Merge branch 'for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/sage/ceph...
[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  * This allocator is designed for use with zram. Thus, the allocator is
16  * supposed to work well under low memory conditions. In particular, it
17  * never attempts higher order page allocation which is very likely to
18  * fail under memory pressure. On the other hand, if we just use single
19  * (0-order) pages, it would suffer from very high fragmentation --
20  * any object of size PAGE_SIZE/2 or larger would occupy an entire page.
21  * This was one of the major issues with its predecessor (xvmalloc).
22  *
23  * To overcome these issues, zsmalloc allocates a bunch of 0-order pages
24  * and links them together using various 'struct page' fields. These linked
25  * pages act as a single higher-order page i.e. an object can span 0-order
26  * page boundaries. The code refers to these linked pages as a single entity
27  * called zspage.
28  *
29  * For simplicity, zsmalloc can only allocate objects of size up to PAGE_SIZE
30  * since this satisfies the requirements of all its current users (in the
31  * worst case, page is incompressible and is thus stored "as-is" i.e. in
32  * uncompressed form). For allocation requests larger than this size, failure
33  * is returned (see zs_malloc).
34  *
35  * Additionally, zs_malloc() does not return a dereferenceable pointer.
36  * Instead, it returns an opaque handle (unsigned long) which encodes actual
37  * location of the allocated object. The reason for this indirection is that
38  * zsmalloc does not keep zspages permanently mapped since that would cause
39  * issues on 32-bit systems where the VA region for kernel space mappings
40  * is very small. So, before using the allocating memory, the object has to
41  * be mapped using zs_map_object() to get a usable pointer and subsequently
42  * unmapped using zs_unmap_object().
43  *
44  * Following is how we use various fields and flags of underlying
45  * struct page(s) to form a zspage.
46  *
47  * Usage of struct page fields:
48  *      page->first_page: points to the first component (0-order) page
49  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
50  *              starting in this page. For the first page, this is
51  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
52  *              to the first free object in zspage.
53  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
54  *              of a zspage
55  *
56  *      For _first_ page only:
57  *
58  *      page->private (union with page->first_page): refers to the
59  *              component page after the first page
60  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
61  *              Free objects are linked together using in-place
62  *              metadata.
63  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
64  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
65  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
66  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
67  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
68  *
69  * Usage of struct page flags:
70  *      PG_private: identifies the first component page
71  *      PG_private2: identifies the last component page
72  *
73  */
74
75 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_DEBUG
76 #define DEBUG
77 #endif
78
79 #include <linux/module.h>
80 #include <linux/kernel.h>
81 #include <linux/bitops.h>
82 #include <linux/errno.h>
83 #include <linux/highmem.h>
84 #include <linux/string.h>
85 #include <linux/slab.h>
86 #include <asm/tlbflush.h>
87 #include <asm/pgtable.h>
88 #include <linux/cpumask.h>
89 #include <linux/cpu.h>
90 #include <linux/vmalloc.h>
91 #include <linux/hardirq.h>
92 #include <linux/spinlock.h>
93 #include <linux/types.h>
94 #include <linux/zsmalloc.h>
95 #include <linux/zpool.h>
96
97 /*
98  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
99  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
100  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
101  * to restore link_free pointer values.
102  */
103 #define ZS_ALIGN                8
104
105 /*
106  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
107  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
108  */
109 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
110 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
111
112 /*
113  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
114  * as single (unsigned long) handle value.
115  *
116  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
117  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
118  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
119  *
120  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
121  */
122
123 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
124 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
125 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
126 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
127 /*
128  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
129  * be PAGE_SHIFT
130  */
131 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
132 #endif
133 #endif
134 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
135 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS)
136 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
137
138 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
139 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
140 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
141         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
142 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
143
144 /*
145  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
146  * trader-off here:
147  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
148  *    spread across these classes
149  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
150  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
151  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
152  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
153  *
154  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
155  *  (reason above)
156  */
157 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
158 #define ZS_SIZE_CLASSES         ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / \
159                                         ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1)
160
161 /*
162  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
163  */
164 enum fullness_group {
165         ZS_ALMOST_FULL,
166         ZS_ALMOST_EMPTY,
167         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
168
169         ZS_EMPTY,
170         ZS_FULL
171 };
172
173 /*
174  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
175  *      n <= N / f, where
176  * n = number of allocated objects
177  * N = total number of objects zspage can store
178  * f = 1/fullness_threshold_frac
179  *
180  * Similarly, we assign zspage to:
181  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
182  *      ZS_EMPTY        when n == 0
183  *      ZS_FULL         when n == N
184  *
185  * (see: fix_fullness_group())
186  */
187 static const int fullness_threshold_frac = 4;
188
189 struct size_class {
190         /*
191          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
192          * of ZS_ALIGN.
193          */
194         int size;
195         unsigned int index;
196
197         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
198         int pages_per_zspage;
199
200         spinlock_t lock;
201
202         /* stats */
203         u64 pages_allocated;
204
205         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
206 };
207
208 /*
209  * Placed within free objects to form a singly linked list.
210  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
211  *
212  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
213  */
214 struct link_free {
215         /* Handle of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>) */
216         void *next;
217 };
218
219 struct zs_pool {
220         struct size_class size_class[ZS_SIZE_CLASSES];
221
222         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
223 };
224
225 /*
226  * A zspage's class index and fullness group
227  * are encoded in its (first)page->mapping
228  */
229 #define CLASS_IDX_BITS  28
230 #define FULLNESS_BITS   4
231 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
232 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
233
234 struct mapping_area {
235 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
236         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
237 #else
238         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
239 #endif
240         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
241         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
242 };
243
244 /* zpool driver */
245
246 #ifdef CONFIG_ZPOOL
247
248 static void *zs_zpool_create(gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops)
249 {
250         return zs_create_pool(gfp);
251 }
252
253 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
254 {
255         zs_destroy_pool(pool);
256 }
257
258 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
259                         unsigned long *handle)
260 {
261         *handle = zs_malloc(pool, size);
262         return *handle ? 0 : -1;
263 }
264 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
265 {
266         zs_free(pool, handle);
267 }
268
269 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
270                         unsigned int *reclaimed)
271 {
272         return -EINVAL;
273 }
274
275 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
276                         enum zpool_mapmode mm)
277 {
278         enum zs_mapmode zs_mm;
279
280         switch (mm) {
281         case ZPOOL_MM_RO:
282                 zs_mm = ZS_MM_RO;
283                 break;
284         case ZPOOL_MM_WO:
285                 zs_mm = ZS_MM_WO;
286                 break;
287         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
288         default:
289                 zs_mm = ZS_MM_RW;
290                 break;
291         }
292
293         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
294 }
295 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
296 {
297         zs_unmap_object(pool, handle);
298 }
299
300 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
301 {
302         return zs_get_total_size_bytes(pool);
303 }
304
305 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
306         .type =         "zsmalloc",
307         .owner =        THIS_MODULE,
308         .create =       zs_zpool_create,
309         .destroy =      zs_zpool_destroy,
310         .malloc =       zs_zpool_malloc,
311         .free =         zs_zpool_free,
312         .shrink =       zs_zpool_shrink,
313         .map =          zs_zpool_map,
314         .unmap =        zs_zpool_unmap,
315         .total_size =   zs_zpool_total_size,
316 };
317
318 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
319
320 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
321 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
322
323 static int is_first_page(struct page *page)
324 {
325         return PagePrivate(page);
326 }
327
328 static int is_last_page(struct page *page)
329 {
330         return PagePrivate2(page);
331 }
332
333 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
334                                 enum fullness_group *fullness)
335 {
336         unsigned long m;
337         BUG_ON(!is_first_page(page));
338
339         m = (unsigned long)page->mapping;
340         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
341         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
342 }
343
344 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
345                                 enum fullness_group fullness)
346 {
347         unsigned long m;
348         BUG_ON(!is_first_page(page));
349
350         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
351                         (fullness & FULLNESS_MASK);
352         page->mapping = (struct address_space *)m;
353 }
354
355 /*
356  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
357  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
358  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
359  * classes depending on its size. This function returns index of the
360  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
361  */
362 static int get_size_class_index(int size)
363 {
364         int idx = 0;
365
366         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
367                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
368                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
369
370         return idx;
371 }
372
373 /*
374  * For each size class, zspages are divided into different groups
375  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
376  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
377  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
378  * status of the given page.
379  */
380 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
381 {
382         int inuse, max_objects;
383         enum fullness_group fg;
384         BUG_ON(!is_first_page(page));
385
386         inuse = page->inuse;
387         max_objects = page->objects;
388
389         if (inuse == 0)
390                 fg = ZS_EMPTY;
391         else if (inuse == max_objects)
392                 fg = ZS_FULL;
393         else if (inuse <= max_objects / fullness_threshold_frac)
394                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
395         else
396                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
397
398         return fg;
399 }
400
401 /*
402  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
403  * to one of these freelists based on the number of live objects they
404  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
405  * identified by <class, fullness_group>.
406  */
407 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
408                                 enum fullness_group fullness)
409 {
410         struct page **head;
411
412         BUG_ON(!is_first_page(page));
413
414         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
415                 return;
416
417         head = &class->fullness_list[fullness];
418         if (*head)
419                 list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
420
421         *head = page;
422 }
423
424 /*
425  * This function removes the given zspage from the freelist identified
426  * by <class, fullness_group>.
427  */
428 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
429                                 enum fullness_group fullness)
430 {
431         struct page **head;
432
433         BUG_ON(!is_first_page(page));
434
435         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
436                 return;
437
438         head = &class->fullness_list[fullness];
439         BUG_ON(!*head);
440         if (list_empty(&(*head)->lru))
441                 *head = NULL;
442         else if (*head == page)
443                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
444                                         struct page, lru);
445
446         list_del_init(&page->lru);
447 }
448
449 /*
450  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
451  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
452  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
453  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
454  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
455  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
456  * fullness group.
457  */
458 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct zs_pool *pool,
459                                                 struct page *page)
460 {
461         int class_idx;
462         struct size_class *class;
463         enum fullness_group currfg, newfg;
464
465         BUG_ON(!is_first_page(page));
466
467         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
468         newfg = get_fullness_group(page);
469         if (newfg == currfg)
470                 goto out;
471
472         class = &pool->size_class[class_idx];
473         remove_zspage(page, class, currfg);
474         insert_zspage(page, class, newfg);
475         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
476
477 out:
478         return newfg;
479 }
480
481 /*
482  * We have to decide on how many pages to link together
483  * to form a zspage for each size class. This is important
484  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
485  * each zspage which is given as:
486  *      wastage = Zp - Zp % size_class
487  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
488  *
489  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
490  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
491  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
492  */
493 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
494 {
495         int i, max_usedpc = 0;
496         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
497         int max_usedpc_order = 1;
498
499         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
500                 int zspage_size;
501                 int waste, usedpc;
502
503                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
504                 waste = zspage_size % class_size;
505                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
506
507                 if (usedpc > max_usedpc) {
508                         max_usedpc = usedpc;
509                         max_usedpc_order = i;
510                 }
511         }
512
513         return max_usedpc_order;
514 }
515
516 /*
517  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
518  * linked together using fields in struct page. This function finds
519  * the first/head page, given any component page of a zspage.
520  */
521 static struct page *get_first_page(struct page *page)
522 {
523         if (is_first_page(page))
524                 return page;
525         else
526                 return page->first_page;
527 }
528
529 static struct page *get_next_page(struct page *page)
530 {
531         struct page *next;
532
533         if (is_last_page(page))
534                 next = NULL;
535         else if (is_first_page(page))
536                 next = (struct page *)page_private(page);
537         else
538                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
539
540         return next;
541 }
542
543 /*
544  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
545  * On hardware platforms with physical memory starting at 0x0 the pfn
546  * could be 0 so we ensure that the handle will never be 0 by adjusting the
547  * encoded obj_idx value before encoding.
548  */
549 static void *obj_location_to_handle(struct page *page, unsigned long obj_idx)
550 {
551         unsigned long handle;
552
553         if (!page) {
554                 BUG_ON(obj_idx);
555                 return NULL;
556         }
557
558         handle = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
559         handle |= ((obj_idx + 1) & OBJ_INDEX_MASK);
560
561         return (void *)handle;
562 }
563
564 /*
565  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
566  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
567  * obj_location_to_handle().
568  */
569 static void obj_handle_to_location(unsigned long handle, struct page **page,
570                                 unsigned long *obj_idx)
571 {
572         *page = pfn_to_page(handle >> OBJ_INDEX_BITS);
573         *obj_idx = (handle & OBJ_INDEX_MASK) - 1;
574 }
575
576 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
577                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
578 {
579         unsigned long off = 0;
580
581         if (!is_first_page(page))
582                 off = page->index;
583
584         return off + obj_idx * class_size;
585 }
586
587 static void reset_page(struct page *page)
588 {
589         clear_bit(PG_private, &page->flags);
590         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
591         set_page_private(page, 0);
592         page->mapping = NULL;
593         page->freelist = NULL;
594         page_mapcount_reset(page);
595 }
596
597 static void free_zspage(struct page *first_page)
598 {
599         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
600
601         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
602         BUG_ON(first_page->inuse);
603
604         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
605
606         reset_page(first_page);
607         __free_page(first_page);
608
609         /* zspage with only 1 system page */
610         if (!head_extra)
611                 return;
612
613         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
614                 list_del(&nextp->lru);
615                 reset_page(nextp);
616                 __free_page(nextp);
617         }
618         reset_page(head_extra);
619         __free_page(head_extra);
620 }
621
622 /* Initialize a newly allocated zspage */
623 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
624 {
625         unsigned long off = 0;
626         struct page *page = first_page;
627
628         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
629         while (page) {
630                 struct page *next_page;
631                 struct link_free *link;
632                 unsigned int i, objs_on_page;
633
634                 /*
635                  * page->index stores offset of first object starting
636                  * in the page. For the first page, this is always 0,
637                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
638                  * head of corresponding zspage's freelist.
639                  */
640                 if (page != first_page)
641                         page->index = off;
642
643                 link = (struct link_free *)kmap_atomic(page) +
644                                                 off / sizeof(*link);
645                 objs_on_page = (PAGE_SIZE - off) / class->size;
646
647                 for (i = 1; i <= objs_on_page; i++) {
648                         off += class->size;
649                         if (off < PAGE_SIZE) {
650                                 link->next = obj_location_to_handle(page, i);
651                                 link += class->size / sizeof(*link);
652                         }
653                 }
654
655                 /*
656                  * We now come to the last (full or partial) object on this
657                  * page, which must point to the first object on the next
658                  * page (if present)
659                  */
660                 next_page = get_next_page(page);
661                 link->next = obj_location_to_handle(next_page, 0);
662                 kunmap_atomic(link);
663                 page = next_page;
664                 off = (off + class->size) % PAGE_SIZE;
665         }
666 }
667
668 /*
669  * Allocate a zspage for the given size class
670  */
671 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
672 {
673         int i, error;
674         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
675
676         /*
677          * Allocate individual pages and link them together as:
678          * 1. first page->private = first sub-page
679          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
680          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
681          *
682          * For each size class, First/Head pages are linked together using
683          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
684          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
685          * identify the last page.
686          */
687         error = -ENOMEM;
688         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
689                 struct page *page;
690
691                 page = alloc_page(flags);
692                 if (!page)
693                         goto cleanup;
694
695                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
696                 if (i == 0) {   /* first page */
697                         SetPagePrivate(page);
698                         set_page_private(page, 0);
699                         first_page = page;
700                         first_page->inuse = 0;
701                 }
702                 if (i == 1)
703                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
704                 if (i >= 1)
705                         page->first_page = first_page;
706                 if (i >= 2)
707                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
708                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
709                         SetPagePrivate2(page);
710                 prev_page = page;
711         }
712
713         init_zspage(first_page, class);
714
715         first_page->freelist = obj_location_to_handle(first_page, 0);
716         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
717         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
718
719         error = 0; /* Success */
720
721 cleanup:
722         if (unlikely(error) && first_page) {
723                 free_zspage(first_page);
724                 first_page = NULL;
725         }
726
727         return first_page;
728 }
729
730 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
731 {
732         int i;
733         struct page *page;
734
735         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
736                 page = class->fullness_list[i];
737                 if (page)
738                         break;
739         }
740
741         return page;
742 }
743
744 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
745 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
746 {
747         /*
748          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
749          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
750          */
751         if (area->vm)
752                 return 0;
753         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
754         if (!area->vm)
755                 return -ENOMEM;
756         return 0;
757 }
758
759 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
760 {
761         if (area->vm)
762                 free_vm_area(area->vm);
763         area->vm = NULL;
764 }
765
766 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
767                                 struct page *pages[2], int off, int size)
768 {
769         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
770         area->vm_addr = area->vm->addr;
771         return area->vm_addr + off;
772 }
773
774 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
775                                 struct page *pages[2], int off, int size)
776 {
777         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
778
779         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
780 }
781
782 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
783
784 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
785 {
786         /*
787          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
788          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
789          */
790         if (area->vm_buf)
791                 return 0;
792         area->vm_buf = (char *)__get_free_page(GFP_KERNEL);
793         if (!area->vm_buf)
794                 return -ENOMEM;
795         return 0;
796 }
797
798 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
799 {
800         if (area->vm_buf)
801                 free_page((unsigned long)area->vm_buf);
802         area->vm_buf = NULL;
803 }
804
805 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
806                         struct page *pages[2], int off, int size)
807 {
808         int sizes[2];
809         void *addr;
810         char *buf = area->vm_buf;
811
812         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
813         pagefault_disable();
814
815         /* no read fastpath */
816         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
817                 goto out;
818
819         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
820         sizes[1] = size - sizes[0];
821
822         /* copy object to per-cpu buffer */
823         addr = kmap_atomic(pages[0]);
824         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
825         kunmap_atomic(addr);
826         addr = kmap_atomic(pages[1]);
827         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
828         kunmap_atomic(addr);
829 out:
830         return area->vm_buf;
831 }
832
833 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
834                         struct page *pages[2], int off, int size)
835 {
836         int sizes[2];
837         void *addr;
838         char *buf = area->vm_buf;
839
840         /* no write fastpath */
841         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
842                 goto out;
843
844         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
845         sizes[1] = size - sizes[0];
846
847         /* copy per-cpu buffer to object */
848         addr = kmap_atomic(pages[0]);
849         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
850         kunmap_atomic(addr);
851         addr = kmap_atomic(pages[1]);
852         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
853         kunmap_atomic(addr);
854
855 out:
856         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
857         pagefault_enable();
858 }
859
860 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
861
862 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
863                                 void *pcpu)
864 {
865         int ret, cpu = (long)pcpu;
866         struct mapping_area *area;
867
868         switch (action) {
869         case CPU_UP_PREPARE:
870                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
871                 ret = __zs_cpu_up(area);
872                 if (ret)
873                         return notifier_from_errno(ret);
874                 break;
875         case CPU_DEAD:
876         case CPU_UP_CANCELED:
877                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
878                 __zs_cpu_down(area);
879                 break;
880         }
881
882         return NOTIFY_OK;
883 }
884
885 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
886         .notifier_call = zs_cpu_notifier
887 };
888
889 static void zs_exit(void)
890 {
891         int cpu;
892
893 #ifdef CONFIG_ZPOOL
894         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
895 #endif
896
897         cpu_notifier_register_begin();
898
899         for_each_online_cpu(cpu)
900                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
901         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
902
903         cpu_notifier_register_done();
904 }
905
906 static int zs_init(void)
907 {
908         int cpu, ret;
909
910         cpu_notifier_register_begin();
911
912         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
913         for_each_online_cpu(cpu) {
914                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
915                 if (notifier_to_errno(ret)) {
916                         cpu_notifier_register_done();
917                         goto fail;
918                 }
919         }
920
921         cpu_notifier_register_done();
922
923 #ifdef CONFIG_ZPOOL
924         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
925 #endif
926
927         return 0;
928 fail:
929         zs_exit();
930         return notifier_to_errno(ret);
931 }
932
933 /**
934  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
935  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
936  *
937  * This function must be called before anything when using
938  * the zsmalloc allocator.
939  *
940  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
941  * otherwise NULL.
942  */
943 struct zs_pool *zs_create_pool(gfp_t flags)
944 {
945         int i, ovhd_size;
946         struct zs_pool *pool;
947
948         ovhd_size = roundup(sizeof(*pool), PAGE_SIZE);
949         pool = kzalloc(ovhd_size, GFP_KERNEL);
950         if (!pool)
951                 return NULL;
952
953         for (i = 0; i < ZS_SIZE_CLASSES; i++) {
954                 int size;
955                 struct size_class *class;
956
957                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
958                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
959                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
960
961                 class = &pool->size_class[i];
962                 class->size = size;
963                 class->index = i;
964                 spin_lock_init(&class->lock);
965                 class->pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
966
967         }
968
969         pool->flags = flags;
970
971         return pool;
972 }
973 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
974
975 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
976 {
977         int i;
978
979         for (i = 0; i < ZS_SIZE_CLASSES; i++) {
980                 int fg;
981                 struct size_class *class = &pool->size_class[i];
982
983                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
984                         if (class->fullness_list[fg]) {
985                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
986                                         class->size, fg);
987                         }
988                 }
989         }
990         kfree(pool);
991 }
992 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
993
994 /**
995  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
996  * @pool: pool to allocate from
997  * @size: size of block to allocate
998  *
999  * On success, handle to the allocated object is returned,
1000  * otherwise 0.
1001  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1002  */
1003 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1004 {
1005         unsigned long obj;
1006         struct link_free *link;
1007         int class_idx;
1008         struct size_class *class;
1009
1010         struct page *first_page, *m_page;
1011         unsigned long m_objidx, m_offset;
1012
1013         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1014                 return 0;
1015
1016         class_idx = get_size_class_index(size);
1017         class = &pool->size_class[class_idx];
1018         BUG_ON(class_idx != class->index);
1019
1020         spin_lock(&class->lock);
1021         first_page = find_get_zspage(class);
1022
1023         if (!first_page) {
1024                 spin_unlock(&class->lock);
1025                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1026                 if (unlikely(!first_page))
1027                         return 0;
1028
1029                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1030                 spin_lock(&class->lock);
1031                 class->pages_allocated += class->pages_per_zspage;
1032         }
1033
1034         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1035         obj_handle_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1036         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1037
1038         link = (struct link_free *)kmap_atomic(m_page) +
1039                                         m_offset / sizeof(*link);
1040         first_page->freelist = link->next;
1041         memset(link, POISON_INUSE, sizeof(*link));
1042         kunmap_atomic(link);
1043
1044         first_page->inuse++;
1045         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1046         fix_fullness_group(pool, first_page);
1047         spin_unlock(&class->lock);
1048
1049         return obj;
1050 }
1051 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1052
1053 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long obj)
1054 {
1055         struct link_free *link;
1056         struct page *first_page, *f_page;
1057         unsigned long f_objidx, f_offset;
1058
1059         int class_idx;
1060         struct size_class *class;
1061         enum fullness_group fullness;
1062
1063         if (unlikely(!obj))
1064                 return;
1065
1066         obj_handle_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1067         first_page = get_first_page(f_page);
1068
1069         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1070         class = &pool->size_class[class_idx];
1071         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1072
1073         spin_lock(&class->lock);
1074
1075         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1076         link = (struct link_free *)((unsigned char *)kmap_atomic(f_page)
1077                                                         + f_offset);
1078         link->next = first_page->freelist;
1079         kunmap_atomic(link);
1080         first_page->freelist = (void *)obj;
1081
1082         first_page->inuse--;
1083         fullness = fix_fullness_group(pool, first_page);
1084
1085         if (fullness == ZS_EMPTY)
1086                 class->pages_allocated -= class->pages_per_zspage;
1087
1088         spin_unlock(&class->lock);
1089
1090         if (fullness == ZS_EMPTY)
1091                 free_zspage(first_page);
1092 }
1093 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1094
1095 /**
1096  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1097  * @pool: pool from which the object was allocated
1098  * @handle: handle returned from zs_malloc
1099  *
1100  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1101  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1102  * zs_unmap_object.
1103  *
1104  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1105  * against nested mappings.
1106  *
1107  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1108  */
1109 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1110                         enum zs_mapmode mm)
1111 {
1112         struct page *page;
1113         unsigned long obj_idx, off;
1114
1115         unsigned int class_idx;
1116         enum fullness_group fg;
1117         struct size_class *class;
1118         struct mapping_area *area;
1119         struct page *pages[2];
1120
1121         BUG_ON(!handle);
1122
1123         /*
1124          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1125          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1126          * because it can corrupt another users mappings.
1127          */
1128         BUG_ON(in_interrupt());
1129
1130         obj_handle_to_location(handle, &page, &obj_idx);
1131         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1132         class = &pool->size_class[class_idx];
1133         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1134
1135         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1136         area->vm_mm = mm;
1137         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1138                 /* this object is contained entirely within a page */
1139                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1140                 return area->vm_addr + off;
1141         }
1142
1143         /* this object spans two pages */
1144         pages[0] = page;
1145         pages[1] = get_next_page(page);
1146         BUG_ON(!pages[1]);
1147
1148         return __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1149 }
1150 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1151
1152 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1153 {
1154         struct page *page;
1155         unsigned long obj_idx, off;
1156
1157         unsigned int class_idx;
1158         enum fullness_group fg;
1159         struct size_class *class;
1160         struct mapping_area *area;
1161
1162         BUG_ON(!handle);
1163
1164         obj_handle_to_location(handle, &page, &obj_idx);
1165         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1166         class = &pool->size_class[class_idx];
1167         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1168
1169         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1170         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1171                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1172         else {
1173                 struct page *pages[2];
1174
1175                 pages[0] = page;
1176                 pages[1] = get_next_page(page);
1177                 BUG_ON(!pages[1]);
1178
1179                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1180         }
1181         put_cpu_var(zs_map_area);
1182 }
1183 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1184
1185 u64 zs_get_total_size_bytes(struct zs_pool *pool)
1186 {
1187         int i;
1188         u64 npages = 0;
1189
1190         for (i = 0; i < ZS_SIZE_CLASSES; i++)
1191                 npages += pool->size_class[i].pages_allocated;
1192
1193         return npages << PAGE_SHIFT;
1194 }
1195 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_size_bytes);
1196
1197 module_init(zs_init);
1198 module_exit(zs_exit);
1199
1200 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
1201 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");