]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-linux.git/blob - mm/zsmalloc.c
zsmalloc: use shrinker to trigger auto-compaction
[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
250         /* Compact classes */
251         struct shrinker shrinker;
252         /*
253          * To signify that register_shrinker() was successful
254          * and unregister_shrinker() will not Oops.
255          */
256         bool shrinker_enabled;
257 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
258         struct dentry *stat_dentry;
259 #endif
260 };
261
262 /*
263  * A zspage's class index and fullness group
264  * are encoded in its (first)page->mapping
265  */
266 #define CLASS_IDX_BITS  28
267 #define FULLNESS_BITS   4
268 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
269 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
270
271 struct mapping_area {
272 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
273         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
274 #else
275         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
276 #endif
277         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
278         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
279         bool huge;
280 };
281
282 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
283 {
284         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
285                                         0, 0, NULL);
286         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
287 }
288
289 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
290 {
291         if (pool->handle_cachep)
292                 kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
293 }
294
295 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool)
296 {
297         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
298                 pool->flags & ~__GFP_HIGHMEM);
299 }
300
301 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
302 {
303         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
304 }
305
306 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
307 {
308         *(unsigned long *)handle = obj;
309 }
310
311 /* zpool driver */
312
313 #ifdef CONFIG_ZPOOL
314
315 static void *zs_zpool_create(char *name, gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops,
316                              struct zpool *zpool)
317 {
318         return zs_create_pool(name, gfp);
319 }
320
321 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
322 {
323         zs_destroy_pool(pool);
324 }
325
326 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
327                         unsigned long *handle)
328 {
329         *handle = zs_malloc(pool, size);
330         return *handle ? 0 : -1;
331 }
332 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
333 {
334         zs_free(pool, handle);
335 }
336
337 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
338                         unsigned int *reclaimed)
339 {
340         return -EINVAL;
341 }
342
343 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
344                         enum zpool_mapmode mm)
345 {
346         enum zs_mapmode zs_mm;
347
348         switch (mm) {
349         case ZPOOL_MM_RO:
350                 zs_mm = ZS_MM_RO;
351                 break;
352         case ZPOOL_MM_WO:
353                 zs_mm = ZS_MM_WO;
354                 break;
355         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
356         default:
357                 zs_mm = ZS_MM_RW;
358                 break;
359         }
360
361         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
362 }
363 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
364 {
365         zs_unmap_object(pool, handle);
366 }
367
368 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
369 {
370         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
371 }
372
373 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
374         .type =         "zsmalloc",
375         .owner =        THIS_MODULE,
376         .create =       zs_zpool_create,
377         .destroy =      zs_zpool_destroy,
378         .malloc =       zs_zpool_malloc,
379         .free =         zs_zpool_free,
380         .shrink =       zs_zpool_shrink,
381         .map =          zs_zpool_map,
382         .unmap =        zs_zpool_unmap,
383         .total_size =   zs_zpool_total_size,
384 };
385
386 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
387 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
388
389 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
390 {
391         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
392 }
393
394 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
395 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
396
397 static int is_first_page(struct page *page)
398 {
399         return PagePrivate(page);
400 }
401
402 static int is_last_page(struct page *page)
403 {
404         return PagePrivate2(page);
405 }
406
407 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
408                                 enum fullness_group *fullness)
409 {
410         unsigned long m;
411         BUG_ON(!is_first_page(page));
412
413         m = (unsigned long)page->mapping;
414         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
415         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
416 }
417
418 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
419                                 enum fullness_group fullness)
420 {
421         unsigned long m;
422         BUG_ON(!is_first_page(page));
423
424         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
425                         (fullness & FULLNESS_MASK);
426         page->mapping = (struct address_space *)m;
427 }
428
429 /*
430  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
431  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
432  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
433  * classes depending on its size. This function returns index of the
434  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
435  */
436 static int get_size_class_index(int size)
437 {
438         int idx = 0;
439
440         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
441                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
442                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
443
444         return min(zs_size_classes - 1, idx);
445 }
446
447 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
448                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
449 {
450         class->stats.objs[type] += cnt;
451 }
452
453 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
454                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
455 {
456         class->stats.objs[type] -= cnt;
457 }
458
459 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
460                                 enum zs_stat_type type)
461 {
462         return class->stats.objs[type];
463 }
464
465 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
466
467 static int __init zs_stat_init(void)
468 {
469         if (!debugfs_initialized())
470                 return -ENODEV;
471
472         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
473         if (!zs_stat_root)
474                 return -ENOMEM;
475
476         return 0;
477 }
478
479 static void __exit zs_stat_exit(void)
480 {
481         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
482 }
483
484 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
485 {
486         int i;
487         struct zs_pool *pool = s->private;
488         struct size_class *class;
489         int objs_per_zspage;
490         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
491         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used;
492         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
493         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
494
495         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s\n",
496                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
497                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
498                         "pages_per_zspage");
499
500         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
501                 class = pool->size_class[i];
502
503                 if (class->index != i)
504                         continue;
505
506                 spin_lock(&class->lock);
507                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
508                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
509                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
510                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
511                 spin_unlock(&class->lock);
512
513                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
514                                 class->pages_per_zspage);
515                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
516                                 class->pages_per_zspage;
517
518                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16d\n",
519                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
520                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
521                         class->pages_per_zspage);
522
523                 total_class_almost_full += class_almost_full;
524                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
525                 total_objs += obj_allocated;
526                 total_used_objs += obj_used;
527                 total_pages += pages_used;
528         }
529
530         seq_puts(s, "\n");
531         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu\n",
532                         "Total", "", total_class_almost_full,
533                         total_class_almost_empty, total_objs,
534                         total_used_objs, total_pages);
535
536         return 0;
537 }
538
539 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
540 {
541         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
542 }
543
544 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
545         .open           = zs_stats_size_open,
546         .read           = seq_read,
547         .llseek         = seq_lseek,
548         .release        = single_release,
549 };
550
551 static int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
552 {
553         struct dentry *entry;
554
555         if (!zs_stat_root)
556                 return -ENODEV;
557
558         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
559         if (!entry) {
560                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
561                 return -ENOMEM;
562         }
563         pool->stat_dentry = entry;
564
565         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
566                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
567         if (!entry) {
568                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
569                                 name, "classes");
570                 return -ENOMEM;
571         }
572
573         return 0;
574 }
575
576 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
577 {
578         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
579 }
580
581 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
582 static int __init zs_stat_init(void)
583 {
584         return 0;
585 }
586
587 static void __exit zs_stat_exit(void)
588 {
589 }
590
591 static inline int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
592 {
593         return 0;
594 }
595
596 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
597 {
598 }
599 #endif
600
601
602 /*
603  * For each size class, zspages are divided into different groups
604  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
605  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
606  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
607  * status of the given page.
608  */
609 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
610 {
611         int inuse, max_objects;
612         enum fullness_group fg;
613         BUG_ON(!is_first_page(page));
614
615         inuse = page->inuse;
616         max_objects = page->objects;
617
618         if (inuse == 0)
619                 fg = ZS_EMPTY;
620         else if (inuse == max_objects)
621                 fg = ZS_FULL;
622         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
623                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
624         else
625                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
626
627         return fg;
628 }
629
630 /*
631  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
632  * to one of these freelists based on the number of live objects they
633  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
634  * identified by <class, fullness_group>.
635  */
636 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
637                                 enum fullness_group fullness)
638 {
639         struct page **head;
640
641         BUG_ON(!is_first_page(page));
642
643         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
644                 return;
645
646         head = &class->fullness_list[fullness];
647         if (*head)
648                 list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
649
650         *head = page;
651         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
652                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
653 }
654
655 /*
656  * This function removes the given zspage from the freelist identified
657  * by <class, fullness_group>.
658  */
659 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
660                                 enum fullness_group fullness)
661 {
662         struct page **head;
663
664         BUG_ON(!is_first_page(page));
665
666         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
667                 return;
668
669         head = &class->fullness_list[fullness];
670         BUG_ON(!*head);
671         if (list_empty(&(*head)->lru))
672                 *head = NULL;
673         else if (*head == page)
674                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
675                                         struct page, lru);
676
677         list_del_init(&page->lru);
678         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
679                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
680 }
681
682 /*
683  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
684  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
685  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
686  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
687  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
688  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
689  * fullness group.
690  */
691 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
692                                                 struct page *page)
693 {
694         int class_idx;
695         enum fullness_group currfg, newfg;
696
697         BUG_ON(!is_first_page(page));
698
699         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
700         newfg = get_fullness_group(page);
701         if (newfg == currfg)
702                 goto out;
703
704         remove_zspage(page, class, currfg);
705         insert_zspage(page, class, newfg);
706         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
707
708 out:
709         return newfg;
710 }
711
712 /*
713  * We have to decide on how many pages to link together
714  * to form a zspage for each size class. This is important
715  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
716  * each zspage which is given as:
717  *     wastage = Zp % class_size
718  *     usage = Zp - wastage
719  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
720  *
721  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
722  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
723  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
724  */
725 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
726 {
727         int i, max_usedpc = 0;
728         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
729         int max_usedpc_order = 1;
730
731         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
732                 int zspage_size;
733                 int waste, usedpc;
734
735                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
736                 waste = zspage_size % class_size;
737                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
738
739                 if (usedpc > max_usedpc) {
740                         max_usedpc = usedpc;
741                         max_usedpc_order = i;
742                 }
743         }
744
745         return max_usedpc_order;
746 }
747
748 /*
749  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
750  * linked together using fields in struct page. This function finds
751  * the first/head page, given any component page of a zspage.
752  */
753 static struct page *get_first_page(struct page *page)
754 {
755         if (is_first_page(page))
756                 return page;
757         else
758                 return page->first_page;
759 }
760
761 static struct page *get_next_page(struct page *page)
762 {
763         struct page *next;
764
765         if (is_last_page(page))
766                 next = NULL;
767         else if (is_first_page(page))
768                 next = (struct page *)page_private(page);
769         else
770                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
771
772         return next;
773 }
774
775 /*
776  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
777  * We use the least bit of handle for tagging.
778  */
779 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
780 {
781         unsigned long obj;
782
783         if (!page) {
784                 BUG_ON(obj_idx);
785                 return NULL;
786         }
787
788         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
789         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
790         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
791
792         return (void *)obj;
793 }
794
795 /*
796  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
797  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
798  * location_to_obj().
799  */
800 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
801                                 unsigned long *obj_idx)
802 {
803         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
804         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
805         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
806 }
807
808 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
809 {
810         return *(unsigned long *)handle;
811 }
812
813 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
814                         void *obj)
815 {
816         if (class->huge) {
817                 VM_BUG_ON(!is_first_page(page));
818                 return *(unsigned long *)page_private(page);
819         } else
820                 return *(unsigned long *)obj;
821 }
822
823 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
824                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
825 {
826         unsigned long off = 0;
827
828         if (!is_first_page(page))
829                 off = page->index;
830
831         return off + obj_idx * class_size;
832 }
833
834 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
835 {
836         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
837
838         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
839 }
840
841 static void pin_tag(unsigned long handle)
842 {
843         while (!trypin_tag(handle));
844 }
845
846 static void unpin_tag(unsigned long handle)
847 {
848         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
849
850         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
851 }
852
853 static void reset_page(struct page *page)
854 {
855         clear_bit(PG_private, &page->flags);
856         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
857         set_page_private(page, 0);
858         page->mapping = NULL;
859         page->freelist = NULL;
860         page_mapcount_reset(page);
861 }
862
863 static void free_zspage(struct page *first_page)
864 {
865         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
866
867         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
868         BUG_ON(first_page->inuse);
869
870         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
871
872         reset_page(first_page);
873         __free_page(first_page);
874
875         /* zspage with only 1 system page */
876         if (!head_extra)
877                 return;
878
879         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
880                 list_del(&nextp->lru);
881                 reset_page(nextp);
882                 __free_page(nextp);
883         }
884         reset_page(head_extra);
885         __free_page(head_extra);
886 }
887
888 /* Initialize a newly allocated zspage */
889 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
890 {
891         unsigned long off = 0;
892         struct page *page = first_page;
893
894         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
895         while (page) {
896                 struct page *next_page;
897                 struct link_free *link;
898                 unsigned int i = 1;
899                 void *vaddr;
900
901                 /*
902                  * page->index stores offset of first object starting
903                  * in the page. For the first page, this is always 0,
904                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
905                  * head of corresponding zspage's freelist.
906                  */
907                 if (page != first_page)
908                         page->index = off;
909
910                 vaddr = kmap_atomic(page);
911                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
912
913                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
914                         link->next = location_to_obj(page, i++);
915                         link += class->size / sizeof(*link);
916                 }
917
918                 /*
919                  * We now come to the last (full or partial) object on this
920                  * page, which must point to the first object on the next
921                  * page (if present)
922                  */
923                 next_page = get_next_page(page);
924                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
925                 kunmap_atomic(vaddr);
926                 page = next_page;
927                 off %= PAGE_SIZE;
928         }
929 }
930
931 /*
932  * Allocate a zspage for the given size class
933  */
934 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
935 {
936         int i, error;
937         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
938
939         /*
940          * Allocate individual pages and link them together as:
941          * 1. first page->private = first sub-page
942          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
943          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
944          *
945          * For each size class, First/Head pages are linked together using
946          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
947          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
948          * identify the last page.
949          */
950         error = -ENOMEM;
951         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
952                 struct page *page;
953
954                 page = alloc_page(flags);
955                 if (!page)
956                         goto cleanup;
957
958                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
959                 if (i == 0) {   /* first page */
960                         SetPagePrivate(page);
961                         set_page_private(page, 0);
962                         first_page = page;
963                         first_page->inuse = 0;
964                 }
965                 if (i == 1)
966                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
967                 if (i >= 1)
968                         page->first_page = first_page;
969                 if (i >= 2)
970                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
971                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
972                         SetPagePrivate2(page);
973                 prev_page = page;
974         }
975
976         init_zspage(first_page, class);
977
978         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
979         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
980         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
981
982         error = 0; /* Success */
983
984 cleanup:
985         if (unlikely(error) && first_page) {
986                 free_zspage(first_page);
987                 first_page = NULL;
988         }
989
990         return first_page;
991 }
992
993 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
994 {
995         int i;
996         struct page *page;
997
998         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
999                 page = class->fullness_list[i];
1000                 if (page)
1001                         break;
1002         }
1003
1004         return page;
1005 }
1006
1007 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1008 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1009 {
1010         /*
1011          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1012          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1013          */
1014         if (area->vm)
1015                 return 0;
1016         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1017         if (!area->vm)
1018                 return -ENOMEM;
1019         return 0;
1020 }
1021
1022 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1023 {
1024         if (area->vm)
1025                 free_vm_area(area->vm);
1026         area->vm = NULL;
1027 }
1028
1029 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1030                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1031 {
1032         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1033         area->vm_addr = area->vm->addr;
1034         return area->vm_addr + off;
1035 }
1036
1037 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1038                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1039 {
1040         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1041
1042         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1043 }
1044
1045 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1046
1047 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1048 {
1049         /*
1050          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1051          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1052          */
1053         if (area->vm_buf)
1054                 return 0;
1055         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1056         if (!area->vm_buf)
1057                 return -ENOMEM;
1058         return 0;
1059 }
1060
1061 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1062 {
1063         kfree(area->vm_buf);
1064         area->vm_buf = NULL;
1065 }
1066
1067 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1068                         struct page *pages[2], int off, int size)
1069 {
1070         int sizes[2];
1071         void *addr;
1072         char *buf = area->vm_buf;
1073
1074         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1075         pagefault_disable();
1076
1077         /* no read fastpath */
1078         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1079                 goto out;
1080
1081         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1082         sizes[1] = size - sizes[0];
1083
1084         /* copy object to per-cpu buffer */
1085         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1086         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1087         kunmap_atomic(addr);
1088         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1089         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1090         kunmap_atomic(addr);
1091 out:
1092         return area->vm_buf;
1093 }
1094
1095 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1096                         struct page *pages[2], int off, int size)
1097 {
1098         int sizes[2];
1099         void *addr;
1100         char *buf;
1101
1102         /* no write fastpath */
1103         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1104                 goto out;
1105
1106         buf = area->vm_buf;
1107         if (!area->huge) {
1108                 buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1109                 size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1110                 off += ZS_HANDLE_SIZE;
1111         }
1112
1113         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1114         sizes[1] = size - sizes[0];
1115
1116         /* copy per-cpu buffer to object */
1117         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1118         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1119         kunmap_atomic(addr);
1120         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1121         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1122         kunmap_atomic(addr);
1123
1124 out:
1125         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1126         pagefault_enable();
1127 }
1128
1129 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1130
1131 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1132                                 void *pcpu)
1133 {
1134         int ret, cpu = (long)pcpu;
1135         struct mapping_area *area;
1136
1137         switch (action) {
1138         case CPU_UP_PREPARE:
1139                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1140                 ret = __zs_cpu_up(area);
1141                 if (ret)
1142                         return notifier_from_errno(ret);
1143                 break;
1144         case CPU_DEAD:
1145         case CPU_UP_CANCELED:
1146                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1147                 __zs_cpu_down(area);
1148                 break;
1149         }
1150
1151         return NOTIFY_OK;
1152 }
1153
1154 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1155         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1156 };
1157
1158 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1159 {
1160         int cpu, uninitialized_var(ret);
1161
1162         cpu_notifier_register_begin();
1163
1164         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1165         for_each_online_cpu(cpu) {
1166                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1167                 if (notifier_to_errno(ret))
1168                         break;
1169         }
1170
1171         cpu_notifier_register_done();
1172         return notifier_to_errno(ret);
1173 }
1174
1175 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1176 {
1177         int cpu;
1178
1179         cpu_notifier_register_begin();
1180
1181         for_each_online_cpu(cpu)
1182                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1183         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1184
1185         cpu_notifier_register_done();
1186 }
1187
1188 static void init_zs_size_classes(void)
1189 {
1190         int nr;
1191
1192         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1193         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1194                 nr += 1;
1195
1196         zs_size_classes = nr;
1197 }
1198
1199 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1200 {
1201         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1202                 return false;
1203
1204         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1205                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1206                 return false;
1207
1208         return true;
1209 }
1210
1211 static bool zspage_full(struct page *page)
1212 {
1213         BUG_ON(!is_first_page(page));
1214
1215         return page->inuse == page->objects;
1216 }
1217
1218 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1219 {
1220         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1221 }
1222 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1223
1224 /**
1225  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1226  * @pool: pool from which the object was allocated
1227  * @handle: handle returned from zs_malloc
1228  *
1229  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1230  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1231  * zs_unmap_object.
1232  *
1233  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1234  * against nested mappings.
1235  *
1236  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1237  */
1238 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1239                         enum zs_mapmode mm)
1240 {
1241         struct page *page;
1242         unsigned long obj, obj_idx, off;
1243
1244         unsigned int class_idx;
1245         enum fullness_group fg;
1246         struct size_class *class;
1247         struct mapping_area *area;
1248         struct page *pages[2];
1249         void *ret;
1250
1251         BUG_ON(!handle);
1252
1253         /*
1254          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1255          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1256          * because it can corrupt another users mappings.
1257          */
1258         BUG_ON(in_interrupt());
1259
1260         /* From now on, migration cannot move the object */
1261         pin_tag(handle);
1262
1263         obj = handle_to_obj(handle);
1264         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1265         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1266         class = pool->size_class[class_idx];
1267         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1268
1269         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1270         area->vm_mm = mm;
1271         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1272                 /* this object is contained entirely within a page */
1273                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1274                 ret = area->vm_addr + off;
1275                 goto out;
1276         }
1277
1278         /* this object spans two pages */
1279         pages[0] = page;
1280         pages[1] = get_next_page(page);
1281         BUG_ON(!pages[1]);
1282
1283         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1284 out:
1285         if (!class->huge)
1286                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1287
1288         return ret;
1289 }
1290 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1291
1292 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1293 {
1294         struct page *page;
1295         unsigned long obj, obj_idx, off;
1296
1297         unsigned int class_idx;
1298         enum fullness_group fg;
1299         struct size_class *class;
1300         struct mapping_area *area;
1301
1302         BUG_ON(!handle);
1303
1304         obj = handle_to_obj(handle);
1305         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1306         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1307         class = pool->size_class[class_idx];
1308         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1309
1310         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1311         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1312                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1313         else {
1314                 struct page *pages[2];
1315
1316                 pages[0] = page;
1317                 pages[1] = get_next_page(page);
1318                 BUG_ON(!pages[1]);
1319
1320                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1321         }
1322         put_cpu_var(zs_map_area);
1323         unpin_tag(handle);
1324 }
1325 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1326
1327 static unsigned long obj_malloc(struct page *first_page,
1328                 struct size_class *class, unsigned long handle)
1329 {
1330         unsigned long obj;
1331         struct link_free *link;
1332
1333         struct page *m_page;
1334         unsigned long m_objidx, m_offset;
1335         void *vaddr;
1336
1337         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1338         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1339         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1340         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1341
1342         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1343         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1344         first_page->freelist = link->next;
1345         if (!class->huge)
1346                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1347                 link->handle = handle;
1348         else
1349                 /* record handle in first_page->private */
1350                 set_page_private(first_page, handle);
1351         kunmap_atomic(vaddr);
1352         first_page->inuse++;
1353         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1354
1355         return obj;
1356 }
1357
1358
1359 /**
1360  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1361  * @pool: pool to allocate from
1362  * @size: size of block to allocate
1363  *
1364  * On success, handle to the allocated object is returned,
1365  * otherwise 0.
1366  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1367  */
1368 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1369 {
1370         unsigned long handle, obj;
1371         struct size_class *class;
1372         struct page *first_page;
1373
1374         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1375                 return 0;
1376
1377         handle = alloc_handle(pool);
1378         if (!handle)
1379                 return 0;
1380
1381         /* extra space in chunk to keep the handle */
1382         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1383         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1384
1385         spin_lock(&class->lock);
1386         first_page = find_get_zspage(class);
1387
1388         if (!first_page) {
1389                 spin_unlock(&class->lock);
1390                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1391                 if (unlikely(!first_page)) {
1392                         free_handle(pool, handle);
1393                         return 0;
1394                 }
1395
1396                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1397                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1398                                         &pool->pages_allocated);
1399
1400                 spin_lock(&class->lock);
1401                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1402                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1403         }
1404
1405         obj = obj_malloc(first_page, class, handle);
1406         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1407         fix_fullness_group(class, first_page);
1408         record_obj(handle, obj);
1409         spin_unlock(&class->lock);
1410
1411         return handle;
1412 }
1413 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1414
1415 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1416                         unsigned long obj)
1417 {
1418         struct link_free *link;
1419         struct page *first_page, *f_page;
1420         unsigned long f_objidx, f_offset;
1421         void *vaddr;
1422         int class_idx;
1423         enum fullness_group fullness;
1424
1425         BUG_ON(!obj);
1426
1427         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1428         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1429         first_page = get_first_page(f_page);
1430
1431         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1432         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1433
1434         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1435
1436         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1437         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1438         link->next = first_page->freelist;
1439         if (class->huge)
1440                 set_page_private(first_page, 0);
1441         kunmap_atomic(vaddr);
1442         first_page->freelist = (void *)obj;
1443         first_page->inuse--;
1444         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1445 }
1446
1447 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1448 {
1449         struct page *first_page, *f_page;
1450         unsigned long obj, f_objidx;
1451         int class_idx;
1452         struct size_class *class;
1453         enum fullness_group fullness;
1454
1455         if (unlikely(!handle))
1456                 return;
1457
1458         pin_tag(handle);
1459         obj = handle_to_obj(handle);
1460         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1461         first_page = get_first_page(f_page);
1462
1463         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1464         class = pool->size_class[class_idx];
1465
1466         spin_lock(&class->lock);
1467         obj_free(pool, class, obj);
1468         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1469         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1470                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1471                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1472                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1473                                 &pool->pages_allocated);
1474                 free_zspage(first_page);
1475         }
1476         spin_unlock(&class->lock);
1477         unpin_tag(handle);
1478
1479         free_handle(pool, handle);
1480 }
1481 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1482
1483 static void zs_object_copy(unsigned long dst, unsigned long src,
1484                                 struct size_class *class)
1485 {
1486         struct page *s_page, *d_page;
1487         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1488         unsigned long s_off, d_off;
1489         void *s_addr, *d_addr;
1490         int s_size, d_size, size;
1491         int written = 0;
1492
1493         s_size = d_size = class->size;
1494
1495         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1496         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1497
1498         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1499         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1500
1501         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1502                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1503
1504         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1505                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1506
1507         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1508         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1509
1510         while (1) {
1511                 size = min(s_size, d_size);
1512                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1513                 written += size;
1514
1515                 if (written == class->size)
1516                         break;
1517
1518                 s_off += size;
1519                 s_size -= size;
1520                 d_off += size;
1521                 d_size -= size;
1522
1523                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1524                         kunmap_atomic(d_addr);
1525                         kunmap_atomic(s_addr);
1526                         s_page = get_next_page(s_page);
1527                         BUG_ON(!s_page);
1528                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1529                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1530                         s_size = class->size - written;
1531                         s_off = 0;
1532                 }
1533
1534                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1535                         kunmap_atomic(d_addr);
1536                         d_page = get_next_page(d_page);
1537                         BUG_ON(!d_page);
1538                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1539                         d_size = class->size - written;
1540                         d_off = 0;
1541                 }
1542         }
1543
1544         kunmap_atomic(d_addr);
1545         kunmap_atomic(s_addr);
1546 }
1547
1548 /*
1549  * Find alloced object in zspage from index object and
1550  * return handle.
1551  */
1552 static unsigned long find_alloced_obj(struct page *page, int index,
1553                                         struct size_class *class)
1554 {
1555         unsigned long head;
1556         int offset = 0;
1557         unsigned long handle = 0;
1558         void *addr = kmap_atomic(page);
1559
1560         if (!is_first_page(page))
1561                 offset = page->index;
1562         offset += class->size * index;
1563
1564         while (offset < PAGE_SIZE) {
1565                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1566                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1567                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1568                         if (trypin_tag(handle))
1569                                 break;
1570                         handle = 0;
1571                 }
1572
1573                 offset += class->size;
1574                 index++;
1575         }
1576
1577         kunmap_atomic(addr);
1578         return handle;
1579 }
1580
1581 struct zs_compact_control {
1582         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1583         struct page *s_page;
1584         /* Destination page for migration which should be a first page
1585          * of zspage. */
1586         struct page *d_page;
1587          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1588           * in the subpage. */
1589         int index;
1590 };
1591
1592 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1593                                 struct zs_compact_control *cc)
1594 {
1595         unsigned long used_obj, free_obj;
1596         unsigned long handle;
1597         struct page *s_page = cc->s_page;
1598         struct page *d_page = cc->d_page;
1599         unsigned long index = cc->index;
1600         int ret = 0;
1601
1602         while (1) {
1603                 handle = find_alloced_obj(s_page, index, class);
1604                 if (!handle) {
1605                         s_page = get_next_page(s_page);
1606                         if (!s_page)
1607                                 break;
1608                         index = 0;
1609                         continue;
1610                 }
1611
1612                 /* Stop if there is no more space */
1613                 if (zspage_full(d_page)) {
1614                         unpin_tag(handle);
1615                         ret = -ENOMEM;
1616                         break;
1617                 }
1618
1619                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1620                 free_obj = obj_malloc(d_page, class, handle);
1621                 zs_object_copy(free_obj, used_obj, class);
1622                 index++;
1623                 record_obj(handle, free_obj);
1624                 unpin_tag(handle);
1625                 obj_free(pool, class, used_obj);
1626         }
1627
1628         /* Remember last position in this iteration */
1629         cc->s_page = s_page;
1630         cc->index = index;
1631
1632         return ret;
1633 }
1634
1635 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1636 {
1637         int i;
1638         struct page *page;
1639
1640         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1641                 page = class->fullness_list[i];
1642                 if (page) {
1643                         remove_zspage(page, class, i);
1644                         break;
1645                 }
1646         }
1647
1648         return page;
1649 }
1650
1651 /*
1652  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1653  * @pool: target pool
1654  * @class: destination class
1655  * @first_page: target page
1656  *
1657  * Return @fist_page's fullness_group
1658  */
1659 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1660                         struct size_class *class,
1661                         struct page *first_page)
1662 {
1663         enum fullness_group fullness;
1664
1665         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
1666
1667         fullness = get_fullness_group(first_page);
1668         insert_zspage(first_page, class, fullness);
1669         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1670
1671         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1672                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1673                         class->size, class->pages_per_zspage));
1674                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1675                                 &pool->pages_allocated);
1676
1677                 free_zspage(first_page);
1678         }
1679
1680         return fullness;
1681 }
1682
1683 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1684 {
1685         struct page *page;
1686
1687         page = class->fullness_list[ZS_ALMOST_EMPTY];
1688         if (page)
1689                 remove_zspage(page, class, ZS_ALMOST_EMPTY);
1690
1691         return page;
1692 }
1693
1694 /*
1695  *
1696  * Based on the number of unused allocated objects calculate
1697  * and return the number of pages that we can free.
1698  *
1699  * Should be called under class->lock.
1700  */
1701 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class)
1702 {
1703         unsigned long obj_wasted;
1704
1705         if (!zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY))
1706                 return 0;
1707
1708         obj_wasted = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED) -
1709                 zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1710
1711         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1712                         class->pages_per_zspage);
1713
1714         return obj_wasted * get_pages_per_zspage(class->size);
1715 }
1716
1717 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1718 {
1719         struct zs_compact_control cc;
1720         struct page *src_page;
1721         struct page *dst_page = NULL;
1722
1723         spin_lock(&class->lock);
1724         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1725
1726                 BUG_ON(!is_first_page(src_page));
1727
1728                 if (!zs_can_compact(class))
1729                         break;
1730
1731                 cc.index = 0;
1732                 cc.s_page = src_page;
1733
1734                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1735                         cc.d_page = dst_page;
1736                         /*
1737                          * If there is no more space in dst_page, resched
1738                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1739                          */
1740                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1741                                 break;
1742
1743                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1744                 }
1745
1746                 /* Stop if we couldn't find slot */
1747                 if (dst_page == NULL)
1748                         break;
1749
1750                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1751                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1752                         pool->stats.pages_compacted +=
1753                                 get_pages_per_zspage(class->size);
1754                 spin_unlock(&class->lock);
1755                 cond_resched();
1756                 spin_lock(&class->lock);
1757         }
1758
1759         if (src_page)
1760                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1761
1762         spin_unlock(&class->lock);
1763 }
1764
1765 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1766 {
1767         int i;
1768         struct size_class *class;
1769
1770         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1771                 class = pool->size_class[i];
1772                 if (!class)
1773                         continue;
1774                 if (class->index != i)
1775                         continue;
1776                 __zs_compact(pool, class);
1777         }
1778
1779         return pool->stats.pages_compacted;
1780 }
1781 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1782
1783 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1784 {
1785         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1786 }
1787 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1788
1789 static unsigned long zs_shrinker_scan(struct shrinker *shrinker,
1790                 struct shrink_control *sc)
1791 {
1792         unsigned long pages_freed;
1793         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1794                         shrinker);
1795
1796         pages_freed = pool->stats.pages_compacted;
1797         /*
1798          * Compact classes and calculate compaction delta.
1799          * Can run concurrently with a manually triggered
1800          * (by user) compaction.
1801          */
1802         pages_freed = zs_compact(pool) - pages_freed;
1803
1804         return pages_freed ? pages_freed : SHRINK_STOP;
1805 }
1806
1807 static unsigned long zs_shrinker_count(struct shrinker *shrinker,
1808                 struct shrink_control *sc)
1809 {
1810         int i;
1811         struct size_class *class;
1812         unsigned long pages_to_free = 0;
1813         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1814                         shrinker);
1815
1816         if (!pool->shrinker_enabled)
1817                 return 0;
1818
1819         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1820                 class = pool->size_class[i];
1821                 if (!class)
1822                         continue;
1823                 if (class->index != i)
1824                         continue;
1825
1826                 spin_lock(&class->lock);
1827                 pages_to_free += zs_can_compact(class);
1828                 spin_unlock(&class->lock);
1829         }
1830
1831         return pages_to_free;
1832 }
1833
1834 static void zs_unregister_shrinker(struct zs_pool *pool)
1835 {
1836         if (pool->shrinker_enabled) {
1837                 unregister_shrinker(&pool->shrinker);
1838                 pool->shrinker_enabled = false;
1839         }
1840 }
1841
1842 static int zs_register_shrinker(struct zs_pool *pool)
1843 {
1844         pool->shrinker.scan_objects = zs_shrinker_scan;
1845         pool->shrinker.count_objects = zs_shrinker_count;
1846         pool->shrinker.batch = 0;
1847         pool->shrinker.seeks = DEFAULT_SEEKS;
1848
1849         return register_shrinker(&pool->shrinker);
1850 }
1851
1852 /**
1853  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1854  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1855  *
1856  * This function must be called before anything when using
1857  * the zsmalloc allocator.
1858  *
1859  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1860  * otherwise NULL.
1861  */
1862 struct zs_pool *zs_create_pool(char *name, gfp_t flags)
1863 {
1864         int i;
1865         struct zs_pool *pool;
1866         struct size_class *prev_class = NULL;
1867
1868         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1869         if (!pool)
1870                 return NULL;
1871
1872         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1873                         GFP_KERNEL);
1874         if (!pool->size_class) {
1875                 kfree(pool);
1876                 return NULL;
1877         }
1878
1879         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1880         if (!pool->name)
1881                 goto err;
1882
1883         if (create_handle_cache(pool))
1884                 goto err;
1885
1886         /*
1887          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1888          * for merging should be larger or equal to current size.
1889          */
1890         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1891                 int size;
1892                 int pages_per_zspage;
1893                 struct size_class *class;
1894
1895                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1896                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1897                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1898                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1899
1900                 /*
1901                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1902                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1903                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1904                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1905                  * many different sizes whose size_class have same
1906                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1907                  * previous size_class if possible.
1908                  */
1909                 if (prev_class) {
1910                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1911                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1912                                 continue;
1913                         }
1914                 }
1915
1916                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1917                 if (!class)
1918                         goto err;
1919
1920                 class->size = size;
1921                 class->index = i;
1922                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1923                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1924                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1925                         class->huge = true;
1926                 spin_lock_init(&class->lock);
1927                 pool->size_class[i] = class;
1928
1929                 prev_class = class;
1930         }
1931
1932         pool->flags = flags;
1933
1934         if (zs_pool_stat_create(name, pool))
1935                 goto err;
1936
1937         /*
1938          * Not critical, we still can use the pool
1939          * and user can trigger compaction manually.
1940          */
1941         if (zs_register_shrinker(pool) == 0)
1942                 pool->shrinker_enabled = true;
1943         return pool;
1944
1945 err:
1946         zs_destroy_pool(pool);
1947         return NULL;
1948 }
1949 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1950
1951 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1952 {
1953         int i;
1954
1955         zs_unregister_shrinker(pool);
1956         zs_pool_stat_destroy(pool);
1957
1958         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1959                 int fg;
1960                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1961
1962                 if (!class)
1963                         continue;
1964
1965                 if (class->index != i)
1966                         continue;
1967
1968                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1969                         if (class->fullness_list[fg]) {
1970                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1971                                         class->size, fg);
1972                         }
1973                 }
1974                 kfree(class);
1975         }
1976
1977         destroy_handle_cache(pool);
1978         kfree(pool->size_class);
1979         kfree(pool->name);
1980         kfree(pool);
1981 }
1982 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
1983
1984 static int __init zs_init(void)
1985 {
1986         int ret = zs_register_cpu_notifier();
1987
1988         if (ret)
1989                 goto notifier_fail;
1990
1991         init_zs_size_classes();
1992
1993 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1994         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
1995 #endif
1996
1997         ret = zs_stat_init();
1998         if (ret) {
1999                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
2000                 goto stat_fail;
2001         }
2002         return 0;
2003
2004 stat_fail:
2005 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2006         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2007 #endif
2008 notifier_fail:
2009         zs_unregister_cpu_notifier();
2010
2011         return ret;
2012 }
2013
2014 static void __exit zs_exit(void)
2015 {
2016 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2017         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2018 #endif
2019         zs_unregister_cpu_notifier();
2020
2021         zs_stat_exit();
2022 }
2023
2024 module_init(zs_init);
2025 module_exit(zs_exit);
2026
2027 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
2028 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");