OSDN Git Service

5da80961ff3e48de6e440156e450d132928ef36f
[uclinux-h8/linux.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->private: 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: refers to the component page after the first page
30  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
31  *              Look at size_class->huge.
32  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
33  *              Free objects are linked together using in-place
34  *              metadata.
35  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
36  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
37  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
38  *      page->inuse: the number of objects that are used in this zspage
39  *
40  * Usage of struct page flags:
41  *      PG_private: identifies the first component page
42  *      PG_private2: identifies the last component page
43  *
44  */
45
46 #define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt
47
48 #include <linux/module.h>
49 #include <linux/kernel.h>
50 #include <linux/sched.h>
51 #include <linux/bitops.h>
52 #include <linux/errno.h>
53 #include <linux/highmem.h>
54 #include <linux/string.h>
55 #include <linux/slab.h>
56 #include <asm/tlbflush.h>
57 #include <asm/pgtable.h>
58 #include <linux/cpumask.h>
59 #include <linux/cpu.h>
60 #include <linux/vmalloc.h>
61 #include <linux/preempt.h>
62 #include <linux/spinlock.h>
63 #include <linux/types.h>
64 #include <linux/debugfs.h>
65 #include <linux/zsmalloc.h>
66 #include <linux/zpool.h>
67
68 /*
69  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
70  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
71  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
72  * to restore link_free pointer values.
73  */
74 #define ZS_ALIGN                8
75
76 /*
77  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
78  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
79  */
80 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
81 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
82
83 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
84
85 /*
86  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
87  * as single (unsigned long) handle value.
88  *
89  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
90  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
91  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
92  *
93  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
94  */
95
96 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
97 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
98 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
99 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
100 /*
101  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
102  * be PAGE_SHIFT
103  */
104 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
105 #endif
106 #endif
107 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
108
109 /*
110  * Memory for allocating for handle keeps object position by
111  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
112  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
113  * We use the bit to synchronize between object access by
114  * user and migration.
115  */
116 #define HANDLE_PIN_BIT  0
117
118 /*
119  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
120  * to identify the object was allocated or not.
121  * It's okay to add the status bit in the least bit because
122  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
123  * have room for two bit at least.
124  */
125 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
126 #define OBJ_TAG_BITS 1
127 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
128 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
129
130 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
131 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
132 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
133         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
134 /* each chunk includes extra space to keep handle */
135 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
136
137 /*
138  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
139  * trader-off here:
140  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
141  *    spread across these classes
142  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
143  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
144  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
145  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
146  *
147  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
148  *  (reason above)
149  */
150 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
151
152 /*
153  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
154  */
155 enum fullness_group {
156         ZS_ALMOST_FULL,
157         ZS_ALMOST_EMPTY,
158         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
159
160         ZS_EMPTY,
161         ZS_FULL
162 };
163
164 enum zs_stat_type {
165         OBJ_ALLOCATED,
166         OBJ_USED,
167         CLASS_ALMOST_FULL,
168         CLASS_ALMOST_EMPTY,
169 };
170
171 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
172 #define NR_ZS_STAT_TYPE (CLASS_ALMOST_EMPTY + 1)
173 #else
174 #define NR_ZS_STAT_TYPE (OBJ_USED + 1)
175 #endif
176
177 struct zs_size_stat {
178         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
179 };
180
181 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
182 static struct dentry *zs_stat_root;
183 #endif
184
185 /*
186  * number of size_classes
187  */
188 static int zs_size_classes;
189
190 /*
191  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
192  *      n <= N / f, where
193  * n = number of allocated objects
194  * N = total number of objects zspage can store
195  * f = fullness_threshold_frac
196  *
197  * Similarly, we assign zspage to:
198  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
199  *      ZS_EMPTY        when n == 0
200  *      ZS_FULL         when n == N
201  *
202  * (see: fix_fullness_group())
203  */
204 static const int fullness_threshold_frac = 4;
205
206 struct size_class {
207         spinlock_t lock;
208         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
209         /*
210          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
211          * of ZS_ALIGN.
212          */
213         int size;
214         int objs_per_zspage;
215         unsigned int index;
216
217         struct zs_size_stat stats;
218
219         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
220         int pages_per_zspage;
221         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
222         bool huge;
223 };
224
225 /*
226  * Placed within free objects to form a singly linked list.
227  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
228  *
229  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
230  */
231 struct link_free {
232         union {
233                 /*
234                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
235                  * It's valid for non-allocated object
236                  */
237                 void *next;
238                 /*
239                  * Handle of allocated object.
240                  */
241                 unsigned long handle;
242         };
243 };
244
245 struct zs_pool {
246         const char *name;
247
248         struct size_class **size_class;
249         struct kmem_cache *handle_cachep;
250
251         atomic_long_t pages_allocated;
252
253         struct zs_pool_stats stats;
254
255         /* Compact classes */
256         struct shrinker shrinker;
257         /*
258          * To signify that register_shrinker() was successful
259          * and unregister_shrinker() will not Oops.
260          */
261         bool shrinker_enabled;
262 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
263         struct dentry *stat_dentry;
264 #endif
265 };
266
267 /*
268  * A zspage's class index and fullness group
269  * are encoded in its (first)page->mapping
270  */
271 #define FULLNESS_BITS   4
272 #define CLASS_BITS      28
273
274 #define FULLNESS_SHIFT  0
275 #define CLASS_SHIFT     (FULLNESS_SHIFT + FULLNESS_BITS)
276
277 #define FULLNESS_MASK   ((1UL << FULLNESS_BITS) - 1)
278 #define CLASS_MASK      ((1UL << CLASS_BITS) - 1)
279
280 struct mapping_area {
281 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
282         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
283 #else
284         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
285 #endif
286         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
287         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
288 };
289
290 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
291 {
292         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
293                                         0, 0, NULL);
294         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
295 }
296
297 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
298 {
299         kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
300 }
301
302 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool, gfp_t gfp)
303 {
304         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
305                         gfp & ~__GFP_HIGHMEM);
306 }
307
308 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
309 {
310         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
311 }
312
313 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
314 {
315         /*
316          * lsb of @obj represents handle lock while other bits
317          * represent object value the handle is pointing so
318          * updating shouldn't do store tearing.
319          */
320         WRITE_ONCE(*(unsigned long *)handle, obj);
321 }
322
323 /* zpool driver */
324
325 #ifdef CONFIG_ZPOOL
326
327 static void *zs_zpool_create(const char *name, gfp_t gfp,
328                              const struct zpool_ops *zpool_ops,
329                              struct zpool *zpool)
330 {
331         /*
332          * Ignore global gfp flags: zs_malloc() may be invoked from
333          * different contexts and its caller must provide a valid
334          * gfp mask.
335          */
336         return zs_create_pool(name);
337 }
338
339 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
340 {
341         zs_destroy_pool(pool);
342 }
343
344 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
345                         unsigned long *handle)
346 {
347         *handle = zs_malloc(pool, size, gfp);
348         return *handle ? 0 : -1;
349 }
350 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
351 {
352         zs_free(pool, handle);
353 }
354
355 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
356                         unsigned int *reclaimed)
357 {
358         return -EINVAL;
359 }
360
361 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
362                         enum zpool_mapmode mm)
363 {
364         enum zs_mapmode zs_mm;
365
366         switch (mm) {
367         case ZPOOL_MM_RO:
368                 zs_mm = ZS_MM_RO;
369                 break;
370         case ZPOOL_MM_WO:
371                 zs_mm = ZS_MM_WO;
372                 break;
373         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
374         default:
375                 zs_mm = ZS_MM_RW;
376                 break;
377         }
378
379         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
380 }
381 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
382 {
383         zs_unmap_object(pool, handle);
384 }
385
386 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
387 {
388         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
389 }
390
391 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
392         .type =         "zsmalloc",
393         .owner =        THIS_MODULE,
394         .create =       zs_zpool_create,
395         .destroy =      zs_zpool_destroy,
396         .malloc =       zs_zpool_malloc,
397         .free =         zs_zpool_free,
398         .shrink =       zs_zpool_shrink,
399         .map =          zs_zpool_map,
400         .unmap =        zs_zpool_unmap,
401         .total_size =   zs_zpool_total_size,
402 };
403
404 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
405 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
406
407 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
408 {
409         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
410 }
411
412 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
413 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
414
415 static int is_first_page(struct page *page)
416 {
417         return PagePrivate(page);
418 }
419
420 static int is_last_page(struct page *page)
421 {
422         return PagePrivate2(page);
423 }
424
425 static inline int get_zspage_inuse(struct page *first_page)
426 {
427         return first_page->inuse;
428 }
429
430 static inline void set_zspage_inuse(struct page *first_page, int val)
431 {
432         first_page->inuse = val;
433 }
434
435 static inline void mod_zspage_inuse(struct page *first_page, int val)
436 {
437         first_page->inuse += val;
438 }
439
440 static inline int get_first_obj_offset(struct page *page)
441 {
442         return page->index;
443 }
444
445 static inline void set_first_obj_offset(struct page *page, int offset)
446 {
447         page->index = offset;
448 }
449
450 static inline unsigned long get_freeobj(struct page *first_page)
451 {
452         return (unsigned long)first_page->freelist;
453 }
454
455 static inline void set_freeobj(struct page *first_page, unsigned long obj)
456 {
457         first_page->freelist = (void *)obj;
458 }
459
460 static void get_zspage_mapping(struct page *first_page,
461                                 unsigned int *class_idx,
462                                 enum fullness_group *fullness)
463 {
464         unsigned long m;
465         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
466
467         m = (unsigned long)first_page->mapping;
468         *fullness = (m >> FULLNESS_SHIFT) & FULLNESS_MASK;
469         *class_idx = (m >> CLASS_SHIFT) & CLASS_MASK;
470 }
471
472 static void set_zspage_mapping(struct page *first_page,
473                                 unsigned int class_idx,
474                                 enum fullness_group fullness)
475 {
476         unsigned long m;
477         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
478
479         m = (class_idx << CLASS_SHIFT) | (fullness << FULLNESS_SHIFT);
480         first_page->mapping = (struct address_space *)m;
481 }
482
483 /*
484  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
485  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
486  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
487  * classes depending on its size. This function returns index of the
488  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
489  */
490 static int get_size_class_index(int size)
491 {
492         int idx = 0;
493
494         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
495                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
496                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
497
498         return min(zs_size_classes - 1, idx);
499 }
500
501 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
502                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
503 {
504         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
505                 class->stats.objs[type] += cnt;
506 }
507
508 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
509                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
510 {
511         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
512                 class->stats.objs[type] -= cnt;
513 }
514
515 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
516                                 enum zs_stat_type type)
517 {
518         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
519                 return class->stats.objs[type];
520         return 0;
521 }
522
523 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
524
525 static void __init zs_stat_init(void)
526 {
527         if (!debugfs_initialized()) {
528                 pr_warn("debugfs not available, stat dir not created\n");
529                 return;
530         }
531
532         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
533         if (!zs_stat_root)
534                 pr_warn("debugfs 'zsmalloc' stat dir creation failed\n");
535 }
536
537 static void __exit zs_stat_exit(void)
538 {
539         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
540 }
541
542 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class);
543
544 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
545 {
546         int i;
547         struct zs_pool *pool = s->private;
548         struct size_class *class;
549         int objs_per_zspage;
550         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
551         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used, freeable;
552         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
553         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
554         unsigned long total_freeable = 0;
555
556         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s %8s\n",
557                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
558                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
559                         "pages_per_zspage", "freeable");
560
561         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
562                 class = pool->size_class[i];
563
564                 if (class->index != i)
565                         continue;
566
567                 spin_lock(&class->lock);
568                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
569                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
570                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
571                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
572                 freeable = zs_can_compact(class);
573                 spin_unlock(&class->lock);
574
575                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
576                                 class->pages_per_zspage);
577                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
578                                 class->pages_per_zspage;
579
580                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu"
581                                 " %10lu %10lu %16d %8lu\n",
582                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
583                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
584                         class->pages_per_zspage, freeable);
585
586                 total_class_almost_full += class_almost_full;
587                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
588                 total_objs += obj_allocated;
589                 total_used_objs += obj_used;
590                 total_pages += pages_used;
591                 total_freeable += freeable;
592         }
593
594         seq_puts(s, "\n");
595         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16s %8lu\n",
596                         "Total", "", total_class_almost_full,
597                         total_class_almost_empty, total_objs,
598                         total_used_objs, total_pages, "", total_freeable);
599
600         return 0;
601 }
602
603 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
604 {
605         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
606 }
607
608 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
609         .open           = zs_stats_size_open,
610         .read           = seq_read,
611         .llseek         = seq_lseek,
612         .release        = single_release,
613 };
614
615 static void zs_pool_stat_create(struct zs_pool *pool, const char *name)
616 {
617         struct dentry *entry;
618
619         if (!zs_stat_root) {
620                 pr_warn("no root stat dir, not creating <%s> stat dir\n", name);
621                 return;
622         }
623
624         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
625         if (!entry) {
626                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
627                 return;
628         }
629         pool->stat_dentry = entry;
630
631         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
632                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
633         if (!entry) {
634                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
635                                 name, "classes");
636                 debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
637                 pool->stat_dentry = NULL;
638         }
639 }
640
641 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
642 {
643         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
644 }
645
646 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
647 static void __init zs_stat_init(void)
648 {
649 }
650
651 static void __exit zs_stat_exit(void)
652 {
653 }
654
655 static inline void zs_pool_stat_create(struct zs_pool *pool, const char *name)
656 {
657 }
658
659 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
660 {
661 }
662 #endif
663
664 /*
665  * For each size class, zspages are divided into different groups
666  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
667  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
668  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
669  * status of the given page.
670  */
671 static enum fullness_group get_fullness_group(struct size_class *class,
672                                                 struct page *first_page)
673 {
674         int inuse, objs_per_zspage;
675         enum fullness_group fg;
676
677         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
678
679         inuse = get_zspage_inuse(first_page);
680         objs_per_zspage = class->objs_per_zspage;
681
682         if (inuse == 0)
683                 fg = ZS_EMPTY;
684         else if (inuse == objs_per_zspage)
685                 fg = ZS_FULL;
686         else if (inuse <= 3 * objs_per_zspage / fullness_threshold_frac)
687                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
688         else
689                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
690
691         return fg;
692 }
693
694 /*
695  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
696  * to one of these freelists based on the number of live objects they
697  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
698  * identified by <class, fullness_group>.
699  */
700 static void insert_zspage(struct size_class *class,
701                                 enum fullness_group fullness,
702                                 struct page *first_page)
703 {
704         struct page **head;
705
706         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
707
708         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
709                 return;
710
711         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
712                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
713
714         head = &class->fullness_list[fullness];
715         if (!*head) {
716                 *head = first_page;
717                 return;
718         }
719
720         /*
721          * We want to see more ZS_FULL pages and less almost
722          * empty/full. Put pages with higher ->inuse first.
723          */
724         list_add_tail(&first_page->lru, &(*head)->lru);
725         if (get_zspage_inuse(first_page) >= get_zspage_inuse(*head))
726                 *head = first_page;
727 }
728
729 /*
730  * This function removes the given zspage from the freelist identified
731  * by <class, fullness_group>.
732  */
733 static void remove_zspage(struct size_class *class,
734                                 enum fullness_group fullness,
735                                 struct page *first_page)
736 {
737         struct page **head;
738
739         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
740
741         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
742                 return;
743
744         head = &class->fullness_list[fullness];
745         VM_BUG_ON_PAGE(!*head, first_page);
746         if (list_empty(&(*head)->lru))
747                 *head = NULL;
748         else if (*head == first_page)
749                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
750                                         struct page, lru);
751
752         list_del_init(&first_page->lru);
753         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
754                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
755 }
756
757 /*
758  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
759  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
760  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
761  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
762  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
763  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
764  * fullness group.
765  */
766 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
767                                                 struct page *first_page)
768 {
769         int class_idx;
770         enum fullness_group currfg, newfg;
771
772         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &currfg);
773         newfg = get_fullness_group(class, first_page);
774         if (newfg == currfg)
775                 goto out;
776
777         remove_zspage(class, currfg, first_page);
778         insert_zspage(class, newfg, first_page);
779         set_zspage_mapping(first_page, class_idx, newfg);
780
781 out:
782         return newfg;
783 }
784
785 /*
786  * We have to decide on how many pages to link together
787  * to form a zspage for each size class. This is important
788  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
789  * each zspage which is given as:
790  *     wastage = Zp % class_size
791  *     usage = Zp - wastage
792  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
793  *
794  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
795  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
796  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
797  */
798 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
799 {
800         int i, max_usedpc = 0;
801         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
802         int max_usedpc_order = 1;
803
804         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
805                 int zspage_size;
806                 int waste, usedpc;
807
808                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
809                 waste = zspage_size % class_size;
810                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
811
812                 if (usedpc > max_usedpc) {
813                         max_usedpc = usedpc;
814                         max_usedpc_order = i;
815                 }
816         }
817
818         return max_usedpc_order;
819 }
820
821 /*
822  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
823  * linked together using fields in struct page. This function finds
824  * the first/head page, given any component page of a zspage.
825  */
826 static struct page *get_first_page(struct page *page)
827 {
828         if (is_first_page(page))
829                 return page;
830         else
831                 return (struct page *)page_private(page);
832 }
833
834 static struct page *get_next_page(struct page *page)
835 {
836         struct page *next;
837
838         if (is_last_page(page))
839                 next = NULL;
840         else if (is_first_page(page))
841                 next = (struct page *)page_private(page);
842         else
843                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
844
845         return next;
846 }
847
848 /*
849  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
850  * We use the least bit of handle for tagging.
851  */
852 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
853 {
854         unsigned long obj;
855
856         if (!page) {
857                 VM_BUG_ON(obj_idx);
858                 return NULL;
859         }
860
861         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
862         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
863         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
864
865         return (void *)obj;
866 }
867
868 /*
869  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
870  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
871  * location_to_obj().
872  */
873 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
874                                 unsigned long *obj_idx)
875 {
876         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
877         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
878         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
879 }
880
881 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
882 {
883         return *(unsigned long *)handle;
884 }
885
886 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
887                         void *obj)
888 {
889         if (class->huge) {
890                 VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(page), page);
891                 return page_private(page);
892         } else
893                 return *(unsigned long *)obj;
894 }
895
896 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
897                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
898 {
899         unsigned long off = 0;
900
901         if (!is_first_page(page))
902                 off = get_first_obj_offset(page);
903
904         return off + obj_idx * class_size;
905 }
906
907 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
908 {
909         return bit_spin_trylock(HANDLE_PIN_BIT, (unsigned long *)handle);
910 }
911
912 static void pin_tag(unsigned long handle)
913 {
914         bit_spin_lock(HANDLE_PIN_BIT, (unsigned long *)handle);
915 }
916
917 static void unpin_tag(unsigned long handle)
918 {
919         bit_spin_unlock(HANDLE_PIN_BIT, (unsigned long *)handle);
920 }
921
922 static void reset_page(struct page *page)
923 {
924         clear_bit(PG_private, &page->flags);
925         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
926         set_page_private(page, 0);
927         page->mapping = NULL;
928         page->freelist = NULL;
929         page_mapcount_reset(page);
930 }
931
932 static void free_zspage(struct page *first_page)
933 {
934         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
935
936         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
937         VM_BUG_ON_PAGE(get_zspage_inuse(first_page), first_page);
938
939         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
940
941         reset_page(first_page);
942         __free_page(first_page);
943
944         /* zspage with only 1 system page */
945         if (!head_extra)
946                 return;
947
948         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
949                 list_del(&nextp->lru);
950                 reset_page(nextp);
951                 __free_page(nextp);
952         }
953         reset_page(head_extra);
954         __free_page(head_extra);
955 }
956
957 /* Initialize a newly allocated zspage */
958 static void init_zspage(struct size_class *class, struct page *first_page)
959 {
960         unsigned long off = 0;
961         struct page *page = first_page;
962
963         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
964
965         while (page) {
966                 struct page *next_page;
967                 struct link_free *link;
968                 unsigned int i = 1;
969                 void *vaddr;
970
971                 /*
972                  * page->index stores offset of first object starting
973                  * in the page. For the first page, this is always 0,
974                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
975                  * head of corresponding zspage's freelist.
976                  */
977                 if (page != first_page)
978                         set_first_obj_offset(page, off);
979
980                 vaddr = kmap_atomic(page);
981                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
982
983                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
984                         link->next = location_to_obj(page, i++);
985                         link += class->size / sizeof(*link);
986                 }
987
988                 /*
989                  * We now come to the last (full or partial) object on this
990                  * page, which must point to the first object on the next
991                  * page (if present)
992                  */
993                 next_page = get_next_page(page);
994                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
995                 kunmap_atomic(vaddr);
996                 page = next_page;
997                 off %= PAGE_SIZE;
998         }
999 }
1000
1001 /*
1002  * Allocate a zspage for the given size class
1003  */
1004 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
1005 {
1006         int i, error;
1007         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
1008
1009         /*
1010          * Allocate individual pages and link them together as:
1011          * 1. first page->private = first sub-page
1012          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
1013          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->private
1014          *
1015          * For each size class, First/Head pages are linked together using
1016          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
1017          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
1018          * identify the last page.
1019          */
1020         error = -ENOMEM;
1021         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
1022                 struct page *page;
1023
1024                 page = alloc_page(flags);
1025                 if (!page)
1026                         goto cleanup;
1027
1028                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
1029                 if (i == 0) {   /* first page */
1030                         SetPagePrivate(page);
1031                         set_page_private(page, 0);
1032                         first_page = page;
1033                         set_zspage_inuse(first_page, 0);
1034                 }
1035                 if (i == 1)
1036                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
1037                 if (i >= 1)
1038                         set_page_private(page, (unsigned long)first_page);
1039                 if (i >= 2)
1040                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
1041                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
1042                         SetPagePrivate2(page);
1043                 prev_page = page;
1044         }
1045
1046         init_zspage(class, first_page);
1047
1048         set_freeobj(first_page, (unsigned long)location_to_obj(first_page, 0));
1049         error = 0; /* Success */
1050
1051 cleanup:
1052         if (unlikely(error) && first_page) {
1053                 free_zspage(first_page);
1054                 first_page = NULL;
1055         }
1056
1057         return first_page;
1058 }
1059
1060 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1061 {
1062         int i;
1063         struct page *page;
1064
1065         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1066                 page = class->fullness_list[i];
1067                 if (page)
1068                         break;
1069         }
1070
1071         return page;
1072 }
1073
1074 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1075 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1076 {
1077         /*
1078          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1079          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1080          */
1081         if (area->vm)
1082                 return 0;
1083         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1084         if (!area->vm)
1085                 return -ENOMEM;
1086         return 0;
1087 }
1088
1089 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1090 {
1091         if (area->vm)
1092                 free_vm_area(area->vm);
1093         area->vm = NULL;
1094 }
1095
1096 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1097                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1098 {
1099         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1100         area->vm_addr = area->vm->addr;
1101         return area->vm_addr + off;
1102 }
1103
1104 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1105                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1106 {
1107         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1108
1109         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1110 }
1111
1112 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1113
1114 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1115 {
1116         /*
1117          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1118          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1119          */
1120         if (area->vm_buf)
1121                 return 0;
1122         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1123         if (!area->vm_buf)
1124                 return -ENOMEM;
1125         return 0;
1126 }
1127
1128 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1129 {
1130         kfree(area->vm_buf);
1131         area->vm_buf = NULL;
1132 }
1133
1134 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1135                         struct page *pages[2], int off, int size)
1136 {
1137         int sizes[2];
1138         void *addr;
1139         char *buf = area->vm_buf;
1140
1141         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1142         pagefault_disable();
1143
1144         /* no read fastpath */
1145         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1146                 goto out;
1147
1148         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1149         sizes[1] = size - sizes[0];
1150
1151         /* copy object to per-cpu buffer */
1152         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1153         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1154         kunmap_atomic(addr);
1155         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1156         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1157         kunmap_atomic(addr);
1158 out:
1159         return area->vm_buf;
1160 }
1161
1162 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1163                         struct page *pages[2], int off, int size)
1164 {
1165         int sizes[2];
1166         void *addr;
1167         char *buf;
1168
1169         /* no write fastpath */
1170         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1171                 goto out;
1172
1173         buf = area->vm_buf;
1174         buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1175         size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1176         off += ZS_HANDLE_SIZE;
1177
1178         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1179         sizes[1] = size - sizes[0];
1180
1181         /* copy per-cpu buffer to object */
1182         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1183         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1184         kunmap_atomic(addr);
1185         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1186         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1187         kunmap_atomic(addr);
1188
1189 out:
1190         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1191         pagefault_enable();
1192 }
1193
1194 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1195
1196 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1197                                 void *pcpu)
1198 {
1199         int ret, cpu = (long)pcpu;
1200         struct mapping_area *area;
1201
1202         switch (action) {
1203         case CPU_UP_PREPARE:
1204                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1205                 ret = __zs_cpu_up(area);
1206                 if (ret)
1207                         return notifier_from_errno(ret);
1208                 break;
1209         case CPU_DEAD:
1210         case CPU_UP_CANCELED:
1211                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1212                 __zs_cpu_down(area);
1213                 break;
1214         }
1215
1216         return NOTIFY_OK;
1217 }
1218
1219 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1220         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1221 };
1222
1223 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1224 {
1225         int cpu, uninitialized_var(ret);
1226
1227         cpu_notifier_register_begin();
1228
1229         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1230         for_each_online_cpu(cpu) {
1231                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1232                 if (notifier_to_errno(ret))
1233                         break;
1234         }
1235
1236         cpu_notifier_register_done();
1237         return notifier_to_errno(ret);
1238 }
1239
1240 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1241 {
1242         int cpu;
1243
1244         cpu_notifier_register_begin();
1245
1246         for_each_online_cpu(cpu)
1247                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1248         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1249
1250         cpu_notifier_register_done();
1251 }
1252
1253 static void init_zs_size_classes(void)
1254 {
1255         int nr;
1256
1257         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1258         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1259                 nr += 1;
1260
1261         zs_size_classes = nr;
1262 }
1263
1264 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1265 {
1266         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1267                 return false;
1268
1269         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1270                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1271                 return false;
1272
1273         return true;
1274 }
1275
1276 static bool zspage_full(struct size_class *class, struct page *first_page)
1277 {
1278         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
1279
1280         return get_zspage_inuse(first_page) == class->objs_per_zspage;
1281 }
1282
1283 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1284 {
1285         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1286 }
1287 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1288
1289 /**
1290  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1291  * @pool: pool from which the object was allocated
1292  * @handle: handle returned from zs_malloc
1293  *
1294  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1295  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1296  * zs_unmap_object.
1297  *
1298  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1299  * against nested mappings.
1300  *
1301  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1302  */
1303 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1304                         enum zs_mapmode mm)
1305 {
1306         struct page *page;
1307         unsigned long obj, obj_idx, off;
1308
1309         unsigned int class_idx;
1310         enum fullness_group fg;
1311         struct size_class *class;
1312         struct mapping_area *area;
1313         struct page *pages[2];
1314         void *ret;
1315
1316         /*
1317          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1318          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1319          * because it can corrupt another users mappings.
1320          */
1321         WARN_ON_ONCE(in_interrupt());
1322
1323         /* From now on, migration cannot move the object */
1324         pin_tag(handle);
1325
1326         obj = handle_to_obj(handle);
1327         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1328         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1329         class = pool->size_class[class_idx];
1330         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1331
1332         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1333         area->vm_mm = mm;
1334         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1335                 /* this object is contained entirely within a page */
1336                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1337                 ret = area->vm_addr + off;
1338                 goto out;
1339         }
1340
1341         /* this object spans two pages */
1342         pages[0] = page;
1343         pages[1] = get_next_page(page);
1344         BUG_ON(!pages[1]);
1345
1346         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1347 out:
1348         if (!class->huge)
1349                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1350
1351         return ret;
1352 }
1353 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1354
1355 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1356 {
1357         struct page *page;
1358         unsigned long obj, obj_idx, off;
1359
1360         unsigned int class_idx;
1361         enum fullness_group fg;
1362         struct size_class *class;
1363         struct mapping_area *area;
1364
1365         obj = handle_to_obj(handle);
1366         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1367         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1368         class = pool->size_class[class_idx];
1369         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1370
1371         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1372         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1373                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1374         else {
1375                 struct page *pages[2];
1376
1377                 pages[0] = page;
1378                 pages[1] = get_next_page(page);
1379                 BUG_ON(!pages[1]);
1380
1381                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1382         }
1383         put_cpu_var(zs_map_area);
1384         unpin_tag(handle);
1385 }
1386 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1387
1388 static unsigned long obj_malloc(struct size_class *class,
1389                                 struct page *first_page, unsigned long handle)
1390 {
1391         unsigned long obj;
1392         struct link_free *link;
1393
1394         struct page *m_page;
1395         unsigned long m_objidx, m_offset;
1396         void *vaddr;
1397
1398         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1399         obj = get_freeobj(first_page);
1400         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1401         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1402
1403         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1404         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1405         set_freeobj(first_page, (unsigned long)link->next);
1406         if (!class->huge)
1407                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1408                 link->handle = handle;
1409         else
1410                 /* record handle in first_page->private */
1411                 set_page_private(first_page, handle);
1412         kunmap_atomic(vaddr);
1413         mod_zspage_inuse(first_page, 1);
1414         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1415
1416         return obj;
1417 }
1418
1419
1420 /**
1421  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1422  * @pool: pool to allocate from
1423  * @size: size of block to allocate
1424  *
1425  * On success, handle to the allocated object is returned,
1426  * otherwise 0.
1427  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1428  */
1429 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size, gfp_t gfp)
1430 {
1431         unsigned long handle, obj;
1432         struct size_class *class;
1433         struct page *first_page;
1434
1435         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1436                 return 0;
1437
1438         handle = alloc_handle(pool, gfp);
1439         if (!handle)
1440                 return 0;
1441
1442         /* extra space in chunk to keep the handle */
1443         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1444         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1445
1446         spin_lock(&class->lock);
1447         first_page = find_get_zspage(class);
1448
1449         if (!first_page) {
1450                 spin_unlock(&class->lock);
1451                 first_page = alloc_zspage(class, gfp);
1452                 if (unlikely(!first_page)) {
1453                         free_handle(pool, handle);
1454                         return 0;
1455                 }
1456
1457                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1458                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1459                                         &pool->pages_allocated);
1460
1461                 spin_lock(&class->lock);
1462                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1463                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1464         }
1465
1466         obj = obj_malloc(class, first_page, handle);
1467         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1468         fix_fullness_group(class, first_page);
1469         record_obj(handle, obj);
1470         spin_unlock(&class->lock);
1471
1472         return handle;
1473 }
1474 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1475
1476 static void obj_free(struct size_class *class, unsigned long obj)
1477 {
1478         struct link_free *link;
1479         struct page *first_page, *f_page;
1480         unsigned long f_objidx, f_offset;
1481         void *vaddr;
1482
1483         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1484         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1485         first_page = get_first_page(f_page);
1486
1487         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1488
1489         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1490
1491         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1492         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1493         link->next = (void *)get_freeobj(first_page);
1494         if (class->huge)
1495                 set_page_private(first_page, 0);
1496         kunmap_atomic(vaddr);
1497         set_freeobj(first_page, obj);
1498         mod_zspage_inuse(first_page, -1);
1499         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1500 }
1501
1502 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1503 {
1504         struct page *first_page, *f_page;
1505         unsigned long obj, f_objidx;
1506         int class_idx;
1507         struct size_class *class;
1508         enum fullness_group fullness;
1509
1510         if (unlikely(!handle))
1511                 return;
1512
1513         pin_tag(handle);
1514         obj = handle_to_obj(handle);
1515         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1516         first_page = get_first_page(f_page);
1517
1518         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1519         class = pool->size_class[class_idx];
1520
1521         spin_lock(&class->lock);
1522         obj_free(class, obj);
1523         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1524         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1525                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1526                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1527                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1528                                 &pool->pages_allocated);
1529                 free_zspage(first_page);
1530         }
1531         spin_unlock(&class->lock);
1532         unpin_tag(handle);
1533
1534         free_handle(pool, handle);
1535 }
1536 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1537
1538 static void zs_object_copy(struct size_class *class, unsigned long dst,
1539                                 unsigned long src)
1540 {
1541         struct page *s_page, *d_page;
1542         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1543         unsigned long s_off, d_off;
1544         void *s_addr, *d_addr;
1545         int s_size, d_size, size;
1546         int written = 0;
1547
1548         s_size = d_size = class->size;
1549
1550         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1551         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1552
1553         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1554         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1555
1556         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1557                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1558
1559         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1560                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1561
1562         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1563         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1564
1565         while (1) {
1566                 size = min(s_size, d_size);
1567                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1568                 written += size;
1569
1570                 if (written == class->size)
1571                         break;
1572
1573                 s_off += size;
1574                 s_size -= size;
1575                 d_off += size;
1576                 d_size -= size;
1577
1578                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1579                         kunmap_atomic(d_addr);
1580                         kunmap_atomic(s_addr);
1581                         s_page = get_next_page(s_page);
1582                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1583                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1584                         s_size = class->size - written;
1585                         s_off = 0;
1586                 }
1587
1588                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1589                         kunmap_atomic(d_addr);
1590                         d_page = get_next_page(d_page);
1591                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1592                         d_size = class->size - written;
1593                         d_off = 0;
1594                 }
1595         }
1596
1597         kunmap_atomic(d_addr);
1598         kunmap_atomic(s_addr);
1599 }
1600
1601 /*
1602  * Find alloced object in zspage from index object and
1603  * return handle.
1604  */
1605 static unsigned long find_alloced_obj(struct size_class *class,
1606                                         struct page *page, int index)
1607 {
1608         unsigned long head;
1609         int offset = 0;
1610         unsigned long handle = 0;
1611         void *addr = kmap_atomic(page);
1612
1613         if (!is_first_page(page))
1614                 offset = get_first_obj_offset(page);
1615         offset += class->size * index;
1616
1617         while (offset < PAGE_SIZE) {
1618                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1619                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1620                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1621                         if (trypin_tag(handle))
1622                                 break;
1623                         handle = 0;
1624                 }
1625
1626                 offset += class->size;
1627                 index++;
1628         }
1629
1630         kunmap_atomic(addr);
1631         return handle;
1632 }
1633
1634 struct zs_compact_control {
1635         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1636         struct page *s_page;
1637         /* Destination page for migration which should be a first page
1638          * of zspage. */
1639         struct page *d_page;
1640          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1641           * in the subpage. */
1642         int index;
1643 };
1644
1645 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1646                                 struct zs_compact_control *cc)
1647 {
1648         unsigned long used_obj, free_obj;
1649         unsigned long handle;
1650         struct page *s_page = cc->s_page;
1651         struct page *d_page = cc->d_page;
1652         unsigned long index = cc->index;
1653         int ret = 0;
1654
1655         while (1) {
1656                 handle = find_alloced_obj(class, s_page, index);
1657                 if (!handle) {
1658                         s_page = get_next_page(s_page);
1659                         if (!s_page)
1660                                 break;
1661                         index = 0;
1662                         continue;
1663                 }
1664
1665                 /* Stop if there is no more space */
1666                 if (zspage_full(class, d_page)) {
1667                         unpin_tag(handle);
1668                         ret = -ENOMEM;
1669                         break;
1670                 }
1671
1672                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1673                 free_obj = obj_malloc(class, d_page, handle);
1674                 zs_object_copy(class, free_obj, used_obj);
1675                 index++;
1676                 /*
1677                  * record_obj updates handle's value to free_obj and it will
1678                  * invalidate lock bit(ie, HANDLE_PIN_BIT) of handle, which
1679                  * breaks synchronization using pin_tag(e,g, zs_free) so
1680                  * let's keep the lock bit.
1681                  */
1682                 free_obj |= BIT(HANDLE_PIN_BIT);
1683                 record_obj(handle, free_obj);
1684                 unpin_tag(handle);
1685                 obj_free(class, used_obj);
1686         }
1687
1688         /* Remember last position in this iteration */
1689         cc->s_page = s_page;
1690         cc->index = index;
1691
1692         return ret;
1693 }
1694
1695 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1696 {
1697         int i;
1698         struct page *page;
1699
1700         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1701                 page = class->fullness_list[i];
1702                 if (page) {
1703                         remove_zspage(class, i, page);
1704                         break;
1705                 }
1706         }
1707
1708         return page;
1709 }
1710
1711 /*
1712  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1713  * @pool: target pool
1714  * @class: destination class
1715  * @first_page: target page
1716  *
1717  * Return @fist_page's fullness_group
1718  */
1719 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1720                         struct size_class *class,
1721                         struct page *first_page)
1722 {
1723         enum fullness_group fullness;
1724
1725         fullness = get_fullness_group(class, first_page);
1726         insert_zspage(class, fullness, first_page);
1727         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1728
1729         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1730                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1731                         class->size, class->pages_per_zspage));
1732                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1733                                 &pool->pages_allocated);
1734
1735                 free_zspage(first_page);
1736         }
1737
1738         return fullness;
1739 }
1740
1741 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1742 {
1743         int i;
1744         struct page *page = NULL;
1745
1746         for (i = ZS_ALMOST_EMPTY; i >= ZS_ALMOST_FULL; i--) {
1747                 page = class->fullness_list[i];
1748                 if (!page)
1749                         continue;
1750
1751                 remove_zspage(class, i, page);
1752                 break;
1753         }
1754
1755         return page;
1756 }
1757
1758 /*
1759  *
1760  * Based on the number of unused allocated objects calculate
1761  * and return the number of pages that we can free.
1762  */
1763 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class)
1764 {
1765         unsigned long obj_wasted;
1766         unsigned long obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
1767         unsigned long obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1768
1769         if (obj_allocated <= obj_used)
1770                 return 0;
1771
1772         obj_wasted = obj_allocated - obj_used;
1773         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1774                         class->pages_per_zspage);
1775
1776         return obj_wasted * class->pages_per_zspage;
1777 }
1778
1779 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1780 {
1781         struct zs_compact_control cc;
1782         struct page *src_page;
1783         struct page *dst_page = NULL;
1784
1785         spin_lock(&class->lock);
1786         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1787
1788                 if (!zs_can_compact(class))
1789                         break;
1790
1791                 cc.index = 0;
1792                 cc.s_page = src_page;
1793
1794                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1795                         cc.d_page = dst_page;
1796                         /*
1797                          * If there is no more space in dst_page, resched
1798                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1799                          */
1800                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1801                                 break;
1802
1803                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1804                 }
1805
1806                 /* Stop if we couldn't find slot */
1807                 if (dst_page == NULL)
1808                         break;
1809
1810                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1811                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1812                         pool->stats.pages_compacted += class->pages_per_zspage;
1813                 spin_unlock(&class->lock);
1814                 cond_resched();
1815                 spin_lock(&class->lock);
1816         }
1817
1818         if (src_page)
1819                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1820
1821         spin_unlock(&class->lock);
1822 }
1823
1824 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1825 {
1826         int i;
1827         struct size_class *class;
1828
1829         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1830                 class = pool->size_class[i];
1831                 if (!class)
1832                         continue;
1833                 if (class->index != i)
1834                         continue;
1835                 __zs_compact(pool, class);
1836         }
1837
1838         return pool->stats.pages_compacted;
1839 }
1840 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1841
1842 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1843 {
1844         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1845 }
1846 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1847
1848 static unsigned long zs_shrinker_scan(struct shrinker *shrinker,
1849                 struct shrink_control *sc)
1850 {
1851         unsigned long pages_freed;
1852         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1853                         shrinker);
1854
1855         pages_freed = pool->stats.pages_compacted;
1856         /*
1857          * Compact classes and calculate compaction delta.
1858          * Can run concurrently with a manually triggered
1859          * (by user) compaction.
1860          */
1861         pages_freed = zs_compact(pool) - pages_freed;
1862
1863         return pages_freed ? pages_freed : SHRINK_STOP;
1864 }
1865
1866 static unsigned long zs_shrinker_count(struct shrinker *shrinker,
1867                 struct shrink_control *sc)
1868 {
1869         int i;
1870         struct size_class *class;
1871         unsigned long pages_to_free = 0;
1872         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1873                         shrinker);
1874
1875         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1876                 class = pool->size_class[i];
1877                 if (!class)
1878                         continue;
1879                 if (class->index != i)
1880                         continue;
1881
1882                 pages_to_free += zs_can_compact(class);
1883         }
1884
1885         return pages_to_free;
1886 }
1887
1888 static void zs_unregister_shrinker(struct zs_pool *pool)
1889 {
1890         if (pool->shrinker_enabled) {
1891                 unregister_shrinker(&pool->shrinker);
1892                 pool->shrinker_enabled = false;
1893         }
1894 }
1895
1896 static int zs_register_shrinker(struct zs_pool *pool)
1897 {
1898         pool->shrinker.scan_objects = zs_shrinker_scan;
1899         pool->shrinker.count_objects = zs_shrinker_count;
1900         pool->shrinker.batch = 0;
1901         pool->shrinker.seeks = DEFAULT_SEEKS;
1902
1903         return register_shrinker(&pool->shrinker);
1904 }
1905
1906 /**
1907  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1908  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1909  *
1910  * This function must be called before anything when using
1911  * the zsmalloc allocator.
1912  *
1913  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1914  * otherwise NULL.
1915  */
1916 struct zs_pool *zs_create_pool(const char *name)
1917 {
1918         int i;
1919         struct zs_pool *pool;
1920         struct size_class *prev_class = NULL;
1921
1922         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1923         if (!pool)
1924                 return NULL;
1925
1926         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1927                         GFP_KERNEL);
1928         if (!pool->size_class) {
1929                 kfree(pool);
1930                 return NULL;
1931         }
1932
1933         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1934         if (!pool->name)
1935                 goto err;
1936
1937         if (create_handle_cache(pool))
1938                 goto err;
1939
1940         /*
1941          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1942          * for merging should be larger or equal to current size.
1943          */
1944         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1945                 int size;
1946                 int pages_per_zspage;
1947                 struct size_class *class;
1948
1949                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1950                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1951                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1952                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1953
1954                 /*
1955                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1956                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1957                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1958                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1959                  * many different sizes whose size_class have same
1960                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1961                  * previous size_class if possible.
1962                  */
1963                 if (prev_class) {
1964                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1965                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1966                                 continue;
1967                         }
1968                 }
1969
1970                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1971                 if (!class)
1972                         goto err;
1973
1974                 class->size = size;
1975                 class->index = i;
1976                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1977                 class->objs_per_zspage = class->pages_per_zspage *
1978                                                 PAGE_SIZE / class->size;
1979                 if (pages_per_zspage == 1 && class->objs_per_zspage == 1)
1980                         class->huge = true;
1981                 spin_lock_init(&class->lock);
1982                 pool->size_class[i] = class;
1983
1984                 prev_class = class;
1985         }
1986
1987         /* debug only, don't abort if it fails */
1988         zs_pool_stat_create(pool, name);
1989
1990         /*
1991          * Not critical, we still can use the pool
1992          * and user can trigger compaction manually.
1993          */
1994         if (zs_register_shrinker(pool) == 0)
1995                 pool->shrinker_enabled = true;
1996         return pool;
1997
1998 err:
1999         zs_destroy_pool(pool);
2000         return NULL;
2001 }
2002 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
2003
2004 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
2005 {
2006         int i;
2007
2008         zs_unregister_shrinker(pool);
2009         zs_pool_stat_destroy(pool);
2010
2011         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
2012                 int fg;
2013                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
2014
2015                 if (!class)
2016                         continue;
2017
2018                 if (class->index != i)
2019                         continue;
2020
2021                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
2022                         if (class->fullness_list[fg]) {
2023                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
2024                                         class->size, fg);
2025                         }
2026                 }
2027                 kfree(class);
2028         }
2029
2030         destroy_handle_cache(pool);
2031         kfree(pool->size_class);
2032         kfree(pool->name);
2033         kfree(pool);
2034 }
2035 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
2036
2037 static int __init zs_init(void)
2038 {
2039         int ret = zs_register_cpu_notifier();
2040
2041         if (ret)
2042                 goto notifier_fail;
2043
2044         init_zs_size_classes();
2045
2046 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2047         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
2048 #endif
2049
2050         zs_stat_init();
2051
2052         return 0;
2053
2054 notifier_fail:
2055         zs_unregister_cpu_notifier();
2056
2057         return ret;
2058 }
2059
2060 static void __exit zs_exit(void)
2061 {
2062 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2063         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2064 #endif
2065         zs_unregister_cpu_notifier();
2066
2067         zs_stat_exit();
2068 }
2069
2070 module_init(zs_init);
2071 module_exit(zs_exit);
2072
2073 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
2074 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");