linux_module/buddy.c

   1 /* Copyright (c) 2007, Sandia National Laboratories */
   2 /* Modified by Jack Lange, 2012 */
   3
   4 #include <linux/module.h>
   5 #include <linux/slab.h>
   6 #include <linux/log2.h>
   7 #include "buddy.h"
   8 #include "palacios.h"
   9
  10 #include <linux/proc_fs.h>
  11 #include <linux/seq_file.h>
  12
  13
  14 /**
  15  * Converts a block address to its block index in the specified buddy allocator.
  16  * A block's index is used to find the block's tag bit, mp->tag_bits[block_id].
  17  */
  18 static unsigned long
  19 block_to_id(struct buddy_mempool *mp, struct block *block)
  20 {
  21     unsigned long block_id =
  22         ((unsigned long)__pa(block) - mp->base_addr) >> mp->zone->min_order;
  23     BUG_ON(block_id >= mp->num_blocks);
  24     return block_id;
  25 }
  26
  27
  28 /**
  29  * Marks a block as free by setting its tag bit to one.
  30  */
  31 static void
  32 mark_available(struct buddy_mempool *mp, struct block *block)
  33 {
  34     __set_bit(block_to_id(mp, block), mp->tag_bits);
  35 }
  36
  37
  38 /**
  39  * Marks a block as allocated by setting its tag bit to zero.
  40  */
  41 static void
  42 mark_allocated(struct buddy_mempool *mp, struct block *block)
  43 {
  44     __clear_bit(block_to_id(mp, block), mp->tag_bits);
  45 }
  46
  47
  48 /**
  49  * Returns true if block is free, false if it is allocated.
  50  */
  51 static int
  52 is_available(struct buddy_mempool *mp, struct block *block)
  53 {
  54     return test_bit(block_to_id(mp, block), mp->tag_bits);
  55 }
  56
  57
  58 /**
  59  * Returns the address of the block's buddy block.
  60  */
  61 static void *
  62 find_buddy(struct buddy_mempool *mp, struct block *block, unsigned long order)
  63 {
  64     unsigned long _block;
  65     unsigned long _buddy;
  66
  67     BUG_ON((unsigned long)__pa(block) < mp->base_addr);
  68
  69     /* Fixup block address to be zero-relative */
  70     _block = (unsigned long)__pa(block) - mp->base_addr;
  71
  72     /* Calculate buddy in zero-relative space */
  73     _buddy = _block ^ (1UL << order);
  74
  75     /* Return the buddy's address */
  76     return (void *)(_buddy + __va(mp->base_addr));
  77 }
  78
  79
  80 static inline uintptr_t pool_end_addr(struct buddy_mempool * pool) {
  81     return pool->base_addr + (1UL << pool->pool_order);
  82 }
  83
  84
  85 static struct buddy_mempool *
  86 find_mempool(struct buddy_memzone * zone, uintptr_t addr) {
  87     struct rb_node * n = zone->mempools.rb_node;
  88     struct buddy_mempool * pool = NULL;
  89
  90     while (n) {
  91         pool = rb_entry(n, struct buddy_mempool, tree_node);
  92
  93         if (addr < pool->base_addr) {
  94             n = n->rb_left;
  95         } else if (addr >= pool_end_addr(pool)) {
  96             n = n->rb_right;
  97         } else {
  98             return pool;
  99         }
 100     }
 101
 102     return NULL;
 103 }
 104
 105
 106
 107 static int
 108 insert_mempool(struct buddy_memzone * zone,
 109                struct buddy_mempool * pool) {
 110     struct rb_node ** p = &(zone->mempools.rb_node);
 111     struct rb_node * parent = NULL;
 112     struct buddy_mempool * tmp_pool;
 113
 114     while (*p) {
 115         parent = *p;
 116         tmp_pool = rb_entry(parent, struct buddy_mempool, tree_node);
 117
 118         if (pool_end_addr(pool) <= tmp_pool->base_addr) {
 119             p = &(*p)->rb_left;
 120         } else if (pool->base_addr >= pool_end_addr(tmp_pool)) {
 121             p = &(*p)->rb_right;
 122         } else {
 123             return -1;
 124         }
 125     }
 126
 127     rb_link_node(&(pool->tree_node), parent, p);
 128     rb_insert_color(&(pool->tree_node), &(zone->mempools));
 129     zone->num_pools++;
 130
 131     return 0;
 132 }
 133
 134
 135
 136
 137 /* This adds a pool of a given size to a buddy allocated zone
 138  */
 139
 140 int buddy_add_pool(struct buddy_memzone * zone,
 141                    unsigned long base_addr,
 142                    unsigned long pool_order,
 143                    void *user_metadata) {
 144     struct buddy_mempool * mp = NULL;
 145     unsigned long flags = 0;
 146     int ret = 0;
 147
 148     if (pool_order > zone->max_order) {
 149         ERROR("Pool order size is larger than max allowable zone size (pool_order=%lu) (max_order=%lu)\n", pool_order, zone->max_order);
 150         return -1;
 151     } else if (pool_order < zone->min_order) {
 152         ERROR("Pool order is smaller than min allowable zone size (pool_order=%lu) (min_order=%lu)\n", pool_order, zone->min_order);
 153         return -1;
 154     }
 155
 156     mp = palacios_alloc_extended(sizeof(struct buddy_mempool), GFP_KERNEL, zone->node_id);
 157
 158     if (IS_ERR(mp)) {
 159         ERROR("Could not allocate mempool\n");
 160         return -1;
 161     }
 162
 163     mp->base_addr  = base_addr;
 164     mp->pool_order = pool_order;
 165     mp->zone = zone;
 166     mp->num_free_blocks = 0;
 167
 168     mp->user_metadata = user_metadata;
 169
 170     /* Allocate a bitmap with 1 bit per minimum-sized block */
 171     mp->num_blocks = (1UL << pool_order) / (1UL << zone->min_order);
 172
 173     mp->tag_bits   = palacios_alloc_extended(
 174                                   BITS_TO_LONGS(mp->num_blocks) * sizeof(long), GFP_KERNEL, zone->node_id
 175                                   );
 176
 177     /* Initially mark all minimum-sized blocks as allocated */
 178     bitmap_zero(mp->tag_bits, mp->num_blocks);
 179
 180     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 181     ret = insert_mempool(zone, mp);
 182     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 183
 184     if (ret == -1) {
 185         ERROR("Error: Could not insert mempool into zone\n");
 186         palacios_free(mp->tag_bits);
 187         palacios_free(mp);
 188
 189         return -1;
 190     }
 191
 192     buddy_free(zone, base_addr, pool_order);
 193
 194     INFO("Added memory pool (addr=%p), order=%lu\n", (void *)base_addr, pool_order);
 195
 196     return 0;
 197 }
 198
 199
 200 /**
 201  * Removes a mempool from a zone,
 202  * assumes the zone lock is already held
 203  */
 204 static int __buddy_remove_mempool(struct buddy_memzone * zone,
 205                                   unsigned long base_addr,
 206                                   unsigned char force,
 207                                   void **user_metadata)
 208 {
 209
 210     struct buddy_mempool * pool = NULL;
 211     struct block * block = NULL;
 212
 213
 214     pool = find_mempool(zone, base_addr);
 215
 216     if (pool == NULL) {
 217         ERROR("Could not find mempool with base address (%p)\n", (void *)base_addr);
 218         return -1;
 219     }
 220
 221     block = (struct block *)__va(pool->base_addr);
 222
 223     INFO("Removing Mempool %p, base=%p\n",pool,block);
 224
 225     // The largest order block in the memory pool must be free
 226     if (!is_available(pool, block)) {
 227         if (!force) {
 228             ERROR("Trying to remove an in use memory pool\n");
 229             *user_metadata=0;
 230             return -1;
 231         } else {
 232             WARNING("Forcefully removing in use memory pool\n");
 233         }
 234     }
 235
 236     *user_metadata = pool->user_metadata;
 237
 238     list_del(&(block->link));
 239     rb_erase(&(pool->tree_node), &(zone->mempools));
 240
 241     palacios_free(pool->tag_bits);
 242     palacios_free(pool);
 243
 244     zone->num_pools--;
 245
 246     return 0;
 247 }
 248
 249 int buddy_remove_pool(struct buddy_memzone * zone,
 250                       unsigned long base_addr,
 251                       unsigned char force,
 252                       void          **user_metadata)
 253 {
 254     unsigned long flags = 0;
 255     int ret = 0;
 256
 257     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 258     ret = __buddy_remove_mempool(zone, base_addr, force, user_metadata);
 259     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 260
 261     return ret;
 262 }
 263
 264
 265
 266
 267
 268 /**
 269  * Allocates a block of memory of the requested size (2^order bytes).
 270  *
 271  * Arguments:
 272  *       [IN] mp:    Buddy system memory allocator object.
 273  *       [IN] order: Block size to allocate (2^order bytes).
 274  *       [IN] constraints: bitmmask showing restrictions for scan. currently: 0=none, or LWK_BUDDY_CONSTRAINT_4GB
 275  * Returns:
 276  *       Success: Pointer to the start of the allocated memory block.
 277  *       Failure: NULL
 278  */
 279 uintptr_t
 280 buddy_alloc(struct buddy_memzone *zone, unsigned long order, int constraints)
 281 {
 282     unsigned long j;
 283     struct buddy_mempool * mp = NULL;
 284     struct list_head * list = NULL;
 285     struct list_head * cur = NULL;
 286     struct block * block = NULL;
 287     struct block * buddy_block = NULL;
 288     unsigned long flags = 0;
 289
 290     if (constraints && constraints!=LWK_BUDDY_CONSTRAINT_4GB) {
 291         ERROR("Do not know how to satisfy constraint mask 0x%x\n", constraints);
 292         return (uintptr_t) NULL;
 293     }
 294
 295     BUG_ON(zone == NULL);
 296     BUG_ON(order > zone->max_order);
 297
 298     /* Fixup requested order to be at least the minimum supported */
 299     if (order < zone->min_order) {
 300         order = zone->min_order;
 301     }
 302
 303     INFO("zone=%p, order=%lu\n", zone, order);
 304
 305     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 306
 307     for (j = order; j <= zone->max_order; j++) {
 308
 309         INFO("Order iter=%lu\n", j);
 310
 311         block=NULL;
 312
 313         list = &(zone->avail[j]);
 314
 315         if (list_empty(list)) {
 316             continue;
 317         }
 318
 319         list_for_each(cur, list) {
 320             block = list_entry(cur, struct block, link);
 321
 322             if (!constraints) {
 323                 // without a constraint, we just want the first one
 324                 break;
 325             }
 326
 327             if (constraints & LWK_BUDDY_CONSTRAINT_4GB) {
 328                 // under this constraint, we will only use if the entirity
 329                 // of the allocation within the block will be below 4 GB
 330                 void *block_pa = (void*)__pa(block);
 331                 if ((block_pa + (1ULL<<order)) <= (void*)(0x100000000ULL)) {
 332                     // this block will work
 333                     break;
 334                 } else {
 335                     // look for the next block
 336                     block=NULL;
 337                     continue;
 338                 }
 339             }
 340         }
 341
 342         if (!block) {
 343             // uh oh, no block, look to next order
 344             continue;
 345         }
 346
 347         // have appropriate block, will allocate
 348
 349         list_del(&(block->link));
 350
 351         mp = block->mp;
 352
 353         mark_allocated(mp, block);
 354
 355         INFO("pool=%p, block=%p, order=%lu, j=%lu\n", mp, block, order, j);
 356
 357         /* Trim if a higher order block than necessary was allocated */
 358         while (j > order) {
 359             --j;
 360             buddy_block = (struct block *)((unsigned long)block + (1UL << j));
 361             buddy_block->mp = mp;
 362             buddy_block->order = j;
 363             mark_available(mp, buddy_block);
 364             list_add(&(buddy_block->link), &(zone->avail[j]));
 365         }
 366
 367         mp->num_free_blocks -= (1UL << (order - zone->min_order));
 368
 369         palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 370
 371         return __pa(block);
 372     }
 373
 374     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 375
 376     return (uintptr_t)NULL;
 377 }
 378
 379
 380 /**
 381  * Returns a block of memory to the buddy system memory allocator.
 382  */
 383 void
 384 buddy_free(
 385         //!    Buddy system memory allocator object.
 386         struct buddy_memzone *  zone,
 387         //!  Address of memory block to free.
 388         uintptr_t addr,
 389         //! Size of the memory block (2^order bytes).
 390         unsigned long           order
 391 )
 392 {
 393     struct block * block  = NULL;
 394     struct buddy_mempool * pool = NULL;
 395     unsigned long flags = 0;
 396
 397     BUG_ON(zone == NULL);
 398     BUG_ON(order > zone->max_order);
 399
 400
 401     if ((addr & ((1UL << zone->min_order) - 1)) != 0) {
 402         ERROR("Attempting to free an invalid memory address (%p)\n", (void *)addr);
 403         BUG_ON(1);
 404     }
 405
 406
 407     /* Fixup requested order to be at least the minimum supported */
 408     if (order < zone->min_order) {
 409         order = zone->min_order;
 410     }
 411
 412
 413     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 414
 415     pool = find_mempool(zone, addr);
 416
 417     if ((pool == NULL) || (order > pool->pool_order)) {
 418         WARNING("Attempted to free an invalid page address (%p)\n", (void *)addr);
 419         palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 420         return;
 421     }
 422
 423
 424     /* Overlay block structure on the memory block being freed */
 425     block = (struct block *) __va(addr);
 426
 427     if (is_available(pool, block)) {
 428         ERROR("Error: Freeing an available block\n");
 429         palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 430         return;
 431     }
 432
 433     pool->num_free_blocks += (1UL << (order - zone->min_order));
 434
 435     /* Coalesce as much as possible with adjacent free buddy blocks */
 436     while (order < pool->pool_order) {
 437         /* Determine our buddy block's address */
 438         struct block * buddy = find_buddy(pool, block, order);
 439
 440         /* Make sure buddy is available and has the same size as us */
 441         if (!is_available(pool, buddy))
 442             break;
 443         if (is_available(pool, buddy) && (buddy->order != order))
 444             break;
 445
 446         /* OK, we're good to go... buddy merge! */
 447         list_del(&buddy->link);
 448         if (buddy < block)
 449             block = buddy;
 450         ++order;
 451         block->order = order;
 452     }
 453
 454     /* Add the (possibly coalesced) block to the appropriate free list */
 455     block->order = order;
 456     block->mp = pool;
 457     mark_available(pool, block);
 458     list_add(&(block->link), &(zone->avail[order]));
 459
 460     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 461 }
 462
 463
 464
 465
 466 /**
 467  * Dumps the state of a buddy system memory allocator object to the console.
 468  */
 469 static int
 470 zone_mem_show(struct seq_file * s, void * v) {
 471     struct buddy_memzone * zone = s->private;
 472     unsigned long i;
 473     unsigned long num_blocks;
 474     struct list_head * entry = NULL;
 475     unsigned long flags = 0;
 476
 477
 478     if (!zone) {
 479         seq_printf(s, "Null Zone Pointer!!\n");
 480         return 0;
 481     }
 482
 483     seq_printf(s, "DUMP OF BUDDY MEMORY ZONE:\n");
 484     seq_printf(s, "  Zone Max Order=%lu, Min Order=%lu\n",
 485            zone->max_order, zone->min_order);
 486
 487     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 488
 489     for (i = zone->min_order; i <= zone->max_order; i++) {
 490
 491         /* Count the number of memory blocks in the list */
 492         num_blocks = 0;
 493         list_for_each(entry, &zone->avail[i]) {
 494             ++num_blocks;
 495         }
 496
 497         seq_printf(s, "  order %2lu: %lu free blocks\n", i, num_blocks);
 498     }
 499
 500
 501     seq_printf(s, " %lu memory pools\n", zone->num_pools);
 502     // list pools in zone
 503     {
 504         struct rb_node * node = rb_first(&(zone->mempools));
 505         struct buddy_mempool * pool = NULL;
 506
 507         while (node) {
 508             pool = rb_entry(node, struct buddy_mempool, tree_node);
 509
 510             seq_printf(s, "    Base Addr=%p, order=%lu, size=%lu, free=%lu\n",
 511                        (void *)pool->base_addr, pool->pool_order, (1UL << pool->pool_order),
 512                        pool->num_free_blocks << zone->min_order);
 513
 514
 515             node = rb_next(node);
 516         }
 517     }
 518
 519     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 520
 521     return 0;
 522 }
 523
 524
 525 static int zone_proc_open(struct inode * inode, struct file * filp) {
 526     struct proc_dir_entry * proc_entry = PDE(inode);
 527     INFO("proc_entry at %p, data at %p\n", proc_entry, proc_entry->data);
 528     return single_open(filp, zone_mem_show, proc_entry->data);
 529 }
 530
 531
 532 static struct file_operations zone_proc_ops = {
 533     .owner = THIS_MODULE,
 534     .open = zone_proc_open,
 535     .read = seq_read,
 536     .llseek = seq_lseek,
 537     .release = single_release,
 538 };
 539
 540
 541 void buddy_deinit(struct buddy_memzone * zone, int (*free_callback)(void *user_metadata)) {
 542     unsigned long flags;
 543     struct rb_node *node;
 544     struct buddy_mempool **pools;
 545     unsigned long long base_addr;
 546     void *meta;
 547     int i;
 548     unsigned long num_in_tree;
 549
 550     pools = (struct buddy_mempool **) palacios_alloc(sizeof(struct buddy_mempool *)*zone->num_pools);
 551     if (!pools) {
 552         ERROR("Cannot allocate space for doing deinit of memory zone\n");
 553         return ;
 554     }
 555
 556     // We will lock only to build up the memory pool list
 557     // when we free memory, we need to be able to support free callbacks
 558     // that could block.  This does leave a race with adds, allocs, and frees, however
 559     // In Palacios, we expect a deinit will only really happen on the module unload
 560     // so this should not present a problem
 561     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 562
 563     // because it does not appear possible to erase while iterating
 564     // over the rb tree, we do the following contorted mess
 565     // get the pools
 566     for (num_in_tree=0, node=rb_first(&(zone->mempools));
 567          node && num_in_tree<zone->num_pools;
 568          node=rb_next(node), num_in_tree++) {
 569
 570         pools[num_in_tree]=rb_entry(node,struct buddy_mempool, tree_node);
 571     }
 572
 573     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 574
 575     if (num_in_tree != zone->num_pools) {
 576         WARNING("Odd, the number of pools in the tree is %lu, but the zone reports %lu\n",
 577                 num_in_tree, zone->num_pools);
 578     }
 579
 580     // now we'll free the memory
 581     // note that buddy_remove_mempool also removes them
 582     // from the rb tree, and frees them
 583     for (i=0;i<num_in_tree;i++) {
 584         base_addr = pools[i]->base_addr;
 585
 586         if (buddy_remove_pool(zone, base_addr, 1, &meta)) {
 587             WARNING("Cannot remove memory pool at %p during zone deinit...\n",(void*)(base_addr));
 588             continue;
 589         }
 590
 591         // pool and node are now gone...
 592
 593         // invoke the callback to free the actual memory, if any
 594         if (free_callback) {
 595             free_callback(meta);
 596         }
 597     }
 598
 599
 600     // get rid of /proc entry
 601     {
 602         char proc_file_name[128];
 603
 604         memset(proc_file_name, 0, 128);
 605         snprintf(proc_file_name, 128, "v3-mem%d", zone->node_id);
 606
 607         remove_proc_entry(proc_file_name, palacios_get_procdir());
 608     }
 609
 610
 611     palacios_free(pools);
 612     palacios_free(zone->avail);
 613     palacios_free(zone);
 614
 615     return;
 616 }
 617
 618
 619
 620 /**
 621  * Initializes a buddy system memory allocator object.
 622  *
 623  * Arguments:
 624  *       [IN] base_addr:  Base address of the memory pool.
 625  *       [IN] pool_order: Size of the memory pool (2^pool_order bytes).
 626  *       [IN] min_order:  Minimum allocatable block size (2^min_order bytes).
 627  *
 628  * Returns:
 629  *       Success: Pointer to an initialized buddy system memory allocator.
 630  *       Failure: NULL
 631  *
 632  * NOTE: The min_order argument is provided as an optimization. Since one tag
 633  *       bit is required for each minimum-sized block, large memory pools that
 634  *       allow order 0 allocations will use large amounts of memory. Specifying
 635  *       a min_order of 5 (32 bytes), for example, reduces the number of tag
 636  *       bits by 32x.
 637  */
 638 struct buddy_memzone *
 639 buddy_init(
 640         unsigned long max_order,
 641         unsigned long min_order,
 642         unsigned int node_id
 643 )
 644 {
 645     struct buddy_memzone * zone = NULL;
 646     unsigned long i;
 647
 648     DEBUG("Initializing Memory zone with up to %lu bit blocks on Node %d\n", max_order, node_id);
 649
 650
 651     /* Smallest block size must be big enough to hold a block structure */
 652     if ((1UL << min_order) < sizeof(struct block))
 653         min_order = ilog2( roundup_pow_of_two(sizeof(struct block)) );
 654
 655     /* The minimum block order must be smaller than the pool order */
 656     if (min_order > max_order)
 657         return NULL;
 658
 659     zone = palacios_alloc_extended(sizeof(struct buddy_memzone), GFP_KERNEL, node_id);
 660
 661     INFO("Allocated zone at %p\n", zone);
 662
 663     if (!zone) {
 664         ERROR("Could not allocate memzone\n");
 665         return NULL;
 666     }
 667
 668     memset(zone, 0, sizeof(struct buddy_memzone));
 669
 670     zone->max_order = max_order;
 671     zone->min_order  = min_order;
 672     zone->node_id = node_id;
 673
 674     /* Allocate a list for every order up to the maximum allowed order */
 675     zone->avail = palacios_alloc_extended((max_order + 1) * sizeof(struct list_head), GFP_KERNEL, zone->node_id);
 676
 677     if (!(zone->avail)) {
 678         ERROR("Unable to allocate space for zone list\n");
 679         palacios_free(zone);
 680         return NULL;
 681     }
 682
 683     INFO("Allocated free lists at %p\n", zone->avail);
 684
 685     /* Initially all lists are empty */
 686     for (i = 0; i <= max_order; i++) {
 687         INIT_LIST_HEAD(&zone->avail[i]);
 688     }
 689
 690
 691     palacios_spinlock_init(&(zone->lock));
 692
 693     zone->mempools.rb_node = NULL;
 694
 695     INFO("Allocated zone at %p\n", zone);
 696
 697     {
 698         struct proc_dir_entry * zone_entry = NULL;
 699         char proc_file_name[128];
 700
 701         memset(proc_file_name, 0, 128);
 702         snprintf(proc_file_name, 128, "v3-mem%u", zone->node_id);
 703
 704         zone_entry = create_proc_entry(proc_file_name, 0444, palacios_get_procdir());
 705         if (zone_entry) {
 706             zone_entry->proc_fops = &zone_proc_ops;
 707             zone_entry->data = zone;
 708             INFO("Successfully created /proc/v3vee/v3-mem%d\n", zone->node_id);
 709         } else {
 710             ERROR("Cannot create /proc/v3vee/v3-mem%d\n", zone->node_id);
 711         }
 712
 713     }
 714
 715     return zone;
 716 }