Merge branch 'for-linus-4.1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/mason...
[sfrench/cifs-2.6.git] / mm / zsmalloc.c
1 /*
2  * zsmalloc memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2011  Nitin Gupta
5  * Copyright (C) 2012, 2013 Minchan Kim
6  *
7  * This code is released using a dual license strategy: BSD/GPL
8  * You can choose the license that better fits your requirements.
9  *
10  * Released under the terms of 3-clause BSD License
11  * Released under the terms of GNU General Public License Version 2.0
12  */
13
14 /*
15  * Following is how we use various fields and flags of underlying
16  * struct page(s) to form a zspage.
17  *
18  * Usage of struct page fields:
19  *      page->first_page: points to the first component (0-order) page
20  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
21  *              starting in this page. For the first page, this is
22  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
23  *              to the first free object in zspage.
24  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
25  *              of a zspage
26  *
27  *      For _first_ page only:
28  *
29  *      page->private (union with page->first_page): refers to the
30  *              component page after the first page
31  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
32  *              Look at size_class->huge.
33  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
34  *              Free objects are linked together using in-place
35  *              metadata.
36  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
37  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
38  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
39  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
40  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
41  *
42  * Usage of struct page flags:
43  *      PG_private: identifies the first component page
44  *      PG_private2: identifies the last component page
45  *
46  */
47
48 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_DEBUG
49 #define DEBUG
50 #endif
51
52 #include <linux/module.h>
53 #include <linux/kernel.h>
54 #include <linux/sched.h>
55 #include <linux/bitops.h>
56 #include <linux/errno.h>
57 #include <linux/highmem.h>
58 #include <linux/string.h>
59 #include <linux/slab.h>
60 #include <asm/tlbflush.h>
61 #include <asm/pgtable.h>
62 #include <linux/cpumask.h>
63 #include <linux/cpu.h>
64 #include <linux/vmalloc.h>
65 #include <linux/hardirq.h>
66 #include <linux/spinlock.h>
67 #include <linux/types.h>
68 #include <linux/debugfs.h>
69 #include <linux/zsmalloc.h>
70 #include <linux/zpool.h>
71
72 /*
73  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
74  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
75  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
76  * to restore link_free pointer values.
77  */
78 #define ZS_ALIGN                8
79
80 /*
81  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
82  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
83  */
84 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
85 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
86
87 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
88
89 /*
90  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
91  * as single (unsigned long) handle value.
92  *
93  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
94  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
95  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
96  *
97  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
98  */
99
100 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
101 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
102 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
103 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
104 /*
105  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
106  * be PAGE_SHIFT
107  */
108 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
109 #endif
110 #endif
111 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
112
113 /*
114  * Memory for allocating for handle keeps object position by
115  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
116  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
117  * We use the bit to synchronize between object access by
118  * user and migration.
119  */
120 #define HANDLE_PIN_BIT  0
121
122 /*
123  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
124  * to identify the object was allocated or not.
125  * It's okay to add the status bit in the least bit because
126  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
127  * have room for two bit at least.
128  */
129 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
130 #define OBJ_TAG_BITS 1
131 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
132 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
133
134 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
135 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
136 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
137         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
138 /* each chunk includes extra space to keep handle */
139 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
140
141 /*
142  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
143  * trader-off here:
144  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
145  *    spread across these classes
146  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
147  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
148  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
149  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
150  *
151  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
152  *  (reason above)
153  */
154 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
155
156 /*
157  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
158  */
159 enum fullness_group {
160         ZS_ALMOST_FULL,
161         ZS_ALMOST_EMPTY,
162         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
163
164         ZS_EMPTY,
165         ZS_FULL
166 };
167
168 enum zs_stat_type {
169         OBJ_ALLOCATED,
170         OBJ_USED,
171         CLASS_ALMOST_FULL,
172         CLASS_ALMOST_EMPTY,
173         NR_ZS_STAT_TYPE,
174 };
175
176 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
177
178 static struct dentry *zs_stat_root;
179
180 struct zs_size_stat {
181         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
182 };
183
184 #endif
185
186 /*
187  * number of size_classes
188  */
189 static int zs_size_classes;
190
191 /*
192  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
193  *      n <= N / f, where
194  * n = number of allocated objects
195  * N = total number of objects zspage can store
196  * f = fullness_threshold_frac
197  *
198  * Similarly, we assign zspage to:
199  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
200  *      ZS_EMPTY        when n == 0
201  *      ZS_FULL         when n == N
202  *
203  * (see: fix_fullness_group())
204  */
205 static const int fullness_threshold_frac = 4;
206
207 struct size_class {
208         /*
209          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
210          * of ZS_ALIGN.
211          */
212         int size;
213         unsigned int index;
214
215         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
216         int pages_per_zspage;
217         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
218         bool huge;
219
220 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
221         struct zs_size_stat stats;
222 #endif
223
224         spinlock_t lock;
225
226         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
227 };
228
229 /*
230  * Placed within free objects to form a singly linked list.
231  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
232  *
233  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
234  */
235 struct link_free {
236         union {
237                 /*
238                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
239                  * It's valid for non-allocated object
240                  */
241                 void *next;
242                 /*
243                  * Handle of allocated object.
244                  */
245                 unsigned long handle;
246         };
247 };
248
249 struct zs_pool {
250         char *name;
251
252         struct size_class **size_class;
253         struct kmem_cache *handle_cachep;
254
255         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
256         atomic_long_t pages_allocated;
257
258 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
259         struct dentry *stat_dentry;
260 #endif
261 };
262
263 /*
264  * A zspage's class index and fullness group
265  * are encoded in its (first)page->mapping
266  */
267 #define CLASS_IDX_BITS  28
268 #define FULLNESS_BITS   4
269 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
270 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
271
272 struct mapping_area {
273 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
274         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
275 #else
276         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
277 #endif
278         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
279         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
280         bool huge;
281 };
282
283 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
284 {
285         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
286                                         0, 0, NULL);
287         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
288 }
289
290 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
291 {
292         kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
293 }
294
295 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool)
296 {
297         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
298                 pool->flags & ~__GFP_HIGHMEM);
299 }
300
301 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
302 {
303         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
304 }
305
306 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
307 {
308         *(unsigned long *)handle = obj;
309 }
310
311 /* zpool driver */
312
313 #ifdef CONFIG_ZPOOL
314
315 static void *zs_zpool_create(char *name, gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops)
316 {
317         return zs_create_pool(name, gfp);
318 }
319
320 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
321 {
322         zs_destroy_pool(pool);
323 }
324
325 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
326                         unsigned long *handle)
327 {
328         *handle = zs_malloc(pool, size);
329         return *handle ? 0 : -1;
330 }
331 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
332 {
333         zs_free(pool, handle);
334 }
335
336 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
337                         unsigned int *reclaimed)
338 {
339         return -EINVAL;
340 }
341
342 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
343                         enum zpool_mapmode mm)
344 {
345         enum zs_mapmode zs_mm;
346
347         switch (mm) {
348         case ZPOOL_MM_RO:
349                 zs_mm = ZS_MM_RO;
350                 break;
351         case ZPOOL_MM_WO:
352                 zs_mm = ZS_MM_WO;
353                 break;
354         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
355         default:
356                 zs_mm = ZS_MM_RW;
357                 break;
358         }
359
360         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
361 }
362 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
363 {
364         zs_unmap_object(pool, handle);
365 }
366
367 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
368 {
369         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
370 }
371
372 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
373         .type =         "zsmalloc",
374         .owner =        THIS_MODULE,
375         .create =       zs_zpool_create,
376         .destroy =      zs_zpool_destroy,
377         .malloc =       zs_zpool_malloc,
378         .free =         zs_zpool_free,
379         .shrink =       zs_zpool_shrink,
380         .map =          zs_zpool_map,
381         .unmap =        zs_zpool_unmap,
382         .total_size =   zs_zpool_total_size,
383 };
384
385 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
386 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
387
388 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
389 {
390         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
391 }
392
393 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
394 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
395
396 static int is_first_page(struct page *page)
397 {
398         return PagePrivate(page);
399 }
400
401 static int is_last_page(struct page *page)
402 {
403         return PagePrivate2(page);
404 }
405
406 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
407                                 enum fullness_group *fullness)
408 {
409         unsigned long m;
410         BUG_ON(!is_first_page(page));
411
412         m = (unsigned long)page->mapping;
413         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
414         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
415 }
416
417 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
418                                 enum fullness_group fullness)
419 {
420         unsigned long m;
421         BUG_ON(!is_first_page(page));
422
423         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
424                         (fullness & FULLNESS_MASK);
425         page->mapping = (struct address_space *)m;
426 }
427
428 /*
429  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
430  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
431  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
432  * classes depending on its size. This function returns index of the
433  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
434  */
435 static int get_size_class_index(int size)
436 {
437         int idx = 0;
438
439         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
440                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
441                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
442
443         return min(zs_size_classes - 1, idx);
444 }
445
446 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
447
448 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
449                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
450 {
451         class->stats.objs[type] += cnt;
452 }
453
454 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
455                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
456 {
457         class->stats.objs[type] -= cnt;
458 }
459
460 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
461                                 enum zs_stat_type type)
462 {
463         return class->stats.objs[type];
464 }
465
466 static int __init zs_stat_init(void)
467 {
468         if (!debugfs_initialized())
469                 return -ENODEV;
470
471         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
472         if (!zs_stat_root)
473                 return -ENOMEM;
474
475         return 0;
476 }
477
478 static void __exit zs_stat_exit(void)
479 {
480         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
481 }
482
483 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
484 {
485         int i;
486         struct zs_pool *pool = s->private;
487         struct size_class *class;
488         int objs_per_zspage;
489         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
490         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used;
491         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
492         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
493
494         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s\n",
495                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
496                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
497                         "pages_per_zspage");
498
499         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
500                 class = pool->size_class[i];
501
502                 if (class->index != i)
503                         continue;
504
505                 spin_lock(&class->lock);
506                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
507                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
508                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
509                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
510                 spin_unlock(&class->lock);
511
512                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
513                                 class->pages_per_zspage);
514                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
515                                 class->pages_per_zspage;
516
517                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16d\n",
518                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
519                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
520                         class->pages_per_zspage);
521
522                 total_class_almost_full += class_almost_full;
523                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
524                 total_objs += obj_allocated;
525                 total_used_objs += obj_used;
526                 total_pages += pages_used;
527         }
528
529         seq_puts(s, "\n");
530         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu\n",
531                         "Total", "", total_class_almost_full,
532                         total_class_almost_empty, total_objs,
533                         total_used_objs, total_pages);
534
535         return 0;
536 }
537
538 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
539 {
540         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
541 }
542
543 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
544         .open           = zs_stats_size_open,
545         .read           = seq_read,
546         .llseek         = seq_lseek,
547         .release        = single_release,
548 };
549
550 static int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
551 {
552         struct dentry *entry;
553
554         if (!zs_stat_root)
555                 return -ENODEV;
556
557         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
558         if (!entry) {
559                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
560                 return -ENOMEM;
561         }
562         pool->stat_dentry = entry;
563
564         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
565                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
566         if (!entry) {
567                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
568                                 name, "classes");
569                 return -ENOMEM;
570         }
571
572         return 0;
573 }
574
575 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
576 {
577         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
578 }
579
580 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
581
582 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
583                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
584 {
585 }
586
587 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
588                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
589 {
590 }
591
592 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
593                                 enum zs_stat_type type)
594 {
595         return 0;
596 }
597
598 static int __init zs_stat_init(void)
599 {
600         return 0;
601 }
602
603 static void __exit zs_stat_exit(void)
604 {
605 }
606
607 static inline int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
608 {
609         return 0;
610 }
611
612 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
613 {
614 }
615
616 #endif
617
618
619 /*
620  * For each size class, zspages are divided into different groups
621  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
622  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
623  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
624  * status of the given page.
625  */
626 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
627 {
628         int inuse, max_objects;
629         enum fullness_group fg;
630         BUG_ON(!is_first_page(page));
631
632         inuse = page->inuse;
633         max_objects = page->objects;
634
635         if (inuse == 0)
636                 fg = ZS_EMPTY;
637         else if (inuse == max_objects)
638                 fg = ZS_FULL;
639         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
640                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
641         else
642                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
643
644         return fg;
645 }
646
647 /*
648  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
649  * to one of these freelists based on the number of live objects they
650  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
651  * identified by <class, fullness_group>.
652  */
653 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
654                                 enum fullness_group fullness)
655 {
656         struct page **head;
657
658         BUG_ON(!is_first_page(page));
659
660         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
661                 return;
662
663         head = &class->fullness_list[fullness];
664         if (*head)
665                 list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
666
667         *head = page;
668         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
669                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
670 }
671
672 /*
673  * This function removes the given zspage from the freelist identified
674  * by <class, fullness_group>.
675  */
676 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
677                                 enum fullness_group fullness)
678 {
679         struct page **head;
680
681         BUG_ON(!is_first_page(page));
682
683         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
684                 return;
685
686         head = &class->fullness_list[fullness];
687         BUG_ON(!*head);
688         if (list_empty(&(*head)->lru))
689                 *head = NULL;
690         else if (*head == page)
691                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
692                                         struct page, lru);
693
694         list_del_init(&page->lru);
695         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
696                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
697 }
698
699 /*
700  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
701  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
702  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
703  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
704  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
705  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
706  * fullness group.
707  */
708 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
709                                                 struct page *page)
710 {
711         int class_idx;
712         enum fullness_group currfg, newfg;
713
714         BUG_ON(!is_first_page(page));
715
716         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
717         newfg = get_fullness_group(page);
718         if (newfg == currfg)
719                 goto out;
720
721         remove_zspage(page, class, currfg);
722         insert_zspage(page, class, newfg);
723         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
724
725 out:
726         return newfg;
727 }
728
729 /*
730  * We have to decide on how many pages to link together
731  * to form a zspage for each size class. This is important
732  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
733  * each zspage which is given as:
734  *     wastage = Zp % class_size
735  *     usage = Zp - wastage
736  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
737  *
738  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
739  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
740  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
741  */
742 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
743 {
744         int i, max_usedpc = 0;
745         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
746         int max_usedpc_order = 1;
747
748         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
749                 int zspage_size;
750                 int waste, usedpc;
751
752                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
753                 waste = zspage_size % class_size;
754                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
755
756                 if (usedpc > max_usedpc) {
757                         max_usedpc = usedpc;
758                         max_usedpc_order = i;
759                 }
760         }
761
762         return max_usedpc_order;
763 }
764
765 /*
766  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
767  * linked together using fields in struct page. This function finds
768  * the first/head page, given any component page of a zspage.
769  */
770 static struct page *get_first_page(struct page *page)
771 {
772         if (is_first_page(page))
773                 return page;
774         else
775                 return page->first_page;
776 }
777
778 static struct page *get_next_page(struct page *page)
779 {
780         struct page *next;
781
782         if (is_last_page(page))
783                 next = NULL;
784         else if (is_first_page(page))
785                 next = (struct page *)page_private(page);
786         else
787                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
788
789         return next;
790 }
791
792 /*
793  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
794  * We use the least bit of handle for tagging.
795  */
796 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
797 {
798         unsigned long obj;
799
800         if (!page) {
801                 BUG_ON(obj_idx);
802                 return NULL;
803         }
804
805         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
806         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
807         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
808
809         return (void *)obj;
810 }
811
812 /*
813  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
814  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
815  * location_to_obj().
816  */
817 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
818                                 unsigned long *obj_idx)
819 {
820         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
821         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
822         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
823 }
824
825 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
826 {
827         return *(unsigned long *)handle;
828 }
829
830 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
831                         void *obj)
832 {
833         if (class->huge) {
834                 VM_BUG_ON(!is_first_page(page));
835                 return *(unsigned long *)page_private(page);
836         } else
837                 return *(unsigned long *)obj;
838 }
839
840 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
841                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
842 {
843         unsigned long off = 0;
844
845         if (!is_first_page(page))
846                 off = page->index;
847
848         return off + obj_idx * class_size;
849 }
850
851 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
852 {
853         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
854
855         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
856 }
857
858 static void pin_tag(unsigned long handle)
859 {
860         while (!trypin_tag(handle));
861 }
862
863 static void unpin_tag(unsigned long handle)
864 {
865         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
866
867         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
868 }
869
870 static void reset_page(struct page *page)
871 {
872         clear_bit(PG_private, &page->flags);
873         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
874         set_page_private(page, 0);
875         page->mapping = NULL;
876         page->freelist = NULL;
877         page_mapcount_reset(page);
878 }
879
880 static void free_zspage(struct page *first_page)
881 {
882         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
883
884         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
885         BUG_ON(first_page->inuse);
886
887         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
888
889         reset_page(first_page);
890         __free_page(first_page);
891
892         /* zspage with only 1 system page */
893         if (!head_extra)
894                 return;
895
896         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
897                 list_del(&nextp->lru);
898                 reset_page(nextp);
899                 __free_page(nextp);
900         }
901         reset_page(head_extra);
902         __free_page(head_extra);
903 }
904
905 /* Initialize a newly allocated zspage */
906 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
907 {
908         unsigned long off = 0;
909         struct page *page = first_page;
910
911         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
912         while (page) {
913                 struct page *next_page;
914                 struct link_free *link;
915                 unsigned int i = 1;
916                 void *vaddr;
917
918                 /*
919                  * page->index stores offset of first object starting
920                  * in the page. For the first page, this is always 0,
921                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
922                  * head of corresponding zspage's freelist.
923                  */
924                 if (page != first_page)
925                         page->index = off;
926
927                 vaddr = kmap_atomic(page);
928                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
929
930                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
931                         link->next = location_to_obj(page, i++);
932                         link += class->size / sizeof(*link);
933                 }
934
935                 /*
936                  * We now come to the last (full or partial) object on this
937                  * page, which must point to the first object on the next
938                  * page (if present)
939                  */
940                 next_page = get_next_page(page);
941                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
942                 kunmap_atomic(vaddr);
943                 page = next_page;
944                 off %= PAGE_SIZE;
945         }
946 }
947
948 /*
949  * Allocate a zspage for the given size class
950  */
951 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
952 {
953         int i, error;
954         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
955
956         /*
957          * Allocate individual pages and link them together as:
958          * 1. first page->private = first sub-page
959          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
960          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
961          *
962          * For each size class, First/Head pages are linked together using
963          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
964          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
965          * identify the last page.
966          */
967         error = -ENOMEM;
968         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
969                 struct page *page;
970
971                 page = alloc_page(flags);
972                 if (!page)
973                         goto cleanup;
974
975                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
976                 if (i == 0) {   /* first page */
977                         SetPagePrivate(page);
978                         set_page_private(page, 0);
979                         first_page = page;
980                         first_page->inuse = 0;
981                 }
982                 if (i == 1)
983                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
984                 if (i >= 1)
985                         page->first_page = first_page;
986                 if (i >= 2)
987                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
988                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
989                         SetPagePrivate2(page);
990                 prev_page = page;
991         }
992
993         init_zspage(first_page, class);
994
995         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
996         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
997         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
998
999         error = 0; /* Success */
1000
1001 cleanup:
1002         if (unlikely(error) && first_page) {
1003                 free_zspage(first_page);
1004                 first_page = NULL;
1005         }
1006
1007         return first_page;
1008 }
1009
1010 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1011 {
1012         int i;
1013         struct page *page;
1014
1015         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1016                 page = class->fullness_list[i];
1017                 if (page)
1018                         break;
1019         }
1020
1021         return page;
1022 }
1023
1024 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1025 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1026 {
1027         /*
1028          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1029          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1030          */
1031         if (area->vm)
1032                 return 0;
1033         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1034         if (!area->vm)
1035                 return -ENOMEM;
1036         return 0;
1037 }
1038
1039 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1040 {
1041         if (area->vm)
1042                 free_vm_area(area->vm);
1043         area->vm = NULL;
1044 }
1045
1046 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1047                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1048 {
1049         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1050         area->vm_addr = area->vm->addr;
1051         return area->vm_addr + off;
1052 }
1053
1054 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1055                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1056 {
1057         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1058
1059         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1060 }
1061
1062 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1063
1064 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1065 {
1066         /*
1067          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1068          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1069          */
1070         if (area->vm_buf)
1071                 return 0;
1072         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1073         if (!area->vm_buf)
1074                 return -ENOMEM;
1075         return 0;
1076 }
1077
1078 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1079 {
1080         kfree(area->vm_buf);
1081         area->vm_buf = NULL;
1082 }
1083
1084 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1085                         struct page *pages[2], int off, int size)
1086 {
1087         int sizes[2];
1088         void *addr;
1089         char *buf = area->vm_buf;
1090
1091         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1092         pagefault_disable();
1093
1094         /* no read fastpath */
1095         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1096                 goto out;
1097
1098         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1099         sizes[1] = size - sizes[0];
1100
1101         /* copy object to per-cpu buffer */
1102         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1103         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1104         kunmap_atomic(addr);
1105         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1106         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1107         kunmap_atomic(addr);
1108 out:
1109         return area->vm_buf;
1110 }
1111
1112 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1113                         struct page *pages[2], int off, int size)
1114 {
1115         int sizes[2];
1116         void *addr;
1117         char *buf;
1118
1119         /* no write fastpath */
1120         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1121                 goto out;
1122
1123         buf = area->vm_buf;
1124         if (!area->huge) {
1125                 buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1126                 size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1127                 off += ZS_HANDLE_SIZE;
1128         }
1129
1130         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1131         sizes[1] = size - sizes[0];
1132
1133         /* copy per-cpu buffer to object */
1134         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1135         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1136         kunmap_atomic(addr);
1137         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1138         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1139         kunmap_atomic(addr);
1140
1141 out:
1142         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1143         pagefault_enable();
1144 }
1145
1146 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1147
1148 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1149                                 void *pcpu)
1150 {
1151         int ret, cpu = (long)pcpu;
1152         struct mapping_area *area;
1153
1154         switch (action) {
1155         case CPU_UP_PREPARE:
1156                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1157                 ret = __zs_cpu_up(area);
1158                 if (ret)
1159                         return notifier_from_errno(ret);
1160                 break;
1161         case CPU_DEAD:
1162         case CPU_UP_CANCELED:
1163                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1164                 __zs_cpu_down(area);
1165                 break;
1166         }
1167
1168         return NOTIFY_OK;
1169 }
1170
1171 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1172         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1173 };
1174
1175 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1176 {
1177         int cpu, uninitialized_var(ret);
1178
1179         cpu_notifier_register_begin();
1180
1181         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1182         for_each_online_cpu(cpu) {
1183                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1184                 if (notifier_to_errno(ret))
1185                         break;
1186         }
1187
1188         cpu_notifier_register_done();
1189         return notifier_to_errno(ret);
1190 }
1191
1192 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1193 {
1194         int cpu;
1195
1196         cpu_notifier_register_begin();
1197
1198         for_each_online_cpu(cpu)
1199                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1200         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1201
1202         cpu_notifier_register_done();
1203 }
1204
1205 static void init_zs_size_classes(void)
1206 {
1207         int nr;
1208
1209         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1210         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1211                 nr += 1;
1212
1213         zs_size_classes = nr;
1214 }
1215
1216 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1217 {
1218         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1219                 return false;
1220
1221         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1222                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1223                 return false;
1224
1225         return true;
1226 }
1227
1228 static bool zspage_full(struct page *page)
1229 {
1230         BUG_ON(!is_first_page(page));
1231
1232         return page->inuse == page->objects;
1233 }
1234
1235 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1236 {
1237         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1238 }
1239 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1240
1241 /**
1242  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1243  * @pool: pool from which the object was allocated
1244  * @handle: handle returned from zs_malloc
1245  *
1246  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1247  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1248  * zs_unmap_object.
1249  *
1250  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1251  * against nested mappings.
1252  *
1253  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1254  */
1255 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1256                         enum zs_mapmode mm)
1257 {
1258         struct page *page;
1259         unsigned long obj, obj_idx, off;
1260
1261         unsigned int class_idx;
1262         enum fullness_group fg;
1263         struct size_class *class;
1264         struct mapping_area *area;
1265         struct page *pages[2];
1266         void *ret;
1267
1268         BUG_ON(!handle);
1269
1270         /*
1271          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1272          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1273          * because it can corrupt another users mappings.
1274          */
1275         BUG_ON(in_interrupt());
1276
1277         /* From now on, migration cannot move the object */
1278         pin_tag(handle);
1279
1280         obj = handle_to_obj(handle);
1281         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1282         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1283         class = pool->size_class[class_idx];
1284         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1285
1286         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1287         area->vm_mm = mm;
1288         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1289                 /* this object is contained entirely within a page */
1290                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1291                 ret = area->vm_addr + off;
1292                 goto out;
1293         }
1294
1295         /* this object spans two pages */
1296         pages[0] = page;
1297         pages[1] = get_next_page(page);
1298         BUG_ON(!pages[1]);
1299
1300         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1301 out:
1302         if (!class->huge)
1303                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1304
1305         return ret;
1306 }
1307 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1308
1309 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1310 {
1311         struct page *page;
1312         unsigned long obj, obj_idx, off;
1313
1314         unsigned int class_idx;
1315         enum fullness_group fg;
1316         struct size_class *class;
1317         struct mapping_area *area;
1318
1319         BUG_ON(!handle);
1320
1321         obj = handle_to_obj(handle);
1322         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1323         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1324         class = pool->size_class[class_idx];
1325         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1326
1327         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1328         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1329                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1330         else {
1331                 struct page *pages[2];
1332
1333                 pages[0] = page;
1334                 pages[1] = get_next_page(page);
1335                 BUG_ON(!pages[1]);
1336
1337                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1338         }
1339         put_cpu_var(zs_map_area);
1340         unpin_tag(handle);
1341 }
1342 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1343
1344 static unsigned long obj_malloc(struct page *first_page,
1345                 struct size_class *class, unsigned long handle)
1346 {
1347         unsigned long obj;
1348         struct link_free *link;
1349
1350         struct page *m_page;
1351         unsigned long m_objidx, m_offset;
1352         void *vaddr;
1353
1354         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1355         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1356         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1357         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1358
1359         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1360         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1361         first_page->freelist = link->next;
1362         if (!class->huge)
1363                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1364                 link->handle = handle;
1365         else
1366                 /* record handle in first_page->private */
1367                 set_page_private(first_page, handle);
1368         kunmap_atomic(vaddr);
1369         first_page->inuse++;
1370         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1371
1372         return obj;
1373 }
1374
1375
1376 /**
1377  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1378  * @pool: pool to allocate from
1379  * @size: size of block to allocate
1380  *
1381  * On success, handle to the allocated object is returned,
1382  * otherwise 0.
1383  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1384  */
1385 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1386 {
1387         unsigned long handle, obj;
1388         struct size_class *class;
1389         struct page *first_page;
1390
1391         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1392                 return 0;
1393
1394         handle = alloc_handle(pool);
1395         if (!handle)
1396                 return 0;
1397
1398         /* extra space in chunk to keep the handle */
1399         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1400         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1401
1402         spin_lock(&class->lock);
1403         first_page = find_get_zspage(class);
1404
1405         if (!first_page) {
1406                 spin_unlock(&class->lock);
1407                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1408                 if (unlikely(!first_page)) {
1409                         free_handle(pool, handle);
1410                         return 0;
1411                 }
1412
1413                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1414                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1415                                         &pool->pages_allocated);
1416
1417                 spin_lock(&class->lock);
1418                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1419                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1420         }
1421
1422         obj = obj_malloc(first_page, class, handle);
1423         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1424         fix_fullness_group(class, first_page);
1425         record_obj(handle, obj);
1426         spin_unlock(&class->lock);
1427
1428         return handle;
1429 }
1430 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1431
1432 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1433                         unsigned long obj)
1434 {
1435         struct link_free *link;
1436         struct page *first_page, *f_page;
1437         unsigned long f_objidx, f_offset;
1438         void *vaddr;
1439         int class_idx;
1440         enum fullness_group fullness;
1441
1442         BUG_ON(!obj);
1443
1444         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1445         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1446         first_page = get_first_page(f_page);
1447
1448         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1449         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1450
1451         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1452
1453         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1454         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1455         link->next = first_page->freelist;
1456         if (class->huge)
1457                 set_page_private(first_page, 0);
1458         kunmap_atomic(vaddr);
1459         first_page->freelist = (void *)obj;
1460         first_page->inuse--;
1461         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1462 }
1463
1464 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1465 {
1466         struct page *first_page, *f_page;
1467         unsigned long obj, f_objidx;
1468         int class_idx;
1469         struct size_class *class;
1470         enum fullness_group fullness;
1471
1472         if (unlikely(!handle))
1473                 return;
1474
1475         pin_tag(handle);
1476         obj = handle_to_obj(handle);
1477         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1478         first_page = get_first_page(f_page);
1479
1480         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1481         class = pool->size_class[class_idx];
1482
1483         spin_lock(&class->lock);
1484         obj_free(pool, class, obj);
1485         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1486         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1487                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1488                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1489                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1490                                 &pool->pages_allocated);
1491                 free_zspage(first_page);
1492         }
1493         spin_unlock(&class->lock);
1494         unpin_tag(handle);
1495
1496         free_handle(pool, handle);
1497 }
1498 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1499
1500 static void zs_object_copy(unsigned long src, unsigned long dst,
1501                                 struct size_class *class)
1502 {
1503         struct page *s_page, *d_page;
1504         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1505         unsigned long s_off, d_off;
1506         void *s_addr, *d_addr;
1507         int s_size, d_size, size;
1508         int written = 0;
1509
1510         s_size = d_size = class->size;
1511
1512         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1513         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1514
1515         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1516         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1517
1518         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1519                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1520
1521         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1522                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1523
1524         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1525         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1526
1527         while (1) {
1528                 size = min(s_size, d_size);
1529                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1530                 written += size;
1531
1532                 if (written == class->size)
1533                         break;
1534
1535                 s_off += size;
1536                 s_size -= size;
1537                 d_off += size;
1538                 d_size -= size;
1539
1540                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1541                         kunmap_atomic(d_addr);
1542                         kunmap_atomic(s_addr);
1543                         s_page = get_next_page(s_page);
1544                         BUG_ON(!s_page);
1545                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1546                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1547                         s_size = class->size - written;
1548                         s_off = 0;
1549                 }
1550
1551                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1552                         kunmap_atomic(d_addr);
1553                         d_page = get_next_page(d_page);
1554                         BUG_ON(!d_page);
1555                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1556                         d_size = class->size - written;
1557                         d_off = 0;
1558                 }
1559         }
1560
1561         kunmap_atomic(d_addr);
1562         kunmap_atomic(s_addr);
1563 }
1564
1565 /*
1566  * Find alloced object in zspage from index object and
1567  * return handle.
1568  */
1569 static unsigned long find_alloced_obj(struct page *page, int index,
1570                                         struct size_class *class)
1571 {
1572         unsigned long head;
1573         int offset = 0;
1574         unsigned long handle = 0;
1575         void *addr = kmap_atomic(page);
1576
1577         if (!is_first_page(page))
1578                 offset = page->index;
1579         offset += class->size * index;
1580
1581         while (offset < PAGE_SIZE) {
1582                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1583                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1584                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1585                         if (trypin_tag(handle))
1586                                 break;
1587                         handle = 0;
1588                 }
1589
1590                 offset += class->size;
1591                 index++;
1592         }
1593
1594         kunmap_atomic(addr);
1595         return handle;
1596 }
1597
1598 struct zs_compact_control {
1599         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1600         struct page *s_page;
1601         /* Destination page for migration which should be a first page
1602          * of zspage. */
1603         struct page *d_page;
1604          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1605           * in the subpage. */
1606         int index;
1607         /* how many of objects are migrated */
1608         int nr_migrated;
1609 };
1610
1611 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1612                                 struct zs_compact_control *cc)
1613 {
1614         unsigned long used_obj, free_obj;
1615         unsigned long handle;
1616         struct page *s_page = cc->s_page;
1617         struct page *d_page = cc->d_page;
1618         unsigned long index = cc->index;
1619         int nr_migrated = 0;
1620         int ret = 0;
1621
1622         while (1) {
1623                 handle = find_alloced_obj(s_page, index, class);
1624                 if (!handle) {
1625                         s_page = get_next_page(s_page);
1626                         if (!s_page)
1627                                 break;
1628                         index = 0;
1629                         continue;
1630                 }
1631
1632                 /* Stop if there is no more space */
1633                 if (zspage_full(d_page)) {
1634                         unpin_tag(handle);
1635                         ret = -ENOMEM;
1636                         break;
1637                 }
1638
1639                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1640                 free_obj = obj_malloc(d_page, class, handle);
1641                 zs_object_copy(used_obj, free_obj, class);
1642                 index++;
1643                 record_obj(handle, free_obj);
1644                 unpin_tag(handle);
1645                 obj_free(pool, class, used_obj);
1646                 nr_migrated++;
1647         }
1648
1649         /* Remember last position in this iteration */
1650         cc->s_page = s_page;
1651         cc->index = index;
1652         cc->nr_migrated = nr_migrated;
1653
1654         return ret;
1655 }
1656
1657 static struct page *alloc_target_page(struct size_class *class)
1658 {
1659         int i;
1660         struct page *page;
1661
1662         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1663                 page = class->fullness_list[i];
1664                 if (page) {
1665                         remove_zspage(page, class, i);
1666                         break;
1667                 }
1668         }
1669
1670         return page;
1671 }
1672
1673 static void putback_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1674                                 struct page *first_page)
1675 {
1676         enum fullness_group fullness;
1677
1678         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
1679
1680         fullness = get_fullness_group(first_page);
1681         insert_zspage(first_page, class, fullness);
1682         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1683
1684         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1685                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1686                         class->size, class->pages_per_zspage));
1687                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1688                                 &pool->pages_allocated);
1689
1690                 free_zspage(first_page);
1691         }
1692 }
1693
1694 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1695 {
1696         struct page *page;
1697
1698         page = class->fullness_list[ZS_ALMOST_EMPTY];
1699         if (page)
1700                 remove_zspage(page, class, ZS_ALMOST_EMPTY);
1701
1702         return page;
1703 }
1704
1705 static unsigned long __zs_compact(struct zs_pool *pool,
1706                                 struct size_class *class)
1707 {
1708         int nr_to_migrate;
1709         struct zs_compact_control cc;
1710         struct page *src_page;
1711         struct page *dst_page = NULL;
1712         unsigned long nr_total_migrated = 0;
1713
1714         spin_lock(&class->lock);
1715         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1716
1717                 BUG_ON(!is_first_page(src_page));
1718
1719                 /* The goal is to migrate all live objects in source page */
1720                 nr_to_migrate = src_page->inuse;
1721                 cc.index = 0;
1722                 cc.s_page = src_page;
1723
1724                 while ((dst_page = alloc_target_page(class))) {
1725                         cc.d_page = dst_page;
1726                         /*
1727                          * If there is no more space in dst_page, try to
1728                          * allocate another zspage.
1729                          */
1730                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1731                                 break;
1732
1733                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1734                         nr_total_migrated += cc.nr_migrated;
1735                         nr_to_migrate -= cc.nr_migrated;
1736                 }
1737
1738                 /* Stop if we couldn't find slot */
1739                 if (dst_page == NULL)
1740                         break;
1741
1742                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1743                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1744                 spin_unlock(&class->lock);
1745                 nr_total_migrated += cc.nr_migrated;
1746                 cond_resched();
1747                 spin_lock(&class->lock);
1748         }
1749
1750         if (src_page)
1751                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1752
1753         spin_unlock(&class->lock);
1754
1755         return nr_total_migrated;
1756 }
1757
1758 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1759 {
1760         int i;
1761         unsigned long nr_migrated = 0;
1762         struct size_class *class;
1763
1764         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1765                 class = pool->size_class[i];
1766                 if (!class)
1767                         continue;
1768                 if (class->index != i)
1769                         continue;
1770                 nr_migrated += __zs_compact(pool, class);
1771         }
1772
1773         return nr_migrated;
1774 }
1775 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1776
1777 /**
1778  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1779  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1780  *
1781  * This function must be called before anything when using
1782  * the zsmalloc allocator.
1783  *
1784  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1785  * otherwise NULL.
1786  */
1787 struct zs_pool *zs_create_pool(char *name, gfp_t flags)
1788 {
1789         int i;
1790         struct zs_pool *pool;
1791         struct size_class *prev_class = NULL;
1792
1793         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1794         if (!pool)
1795                 return NULL;
1796
1797         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1798                         GFP_KERNEL);
1799         if (!pool->size_class) {
1800                 kfree(pool);
1801                 return NULL;
1802         }
1803
1804         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1805         if (!pool->name)
1806                 goto err;
1807
1808         if (create_handle_cache(pool))
1809                 goto err;
1810
1811         /*
1812          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1813          * for merging should be larger or equal to current size.
1814          */
1815         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1816                 int size;
1817                 int pages_per_zspage;
1818                 struct size_class *class;
1819
1820                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1821                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1822                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1823                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1824
1825                 /*
1826                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1827                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1828                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1829                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1830                  * many different sizes whose size_class have same
1831                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1832                  * previous size_class if possible.
1833                  */
1834                 if (prev_class) {
1835                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1836                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1837                                 continue;
1838                         }
1839                 }
1840
1841                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1842                 if (!class)
1843                         goto err;
1844
1845                 class->size = size;
1846                 class->index = i;
1847                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1848                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1849                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1850                         class->huge = true;
1851                 spin_lock_init(&class->lock);
1852                 pool->size_class[i] = class;
1853
1854                 prev_class = class;
1855         }
1856
1857         pool->flags = flags;
1858
1859         if (zs_pool_stat_create(name, pool))
1860                 goto err;
1861
1862         return pool;
1863
1864 err:
1865         zs_destroy_pool(pool);
1866         return NULL;
1867 }
1868 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1869
1870 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1871 {
1872         int i;
1873
1874         zs_pool_stat_destroy(pool);
1875
1876         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1877                 int fg;
1878                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1879
1880                 if (!class)
1881                         continue;
1882
1883                 if (class->index != i)
1884                         continue;
1885
1886                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1887                         if (class->fullness_list[fg]) {
1888                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1889                                         class->size, fg);
1890                         }
1891                 }
1892                 kfree(class);
1893         }
1894
1895         destroy_handle_cache(pool);
1896         kfree(pool->size_class);
1897         kfree(pool->name);
1898         kfree(pool);
1899 }
1900 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
1901
1902 static int __init zs_init(void)
1903 {
1904         int ret = zs_register_cpu_notifier();
1905
1906         if (ret)
1907                 goto notifier_fail;
1908
1909         init_zs_size_classes();
1910
1911 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1912         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
1913 #endif
1914
1915         ret = zs_stat_init();
1916         if (ret) {
1917                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
1918                 goto stat_fail;
1919         }
1920         return 0;
1921
1922 stat_fail:
1923 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1924         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
1925 #endif
1926 notifier_fail:
1927         zs_unregister_cpu_notifier();
1928
1929         return ret;
1930 }
1931
1932 static void __exit zs_exit(void)
1933 {
1934 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1935         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
1936 #endif
1937         zs_unregister_cpu_notifier();
1938
1939         zs_stat_exit();
1940 }
1941
1942 module_init(zs_init);
1943 module_exit(zs_exit);
1944
1945 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
1946 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");