palacios/src/devices/swapbypass_cache2.c

   1 /*
   2  * This file is part of the Palacios Virtual Machine Monitor developed
   3  * by the V3VEE Project with funding from the United States National
   4  * Science Foundation and the Department of Energy.
   5  *
   6  * The V3VEE Project is a joint project between Northwestern University
   7  * and the University of New Mexico.  You can find out more at
   8  * http://www.v3vee.org
   9  *
  10  * Copyright (c) 2008, Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  11  * Copyright (c) 2008, The V3VEE Project <http://www.v3vee.org>
  12  * All rights reserved.
  13  *
  14  * Author: Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  15  *
  16  * This is free software.  You are permitted to use,
  17  * redistribute, and modify it as specified in the file "V3VEE_LICENSE".
  18  */
  19
  20 #include <palacios/vmm.h>
  21 #include <palacios/vmm_dev_mgr.h>
  22 #include <palacios/vmm_swapbypass.h>
  23 #include <palacios/vm_guest.h>
  24 #include <palacios/vmm_hashtable.h>
  25
  26
  27 #ifdef V3_CONFIG_SWAPBYPASS_TELEMETRY
  28 #include <palacios/vmm_telemetry.h>
  29 #endif
  30
  31
  32 #undef PrintDebug
  33 #define PrintDebug(fmt, ...)
  34
  35
  36 /* This is the first page that linux writes to the swap area */
  37 /* Taken from Linux */
  38 union swap_header {
  39     struct {
  40         char reserved[PAGE_SIZE - 10];
  41         char magic[10];                 /* SWAP-SPACE or SWAPSPACE2 */
  42     } magic;
  43     struct {
  44         char                    bootbits[1024]; /* Space for disklabel etc. */
  45         uint32_t                version;
  46         uint32_t                last_page;
  47         uint32_t                nr_badpages;
  48         unsigned char           sws_uuid[16];
  49         unsigned char           sws_volume[16];
  50         uint32_t                type;           // The index into the swap_map
  51         uint32_t                padding[116];
  52
  53         uint32_t                badpages[1];
  54     } info;
  55 };
  56
  57
  58 struct cache_entry {
  59     uint32_t disk_index;
  60     struct list_head cache_node;
  61 };
  62
  63 // Per instance data structure
  64 struct swap_state {
  65     int active;
  66     int disabled;
  67
  68     struct v3_vm_info * vm;
  69     struct swap_state * swap_info;
  70
  71     int symbiotic;
  72
  73     union swap_header hdr;
  74
  75     uint_t swapped_pages;
  76     uint_t unswapped_pages;
  77     uint32_t disk_writes;
  78     uint32_t disk_reads;
  79
  80
  81     uint32_t seek_usecs;
  82
  83     struct v3_dev_blk_ops * ops;
  84     void * private_data;
  85
  86 #ifdef V3_CONFIG_SWAPBYPASS_TELEMETRY
  87     uint32_t pages_in;
  88     uint32_t pages_out;
  89 #endif
  90
  91     int io_flag;
  92
  93     uint64_t cache_size;
  94     uint8_t * cache;
  95     uint64_t cache_base_addr;
  96     uint_t pages_in_cache;
  97
  98     struct cache_entry * entry_map;
  99     struct list_head entry_list;
 100     struct list_head free_list;
 101
 102     struct hashtable * entry_ht;
 103 };
 104
 105
 106
 107 void __udelay(unsigned long usecs);
 108
 109 static uint_t cache_hash_fn(addr_t key) {
 110     return v3_hash_long(key, 32);
 111 }
 112
 113
 114 static int cache_eq_fn(addr_t key1, addr_t key2) {
 115     return (key1 == key2);
 116 }
 117
 118
 119
 120
 121
 122 static inline uint32_t get_swap_index_from_offset(uint32_t offset) {
 123     // CAREFUL: The index might be offset by 1, because the first 4K is the header
 124     return (offset / 4096);
 125 }
 126
 127 static inline uint32_t get_swap_offset_from_index(uint32_t index) {
 128     // CAREFUL: The index might be offset by 1, because the first 4K is the header
 129     return (index * 4096);
 130 }
 131
 132
 133 static inline uint32_t get_cache_entry_index(struct swap_state * swap, struct cache_entry * entry) {
 134     return (entry - swap->entry_map); // / sizeof(struct cache_entry);
 135 }
 136
 137
 138
 139
 140
 141 static inline void * get_swap_entry(uint32_t pg_index, void * private_data) {
 142     struct swap_state * swap = (struct swap_state *)private_data;
 143     struct cache_entry * entry = NULL;
 144     void * pg_addr = NULL;
 145     uint32_t swap_index = pg_index * 4096;
 146
 147     if (swap->disabled) {
 148         return NULL;
 149     }
 150
 151     PrintDebug("Getting swap entry for index %d\n", pg_index);
 152
 153     entry = (struct cache_entry *)v3_htable_search(swap->entry_ht, swap_index);
 154
 155     if (entry != NULL) {
 156         uint32_t cache_index = get_cache_entry_index(swap, entry);
 157         PrintDebug("Found cached entry (%d)\n", cache_index);
 158         pg_addr = swap->cache + (cache_index * 4096);
 159     }
 160
 161     return pg_addr;
 162 }
 163
 164
 165
 166 static int read_disk(uint8_t * buf, uint64_t lba, uint64_t num_bytes, struct swap_state * swap) {
 167     if ((swap->io_flag == 0) && (swap->seek_usecs > 0)) {
 168         __udelay(swap->seek_usecs);
 169         swap->io_flag = 1;
 170     }
 171
 172     swap->disk_reads += num_bytes / 4096;
 173     return swap->ops->read(buf, lba, num_bytes, swap->private_data);
 174
 175 }
 176
 177
 178 static int write_disk(uint8_t * buf, uint64_t lba, uint64_t num_bytes, struct swap_state * swap) {
 179     if ((swap->io_flag == 0) && (swap->seek_usecs > 0)) {
 180         __udelay(swap->seek_usecs);
 181         swap->io_flag = 1;
 182     }
 183
 184     swap->disk_writes += num_bytes / 4096;
 185
 186
 187     return swap->ops->write(buf, lba, num_bytes, swap->private_data);
 188 }
 189
 190
 191 static uint64_t swap_get_capacity(void * private_data) {
 192     struct swap_state * swap = (struct swap_state *)private_data;
 193     return swap->ops->get_capacity(swap->private_data);
 194 }
 195
 196
 197 static struct v3_swap_ops swap_ops = {
 198     .get_swap_entry = get_swap_entry,
 199 };
 200
 201
 202
 203 static int buf_read(uint8_t * buf, uint64_t lba, uint64_t num_bytes, void * private_data) {
 204     struct swap_state * swap = (struct swap_state *)private_data;
 205     uint32_t offset = lba;
 206     uint32_t length = num_bytes;
 207
 208     swap->io_flag = 0;
 209
 210     if (length % 4096) {
 211         PrintError("Swapping in length that is not a page multiple\n");
 212     }
 213
 214     if (swap->disabled) {
 215         return read_disk(buf, lba, num_bytes, swap);
 216     }
 217
 218
 219     PrintDebug("SymSwap: Reading %d bytes to %p (lba=%p)\n", (uint32_t)num_bytes, buf, (void *)(addr_t)lba);
 220
 221
 222     if (length % 4096) {
 223         PrintError("Swapping in length that is not a page multiple\n");
 224         return -1;
 225     }
 226
 227
 228     if ((swap->active == 1) && (offset >= 4096)) {
 229         int i = 0;
 230         int read_pages = (length / 4096);
 231
 232
 233         // Notify the shadow paging layer
 234
 235         swap->unswapped_pages += (length / 4096);
 236
 237
 238 #ifdef V3_CONFIG_SWAPBYPASS_TELEMETRY
 239         swap->pages_in += length / 4096;
 240 #endif
 241
 242         for (i = 0; i < read_pages; i++) {
 243             uint32_t swap_index = offset + (i * 4096);
 244             uint32_t cache_index = 0;
 245             struct cache_entry * entry = NULL;
 246
 247             if (swap->symbiotic == 1) {
 248                 v3_swap_in_notify(swap->vm, get_swap_index_from_offset(offset + i), swap->hdr.info.type);
 249             }
 250
 251             PrintDebug("Searching for swap index %d\n", swap_index);
 252
 253             entry = (struct cache_entry *)v3_htable_search(swap->entry_ht, (addr_t)swap_index);
 254
 255             if (entry != NULL) {
 256
 257                 cache_index = get_cache_entry_index(swap, entry);
 258
 259                 PrintDebug("Reading from cache entry %d\n", cache_index);
 260
 261                 memcpy(buf, swap->cache + (cache_index * 4096), 4096);
 262
 263             } else {
 264                 PrintDebug("Reading from disk offset = %p\n", (void *)(addr_t)offset);
 265
 266                 if (read_disk(buf, offset, 4096, swap) == -1) {
 267                     PrintError("Error reading disk\n");
 268                     return -1;
 269                 }
 270             }
 271
 272             offset += 4096;
 273             buf += 4096;
 274         }
 275     } else {
 276         return read_disk(buf, lba, num_bytes, swap);
 277     }
 278
 279
 280     return 0;
 281 }
 282
 283
 284 static int flush_cache(struct swap_state * swap, int num_to_flush) {
 285     int i;
 286
 287     PrintDebug("Flushing %d pages\n", num_to_flush);
 288
 289     for (i = 0; i < num_to_flush; i++) {
 290         struct cache_entry * entry = NULL;
 291         uint32_t entry_index = 0;
 292
 293         entry = list_first_entry(&(swap->entry_list), struct cache_entry, cache_node);
 294
 295         entry_index = get_cache_entry_index(swap, entry);
 296         PrintDebug("Flushing cache entry %d\n", entry_index);
 297
 298         if (write_disk(swap->cache + (entry_index * 4096), entry->disk_index, 4096, swap) == -1) {
 299             PrintError("Error in disk write\n");
 300             return -1;
 301         }
 302
 303
 304         if (swap->symbiotic == 1) {
 305             v3_swap_in_notify(swap->vm, entry->disk_index / 4096, swap->hdr.info.type);
 306         }
 307
 308         // invalidate swap entry
 309
 310
 311         v3_htable_remove(swap->entry_ht, entry->disk_index, 0);
 312
 313         list_move(&(entry->cache_node), &(swap->free_list));
 314
 315         swap->pages_in_cache--;
 316     }
 317
 318     return 0;
 319 }
 320
 321
 322
 323
 324
 325
 326
 327
 328 static int buf_write(uint8_t * buf,  uint64_t lba, uint64_t num_bytes, void * private_data) {
 329     struct swap_state * swap = (struct swap_state *)private_data;
 330     uint32_t offset = lba;
 331     uint32_t length = num_bytes;
 332
 333     swap->io_flag = 0;
 334
 335
 336
 337     if (swap->disabled) {
 338         return write_disk(buf, lba, num_bytes, swap);
 339     }
 340
 341
 342     /*
 343       PrintDebug("SymSwap: Writing %d bytes to %p from %p\n", length,
 344       (void *)(swap->swap_space + offset), buf);
 345     */
 346
 347
 348     if ((swap->active == 0) && (offset == 0)) {
 349         // This is the swap header page
 350
 351         swap->active = 1;
 352
 353         // store a local copy
 354         memcpy(&(swap->hdr), buf, sizeof(union swap_header));
 355
 356
 357         PrintError("Swap Type=%d (magic=%s)\n", swap->hdr.info.type, swap->hdr.magic.magic);
 358
 359         if (swap->symbiotic == 1) {
 360             if (v3_register_swap_disk(swap->vm, swap->hdr.info.type, &swap_ops, swap) == -1) {
 361                 PrintError("Error registering symbiotic swap disk\n");
 362                 return -1;
 363             }
 364
 365             PrintError("Swap disk registered\n");
 366         }
 367
 368
 369         if (write_disk(buf, lba, num_bytes, swap) == -1) {
 370             PrintError("Error writing swap header to disk\n");
 371             return -1;
 372         }
 373
 374         PrintDebug("Wrote header to disk\n");
 375
 376         return 0;
 377     }
 378
 379     if ((swap->active == 1) && (offset >= 4096)) {
 380         int i = 0;
 381         int written_pages = (length / 4096);
 382         int avail_space = (swap->cache_size / 4096) - swap->pages_in_cache;
 383
 384
 385         swap->swapped_pages += written_pages;
 386
 387 #ifdef V3_CONFIG_SWAPBYPASS_TELEMETRY
 388         swap->pages_out += length / 4096;
 389 #endif
 390
 391         PrintDebug("available cache space = %d, pages written = %d\n", avail_space, written_pages);
 392
 393         if (avail_space < written_pages) {
 394             flush_cache(swap, written_pages - avail_space);
 395         }
 396
 397
 398         for (i = 0; i < written_pages; i += 1) {
 399             //      set_index_usage(swap, get_swap_index_from_offset(offset + i), 1);
 400             struct cache_entry * new_entry = NULL;
 401             uint32_t swap_index = offset + (i * 4096);
 402             uint32_t cache_index = 0;
 403
 404             new_entry = (struct cache_entry *)v3_htable_search(swap->entry_ht, (addr_t)swap_index);
 405
 406             if (new_entry == NULL) {
 407                 new_entry = list_tail_entry(&(swap->free_list), struct cache_entry, cache_node);
 408
 409                 new_entry->disk_index = swap_index;
 410
 411                 list_move_tail(&(new_entry->cache_node), &(swap->entry_list));
 412
 413                 v3_htable_insert(swap->entry_ht, (addr_t)swap_index, (addr_t)new_entry);
 414
 415                 swap->pages_in_cache++;
 416             }
 417
 418             cache_index = get_cache_entry_index(swap, new_entry);
 419
 420             PrintDebug("Writing to cache entry %d\n", cache_index);
 421
 422             memcpy(swap->cache + (cache_index * 4096), buf, 4096);
 423
 424             buf += 4096;
 425         }
 426     } else {
 427         if (write_disk(buf, lba, num_bytes, swap) == -1) {
 428             PrintError("Error writing swap header to disk\n");
 429             return -1;
 430         }
 431     }
 432
 433     return 0;
 434 }
 435
 436
 437
 438
 439 static uint8_t write_buf[4096];
 440
 441
 442 static int swap_write(uint8_t * buf,  uint64_t lba, uint64_t num_bytes, void * private_data) {
 443     int idx = lba % 4096;
 444
 445     if (num_bytes != 512) {
 446         PrintError("Write for %d bytes\n", (uint32_t)num_bytes);
 447         return -1;
 448     }
 449
 450
 451     memcpy(write_buf + idx, buf, num_bytes);
 452
 453     if (idx + num_bytes == 4096) {
 454         return buf_write(write_buf, lba - idx, 4096, private_data);
 455     }
 456
 457     return 0;
 458 }
 459
 460
 461
 462 static uint8_t read_buf[4096];
 463
 464
 465
 466 static int swap_read(uint8_t * buf,  uint64_t lba, uint64_t num_bytes, void * private_data) {
 467     int idx = lba % 4096;
 468
 469
 470     if (num_bytes != 512) {
 471         PrintError("Read for %d bytes\n", (uint32_t)num_bytes);
 472         return -1;
 473     }
 474
 475     if (idx == 0) {
 476         if (buf_read(read_buf, lba - idx, 4096, private_data) == -1) {
 477             PrintError("Error reading buffer\n");
 478             return -1;
 479         }
 480     }
 481
 482     memcpy(buf, read_buf + idx, num_bytes);
 483
 484     return 0;
 485 }
 486
 487
 488 static int swap_free(struct vm_device * dev) {
 489     return -1;
 490 }
 491
 492
 493 static struct v3_dev_blk_ops blk_ops = {
 494     .read = swap_read,
 495     .write = swap_write,
 496     .get_capacity = swap_get_capacity,
 497 };
 498
 499
 500
 501 static struct v3_device_ops dev_ops = {
 502     .free = swap_free,
 503     .reset = NULL,
 504     .start = NULL,
 505     .stop = NULL,
 506 };
 507
 508
 509 #ifdef V3_CONFIG_SWAPBYPASS_TELEMETRY
 510 static void telemetry_cb(struct v3_vm_info * vm, void * private_data, char * hdr) {
 511     struct swap_state * swap = (struct swap_state *)private_data;
 512
 513     V3_Print("%sSwap Device:\n", hdr);
 514     V3_Print("%s\tPages Swapped in=%d\n", hdr, swap->pages_in);
 515     V3_Print("%s\tPages Swapped out=%d\n", hdr, swap->pages_out);
 516     V3_Print("%s\tPages Written to Disk=%d\n", hdr, swap->disk_writes);
 517     V3_Print("%s\tPages Read from Disk=%d\n", hdr, swap->disk_reads);
 518 }
 519 #endif
 520
 521
 522 static int connect_fn(struct v3_vm_info * vm,
 523                       void * frontend_data,
 524                       struct v3_dev_blk_ops * ops,
 525                       v3_cfg_tree_t * cfg,
 526                       void * private_data) {
 527     v3_cfg_tree_t * frontend_cfg = v3_cfg_subtree(cfg, "frontend");
 528     uint32_t cache_size = atoi(v3_cfg_val(cfg, "cache_size")) * 1024 * 1024;
 529     uint32_t seek_us = atoi(v3_cfg_val(cfg, "seek_us"));
 530     int symbiotic = atoi(v3_cfg_val(cfg, "symbiotic"));
 531     struct swap_state * swap = NULL;
 532     int i;
 533
 534     if (!frontend_cfg) {
 535         PrintError("Initializing sym swap without a frontend device\n");
 536         return -1;
 537     }
 538
 539     PrintError("Creating Swap filter (cache size=%dMB)\n", cache_size / (1024 * 1024));
 540
 541     swap = (struct swap_state *)V3_Malloc(sizeof(struct swap_state));
 542
 543     swap->vm = vm;
 544     swap->cache_size = cache_size;
 545     swap->io_flag = 0;
 546     swap->seek_usecs = seek_us;
 547     swap->symbiotic = symbiotic;
 548
 549     swap->ops = ops;
 550     swap->private_data = private_data;
 551
 552     swap->swapped_pages = 0;
 553     swap->unswapped_pages = 0;
 554     //    swap->cached_pages = 0;
 555
 556     if (cache_size == 0) {
 557         swap->disabled = 1;
 558     } else {
 559         swap->disabled = 0;
 560
 561         INIT_LIST_HEAD(&(swap->entry_list));
 562         INIT_LIST_HEAD(&(swap->free_list));
 563         swap->entry_map = (struct cache_entry *)V3_Malloc(sizeof(struct cache_entry) * (cache_size / 4096));
 564
 565         for (i = 0; i < (cache_size / 4096); i++) {
 566             list_add(&(swap->entry_map[i].cache_node), &(swap->free_list));
 567         }
 568
 569         swap->entry_ht = v3_create_htable(0, cache_hash_fn, cache_eq_fn);
 570
 571         swap->active = 0;
 572
 573         swap->cache_base_addr = (addr_t)V3_AllocPages(swap->cache_size / 4096);
 574         swap->cache = (uint8_t *)V3_VAddr((void *)(addr_t)(swap->cache_base_addr));
 575         memset(swap->cache, 0, swap->cache_size);
 576     }
 577
 578     if (v3_dev_connect_blk(vm, v3_cfg_val(frontend_cfg, "tag"),
 579                            &blk_ops, frontend_cfg, swap) == -1) {
 580         PrintError("Could not connect to frontend %s\n",
 581                     v3_cfg_val(frontend_cfg, "tag"));
 582         return -1;
 583     }
 584
 585
 586 #ifdef V3_CONFIG_SWAPBYPASS_TELEMETRY
 587
 588     if (vm->enable_telemetry == 1) {
 589         v3_add_telemetry_cb(vm, telemetry_cb, swap);
 590     }
 591
 592 #endif
 593
 594     return 0;
 595 }
 596
 597
 598
 599
 600 static int swap_init(struct v3_vm_info * vm, v3_cfg_tree_t * cfg) {
 601
 602     char * dev_id = v3_cfg_val(cfg, "ID");
 603
 604     struct vm_device * dev = v3_allocate_device(dev_id, &dev_ops, NULL);
 605
 606     if (v3_attach_device(vm, dev) == -1) {
 607         PrintError("Could not attach device %s\n", dev_id);
 608         return -1;
 609     }
 610
 611     if (v3_dev_add_blk_frontend(vm, dev_id, connect_fn, NULL) == -1) {
 612         PrintError("Could not register %s as block frontend\n", dev_id);
 613         return -1;
 614     }
 615
 616
 617     return 0;
 618 }
 619
 620 device_register("SWAPBYPASS_CACHE2", swap_init)