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