eeprom: at24: split at24_eeprom_write() into specialized functions
[cascardo/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->private: 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: refers to the component page after the first page
30  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
31  *              Look at size_class->huge.
32  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
33  *              Free objects are linked together using in-place
34  *              metadata.
35  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
36  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
37  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
38  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
39  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
40  *      page->inuse: the number of objects that are used in this 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 #define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt
49
50 #include <linux/module.h>
51 #include <linux/kernel.h>
52 #include <linux/sched.h>
53 #include <linux/bitops.h>
54 #include <linux/errno.h>
55 #include <linux/highmem.h>
56 #include <linux/string.h>
57 #include <linux/slab.h>
58 #include <asm/tlbflush.h>
59 #include <asm/pgtable.h>
60 #include <linux/cpumask.h>
61 #include <linux/cpu.h>
62 #include <linux/vmalloc.h>
63 #include <linux/preempt.h>
64 #include <linux/spinlock.h>
65 #include <linux/types.h>
66 #include <linux/debugfs.h>
67 #include <linux/zsmalloc.h>
68 #include <linux/zpool.h>
69
70 /*
71  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
72  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
73  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
74  * to restore link_free pointer values.
75  */
76 #define ZS_ALIGN                8
77
78 /*
79  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
80  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
81  */
82 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
83 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
84
85 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
86
87 /*
88  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
89  * as single (unsigned long) handle value.
90  *
91  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
92  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
93  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
94  *
95  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
96  */
97
98 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
99 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
100 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
101 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
102 /*
103  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
104  * be PAGE_SHIFT
105  */
106 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
107 #endif
108 #endif
109 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
110
111 /*
112  * Memory for allocating for handle keeps object position by
113  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
114  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
115  * We use the bit to synchronize between object access by
116  * user and migration.
117  */
118 #define HANDLE_PIN_BIT  0
119
120 /*
121  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
122  * to identify the object was allocated or not.
123  * It's okay to add the status bit in the least bit because
124  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
125  * have room for two bit at least.
126  */
127 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
128 #define OBJ_TAG_BITS 1
129 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
130 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
131
132 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
133 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
134 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
135         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
136 /* each chunk includes extra space to keep handle */
137 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
138
139 /*
140  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
141  * trader-off here:
142  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
143  *    spread across these classes
144  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
145  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
146  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
147  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
148  *
149  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
150  *  (reason above)
151  */
152 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
153
154 /*
155  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
156  */
157 enum fullness_group {
158         ZS_ALMOST_FULL,
159         ZS_ALMOST_EMPTY,
160         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
161
162         ZS_EMPTY,
163         ZS_FULL
164 };
165
166 enum zs_stat_type {
167         OBJ_ALLOCATED,
168         OBJ_USED,
169         CLASS_ALMOST_FULL,
170         CLASS_ALMOST_EMPTY,
171 };
172
173 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
174 #define NR_ZS_STAT_TYPE (CLASS_ALMOST_EMPTY + 1)
175 #else
176 #define NR_ZS_STAT_TYPE (OBJ_USED + 1)
177 #endif
178
179 struct zs_size_stat {
180         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
181 };
182
183 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
184 static struct dentry *zs_stat_root;
185 #endif
186
187 /*
188  * number of size_classes
189  */
190 static int zs_size_classes;
191
192 /*
193  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
194  *      n <= N / f, where
195  * n = number of allocated objects
196  * N = total number of objects zspage can store
197  * f = fullness_threshold_frac
198  *
199  * Similarly, we assign zspage to:
200  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
201  *      ZS_EMPTY        when n == 0
202  *      ZS_FULL         when n == N
203  *
204  * (see: fix_fullness_group())
205  */
206 static const int fullness_threshold_frac = 4;
207
208 struct size_class {
209         spinlock_t lock;
210         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
211         /*
212          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
213          * of ZS_ALIGN.
214          */
215         int size;
216         unsigned int index;
217
218         struct zs_size_stat stats;
219
220         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
221         int pages_per_zspage;
222         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
223         bool huge;
224 };
225
226 /*
227  * Placed within free objects to form a singly linked list.
228  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
229  *
230  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
231  */
232 struct link_free {
233         union {
234                 /*
235                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
236                  * It's valid for non-allocated object
237                  */
238                 void *next;
239                 /*
240                  * Handle of allocated object.
241                  */
242                 unsigned long handle;
243         };
244 };
245
246 struct zs_pool {
247         const char *name;
248
249         struct size_class **size_class;
250         struct kmem_cache *handle_cachep;
251
252         atomic_long_t pages_allocated;
253
254         struct zs_pool_stats stats;
255
256         /* Compact classes */
257         struct shrinker shrinker;
258         /*
259          * To signify that register_shrinker() was successful
260          * and unregister_shrinker() will not Oops.
261          */
262         bool shrinker_enabled;
263 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
264         struct dentry *stat_dentry;
265 #endif
266 };
267
268 /*
269  * A zspage's class index and fullness group
270  * are encoded in its (first)page->mapping
271  */
272 #define CLASS_IDX_BITS  28
273 #define FULLNESS_BITS   4
274 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
275 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
276
277 struct mapping_area {
278 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
279         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
280 #else
281         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
282 #endif
283         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
284         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
285 };
286
287 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
288 {
289         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
290                                         0, 0, NULL);
291         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
292 }
293
294 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
295 {
296         kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
297 }
298
299 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool, gfp_t gfp)
300 {
301         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
302                         gfp & ~__GFP_HIGHMEM);
303 }
304
305 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
306 {
307         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
308 }
309
310 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
311 {
312         /*
313          * lsb of @obj represents handle lock while other bits
314          * represent object value the handle is pointing so
315          * updating shouldn't do store tearing.
316          */
317         WRITE_ONCE(*(unsigned long *)handle, obj);
318 }
319
320 /* zpool driver */
321
322 #ifdef CONFIG_ZPOOL
323
324 static void *zs_zpool_create(const char *name, gfp_t gfp,
325                              const struct zpool_ops *zpool_ops,
326                              struct zpool *zpool)
327 {
328         /*
329          * Ignore global gfp flags: zs_malloc() may be invoked from
330          * different contexts and its caller must provide a valid
331          * gfp mask.
332          */
333         return zs_create_pool(name);
334 }
335
336 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
337 {
338         zs_destroy_pool(pool);
339 }
340
341 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
342                         unsigned long *handle)
343 {
344         *handle = zs_malloc(pool, size, gfp);
345         return *handle ? 0 : -1;
346 }
347 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
348 {
349         zs_free(pool, handle);
350 }
351
352 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
353                         unsigned int *reclaimed)
354 {
355         return -EINVAL;
356 }
357
358 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
359                         enum zpool_mapmode mm)
360 {
361         enum zs_mapmode zs_mm;
362
363         switch (mm) {
364         case ZPOOL_MM_RO:
365                 zs_mm = ZS_MM_RO;
366                 break;
367         case ZPOOL_MM_WO:
368                 zs_mm = ZS_MM_WO;
369                 break;
370         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
371         default:
372                 zs_mm = ZS_MM_RW;
373                 break;
374         }
375
376         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
377 }
378 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
379 {
380         zs_unmap_object(pool, handle);
381 }
382
383 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
384 {
385         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
386 }
387
388 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
389         .type =         "zsmalloc",
390         .owner =        THIS_MODULE,
391         .create =       zs_zpool_create,
392         .destroy =      zs_zpool_destroy,
393         .malloc =       zs_zpool_malloc,
394         .free =         zs_zpool_free,
395         .shrink =       zs_zpool_shrink,
396         .map =          zs_zpool_map,
397         .unmap =        zs_zpool_unmap,
398         .total_size =   zs_zpool_total_size,
399 };
400
401 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
402 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
403
404 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
405 {
406         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
407 }
408
409 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
410 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
411
412 static int is_first_page(struct page *page)
413 {
414         return PagePrivate(page);
415 }
416
417 static int is_last_page(struct page *page)
418 {
419         return PagePrivate2(page);
420 }
421
422 static void get_zspage_mapping(struct page *first_page,
423                                 unsigned int *class_idx,
424                                 enum fullness_group *fullness)
425 {
426         unsigned long m;
427         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
428
429         m = (unsigned long)first_page->mapping;
430         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
431         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
432 }
433
434 static void set_zspage_mapping(struct page *first_page,
435                                 unsigned int class_idx,
436                                 enum fullness_group fullness)
437 {
438         unsigned long m;
439         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
440
441         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
442                         (fullness & FULLNESS_MASK);
443         first_page->mapping = (struct address_space *)m;
444 }
445
446 /*
447  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
448  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
449  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
450  * classes depending on its size. This function returns index of the
451  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
452  */
453 static int get_size_class_index(int size)
454 {
455         int idx = 0;
456
457         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
458                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
459                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
460
461         return min(zs_size_classes - 1, idx);
462 }
463
464 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
465                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
466 {
467         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
468                 class->stats.objs[type] += cnt;
469 }
470
471 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
472                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
473 {
474         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
475                 class->stats.objs[type] -= cnt;
476 }
477
478 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
479                                 enum zs_stat_type type)
480 {
481         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
482                 return class->stats.objs[type];
483         return 0;
484 }
485
486 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
487
488 static void __init zs_stat_init(void)
489 {
490         if (!debugfs_initialized()) {
491                 pr_warn("debugfs not available, stat dir not created\n");
492                 return;
493         }
494
495         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
496         if (!zs_stat_root)
497                 pr_warn("debugfs 'zsmalloc' stat dir creation failed\n");
498 }
499
500 static void __exit zs_stat_exit(void)
501 {
502         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
503 }
504
505 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class);
506
507 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
508 {
509         int i;
510         struct zs_pool *pool = s->private;
511         struct size_class *class;
512         int objs_per_zspage;
513         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
514         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used, freeable;
515         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
516         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
517         unsigned long total_freeable = 0;
518
519         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s %8s\n",
520                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
521                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
522                         "pages_per_zspage", "freeable");
523
524         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
525                 class = pool->size_class[i];
526
527                 if (class->index != i)
528                         continue;
529
530                 spin_lock(&class->lock);
531                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
532                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
533                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
534                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
535                 freeable = zs_can_compact(class);
536                 spin_unlock(&class->lock);
537
538                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
539                                 class->pages_per_zspage);
540                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
541                                 class->pages_per_zspage;
542
543                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu"
544                                 " %10lu %10lu %16d %8lu\n",
545                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
546                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
547                         class->pages_per_zspage, freeable);
548
549                 total_class_almost_full += class_almost_full;
550                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
551                 total_objs += obj_allocated;
552                 total_used_objs += obj_used;
553                 total_pages += pages_used;
554                 total_freeable += freeable;
555         }
556
557         seq_puts(s, "\n");
558         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16s %8lu\n",
559                         "Total", "", total_class_almost_full,
560                         total_class_almost_empty, total_objs,
561                         total_used_objs, total_pages, "", total_freeable);
562
563         return 0;
564 }
565
566 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
567 {
568         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
569 }
570
571 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
572         .open           = zs_stats_size_open,
573         .read           = seq_read,
574         .llseek         = seq_lseek,
575         .release        = single_release,
576 };
577
578 static void zs_pool_stat_create(struct zs_pool *pool, const char *name)
579 {
580         struct dentry *entry;
581
582         if (!zs_stat_root) {
583                 pr_warn("no root stat dir, not creating <%s> stat dir\n", name);
584                 return;
585         }
586
587         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
588         if (!entry) {
589                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
590                 return;
591         }
592         pool->stat_dentry = entry;
593
594         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
595                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
596         if (!entry) {
597                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
598                                 name, "classes");
599                 debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
600                 pool->stat_dentry = NULL;
601         }
602 }
603
604 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
605 {
606         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
607 }
608
609 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
610 static void __init zs_stat_init(void)
611 {
612 }
613
614 static void __exit zs_stat_exit(void)
615 {
616 }
617
618 static inline void zs_pool_stat_create(struct zs_pool *pool, const char *name)
619 {
620 }
621
622 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
623 {
624 }
625 #endif
626
627 /*
628  * For each size class, zspages are divided into different groups
629  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
630  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
631  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
632  * status of the given page.
633  */
634 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *first_page)
635 {
636         int inuse, max_objects;
637         enum fullness_group fg;
638
639         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
640
641         inuse = first_page->inuse;
642         max_objects = first_page->objects;
643
644         if (inuse == 0)
645                 fg = ZS_EMPTY;
646         else if (inuse == max_objects)
647                 fg = ZS_FULL;
648         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
649                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
650         else
651                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
652
653         return fg;
654 }
655
656 /*
657  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
658  * to one of these freelists based on the number of live objects they
659  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
660  * identified by <class, fullness_group>.
661  */
662 static void insert_zspage(struct size_class *class,
663                                 enum fullness_group fullness,
664                                 struct page *first_page)
665 {
666         struct page **head;
667
668         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
669
670         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
671                 return;
672
673         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
674                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
675
676         head = &class->fullness_list[fullness];
677         if (!*head) {
678                 *head = first_page;
679                 return;
680         }
681
682         /*
683          * We want to see more ZS_FULL pages and less almost
684          * empty/full. Put pages with higher ->inuse first.
685          */
686         list_add_tail(&first_page->lru, &(*head)->lru);
687         if (first_page->inuse >= (*head)->inuse)
688                 *head = first_page;
689 }
690
691 /*
692  * This function removes the given zspage from the freelist identified
693  * by <class, fullness_group>.
694  */
695 static void remove_zspage(struct size_class *class,
696                                 enum fullness_group fullness,
697                                 struct page *first_page)
698 {
699         struct page **head;
700
701         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
702
703         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
704                 return;
705
706         head = &class->fullness_list[fullness];
707         VM_BUG_ON_PAGE(!*head, first_page);
708         if (list_empty(&(*head)->lru))
709                 *head = NULL;
710         else if (*head == first_page)
711                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
712                                         struct page, lru);
713
714         list_del_init(&first_page->lru);
715         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
716                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
717 }
718
719 /*
720  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
721  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
722  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
723  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
724  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
725  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
726  * fullness group.
727  */
728 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
729                                                 struct page *first_page)
730 {
731         int class_idx;
732         enum fullness_group currfg, newfg;
733
734         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &currfg);
735         newfg = get_fullness_group(first_page);
736         if (newfg == currfg)
737                 goto out;
738
739         remove_zspage(class, currfg, first_page);
740         insert_zspage(class, newfg, first_page);
741         set_zspage_mapping(first_page, class_idx, newfg);
742
743 out:
744         return newfg;
745 }
746
747 /*
748  * We have to decide on how many pages to link together
749  * to form a zspage for each size class. This is important
750  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
751  * each zspage which is given as:
752  *     wastage = Zp % class_size
753  *     usage = Zp - wastage
754  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
755  *
756  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
757  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
758  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
759  */
760 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
761 {
762         int i, max_usedpc = 0;
763         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
764         int max_usedpc_order = 1;
765
766         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
767                 int zspage_size;
768                 int waste, usedpc;
769
770                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
771                 waste = zspage_size % class_size;
772                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
773
774                 if (usedpc > max_usedpc) {
775                         max_usedpc = usedpc;
776                         max_usedpc_order = i;
777                 }
778         }
779
780         return max_usedpc_order;
781 }
782
783 /*
784  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
785  * linked together using fields in struct page. This function finds
786  * the first/head page, given any component page of a zspage.
787  */
788 static struct page *get_first_page(struct page *page)
789 {
790         if (is_first_page(page))
791                 return page;
792         else
793                 return (struct page *)page_private(page);
794 }
795
796 static struct page *get_next_page(struct page *page)
797 {
798         struct page *next;
799
800         if (is_last_page(page))
801                 next = NULL;
802         else if (is_first_page(page))
803                 next = (struct page *)page_private(page);
804         else
805                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
806
807         return next;
808 }
809
810 /*
811  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
812  * We use the least bit of handle for tagging.
813  */
814 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
815 {
816         unsigned long obj;
817
818         if (!page) {
819                 VM_BUG_ON(obj_idx);
820                 return NULL;
821         }
822
823         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
824         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
825         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
826
827         return (void *)obj;
828 }
829
830 /*
831  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
832  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
833  * location_to_obj().
834  */
835 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
836                                 unsigned long *obj_idx)
837 {
838         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
839         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
840         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
841 }
842
843 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
844 {
845         return *(unsigned long *)handle;
846 }
847
848 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
849                         void *obj)
850 {
851         if (class->huge) {
852                 VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(page), page);
853                 return page_private(page);
854         } else
855                 return *(unsigned long *)obj;
856 }
857
858 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
859                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
860 {
861         unsigned long off = 0;
862
863         if (!is_first_page(page))
864                 off = page->index;
865
866         return off + obj_idx * class_size;
867 }
868
869 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
870 {
871         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
872
873         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
874 }
875
876 static void pin_tag(unsigned long handle)
877 {
878         while (!trypin_tag(handle));
879 }
880
881 static void unpin_tag(unsigned long handle)
882 {
883         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
884
885         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
886 }
887
888 static void reset_page(struct page *page)
889 {
890         clear_bit(PG_private, &page->flags);
891         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
892         set_page_private(page, 0);
893         page->mapping = NULL;
894         page->freelist = NULL;
895         page_mapcount_reset(page);
896 }
897
898 static void free_zspage(struct page *first_page)
899 {
900         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
901
902         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
903         VM_BUG_ON_PAGE(first_page->inuse, first_page);
904
905         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
906
907         reset_page(first_page);
908         __free_page(first_page);
909
910         /* zspage with only 1 system page */
911         if (!head_extra)
912                 return;
913
914         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
915                 list_del(&nextp->lru);
916                 reset_page(nextp);
917                 __free_page(nextp);
918         }
919         reset_page(head_extra);
920         __free_page(head_extra);
921 }
922
923 /* Initialize a newly allocated zspage */
924 static void init_zspage(struct size_class *class, struct page *first_page)
925 {
926         unsigned long off = 0;
927         struct page *page = first_page;
928
929         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
930
931         while (page) {
932                 struct page *next_page;
933                 struct link_free *link;
934                 unsigned int i = 1;
935                 void *vaddr;
936
937                 /*
938                  * page->index stores offset of first object starting
939                  * in the page. For the first page, this is always 0,
940                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
941                  * head of corresponding zspage's freelist.
942                  */
943                 if (page != first_page)
944                         page->index = off;
945
946                 vaddr = kmap_atomic(page);
947                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
948
949                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
950                         link->next = location_to_obj(page, i++);
951                         link += class->size / sizeof(*link);
952                 }
953
954                 /*
955                  * We now come to the last (full or partial) object on this
956                  * page, which must point to the first object on the next
957                  * page (if present)
958                  */
959                 next_page = get_next_page(page);
960                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
961                 kunmap_atomic(vaddr);
962                 page = next_page;
963                 off %= PAGE_SIZE;
964         }
965 }
966
967 /*
968  * Allocate a zspage for the given size class
969  */
970 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
971 {
972         int i, error;
973         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
974
975         /*
976          * Allocate individual pages and link them together as:
977          * 1. first page->private = first sub-page
978          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
979          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->private
980          *
981          * For each size class, First/Head pages are linked together using
982          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
983          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
984          * identify the last page.
985          */
986         error = -ENOMEM;
987         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
988                 struct page *page;
989
990                 page = alloc_page(flags);
991                 if (!page)
992                         goto cleanup;
993
994                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
995                 if (i == 0) {   /* first page */
996                         SetPagePrivate(page);
997                         set_page_private(page, 0);
998                         first_page = page;
999                         first_page->inuse = 0;
1000                 }
1001                 if (i == 1)
1002                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
1003                 if (i >= 1)
1004                         set_page_private(page, (unsigned long)first_page);
1005                 if (i >= 2)
1006                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
1007                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
1008                         SetPagePrivate2(page);
1009                 prev_page = page;
1010         }
1011
1012         init_zspage(class, first_page);
1013
1014         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
1015         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
1016         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
1017
1018         error = 0; /* Success */
1019
1020 cleanup:
1021         if (unlikely(error) && first_page) {
1022                 free_zspage(first_page);
1023                 first_page = NULL;
1024         }
1025
1026         return first_page;
1027 }
1028
1029 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1030 {
1031         int i;
1032         struct page *page;
1033
1034         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1035                 page = class->fullness_list[i];
1036                 if (page)
1037                         break;
1038         }
1039
1040         return page;
1041 }
1042
1043 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1044 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1045 {
1046         /*
1047          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1048          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1049          */
1050         if (area->vm)
1051                 return 0;
1052         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1053         if (!area->vm)
1054                 return -ENOMEM;
1055         return 0;
1056 }
1057
1058 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1059 {
1060         if (area->vm)
1061                 free_vm_area(area->vm);
1062         area->vm = NULL;
1063 }
1064
1065 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1066                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1067 {
1068         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1069         area->vm_addr = area->vm->addr;
1070         return area->vm_addr + off;
1071 }
1072
1073 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1074                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1075 {
1076         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1077
1078         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1079 }
1080
1081 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1082
1083 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1084 {
1085         /*
1086          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1087          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1088          */
1089         if (area->vm_buf)
1090                 return 0;
1091         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1092         if (!area->vm_buf)
1093                 return -ENOMEM;
1094         return 0;
1095 }
1096
1097 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1098 {
1099         kfree(area->vm_buf);
1100         area->vm_buf = NULL;
1101 }
1102
1103 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1104                         struct page *pages[2], int off, int size)
1105 {
1106         int sizes[2];
1107         void *addr;
1108         char *buf = area->vm_buf;
1109
1110         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1111         pagefault_disable();
1112
1113         /* no read fastpath */
1114         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1115                 goto out;
1116
1117         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1118         sizes[1] = size - sizes[0];
1119
1120         /* copy object to per-cpu buffer */
1121         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1122         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1123         kunmap_atomic(addr);
1124         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1125         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1126         kunmap_atomic(addr);
1127 out:
1128         return area->vm_buf;
1129 }
1130
1131 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1132                         struct page *pages[2], int off, int size)
1133 {
1134         int sizes[2];
1135         void *addr;
1136         char *buf;
1137
1138         /* no write fastpath */
1139         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1140                 goto out;
1141
1142         buf = area->vm_buf;
1143         buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1144         size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1145         off += ZS_HANDLE_SIZE;
1146
1147         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1148         sizes[1] = size - sizes[0];
1149
1150         /* copy per-cpu buffer to object */
1151         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1152         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1153         kunmap_atomic(addr);
1154         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1155         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1156         kunmap_atomic(addr);
1157
1158 out:
1159         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1160         pagefault_enable();
1161 }
1162
1163 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1164
1165 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1166                                 void *pcpu)
1167 {
1168         int ret, cpu = (long)pcpu;
1169         struct mapping_area *area;
1170
1171         switch (action) {
1172         case CPU_UP_PREPARE:
1173                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1174                 ret = __zs_cpu_up(area);
1175                 if (ret)
1176                         return notifier_from_errno(ret);
1177                 break;
1178         case CPU_DEAD:
1179         case CPU_UP_CANCELED:
1180                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1181                 __zs_cpu_down(area);
1182                 break;
1183         }
1184
1185         return NOTIFY_OK;
1186 }
1187
1188 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1189         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1190 };
1191
1192 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1193 {
1194         int cpu, uninitialized_var(ret);
1195
1196         cpu_notifier_register_begin();
1197
1198         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1199         for_each_online_cpu(cpu) {
1200                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1201                 if (notifier_to_errno(ret))
1202                         break;
1203         }
1204
1205         cpu_notifier_register_done();
1206         return notifier_to_errno(ret);
1207 }
1208
1209 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1210 {
1211         int cpu;
1212
1213         cpu_notifier_register_begin();
1214
1215         for_each_online_cpu(cpu)
1216                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1217         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1218
1219         cpu_notifier_register_done();
1220 }
1221
1222 static void init_zs_size_classes(void)
1223 {
1224         int nr;
1225
1226         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1227         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1228                 nr += 1;
1229
1230         zs_size_classes = nr;
1231 }
1232
1233 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1234 {
1235         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1236                 return false;
1237
1238         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1239                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1240                 return false;
1241
1242         return true;
1243 }
1244
1245 static bool zspage_full(struct page *first_page)
1246 {
1247         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
1248
1249         return first_page->inuse == first_page->objects;
1250 }
1251
1252 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1253 {
1254         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1255 }
1256 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1257
1258 /**
1259  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1260  * @pool: pool from which the object was allocated
1261  * @handle: handle returned from zs_malloc
1262  *
1263  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1264  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1265  * zs_unmap_object.
1266  *
1267  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1268  * against nested mappings.
1269  *
1270  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1271  */
1272 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1273                         enum zs_mapmode mm)
1274 {
1275         struct page *page;
1276         unsigned long obj, obj_idx, off;
1277
1278         unsigned int class_idx;
1279         enum fullness_group fg;
1280         struct size_class *class;
1281         struct mapping_area *area;
1282         struct page *pages[2];
1283         void *ret;
1284
1285         /*
1286          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1287          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1288          * because it can corrupt another users mappings.
1289          */
1290         WARN_ON_ONCE(in_interrupt());
1291
1292         /* From now on, migration cannot move the object */
1293         pin_tag(handle);
1294
1295         obj = handle_to_obj(handle);
1296         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1297         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1298         class = pool->size_class[class_idx];
1299         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1300
1301         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1302         area->vm_mm = mm;
1303         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1304                 /* this object is contained entirely within a page */
1305                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1306                 ret = area->vm_addr + off;
1307                 goto out;
1308         }
1309
1310         /* this object spans two pages */
1311         pages[0] = page;
1312         pages[1] = get_next_page(page);
1313         BUG_ON(!pages[1]);
1314
1315         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1316 out:
1317         if (!class->huge)
1318                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1319
1320         return ret;
1321 }
1322 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1323
1324 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1325 {
1326         struct page *page;
1327         unsigned long obj, obj_idx, off;
1328
1329         unsigned int class_idx;
1330         enum fullness_group fg;
1331         struct size_class *class;
1332         struct mapping_area *area;
1333
1334         obj = handle_to_obj(handle);
1335         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1336         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1337         class = pool->size_class[class_idx];
1338         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1339
1340         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1341         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1342                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1343         else {
1344                 struct page *pages[2];
1345
1346                 pages[0] = page;
1347                 pages[1] = get_next_page(page);
1348                 BUG_ON(!pages[1]);
1349
1350                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1351         }
1352         put_cpu_var(zs_map_area);
1353         unpin_tag(handle);
1354 }
1355 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1356
1357 static unsigned long obj_malloc(struct size_class *class,
1358                                 struct page *first_page, unsigned long handle)
1359 {
1360         unsigned long obj;
1361         struct link_free *link;
1362
1363         struct page *m_page;
1364         unsigned long m_objidx, m_offset;
1365         void *vaddr;
1366
1367         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1368         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1369         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1370         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1371
1372         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1373         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1374         first_page->freelist = link->next;
1375         if (!class->huge)
1376                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1377                 link->handle = handle;
1378         else
1379                 /* record handle in first_page->private */
1380                 set_page_private(first_page, handle);
1381         kunmap_atomic(vaddr);
1382         first_page->inuse++;
1383         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1384
1385         return obj;
1386 }
1387
1388
1389 /**
1390  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1391  * @pool: pool to allocate from
1392  * @size: size of block to allocate
1393  *
1394  * On success, handle to the allocated object is returned,
1395  * otherwise 0.
1396  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1397  */
1398 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size, gfp_t gfp)
1399 {
1400         unsigned long handle, obj;
1401         struct size_class *class;
1402         struct page *first_page;
1403
1404         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1405                 return 0;
1406
1407         handle = alloc_handle(pool, gfp);
1408         if (!handle)
1409                 return 0;
1410
1411         /* extra space in chunk to keep the handle */
1412         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1413         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1414
1415         spin_lock(&class->lock);
1416         first_page = find_get_zspage(class);
1417
1418         if (!first_page) {
1419                 spin_unlock(&class->lock);
1420                 first_page = alloc_zspage(class, gfp);
1421                 if (unlikely(!first_page)) {
1422                         free_handle(pool, handle);
1423                         return 0;
1424                 }
1425
1426                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1427                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1428                                         &pool->pages_allocated);
1429
1430                 spin_lock(&class->lock);
1431                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1432                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1433         }
1434
1435         obj = obj_malloc(class, first_page, handle);
1436         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1437         fix_fullness_group(class, first_page);
1438         record_obj(handle, obj);
1439         spin_unlock(&class->lock);
1440
1441         return handle;
1442 }
1443 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1444
1445 static void obj_free(struct size_class *class, unsigned long obj)
1446 {
1447         struct link_free *link;
1448         struct page *first_page, *f_page;
1449         unsigned long f_objidx, f_offset;
1450         void *vaddr;
1451
1452         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1453         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1454         first_page = get_first_page(f_page);
1455
1456         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1457
1458         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1459
1460         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1461         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1462         link->next = first_page->freelist;
1463         if (class->huge)
1464                 set_page_private(first_page, 0);
1465         kunmap_atomic(vaddr);
1466         first_page->freelist = (void *)obj;
1467         first_page->inuse--;
1468         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1469 }
1470
1471 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1472 {
1473         struct page *first_page, *f_page;
1474         unsigned long obj, f_objidx;
1475         int class_idx;
1476         struct size_class *class;
1477         enum fullness_group fullness;
1478
1479         if (unlikely(!handle))
1480                 return;
1481
1482         pin_tag(handle);
1483         obj = handle_to_obj(handle);
1484         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1485         first_page = get_first_page(f_page);
1486
1487         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1488         class = pool->size_class[class_idx];
1489
1490         spin_lock(&class->lock);
1491         obj_free(class, obj);
1492         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1493         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1494                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1495                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1496                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1497                                 &pool->pages_allocated);
1498                 free_zspage(first_page);
1499         }
1500         spin_unlock(&class->lock);
1501         unpin_tag(handle);
1502
1503         free_handle(pool, handle);
1504 }
1505 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1506
1507 static void zs_object_copy(struct size_class *class, unsigned long dst,
1508                                 unsigned long src)
1509 {
1510         struct page *s_page, *d_page;
1511         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1512         unsigned long s_off, d_off;
1513         void *s_addr, *d_addr;
1514         int s_size, d_size, size;
1515         int written = 0;
1516
1517         s_size = d_size = class->size;
1518
1519         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1520         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1521
1522         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1523         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1524
1525         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1526                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1527
1528         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1529                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1530
1531         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1532         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1533
1534         while (1) {
1535                 size = min(s_size, d_size);
1536                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1537                 written += size;
1538
1539                 if (written == class->size)
1540                         break;
1541
1542                 s_off += size;
1543                 s_size -= size;
1544                 d_off += size;
1545                 d_size -= size;
1546
1547                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1548                         kunmap_atomic(d_addr);
1549                         kunmap_atomic(s_addr);
1550                         s_page = get_next_page(s_page);
1551                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1552                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1553                         s_size = class->size - written;
1554                         s_off = 0;
1555                 }
1556
1557                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1558                         kunmap_atomic(d_addr);
1559                         d_page = get_next_page(d_page);
1560                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1561                         d_size = class->size - written;
1562                         d_off = 0;
1563                 }
1564         }
1565
1566         kunmap_atomic(d_addr);
1567         kunmap_atomic(s_addr);
1568 }
1569
1570 /*
1571  * Find alloced object in zspage from index object and
1572  * return handle.
1573  */
1574 static unsigned long find_alloced_obj(struct size_class *class,
1575                                         struct page *page, int index)
1576 {
1577         unsigned long head;
1578         int offset = 0;
1579         unsigned long handle = 0;
1580         void *addr = kmap_atomic(page);
1581
1582         if (!is_first_page(page))
1583                 offset = page->index;
1584         offset += class->size * index;
1585
1586         while (offset < PAGE_SIZE) {
1587                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1588                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1589                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1590                         if (trypin_tag(handle))
1591                                 break;
1592                         handle = 0;
1593                 }
1594
1595                 offset += class->size;
1596                 index++;
1597         }
1598
1599         kunmap_atomic(addr);
1600         return handle;
1601 }
1602
1603 struct zs_compact_control {
1604         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1605         struct page *s_page;
1606         /* Destination page for migration which should be a first page
1607          * of zspage. */
1608         struct page *d_page;
1609          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1610           * in the subpage. */
1611         int index;
1612 };
1613
1614 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1615                                 struct zs_compact_control *cc)
1616 {
1617         unsigned long used_obj, free_obj;
1618         unsigned long handle;
1619         struct page *s_page = cc->s_page;
1620         struct page *d_page = cc->d_page;
1621         unsigned long index = cc->index;
1622         int ret = 0;
1623
1624         while (1) {
1625                 handle = find_alloced_obj(class, s_page, index);
1626                 if (!handle) {
1627                         s_page = get_next_page(s_page);
1628                         if (!s_page)
1629                                 break;
1630                         index = 0;
1631                         continue;
1632                 }
1633
1634                 /* Stop if there is no more space */
1635                 if (zspage_full(d_page)) {
1636                         unpin_tag(handle);
1637                         ret = -ENOMEM;
1638                         break;
1639                 }
1640
1641                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1642                 free_obj = obj_malloc(class, d_page, handle);
1643                 zs_object_copy(class, free_obj, used_obj);
1644                 index++;
1645                 /*
1646                  * record_obj updates handle's value to free_obj and it will
1647                  * invalidate lock bit(ie, HANDLE_PIN_BIT) of handle, which
1648                  * breaks synchronization using pin_tag(e,g, zs_free) so
1649                  * let's keep the lock bit.
1650                  */
1651                 free_obj |= BIT(HANDLE_PIN_BIT);
1652                 record_obj(handle, free_obj);
1653                 unpin_tag(handle);
1654                 obj_free(class, used_obj);
1655         }
1656
1657         /* Remember last position in this iteration */
1658         cc->s_page = s_page;
1659         cc->index = index;
1660
1661         return ret;
1662 }
1663
1664 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1665 {
1666         int i;
1667         struct page *page;
1668
1669         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1670                 page = class->fullness_list[i];
1671                 if (page) {
1672                         remove_zspage(class, i, page);
1673                         break;
1674                 }
1675         }
1676
1677         return page;
1678 }
1679
1680 /*
1681  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1682  * @pool: target pool
1683  * @class: destination class
1684  * @first_page: target page
1685  *
1686  * Return @fist_page's fullness_group
1687  */
1688 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1689                         struct size_class *class,
1690                         struct page *first_page)
1691 {
1692         enum fullness_group fullness;
1693
1694         fullness = get_fullness_group(first_page);
1695         insert_zspage(class, fullness, first_page);
1696         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1697
1698         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1699                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1700                         class->size, class->pages_per_zspage));
1701                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1702                                 &pool->pages_allocated);
1703
1704                 free_zspage(first_page);
1705         }
1706
1707         return fullness;
1708 }
1709
1710 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1711 {
1712         int i;
1713         struct page *page = NULL;
1714
1715         for (i = ZS_ALMOST_EMPTY; i >= ZS_ALMOST_FULL; i--) {
1716                 page = class->fullness_list[i];
1717                 if (!page)
1718                         continue;
1719
1720                 remove_zspage(class, i, page);
1721                 break;
1722         }
1723
1724         return page;
1725 }
1726
1727 /*
1728  *
1729  * Based on the number of unused allocated objects calculate
1730  * and return the number of pages that we can free.
1731  */
1732 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class)
1733 {
1734         unsigned long obj_wasted;
1735         unsigned long obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
1736         unsigned long obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1737
1738         if (obj_allocated <= obj_used)
1739                 return 0;
1740
1741         obj_wasted = obj_allocated - obj_used;
1742         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1743                         class->pages_per_zspage);
1744
1745         return obj_wasted * class->pages_per_zspage;
1746 }
1747
1748 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1749 {
1750         struct zs_compact_control cc;
1751         struct page *src_page;
1752         struct page *dst_page = NULL;
1753
1754         spin_lock(&class->lock);
1755         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1756
1757                 if (!zs_can_compact(class))
1758                         break;
1759
1760                 cc.index = 0;
1761                 cc.s_page = src_page;
1762
1763                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1764                         cc.d_page = dst_page;
1765                         /*
1766                          * If there is no more space in dst_page, resched
1767                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1768                          */
1769                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1770                                 break;
1771
1772                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1773                 }
1774
1775                 /* Stop if we couldn't find slot */
1776                 if (dst_page == NULL)
1777                         break;
1778
1779                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1780                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1781                         pool->stats.pages_compacted += class->pages_per_zspage;
1782                 spin_unlock(&class->lock);
1783                 cond_resched();
1784                 spin_lock(&class->lock);
1785         }
1786
1787         if (src_page)
1788                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1789
1790         spin_unlock(&class->lock);
1791 }
1792
1793 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1794 {
1795         int i;
1796         struct size_class *class;
1797
1798         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1799                 class = pool->size_class[i];
1800                 if (!class)
1801                         continue;
1802                 if (class->index != i)
1803                         continue;
1804                 __zs_compact(pool, class);
1805         }
1806
1807         return pool->stats.pages_compacted;
1808 }
1809 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1810
1811 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1812 {
1813         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1814 }
1815 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1816
1817 static unsigned long zs_shrinker_scan(struct shrinker *shrinker,
1818                 struct shrink_control *sc)
1819 {
1820         unsigned long pages_freed;
1821         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1822                         shrinker);
1823
1824         pages_freed = pool->stats.pages_compacted;
1825         /*
1826          * Compact classes and calculate compaction delta.
1827          * Can run concurrently with a manually triggered
1828          * (by user) compaction.
1829          */
1830         pages_freed = zs_compact(pool) - pages_freed;
1831
1832         return pages_freed ? pages_freed : SHRINK_STOP;
1833 }
1834
1835 static unsigned long zs_shrinker_count(struct shrinker *shrinker,
1836                 struct shrink_control *sc)
1837 {
1838         int i;
1839         struct size_class *class;
1840         unsigned long pages_to_free = 0;
1841         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1842                         shrinker);
1843
1844         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1845                 class = pool->size_class[i];
1846                 if (!class)
1847                         continue;
1848                 if (class->index != i)
1849                         continue;
1850
1851                 pages_to_free += zs_can_compact(class);
1852         }
1853
1854         return pages_to_free;
1855 }
1856
1857 static void zs_unregister_shrinker(struct zs_pool *pool)
1858 {
1859         if (pool->shrinker_enabled) {
1860                 unregister_shrinker(&pool->shrinker);
1861                 pool->shrinker_enabled = false;
1862         }
1863 }
1864
1865 static int zs_register_shrinker(struct zs_pool *pool)
1866 {
1867         pool->shrinker.scan_objects = zs_shrinker_scan;
1868         pool->shrinker.count_objects = zs_shrinker_count;
1869         pool->shrinker.batch = 0;
1870         pool->shrinker.seeks = DEFAULT_SEEKS;
1871
1872         return register_shrinker(&pool->shrinker);
1873 }
1874
1875 /**
1876  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1877  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1878  *
1879  * This function must be called before anything when using
1880  * the zsmalloc allocator.
1881  *
1882  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1883  * otherwise NULL.
1884  */
1885 struct zs_pool *zs_create_pool(const char *name)
1886 {
1887         int i;
1888         struct zs_pool *pool;
1889         struct size_class *prev_class = NULL;
1890
1891         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1892         if (!pool)
1893                 return NULL;
1894
1895         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1896                         GFP_KERNEL);
1897         if (!pool->size_class) {
1898                 kfree(pool);
1899                 return NULL;
1900         }
1901
1902         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1903         if (!pool->name)
1904                 goto err;
1905
1906         if (create_handle_cache(pool))
1907                 goto err;
1908
1909         /*
1910          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1911          * for merging should be larger or equal to current size.
1912          */
1913         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1914                 int size;
1915                 int pages_per_zspage;
1916                 struct size_class *class;
1917
1918                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1919                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1920                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1921                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1922
1923                 /*
1924                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1925                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1926                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1927                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1928                  * many different sizes whose size_class have same
1929                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1930                  * previous size_class if possible.
1931                  */
1932                 if (prev_class) {
1933                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1934                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1935                                 continue;
1936                         }
1937                 }
1938
1939                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1940                 if (!class)
1941                         goto err;
1942
1943                 class->size = size;
1944                 class->index = i;
1945                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1946                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1947                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1948                         class->huge = true;
1949                 spin_lock_init(&class->lock);
1950                 pool->size_class[i] = class;
1951
1952                 prev_class = class;
1953         }
1954
1955         /* debug only, don't abort if it fails */
1956         zs_pool_stat_create(pool, name);
1957
1958         /*
1959          * Not critical, we still can use the pool
1960          * and user can trigger compaction manually.
1961          */
1962         if (zs_register_shrinker(pool) == 0)
1963                 pool->shrinker_enabled = true;
1964         return pool;
1965
1966 err:
1967         zs_destroy_pool(pool);
1968         return NULL;
1969 }
1970 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1971
1972 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1973 {
1974         int i;
1975
1976         zs_unregister_shrinker(pool);
1977         zs_pool_stat_destroy(pool);
1978
1979         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1980                 int fg;
1981                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1982
1983                 if (!class)
1984                         continue;
1985
1986                 if (class->index != i)
1987                         continue;
1988
1989                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1990                         if (class->fullness_list[fg]) {
1991                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1992                                         class->size, fg);
1993                         }
1994                 }
1995                 kfree(class);
1996         }
1997
1998         destroy_handle_cache(pool);
1999         kfree(pool->size_class);
2000         kfree(pool->name);
2001         kfree(pool);
2002 }
2003 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
2004
2005 static int __init zs_init(void)
2006 {
2007         int ret = zs_register_cpu_notifier();
2008
2009         if (ret)
2010                 goto notifier_fail;
2011
2012         init_zs_size_classes();
2013
2014 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2015         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
2016 #endif
2017
2018         zs_stat_init();
2019
2020         return 0;
2021
2022 notifier_fail:
2023         zs_unregister_cpu_notifier();
2024
2025         return ret;
2026 }
2027
2028 static void __exit zs_exit(void)
2029 {
2030 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2031         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2032 #endif
2033         zs_unregister_cpu_notifier();
2034
2035         zs_stat_exit();
2036 }
2037
2038 module_init(zs_init);
2039 module_exit(zs_exit);
2040
2041 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
2042 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");