linux 3.19-rc4
[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  * 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
159 /*
160  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
161  */
162 enum fullness_group {
163         ZS_ALMOST_FULL,
164         ZS_ALMOST_EMPTY,
165         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
166
167         ZS_EMPTY,
168         ZS_FULL
169 };
170
171 /*
172  * number of size_classes
173  */
174 static int zs_size_classes;
175
176 /*
177  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
178  *      n <= N / f, where
179  * n = number of allocated objects
180  * N = total number of objects zspage can store
181  * f = fullness_threshold_frac
182  *
183  * Similarly, we assign zspage to:
184  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
185  *      ZS_EMPTY        when n == 0
186  *      ZS_FULL         when n == N
187  *
188  * (see: fix_fullness_group())
189  */
190 static const int fullness_threshold_frac = 4;
191
192 struct size_class {
193         /*
194          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
195          * of ZS_ALIGN.
196          */
197         int size;
198         unsigned int index;
199
200         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
201         int pages_per_zspage;
202
203         spinlock_t lock;
204
205         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
206 };
207
208 /*
209  * Placed within free objects to form a singly linked list.
210  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
211  *
212  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
213  */
214 struct link_free {
215         /* Handle of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>) */
216         void *next;
217 };
218
219 struct zs_pool {
220         struct size_class **size_class;
221
222         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
223         atomic_long_t pages_allocated;
224 };
225
226 /*
227  * A zspage's class index and fullness group
228  * are encoded in its (first)page->mapping
229  */
230 #define CLASS_IDX_BITS  28
231 #define FULLNESS_BITS   4
232 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
233 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
234
235 struct mapping_area {
236 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
237         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
238 #else
239         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
240 #endif
241         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
242         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
243 };
244
245 /* zpool driver */
246
247 #ifdef CONFIG_ZPOOL
248
249 static void *zs_zpool_create(gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops)
250 {
251         return zs_create_pool(gfp);
252 }
253
254 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
255 {
256         zs_destroy_pool(pool);
257 }
258
259 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
260                         unsigned long *handle)
261 {
262         *handle = zs_malloc(pool, size);
263         return *handle ? 0 : -1;
264 }
265 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
266 {
267         zs_free(pool, handle);
268 }
269
270 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
271                         unsigned int *reclaimed)
272 {
273         return -EINVAL;
274 }
275
276 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
277                         enum zpool_mapmode mm)
278 {
279         enum zs_mapmode zs_mm;
280
281         switch (mm) {
282         case ZPOOL_MM_RO:
283                 zs_mm = ZS_MM_RO;
284                 break;
285         case ZPOOL_MM_WO:
286                 zs_mm = ZS_MM_WO;
287                 break;
288         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
289         default:
290                 zs_mm = ZS_MM_RW;
291                 break;
292         }
293
294         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
295 }
296 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
297 {
298         zs_unmap_object(pool, handle);
299 }
300
301 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
302 {
303         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
304 }
305
306 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
307         .type =         "zsmalloc",
308         .owner =        THIS_MODULE,
309         .create =       zs_zpool_create,
310         .destroy =      zs_zpool_destroy,
311         .malloc =       zs_zpool_malloc,
312         .free =         zs_zpool_free,
313         .shrink =       zs_zpool_shrink,
314         .map =          zs_zpool_map,
315         .unmap =        zs_zpool_unmap,
316         .total_size =   zs_zpool_total_size,
317 };
318
319 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
320 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
321
322 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
323 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
324
325 static int is_first_page(struct page *page)
326 {
327         return PagePrivate(page);
328 }
329
330 static int is_last_page(struct page *page)
331 {
332         return PagePrivate2(page);
333 }
334
335 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
336                                 enum fullness_group *fullness)
337 {
338         unsigned long m;
339         BUG_ON(!is_first_page(page));
340
341         m = (unsigned long)page->mapping;
342         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
343         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
344 }
345
346 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
347                                 enum fullness_group fullness)
348 {
349         unsigned long m;
350         BUG_ON(!is_first_page(page));
351
352         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
353                         (fullness & FULLNESS_MASK);
354         page->mapping = (struct address_space *)m;
355 }
356
357 /*
358  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
359  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
360  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
361  * classes depending on its size. This function returns index of the
362  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
363  */
364 static int get_size_class_index(int size)
365 {
366         int idx = 0;
367
368         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
369                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
370                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
371
372         return idx;
373 }
374
375 /*
376  * For each size class, zspages are divided into different groups
377  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
378  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
379  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
380  * status of the given page.
381  */
382 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
383 {
384         int inuse, max_objects;
385         enum fullness_group fg;
386         BUG_ON(!is_first_page(page));
387
388         inuse = page->inuse;
389         max_objects = page->objects;
390
391         if (inuse == 0)
392                 fg = ZS_EMPTY;
393         else if (inuse == max_objects)
394                 fg = ZS_FULL;
395         else if (inuse <= max_objects / fullness_threshold_frac)
396                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
397         else
398                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
399
400         return fg;
401 }
402
403 /*
404  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
405  * to one of these freelists based on the number of live objects they
406  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
407  * identified by <class, fullness_group>.
408  */
409 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
410                                 enum fullness_group fullness)
411 {
412         struct page **head;
413
414         BUG_ON(!is_first_page(page));
415
416         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
417                 return;
418
419         head = &class->fullness_list[fullness];
420         if (*head)
421                 list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
422
423         *head = page;
424 }
425
426 /*
427  * This function removes the given zspage from the freelist identified
428  * by <class, fullness_group>.
429  */
430 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
431                                 enum fullness_group fullness)
432 {
433         struct page **head;
434
435         BUG_ON(!is_first_page(page));
436
437         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
438                 return;
439
440         head = &class->fullness_list[fullness];
441         BUG_ON(!*head);
442         if (list_empty(&(*head)->lru))
443                 *head = NULL;
444         else if (*head == page)
445                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
446                                         struct page, lru);
447
448         list_del_init(&page->lru);
449 }
450
451 /*
452  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
453  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
454  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
455  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
456  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
457  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
458  * fullness group.
459  */
460 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct zs_pool *pool,
461                                                 struct page *page)
462 {
463         int class_idx;
464         struct size_class *class;
465         enum fullness_group currfg, newfg;
466
467         BUG_ON(!is_first_page(page));
468
469         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
470         newfg = get_fullness_group(page);
471         if (newfg == currfg)
472                 goto out;
473
474         class = pool->size_class[class_idx];
475         remove_zspage(page, class, currfg);
476         insert_zspage(page, class, newfg);
477         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
478
479 out:
480         return newfg;
481 }
482
483 /*
484  * We have to decide on how many pages to link together
485  * to form a zspage for each size class. This is important
486  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
487  * each zspage which is given as:
488  *      wastage = Zp - Zp % size_class
489  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
490  *
491  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
492  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
493  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
494  */
495 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
496 {
497         int i, max_usedpc = 0;
498         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
499         int max_usedpc_order = 1;
500
501         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
502                 int zspage_size;
503                 int waste, usedpc;
504
505                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
506                 waste = zspage_size % class_size;
507                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
508
509                 if (usedpc > max_usedpc) {
510                         max_usedpc = usedpc;
511                         max_usedpc_order = i;
512                 }
513         }
514
515         return max_usedpc_order;
516 }
517
518 /*
519  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
520  * linked together using fields in struct page. This function finds
521  * the first/head page, given any component page of a zspage.
522  */
523 static struct page *get_first_page(struct page *page)
524 {
525         if (is_first_page(page))
526                 return page;
527         else
528                 return page->first_page;
529 }
530
531 static struct page *get_next_page(struct page *page)
532 {
533         struct page *next;
534
535         if (is_last_page(page))
536                 next = NULL;
537         else if (is_first_page(page))
538                 next = (struct page *)page_private(page);
539         else
540                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
541
542         return next;
543 }
544
545 /*
546  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
547  * On hardware platforms with physical memory starting at 0x0 the pfn
548  * could be 0 so we ensure that the handle will never be 0 by adjusting the
549  * encoded obj_idx value before encoding.
550  */
551 static void *obj_location_to_handle(struct page *page, unsigned long obj_idx)
552 {
553         unsigned long handle;
554
555         if (!page) {
556                 BUG_ON(obj_idx);
557                 return NULL;
558         }
559
560         handle = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
561         handle |= ((obj_idx + 1) & OBJ_INDEX_MASK);
562
563         return (void *)handle;
564 }
565
566 /*
567  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
568  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
569  * obj_location_to_handle().
570  */
571 static void obj_handle_to_location(unsigned long handle, struct page **page,
572                                 unsigned long *obj_idx)
573 {
574         *page = pfn_to_page(handle >> OBJ_INDEX_BITS);
575         *obj_idx = (handle & OBJ_INDEX_MASK) - 1;
576 }
577
578 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
579                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
580 {
581         unsigned long off = 0;
582
583         if (!is_first_page(page))
584                 off = page->index;
585
586         return off + obj_idx * class_size;
587 }
588
589 static void reset_page(struct page *page)
590 {
591         clear_bit(PG_private, &page->flags);
592         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
593         set_page_private(page, 0);
594         page->mapping = NULL;
595         page->freelist = NULL;
596         page_mapcount_reset(page);
597 }
598
599 static void free_zspage(struct page *first_page)
600 {
601         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
602
603         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
604         BUG_ON(first_page->inuse);
605
606         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
607
608         reset_page(first_page);
609         __free_page(first_page);
610
611         /* zspage with only 1 system page */
612         if (!head_extra)
613                 return;
614
615         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
616                 list_del(&nextp->lru);
617                 reset_page(nextp);
618                 __free_page(nextp);
619         }
620         reset_page(head_extra);
621         __free_page(head_extra);
622 }
623
624 /* Initialize a newly allocated zspage */
625 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
626 {
627         unsigned long off = 0;
628         struct page *page = first_page;
629
630         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
631         while (page) {
632                 struct page *next_page;
633                 struct link_free *link;
634                 unsigned int i = 1;
635                 void *vaddr;
636
637                 /*
638                  * page->index stores offset of first object starting
639                  * in the page. For the first page, this is always 0,
640                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
641                  * head of corresponding zspage's freelist.
642                  */
643                 if (page != first_page)
644                         page->index = off;
645
646                 vaddr = kmap_atomic(page);
647                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
648
649                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
650                         link->next = obj_location_to_handle(page, i++);
651                         link += class->size / sizeof(*link);
652                 }
653
654                 /*
655                  * We now come to the last (full or partial) object on this
656                  * page, which must point to the first object on the next
657                  * page (if present)
658                  */
659                 next_page = get_next_page(page);
660                 link->next = obj_location_to_handle(next_page, 0);
661                 kunmap_atomic(vaddr);
662                 page = next_page;
663                 off %= PAGE_SIZE;
664         }
665 }
666
667 /*
668  * Allocate a zspage for the given size class
669  */
670 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
671 {
672         int i, error;
673         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
674
675         /*
676          * Allocate individual pages and link them together as:
677          * 1. first page->private = first sub-page
678          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
679          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
680          *
681          * For each size class, First/Head pages are linked together using
682          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
683          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
684          * identify the last page.
685          */
686         error = -ENOMEM;
687         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
688                 struct page *page;
689
690                 page = alloc_page(flags);
691                 if (!page)
692                         goto cleanup;
693
694                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
695                 if (i == 0) {   /* first page */
696                         SetPagePrivate(page);
697                         set_page_private(page, 0);
698                         first_page = page;
699                         first_page->inuse = 0;
700                 }
701                 if (i == 1)
702                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
703                 if (i >= 1)
704                         page->first_page = first_page;
705                 if (i >= 2)
706                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
707                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
708                         SetPagePrivate2(page);
709                 prev_page = page;
710         }
711
712         init_zspage(first_page, class);
713
714         first_page->freelist = obj_location_to_handle(first_page, 0);
715         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
716         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
717
718         error = 0; /* Success */
719
720 cleanup:
721         if (unlikely(error) && first_page) {
722                 free_zspage(first_page);
723                 first_page = NULL;
724         }
725
726         return first_page;
727 }
728
729 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
730 {
731         int i;
732         struct page *page;
733
734         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
735                 page = class->fullness_list[i];
736                 if (page)
737                         break;
738         }
739
740         return page;
741 }
742
743 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
744 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
745 {
746         /*
747          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
748          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
749          */
750         if (area->vm)
751                 return 0;
752         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
753         if (!area->vm)
754                 return -ENOMEM;
755         return 0;
756 }
757
758 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
759 {
760         if (area->vm)
761                 free_vm_area(area->vm);
762         area->vm = NULL;
763 }
764
765 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
766                                 struct page *pages[2], int off, int size)
767 {
768         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
769         area->vm_addr = area->vm->addr;
770         return area->vm_addr + off;
771 }
772
773 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
774                                 struct page *pages[2], int off, int size)
775 {
776         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
777
778         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
779 }
780
781 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
782
783 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
784 {
785         /*
786          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
787          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
788          */
789         if (area->vm_buf)
790                 return 0;
791         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
792         if (!area->vm_buf)
793                 return -ENOMEM;
794         return 0;
795 }
796
797 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
798 {
799         kfree(area->vm_buf);
800         area->vm_buf = NULL;
801 }
802
803 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
804                         struct page *pages[2], int off, int size)
805 {
806         int sizes[2];
807         void *addr;
808         char *buf = area->vm_buf;
809
810         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
811         pagefault_disable();
812
813         /* no read fastpath */
814         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
815                 goto out;
816
817         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
818         sizes[1] = size - sizes[0];
819
820         /* copy object to per-cpu buffer */
821         addr = kmap_atomic(pages[0]);
822         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
823         kunmap_atomic(addr);
824         addr = kmap_atomic(pages[1]);
825         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
826         kunmap_atomic(addr);
827 out:
828         return area->vm_buf;
829 }
830
831 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
832                         struct page *pages[2], int off, int size)
833 {
834         int sizes[2];
835         void *addr;
836         char *buf = area->vm_buf;
837
838         /* no write fastpath */
839         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
840                 goto out;
841
842         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
843         sizes[1] = size - sizes[0];
844
845         /* copy per-cpu buffer to object */
846         addr = kmap_atomic(pages[0]);
847         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
848         kunmap_atomic(addr);
849         addr = kmap_atomic(pages[1]);
850         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
851         kunmap_atomic(addr);
852
853 out:
854         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
855         pagefault_enable();
856 }
857
858 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
859
860 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
861                                 void *pcpu)
862 {
863         int ret, cpu = (long)pcpu;
864         struct mapping_area *area;
865
866         switch (action) {
867         case CPU_UP_PREPARE:
868                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
869                 ret = __zs_cpu_up(area);
870                 if (ret)
871                         return notifier_from_errno(ret);
872                 break;
873         case CPU_DEAD:
874         case CPU_UP_CANCELED:
875                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
876                 __zs_cpu_down(area);
877                 break;
878         }
879
880         return NOTIFY_OK;
881 }
882
883 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
884         .notifier_call = zs_cpu_notifier
885 };
886
887 static int zs_register_cpu_notifier(void)
888 {
889         int cpu, uninitialized_var(ret);
890
891         cpu_notifier_register_begin();
892
893         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
894         for_each_online_cpu(cpu) {
895                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
896                 if (notifier_to_errno(ret))
897                         break;
898         }
899
900         cpu_notifier_register_done();
901         return notifier_to_errno(ret);
902 }
903
904 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
905 {
906         int cpu;
907
908         cpu_notifier_register_begin();
909
910         for_each_online_cpu(cpu)
911                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
912         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
913
914         cpu_notifier_register_done();
915 }
916
917 static void init_zs_size_classes(void)
918 {
919         int nr;
920
921         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
922         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
923                 nr += 1;
924
925         zs_size_classes = nr;
926 }
927
928 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
929 {
930         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
931 }
932
933 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
934 {
935         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
936                 return false;
937
938         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
939                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
940                 return false;
941
942         return true;
943 }
944
945 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
946 {
947         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
948 }
949 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
950
951 /**
952  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
953  * @pool: pool from which the object was allocated
954  * @handle: handle returned from zs_malloc
955  *
956  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
957  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
958  * zs_unmap_object.
959  *
960  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
961  * against nested mappings.
962  *
963  * This function returns with preemption and page faults disabled.
964  */
965 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
966                         enum zs_mapmode mm)
967 {
968         struct page *page;
969         unsigned long obj_idx, off;
970
971         unsigned int class_idx;
972         enum fullness_group fg;
973         struct size_class *class;
974         struct mapping_area *area;
975         struct page *pages[2];
976
977         BUG_ON(!handle);
978
979         /*
980          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
981          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
982          * because it can corrupt another users mappings.
983          */
984         BUG_ON(in_interrupt());
985
986         obj_handle_to_location(handle, &page, &obj_idx);
987         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
988         class = pool->size_class[class_idx];
989         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
990
991         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
992         area->vm_mm = mm;
993         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
994                 /* this object is contained entirely within a page */
995                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
996                 return area->vm_addr + off;
997         }
998
999         /* this object spans two pages */
1000         pages[0] = page;
1001         pages[1] = get_next_page(page);
1002         BUG_ON(!pages[1]);
1003
1004         return __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1005 }
1006 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1007
1008 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1009 {
1010         struct page *page;
1011         unsigned long obj_idx, off;
1012
1013         unsigned int class_idx;
1014         enum fullness_group fg;
1015         struct size_class *class;
1016         struct mapping_area *area;
1017
1018         BUG_ON(!handle);
1019
1020         obj_handle_to_location(handle, &page, &obj_idx);
1021         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1022         class = pool->size_class[class_idx];
1023         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1024
1025         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1026         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1027                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1028         else {
1029                 struct page *pages[2];
1030
1031                 pages[0] = page;
1032                 pages[1] = get_next_page(page);
1033                 BUG_ON(!pages[1]);
1034
1035                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1036         }
1037         put_cpu_var(zs_map_area);
1038 }
1039 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1040
1041 /**
1042  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1043  * @pool: pool to allocate from
1044  * @size: size of block to allocate
1045  *
1046  * On success, handle to the allocated object is returned,
1047  * otherwise 0.
1048  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1049  */
1050 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1051 {
1052         unsigned long obj;
1053         struct link_free *link;
1054         struct size_class *class;
1055         void *vaddr;
1056
1057         struct page *first_page, *m_page;
1058         unsigned long m_objidx, m_offset;
1059
1060         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1061                 return 0;
1062
1063         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1064
1065         spin_lock(&class->lock);
1066         first_page = find_get_zspage(class);
1067
1068         if (!first_page) {
1069                 spin_unlock(&class->lock);
1070                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1071                 if (unlikely(!first_page))
1072                         return 0;
1073
1074                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1075                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1076                                         &pool->pages_allocated);
1077                 spin_lock(&class->lock);
1078         }
1079
1080         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1081         obj_handle_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1082         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1083
1084         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1085         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1086         first_page->freelist = link->next;
1087         memset(link, POISON_INUSE, sizeof(*link));
1088         kunmap_atomic(vaddr);
1089
1090         first_page->inuse++;
1091         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1092         fix_fullness_group(pool, first_page);
1093         spin_unlock(&class->lock);
1094
1095         return obj;
1096 }
1097 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1098
1099 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long obj)
1100 {
1101         struct link_free *link;
1102         struct page *first_page, *f_page;
1103         unsigned long f_objidx, f_offset;
1104         void *vaddr;
1105
1106         int class_idx;
1107         struct size_class *class;
1108         enum fullness_group fullness;
1109
1110         if (unlikely(!obj))
1111                 return;
1112
1113         obj_handle_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1114         first_page = get_first_page(f_page);
1115
1116         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1117         class = pool->size_class[class_idx];
1118         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1119
1120         spin_lock(&class->lock);
1121
1122         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1123         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1124         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1125         link->next = first_page->freelist;
1126         kunmap_atomic(vaddr);
1127         first_page->freelist = (void *)obj;
1128
1129         first_page->inuse--;
1130         fullness = fix_fullness_group(pool, first_page);
1131         spin_unlock(&class->lock);
1132
1133         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1134                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1135                                 &pool->pages_allocated);
1136                 free_zspage(first_page);
1137         }
1138 }
1139 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1140
1141 /**
1142  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1143  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1144  *
1145  * This function must be called before anything when using
1146  * the zsmalloc allocator.
1147  *
1148  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1149  * otherwise NULL.
1150  */
1151 struct zs_pool *zs_create_pool(gfp_t flags)
1152 {
1153         int i;
1154         struct zs_pool *pool;
1155         struct size_class *prev_class = NULL;
1156
1157         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1158         if (!pool)
1159                 return NULL;
1160
1161         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1162                         GFP_KERNEL);
1163         if (!pool->size_class) {
1164                 kfree(pool);
1165                 return NULL;
1166         }
1167
1168         /*
1169          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1170          * for merging should be larger or equal to current size.
1171          */
1172         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1173                 int size;
1174                 int pages_per_zspage;
1175                 struct size_class *class;
1176
1177                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1178                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1179                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1180                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1181
1182                 /*
1183                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1184                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1185                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1186                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1187                  * many different sizes whose size_class have same
1188                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1189                  * previous size_class if possible.
1190                  */
1191                 if (prev_class) {
1192                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1193                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1194                                 continue;
1195                         }
1196                 }
1197
1198                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1199                 if (!class)
1200                         goto err;
1201
1202                 class->size = size;
1203                 class->index = i;
1204                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1205                 spin_lock_init(&class->lock);
1206                 pool->size_class[i] = class;
1207
1208                 prev_class = class;
1209         }
1210
1211         pool->flags = flags;
1212
1213         return pool;
1214
1215 err:
1216         zs_destroy_pool(pool);
1217         return NULL;
1218 }
1219 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1220
1221 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1222 {
1223         int i;
1224
1225         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1226                 int fg;
1227                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1228
1229                 if (!class)
1230                         continue;
1231
1232                 if (class->index != i)
1233                         continue;
1234
1235                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1236                         if (class->fullness_list[fg]) {
1237                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1238                                         class->size, fg);
1239                         }
1240                 }
1241                 kfree(class);
1242         }
1243
1244         kfree(pool->size_class);
1245         kfree(pool);
1246 }
1247 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
1248
1249 static int __init zs_init(void)
1250 {
1251         int ret = zs_register_cpu_notifier();
1252
1253         if (ret) {
1254                 zs_unregister_cpu_notifier();
1255                 return ret;
1256         }
1257
1258         init_zs_size_classes();
1259
1260 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1261         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
1262 #endif
1263         return 0;
1264 }
1265
1266 static void __exit zs_exit(void)
1267 {
1268 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1269         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
1270 #endif
1271         zs_unregister_cpu_notifier();
1272 }
1273
1274 module_init(zs_init);
1275 module_exit(zs_exit);
1276
1277 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
1278 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");