44  * Following is how we use various fields and flags of underlying
45  * struct page(s) to form a zspage.
46  *
47  * Usage of struct page fields:
48  *      page->first_page: points to the first component (0-order) page
49  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
50  *              starting in this page. For the first page, this is
51  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
52  *              to the first free object in zspage.
53  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
54  *              of a zspage
55  *
56  *      For _first_ page only:
57  *
58  *      page->private (union with page->first_page): refers to the
59  *              component page after the first page
60  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
61  *              Free objects are linked together using in-place
62  *              metadata.
63  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
64  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
65  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
66  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
67  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
68  *
69  * Usage of struct page flags:
70  *      PG_private: identifies the first component page
71  *      PG_private2: identifies the last component page
72  *
73  */
74
75 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_DEBUG
76 #define DEBUG
77 #endif
78
79 #include <linux/module.h>
80 #include <linux/kernel.h>
81 #include <linux/bitops.h>
82 #include <linux/errno.h>
83 #include <linux/highmem.h>
84 #include <linux/string.h>
85 #include <linux/slab.h>
86 #include <asm/tlbflush.h>
87 #include <asm/pgtable.h>
88 #include <linux/cpumask.h>
89 #include <linux/cpu.h>
90 #include <linux/vmalloc.h>
91 #include <linux/hardirq.h>
92 #include <linux/spinlock.h>
93 #include <linux/types.h>
94 #include <linux/zsmalloc.h>
95 #include <linux/zpool.h>
96
97 /*
98  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
99  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
100  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
101  * to restore link_free pointer values.
102  */
103 #define ZS_ALIGN                8
104
105 /*
106  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
107  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
108  */
109 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
110 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
111
112 /*
113  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
114  * as single (unsigned long) handle value.
115  *
116  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
117  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
118  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
119  *
120  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
121  */
122
123 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
124 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
125 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
126 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
127 /*
128  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
129  * be PAGE_SHIFT
130  */
131 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
132 #endif
133 #endif
134 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
135 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS)
136 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
137
138 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
139 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
140 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
141         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
142 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
143
144 /*
145  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
146  * trader-off here:
147  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
148  *    spread across these classes
149  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
150  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
151  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
152  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
153  *
154  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
155  *  (reason above)
156  */
157 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
158 #define ZS_SIZE_CLASSES         ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / \
159                                         ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1)
160
161 /*
162  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
163  */
164 enum fullness_group {
165         ZS_ALMOST_FULL,
166         ZS_ALMOST_EMPTY,
167         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
168
169         ZS_EMPTY,
170         ZS_FULL
171 };
172
173 /*
174  * number of size_classes
175  */
176 static int zs_size_classes;
177
178 /*
179  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
180  *      n <= N / f, where
181  * n = number of allocated objects
182  * N = total number of objects zspage can store
183  * f = fullness_threshold_frac
184  *
185  * Similarly, we assign zspage to:
186  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
187  *      ZS_EMPTY        when n == 0
188  *      ZS_FULL         when n == N
189  *
190  * (see: fix_fullness_group())
191  */
192 static const int fullness_threshold_frac = 4;
193
194 struct size_class {
195         /*
196          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
197          * of ZS_ALIGN.
198          */
199         int size;
200         unsigned int index;
201
202         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
203         int pages_per_zspage;
204
205         spinlock_t lock;
206
207         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
208 };
209
210 /*
211  * Placed within free objects to form a singly linked list.
212  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
213  *
214  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
215  */
216 struct link_free {
217         /* Handle of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>) */
218         void *next;
219 };
220
221 struct zs_pool {
222         struct size_class **size_class;
223
224         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
225         atomic_long_t pages_allocated;
226 };
227
228 /*
229  * A zspage's class index and fullness group
230  * are encoded in its (first)page->mapping
231  */
232 #define CLASS_IDX_BITS  28
233 #define FULLNESS_BITS   4
234 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
235 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
236
237 struct mapping_area {
238 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
239         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
240 #else
241         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
242 #endif
243         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
244         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
245 };
246
247 /* zpool driver */
248
249 #ifdef CONFIG_ZPOOL
250
251 static void *zs_zpool_create(gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops)
252 {
253         return zs_create_pool(gfp);
254 }
255
256 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
257 {
258         zs_destroy_pool(pool);
259 }
260
261 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
262                         unsigned long *handle)
263 {
264         *handle = zs_malloc(pool, size);
265         return *handle ? 0 : -1;
266 }
267 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
268 {
269         zs_free(pool, handle);
270 }
271
272 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
273                         unsigned int *reclaimed)
274 {
275         return -EINVAL;
276 }
277
278 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
279                         enum zpool_mapmode mm)
280 {
281         enum zs_mapmode zs_mm;
282
283         switch (mm) {
284         case ZPOOL_MM_RO:
285                 zs_mm = ZS_MM_RO;
286                 break;
287         case ZPOOL_MM_WO:
288                 zs_mm = ZS_MM_WO;
289                 break;
290         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
291         default:
292                 zs_mm = ZS_MM_RW;
293                 break;
294         }
295
296         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
297 }
298 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
299 {
300         zs_unmap_object(pool, handle);
301 }
302
303 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
304 {
305         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
306 }
307
308 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
309         .type =         "zsmalloc",
310         .owner =        THIS_MODULE,
311         .create =       zs_zpool_create,
312         .destroy =      zs_zpool_destroy,
313         .malloc =       zs_zpool_malloc,
314         .free =         zs_zpool_free,
315         .shrink =       zs_zpool_shrink,
316         .map =          zs_zpool_map,
317         .unmap =        zs_zpool_unmap,
318         .total_size =   zs_zpool_total_size,
319 };
320
321 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
322 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
323
324 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
325 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
326
327 static int is_first_page(struct page *page)
328 {
329         return PagePrivate(page);
330 }
331
332 static int is_last_page(struct page *page)
333 {
334         return PagePrivate2(page);
335 }
336
337 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
338                                 enum fullness_group *fullness)
339 {
340         unsigned long m;
341         BUG_ON(!is_first_page(page));
342
343         m = (unsigned long)page->mapping;
344         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
345         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
346 }
347
348 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
349                                 enum fullness_group fullness)
350 {
351         unsigned long m;
352         BUG_ON(!is_first_page(page));
353
354         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
355                         (fullness & FULLNESS_MASK);
356         page->mapping = (struct address_space *)m;
357 }
358
359 /*
360  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
361  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
362  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
363  * classes depending on its size. This function returns index of the
364  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
365  */
366 static int get_size_class_index(int size)
367 {
368         int idx = 0;
369
370         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
371                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
372                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
373
374         return idx;
375 }
376
377 /*
378  * For each size class, zspages are divided into different groups
379  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
380  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
381  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
382  * status of the given page.
383  */
384 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
385 {
386         int inuse, max_objects;
387         enum fullness_group fg;
388         BUG_ON(!is_first_page(page));
389
390         inuse = page->inuse;
391         max_objects = page->objects;
392
393         if (inuse == 0)
394                 fg = ZS_EMPTY;
395         else if (inuse == max_objects)
396                 fg = ZS_FULL;
397         else if (inuse <= max_objects / fullness_threshold_frac)
398                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
399         else
400                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
401
402         return fg;
403 }
404
405 /*
406  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
407  * to one of these freelists based on the number of live objects they
408  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
409  * identified by <class, fullness_group>.
410  */
411 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
412                                 enum fullness_group fullness)
413 {
414         struct page **head;
415
416         BUG_ON(!is_first_page(page));
417
418         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
419                 return;
420
421         head = &class->fullness_list[fullness];
422         if (*head)
423                 list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
424
425         *head = page;
426 }
427
428 /*
429  * This function removes the given zspage from the freelist identified
430  * by <class, fullness_group>.
431  */
432 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
433                                 enum fullness_group fullness)
434 {
435         struct page **head;
436
437         BUG_ON(!is_first_page(page));
438
439         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
440                 return;
441
442         head = &class->fullness_list[fullness];
443         BUG_ON(!*head);
444         if (list_empty(&(*head)->lru))
445                 *head = NULL;
446         else if (*head == page)
447                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
448                                         struct page, lru);
449
450         list_del_init(&page->lru);
451 }
452
453 /*
454  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
455  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
456  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
457  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
458  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
459  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
460  * fullness group.
461  */
462 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct zs_pool *pool,
463                                                 struct page *page)
464 {
465         int class_idx;
466         struct size_class *class;
467         enum fullness_group currfg, newfg;
468
469         BUG_ON(!is_first_page(page));
470
471         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
472         newfg = get_fullness_group(page);
473         if (newfg == currfg)
474                 goto out;
475
476         class = pool->size_class[class_idx];
477         remove_zspage(page, class, currfg);
478         insert_zspage(page, class, newfg);
479         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
480
481 out:
482         return newfg;
483 }
484
485 /*
486  * We have to decide on how many pages to link together
487  * to form a zspage for each size class. This is important
488  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
489  * each zspage which is given as:
490  *      wastage = Zp - Zp % size_class
491  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
492  *
493  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
494  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
495  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
496  */
497 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
498 {
499         int i, max_usedpc = 0;
500         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
501         int max_usedpc_order = 1;
502
503         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
504                 int zspage_size;
505                 int waste, usedpc;
506
507                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
508                 waste = zspage_size % class_size;
509                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
510
511                 if (usedpc > max_usedpc) {
512                         max_usedpc = usedpc;
513                         max_usedpc_order = i;
514                 }
515         }
516
517         return max_usedpc_order;
518 }
519
520 /*
521  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
522  * linked together using fields in struct page. This function finds
523  * the first/head page, given any component page of a zspage.
524  */
525 static struct page *get_first_page(struct page *page)
526 {
527         if (is_first_page(page))
528                 return page;
529         else
530                 return page->first_page;
531 }
532
533 static struct page *get_next_page(struct page *page)
534 {
535         struct page *next;
536
537         if (is_last_page(page))
538                 next = NULL;
539         else if (is_first_page(page))
540                 next = (struct page *)page_private(page);
541         else
542                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
543
544         return next;
545 }
546
547 /*
548  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
549  * On hardware platforms with physical memory starting at 0x0 the pfn
550  * could be 0 so we ensure that the handle will never be 0 by adjusting the
551  * encoded obj_idx value before encoding.
552  */
553 static void *obj_location_to_handle(struct page *page, unsigned long obj_idx)
554 {
555         unsigned long handle;
556
557         if (!page) {
558                 BUG_ON(obj_idx);
559                 return NULL;
560         }
561
562         handle = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
563         handle |= ((obj_idx + 1) & OBJ_INDEX_MASK);
564
565         return (void *)handle;
566 }
567
568 /*
569  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
570  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
571  * obj_location_to_handle().
572  */
573 static void obj_handle_to_location(unsigned long handle, struct page **page,
574                                 unsigned long *obj_idx)
575 {
576         *page = pfn_to_page(handle >> OBJ_INDEX_BITS);
577         *obj_idx = (handle & OBJ_INDEX_MASK) - 1;
578 }
579
580 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
581                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
582 {
583         unsigned long off = 0;
584
585         if (!is_first_page(page))
586                 off = page->index;
587
588         return off + obj_idx * class_size;
589 }
590
591 static void reset_page(struct page *page)
592 {
593         clear_bit(PG_private, &page->flags);
594         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
595         set_page_private(page, 0);
596         page->mapping = NULL;
597         page->freelist = NULL;
598         page_mapcount_reset(page);
599 }
600
601 static void free_zspage(struct page *first_page)
602 {
603         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
604
605         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
606         BUG_ON(first_page->inuse);
607
608         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
609
610         reset_page(first_page);
611         __free_page(first_page);
612
613         /* zspage with only 1 system page */
614         if (!head_extra)
615                 return;
616
617         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
618                 list_del(&nextp->lru);
619                 reset_page(nextp);
620                 __free_page(nextp);
621         }
622         reset_page(head_extra);
623         __free_page(head_extra);
624 }
625
626 /* Initialize a newly allocated zspage */
627 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
628 {
629         unsigned long off = 0;
630         struct page *page = first_page;
631
632         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
633         while (page) {
634                 struct page *next_page;
635                 struct link_free *link;
636                 unsigned int i = 1;
637                 void *vaddr;
638
639                 /*
640                  * page->index stores offset of first object starting
641                  * in the page. For the first page, this is always 0,
642                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
643                  * head of corresponding zspage's freelist.
644                  */
645                 if (page != first_page)
646                         page->index = off;
647
648                 vaddr = kmap_atomic(page);
649                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
650
651                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
652                         link->next = obj_location_to_handle(page, i++);
653                         link += class->size / sizeof(*link);
654                 }
655
656                 /*
657                  * We now come to the last (full or partial) object on this
658                  * page, which must point to the first object on the next
659                  * page (if present)
660                  */
661                 next_page = get_next_page(page);
662                 link->next = obj_location_to_handle(next_page, 0);
663                 kunmap_atomic(vaddr);
664                 page = next_page;
665                 off %= PAGE_SIZE;
666         }
667 }
668
669 /*
670  * Allocate a zspage for the given size class
671  */
672 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
673 {
674         int i, error;
675         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
676
677         /*
678          * Allocate individual pages and link them together as:
679          * 1. first page->private = first sub-page
680          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
681          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
682          *
683          * For each size class, First/Head pages are linked together using
684          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
685          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
686          * identify the last page.
687          */
688         error = -ENOMEM;
689         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
690                 struct page *page;
691
692                 page = alloc_page(flags);
693                 if (!page)
694                         goto cleanup;
695
696                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
697                 if (i == 0) {   /* first page */
698                         SetPagePrivate(page);
699                         set_page_private(page, 0);
700                         first_page = page;
701                         first_page->inuse = 0;
702                 }
703                 if (i == 1)
704                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
705                 if (i >= 1)
706                         page->first_page = first_page;
707                 if (i >= 2)
708                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
709                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
710                         SetPagePrivate2(page);
711                 prev_page = page;
712         }
713
714         init_zspage(first_page, class);
715
716         first_page->freelist = obj_location_to_handle(first_page, 0);
717         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
718         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
719
720         error = 0; /* Success */
721
722 cleanup:
723         if (unlikely(error) && first_page) {
724                 free_zspage(first_page);
725                 first_page = NULL;
726         }
727
728         return first_page;
729 }
730
731 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
732 {
733         int i;
734         struct page *page;
735
736         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
737                 page = class->fullness_list[i];
738                 if (page)
739                         break;
740         }
741
742         return page;
743 }
744
745 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
746 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
747 {
748         /*
749          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
750          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
751          */
752         if (area->vm)
753                 return 0;
754         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
755         if (!area->vm)
756                 return -ENOMEM;
757         return 0;
758 }
759
760 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
761 {
762         if (area->vm)
763                 free_vm_area(area->vm);
764         area->vm = NULL;
765 }
766
767 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
768                                 struct page *pages[2], int off, int size)
769 {
770         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
771         area->vm_addr = area->vm->addr;
772         return area->vm_addr + off;
773 }
774
775 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
776                                 struct page *pages[2], int off, int size)
777 {
778         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
779
780         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
781 }
782
783 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
784
785 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
786 {
787         /*
788          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
789          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
790          */
791         if (area->vm_buf)
792                 return 0;
793         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
794         if (!area->vm_buf)
795                 return -ENOMEM;
796         return 0;
797 }
798
799 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
800 {
801         kfree(area->vm_buf);
802         area->vm_buf = NULL;
803 }
804
805 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
806                         struct page *pages[2], int off, int size)
807 {
808         int sizes[2];
809         void *addr;
810         char *buf = area->vm_buf;
811
812         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
813         pagefault_disable();
814
815         /* no read fastpath */
816         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
817                 goto out;
818
819         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
820         sizes[1] = size - sizes[0];
821
822         /* copy object to per-cpu buffer */
823         addr = kmap_atomic(pages[0]);
824         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
825         kunmap_atomic(addr);
826         addr = kmap_atomic(pages[1]);
827         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
828         kunmap_atomic(addr);
829 out:
830         return area->vm_buf;
831 }
832
833 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
834                         struct page *pages[2], int off, int size)
835 {
836         int sizes[2];
837         void *addr;
838         char *buf = area->vm_buf;
839
840         /* no write fastpath */
841         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
842                 goto out;
843
844         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
845         sizes[1] = size - sizes[0];
846
847         /* copy per-cpu buffer to object */
848         addr = kmap_atomic(pages[0]);
849         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
850         kunmap_atomic(addr);
851         addr = kmap_atomic(pages[1]);
852         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
853         kunmap_atomic(addr);
854
855 out:
856         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
857         pagefault_enable();
858 }
859
860 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
861
862 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
863                                 void *pcpu)
864 {
865         int ret, cpu = (long)pcpu;
866         struct mapping_area *area;
867
868         switch (action) {
869         case CPU_UP_PREPARE:
870                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
871                 ret = __zs_cpu_up(area);
872                 if (ret)
873                         return notifier_from_errno(ret);
874                 break;
875         case CPU_DEAD:
876         case CPU_UP_CANCELED:
877                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
878                 __zs_cpu_down(area);
879                 break;
880         }
881
882         return NOTIFY_OK;
883 }
884
885 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
886         .notifier_call = zs_cpu_notifier
887 };
888
889 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
890 {
891         int cpu;
892
893         cpu_notifier_register_begin();
894
895         for_each_online_cpu(cpu)
896                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
897         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
898
899         cpu_notifier_register_done();
900 }
901
902 static int zs_register_cpu_notifier(void)
903 {
904         int cpu, uninitialized_var(ret);
905
906         cpu_notifier_register_begin();
907
908         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
909         for_each_online_cpu(cpu) {
910                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
911                 if (notifier_to_errno(ret))
912                         break;
913         }
914
915         cpu_notifier_register_done();
916         return notifier_to_errno(ret);
917 }
918
919 static void init_zs_size_classes(void)
920 {
921         int nr;
922
923         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
924         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
925                 nr += 1;
926
927         zs_size_classes = nr;
928 }
929
930 static void __exit zs_exit(void)
931 {
932 #ifdef CONFIG_ZPOOL
933         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
934 #endif
935         zs_unregister_cpu_notifier();
936 }
937
938 static int __init zs_init(void)
939 {
940         int ret = zs_register_cpu_notifier();
941
942         if (ret) {
943                 zs_unregister_cpu_notifier();
944                 return ret;
945         }
946
947         init_zs_size_classes();
948
949 #ifdef CONFIG_ZPOOL
950         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
951 #endif
952         return 0;
953 }
954
955 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
956 {
957         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
958 }
959
960 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
961 {
962         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
963                 return false;
964
965         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
966                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
967                 return false;
968
969         return true;
970 }
971
972 /**
973  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
974  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
975  *
976  * This function must be called before anything when using
977  * the zsmalloc allocator.
978  *
979  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
980  * otherwise NULL.
981  */
982 struct zs_pool *zs_create_pool(gfp_t flags)
983 {
984         int i, ovhd_size;
985         struct zs_pool *pool;
986
987         ovhd_size = roundup(sizeof(*pool), PAGE_SIZE);
988         pool = kzalloc(ovhd_size, GFP_KERNEL);
989         if (!pool)
990                 return NULL;
991
992         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
993                         GFP_KERNEL);
994         if (!pool->size_class) {
995                 kfree(pool);
996                 return NULL;
997         }
998
999         /*
1000          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1001          * for merging should be larger or equal to current size.
1002          */
1003         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1004                 int size;
1005                 int pages_per_zspage;
1006                 struct size_class *class;
1007                 struct size_class *prev_class;
1008
1009                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1010                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1011                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1012                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1013
1014                 /*
1015                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1016                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1017                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1018                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1019                  * many different sizes whose size_class have same
1020                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1021                  * previous size_class if possible.
1022                  */
1023                 if (i < ZS_SIZE_CLASSES - 1) {
1024                         prev_class = pool->size_class[i + 1];
1025                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1026                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1027                                 continue;
1028                         }
1029                 }
1030
1031                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1032                 if (!class)
1033                         goto err;
1034
1035                 class->size = size;
1036                 class->index = i;
1037                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1038                 spin_lock_init(&class->lock);
1039                 pool->size_class[i] = class;
1040         }
1041
1042         pool->flags = flags;
1043
1044         return pool;
1045
1046 err:
1047         zs_destroy_pool(pool);
1048         return NULL;
1049 }
1050 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1051
1052 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1053 {
1054         int i;
1055
1056         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1057                 int fg;
1058                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1059
1060                 if (!class)
1061                         continue;
1062
1063                 if (class->index != i)
1064                         continue;
1065
1066                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1067                         if (class->fullness_list[fg]) {
1068                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1069                                         class->size, fg);
1070                         }
1071                 }
1072                 kfree(class);
1073         }
1074
1075         kfree(pool->size_class);
1076         kfree(pool);
1077 }
1078 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
1079
1080 /**
1081  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1082  * @pool: pool to allocate from
1083  * @size: size of block to allocate
1084  *
1085  * On success, handle to the allocated object is returned,
1086  * otherwise 0.
1087  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1088  */
1089 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1090 {
1091         unsigned long obj;
1092         struct link_free *link;
1093         struct size_class *class;
1094         void *vaddr;
1095
1096         struct page *first_page, *m_page;
1097         unsigned long m_objidx, m_offset;
1098
1099         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1100                 return 0;
1101
1102         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1103
1104         spin_lock(&class->lock);
1105         first_page = find_get_zspage(class);
1106
1107         if (!first_page) {
1108                 spin_unlock(&class->lock);
1109                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1110                 if (unlikely(!first_page))
1111                         return 0;
1112
1113                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1114                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1115                                         &pool->pages_allocated);
1116                 spin_lock(&class->lock);
1117         }
1118
1119         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1120         obj_handle_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1121         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1122
1123         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1124         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1125         first_page->freelist = link->next;
1126         memset(link, POISON_INUSE, sizeof(*link));
1127         kunmap_atomic(vaddr);
1128
1129         first_page->inuse++;
1130         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1131         fix_fullness_group(pool, first_page);
1132         spin_unlock(&class->lock);
1133
1134         return obj;
1135 }
1136 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1137
1138 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long obj)
1139 {
1140         struct link_free *link;
1141         struct page *first_page, *f_page;
1142         unsigned long f_objidx, f_offset;
1143         void *vaddr;
1144
1145         int class_idx;
1146         struct size_class *class;
1147         enum fullness_group fullness;
1148
1149         if (unlikely(!obj))
1150                 return;
1151
1152         obj_handle_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1153         first_page = get_first_page(f_page);
1154
1155         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1156         class = pool->size_class[class_idx];
1157         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1158
1159         spin_lock(&class->lock);
1160
1161         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1162         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1163         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1164         link->next = first_page->freelist;
1165         kunmap_atomic(vaddr);
1166         first_page->freelist = (void *)obj;
1167
1168         first_page->inuse--;
1169         fullness = fix_fullness_group(pool, first_page);
1170         spin_unlock(&class->lock);
1171
1172         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1173                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1174                                 &pool->pages_allocated);
1175                 free_zspage(first_page);
1176         }
1177 }
1178 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1179
1180 /**
1181  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1182  * @pool: pool from which the object was allocated
1183  * @handle: handle returned from zs_malloc
1184  *
1185  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1186  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1187  * zs_unmap_object.
1188  *
1189  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1190  * against nested mappings.
1191  *
1192  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1193  */
1194 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1195                         enum zs_mapmode mm)
1196 {
1197         struct page *page;
1198         unsigned long obj_idx, off;
1199
1200         unsigned int class_idx;
1201         enum fullness_group fg;
1202         struct size_class *class;
1203         struct mapping_area *area;
1204         struct page *pages[2];
1205
1206         BUG_ON(!handle);
1207
1208         /*
1209          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1210          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1211          * because it can corrupt another users mappings.
1212          */
1213         BUG_ON(in_interrupt());
1214
1215         obj_handle_to_location(handle, &page, &obj_idx);
1216         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1217         class = pool->size_class[class_idx];
1218         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1219
1220         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1221         area->vm_mm = mm;
1222         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1223                 /* this object is contained entirely within a page */
1224                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1225                 return area->vm_addr + off;
1226         }
1227
1228         /* this object spans two pages */
1229         pages[0] = page;
1230         pages[1] = get_next_page(page);
1231         BUG_ON(!pages[1]);
1232
1233         return __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1234 }
1235 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1236
1237 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1238 {
1239         struct page *page;
1240         unsigned long obj_idx, off;
1241
1242         unsigned int class_idx;
1243         enum fullness_group fg;
1244         struct size_class *class;
1245         struct mapping_area *area;
1246
1247         BUG_ON(!handle);
1248
1249         obj_handle_to_location(handle, &page, &obj_idx);
1250         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1251         class = pool->size_class[class_idx];
1252         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1253
1254         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1255         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1256                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1257         else {
1258                 struct page *pages[2];
1259
1260                 pages[0] = page;
1261                 pages[1] = get_next_page(page);
1262                 BUG_ON(!pages[1]);
1263
1264                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1265         }
1266         put_cpu_var(zs_map_area);
1267 }
1268 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1269
1270 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1271 {
1272         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1273 }
1274 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1275
1276 module_init(zs_init);
1277 module_exit(zs_exit);
1278
1279 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
1280 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");