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     if (is_available(pool,block)) {
 239         list_del(&(block->link));
 240     } else {
 241         // we may not be on the free list if we are being
 242         // forcibly removed before all allocations are freed
 243     }
 244
 245     rb_erase(&(pool->tree_node), &(zone->mempools));
 246
 247     palacios_free(pool->tag_bits);
 248     palacios_free(pool);
 249
 250     zone->num_pools--;
 251
 252     return 0;
 253 }
 254
 255 int buddy_remove_pool(struct buddy_memzone * zone,
 256                       unsigned long base_addr,
 257                       unsigned char force,
 258                       void          **user_metadata)
 259 {
 260     unsigned long flags = 0;
 261     int ret = 0;
 262
 263
 264     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 265     ret = __buddy_remove_mempool(zone, base_addr, force, user_metadata);
 266     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 267
 268     return ret;
 269 }
 270
 271
 272
 273
 274
 275 /**
 276  * Allocates a block of memory of the requested size (2^order bytes).
 277  *
 278  * Arguments:
 279  *       [IN] mp:    Buddy system memory allocator object.
 280  *       [IN] order: Block size to allocate (2^order bytes).
 281  *       [IN] constraints: bitmmask showing restrictions for scan. currently: 0=none, or LWK_BUDDY_CONSTRAINT_4GB
 282  * Returns:
 283  *       Success: Pointer to the start of the allocated memory block.
 284  *       Failure: NULL
 285  */
 286 uintptr_t
 287 buddy_alloc(struct buddy_memzone *zone, unsigned long order, int constraints)
 288 {
 289     unsigned long j;
 290     struct buddy_mempool * mp = NULL;
 291     struct list_head * list = NULL;
 292     struct list_head * cur = NULL;
 293     struct block * block = NULL;
 294     struct block * buddy_block = NULL;
 295     unsigned long flags = 0;
 296
 297     if (constraints && constraints!=LWK_BUDDY_CONSTRAINT_4GB) {
 298         ERROR("Do not know how to satisfy constraint mask 0x%x\n", constraints);
 299         return (uintptr_t) NULL;
 300     }
 301
 302     BUG_ON(zone == NULL);
 303     BUG_ON(order > zone->max_order);
 304
 305     /* Fixup requested order to be at least the minimum supported */
 306     if (order < zone->min_order) {
 307         order = zone->min_order;
 308     }
 309
 310     INFO("zone=%p, order=%lu\n", zone, order);
 311
 312     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 313
 314     for (j = order; j <= zone->max_order; j++) {
 315
 316         INFO("Order iter=%lu\n", j);
 317
 318         block=NULL;
 319
 320         list = &(zone->avail[j]);
 321
 322         if (list_empty(list)) {
 323             continue;
 324         }
 325
 326         list_for_each(cur, list) {
 327             block = list_entry(cur, struct block, link);
 328
 329             if (!constraints) {
 330                 // without a constraint, we just want the first one
 331                 break;
 332             }
 333
 334             if (constraints & LWK_BUDDY_CONSTRAINT_4GB) {
 335                 // under this constraint, we will only use if the entirity
 336                 // of the allocation within the block will be below 4 GB
 337                 void *block_pa = (void*)__pa(block);
 338                 if ((block_pa + (1ULL<<order)) <= (void*)(0x100000000ULL)) {
 339                     // this block will work
 340                     break;
 341                 } else {
 342                     // look for the next block
 343                     block=NULL;
 344                     continue;
 345                 }
 346             }
 347         }
 348
 349         if (!block) {
 350             // uh oh, no block, look to next order
 351             continue;
 352         }
 353
 354         // have appropriate block, will allocate
 355
 356         list_del(&(block->link));
 357
 358         mp = block->mp;
 359
 360         mark_allocated(mp, block);
 361
 362         INFO("pool=%p, block=%p, order=%lu, j=%lu\n", mp, block, order, j);
 363
 364         /* Trim if a higher order block than necessary was allocated */
 365         while (j > order) {
 366             --j;
 367             buddy_block = (struct block *)((unsigned long)block + (1UL << j));
 368             buddy_block->mp = mp;
 369             buddy_block->order = j;
 370             mark_available(mp, buddy_block);
 371             list_add(&(buddy_block->link), &(zone->avail[j]));
 372         }
 373
 374         mp->num_free_blocks -= (1UL << (order - zone->min_order));
 375
 376         palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 377
 378         return __pa(block);
 379     }
 380
 381     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 382
 383     return (uintptr_t)NULL;
 384 }
 385
 386
 387 /**
 388  * Returns a block of memory to the buddy system memory allocator.
 389  */
 390 void
 391 buddy_free(
 392         //!    Buddy system memory allocator object.
 393         struct buddy_memzone *  zone,
 394         //!  Address of memory block to free.
 395         uintptr_t addr,
 396         //! Size of the memory block (2^order bytes).
 397         unsigned long           order
 398 )
 399 {
 400     struct block * block  = NULL;
 401     struct buddy_mempool * pool = NULL;
 402     unsigned long flags = 0;
 403
 404     BUG_ON(zone == NULL);
 405     BUG_ON(order > zone->max_order);
 406
 407
 408     if ((addr & ((1UL << zone->min_order) - 1)) != 0) {
 409         ERROR("Attempting to free an invalid memory address (%p)\n", (void *)addr);
 410         BUG_ON(1);
 411     }
 412
 413
 414     /* Fixup requested order to be at least the minimum supported */
 415     if (order < zone->min_order) {
 416         order = zone->min_order;
 417     }
 418
 419
 420     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 421
 422     pool = find_mempool(zone, addr);
 423
 424     if ((pool == NULL) || (order > pool->pool_order)) {
 425       WARNING("Attempted to free an invalid page address (%p) - pool=%p order=%lu\n", (void *)addr,pool,order);
 426       palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 427         return;
 428     }
 429
 430
 431     /* Overlay block structure on the memory block being freed */
 432     block = (struct block *) __va(addr);
 433
 434     if (is_available(pool, block)) {
 435         ERROR("Error: Freeing an available block\n");
 436         palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 437         return;
 438     }
 439
 440     pool->num_free_blocks += (1UL << (order - zone->min_order));
 441
 442     /* Coalesce as much as possible with adjacent free buddy blocks */
 443     while (order < pool->pool_order) {
 444         /* Determine our buddy block's address */
 445         struct block * buddy = find_buddy(pool, block, order);
 446
 447         /* Make sure buddy is available and has the same size as us */
 448         if (!is_available(pool, buddy))
 449             break;
 450         if (is_available(pool, buddy) && (buddy->order != order))
 451             break;
 452
 453         /* OK, we're good to go... buddy merge! */
 454         list_del(&buddy->link);
 455         if (buddy < block)
 456             block = buddy;
 457         ++order;
 458         block->order = order;
 459     }
 460
 461     /* Add the (possibly coalesced) block to the appropriate free list */
 462     block->order = order;
 463     block->mp = pool;
 464     mark_available(pool, block);
 465     list_add(&(block->link), &(zone->avail[order]));
 466
 467     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 468 }
 469
 470
 471
 472
 473 /**
 474  * Dumps the state of a buddy system memory allocator object to the console.
 475  */
 476 static int
 477 zone_mem_show(struct seq_file * s, void * v) {
 478     struct buddy_memzone * zone = s->private;
 479     unsigned long i;
 480     unsigned long num_blocks;
 481     struct list_head * entry = NULL;
 482     unsigned long flags = 0;
 483
 484
 485     if (!zone) {
 486         seq_printf(s, "Null Zone Pointer!!\n");
 487         return 0;
 488     }
 489
 490     seq_printf(s, "DUMP OF BUDDY MEMORY ZONE:\n");
 491     seq_printf(s, "  Zone Max Order=%lu, Min Order=%lu\n",
 492            zone->max_order, zone->min_order);
 493
 494     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 495
 496     for (i = zone->min_order; i <= zone->max_order; i++) {
 497
 498         /* Count the number of memory blocks in the list */
 499         num_blocks = 0;
 500         list_for_each(entry, &zone->avail[i]) {
 501             ++num_blocks;
 502         }
 503
 504         seq_printf(s, "  order %2lu: %lu free blocks\n", i, num_blocks);
 505     }
 506
 507
 508     seq_printf(s, " %lu memory pools\n", zone->num_pools);
 509     // list pools in zone
 510     {
 511         struct rb_node * node = rb_first(&(zone->mempools));
 512         struct buddy_mempool * pool = NULL;
 513
 514         while (node) {
 515             pool = rb_entry(node, struct buddy_mempool, tree_node);
 516
 517             seq_printf(s, "    Base Addr=%p, order=%lu, size=%lu, free=%lu\n",
 518                        (void *)pool->base_addr, pool->pool_order, (1UL << pool->pool_order),
 519                        pool->num_free_blocks << zone->min_order);
 520
 521
 522             node = rb_next(node);
 523         }
 524     }
 525
 526     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 527
 528     return 0;
 529 }
 530
 531
 532 static int zone_proc_open(struct inode * inode, struct file * filp) {
 533     struct proc_dir_entry * proc_entry = PDE(inode);
 534     INFO("proc_entry at %p, data at %p\n", proc_entry, proc_entry->data);
 535     return single_open(filp, zone_mem_show, proc_entry->data);
 536 }
 537
 538
 539 static struct file_operations zone_proc_ops = {
 540     .owner = THIS_MODULE,
 541     .open = zone_proc_open,
 542     .read = seq_read,
 543     .llseek = seq_lseek,
 544     .release = single_release,
 545 };
 546
 547
 548 void buddy_deinit(struct buddy_memzone * zone, int (*free_callback)(void *user_metadata)) {
 549     unsigned long flags;
 550     struct rb_node *node;
 551     struct buddy_mempool **pools;
 552     unsigned long long base_addr;
 553     void *meta;
 554     int i;
 555     unsigned long num_in_tree;
 556
 557     pools = (struct buddy_mempool **) palacios_alloc(sizeof(struct buddy_mempool *)*zone->num_pools);
 558     if (!pools) {
 559         ERROR("Cannot allocate space for doing deinit of memory zone\n");
 560         return ;
 561     }
 562
 563     // We will lock only to build up the memory pool list
 564     // when we free memory, we need to be able to support free callbacks
 565     // that could block.  This does leave a race with adds, allocs, and frees, however
 566     // In Palacios, we expect a deinit will only really happen on the module unload
 567     // so this should not present a problem
 568     palacios_spinlock_lock_irqsave(&(zone->lock), flags);
 569
 570     // because it does not appear possible to erase while iterating
 571     // over the rb tree, we do the following contorted mess
 572     // get the pools
 573     for (num_in_tree=0, node=rb_first(&(zone->mempools));
 574          node && num_in_tree<zone->num_pools;
 575          node=rb_next(node), num_in_tree++) {
 576
 577         pools[num_in_tree]=rb_entry(node,struct buddy_mempool, tree_node);
 578     }
 579
 580     palacios_spinlock_unlock_irqrestore(&(zone->lock), flags);
 581
 582     if (num_in_tree != zone->num_pools) {
 583         WARNING("Odd, the number of pools in the tree is %lu, but the zone reports %lu\n",
 584                 num_in_tree, zone->num_pools);
 585     }
 586
 587     // now we'll free the memory
 588     // note that buddy_remove_mempool also removes them
 589     // from the rb tree, and frees them
 590     for (i=0;i<num_in_tree;i++) {
 591         base_addr = pools[i]->base_addr;
 592
 593         if (buddy_remove_pool(zone, base_addr, 1, &meta)) {
 594             WARNING("Cannot remove memory pool at %p during zone deinit...\n",(void*)(base_addr));
 595             continue;
 596         }
 597
 598         // pool and node are now gone...
 599
 600         // invoke the callback to free the actual memory, if any
 601         if (free_callback) {
 602             free_callback(meta);
 603         }
 604     }
 605
 606
 607     // get rid of /proc entry
 608     {
 609         char proc_file_name[128];
 610
 611         memset(proc_file_name, 0, 128);
 612         snprintf(proc_file_name, 128, "v3-mem%d", zone->node_id);
 613
 614         remove_proc_entry(proc_file_name, palacios_get_procdir());
 615     }
 616
 617
 618     palacios_free(pools);
 619     palacios_free(zone->avail);
 620     palacios_free(zone);
 621
 622     return;
 623 }
 624
 625
 626
 627 /**
 628  * Initializes a buddy system memory allocator object.
 629  *
 630  * Arguments:
 631  *       [IN] base_addr:  Base address of the memory pool.
 632  *       [IN] pool_order: Size of the memory pool (2^pool_order bytes).
 633  *       [IN] min_order:  Minimum allocatable block size (2^min_order bytes).
 634  *
 635  * Returns:
 636  *       Success: Pointer to an initialized buddy system memory allocator.
 637  *       Failure: NULL
 638  *
 639  * NOTE: The min_order argument is provided as an optimization. Since one tag
 640  *       bit is required for each minimum-sized block, large memory pools that
 641  *       allow order 0 allocations will use large amounts of memory. Specifying
 642  *       a min_order of 5 (32 bytes), for example, reduces the number of tag
 643  *       bits by 32x.
 644  */
 645 struct buddy_memzone *
 646 buddy_init(
 647         unsigned long max_order,
 648         unsigned long min_order,
 649         unsigned int node_id
 650 )
 651 {
 652     struct buddy_memzone * zone = NULL;
 653     unsigned long i;
 654
 655     DEBUG("Initializing Memory zone with up to %lu bit blocks on Node %d\n", max_order, node_id);
 656
 657
 658     /* Smallest block size must be big enough to hold a block structure */
 659     if ((1UL << min_order) < sizeof(struct block))
 660         min_order = ilog2( roundup_pow_of_two(sizeof(struct block)) );
 661
 662     /* The minimum block order must be smaller than the pool order */
 663     if (min_order > max_order)
 664         return NULL;
 665
 666     zone = palacios_alloc_extended(sizeof(struct buddy_memzone), GFP_KERNEL, node_id);
 667
 668     INFO("Allocated zone at %p\n", zone);
 669
 670     if (!zone) {
 671         ERROR("Could not allocate memzone\n");
 672         return NULL;
 673     }
 674
 675     memset(zone, 0, sizeof(struct buddy_memzone));
 676
 677     zone->max_order = max_order;
 678     zone->min_order  = min_order;
 679     zone->node_id = node_id;
 680
 681     /* Allocate a list for every order up to the maximum allowed order */
 682     zone->avail = palacios_alloc_extended((max_order + 1) * sizeof(struct list_head), GFP_KERNEL, zone->node_id);
 683
 684     if (!(zone->avail)) {
 685         ERROR("Unable to allocate space for zone list\n");
 686         palacios_free(zone);
 687         return NULL;
 688     }
 689
 690     INFO("Allocated free lists at %p\n", zone->avail);
 691
 692     /* Initially all lists are empty */
 693     for (i = 0; i <= max_order; i++) {
 694         INIT_LIST_HEAD(&zone->avail[i]);
 695     }
 696
 697
 698     palacios_spinlock_init(&(zone->lock));
 699
 700     zone->mempools.rb_node = NULL;
 701
 702     INFO("Allocated zone at %p\n", zone);
 703
 704     {
 705         struct proc_dir_entry * zone_entry = NULL;
 706         char proc_file_name[128];
 707
 708         memset(proc_file_name, 0, 128);
 709         snprintf(proc_file_name, 128, "v3-mem%u", zone->node_id);
 710
 711         zone_entry = create_proc_entry(proc_file_name, 0444, palacios_get_procdir());
 712         if (zone_entry) {
 713             zone_entry->proc_fops = &zone_proc_ops;
 714             zone_entry->data = zone;
 715             INFO("Successfully created /proc/v3vee/v3-mem%d\n", zone->node_id);
 716         } else {
 717             ERROR("Cannot create /proc/v3vee/v3-mem%d\n", zone->node_id);
 718         }
 719
 720     }
 721
 722     return zone;
 723 }