c0b2c1a76e81c280398b27ed310b1e03500e3a23
[linux-2.6.git] / mm / percpu.c
1 /*
2  * linux/mm/percpu.c - percpu memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2009           SUSE Linux Products GmbH
5  * Copyright (C) 2009           Tejun Heo <tj@kernel.org>
6  *
7  * This file is released under the GPLv2.
8  *
9  * This is percpu allocator which can handle both static and dynamic
10  * areas.  Percpu areas are allocated in chunks in vmalloc area.  Each
11  * chunk is consisted of num_possible_cpus() units and the first chunk
12  * is used for static percpu variables in the kernel image (special
13  * boot time alloc/init handling necessary as these areas need to be
14  * brought up before allocation services are running).  Unit grows as
15  * necessary and all units grow or shrink in unison.  When a chunk is
16  * filled up, another chunk is allocated.  ie. in vmalloc area
17  *
18  *  c0                           c1                         c2
19  *  -------------------          -------------------        ------------
20  * | u0 | u1 | u2 | u3 |        | u0 | u1 | u2 | u3 |      | u0 | u1 | u
21  *  -------------------  ......  -------------------  ....  ------------
22  *
23  * Allocation is done in offset-size areas of single unit space.  Ie,
24  * an area of 512 bytes at 6k in c1 occupies 512 bytes at 6k of c1:u0,
25  * c1:u1, c1:u2 and c1:u3.  Percpu access can be done by configuring
26  * percpu base registers pcpu_unit_size apart.
27  *
28  * There are usually many small percpu allocations many of them as
29  * small as 4 bytes.  The allocator organizes chunks into lists
30  * according to free size and tries to allocate from the fullest one.
31  * Each chunk keeps the maximum contiguous area size hint which is
32  * guaranteed to be eqaul to or larger than the maximum contiguous
33  * area in the chunk.  This helps the allocator not to iterate the
34  * chunk maps unnecessarily.
35  *
36  * Allocation state in each chunk is kept using an array of integers
37  * on chunk->map.  A positive value in the map represents a free
38  * region and negative allocated.  Allocation inside a chunk is done
39  * by scanning this map sequentially and serving the first matching
40  * entry.  This is mostly copied from the percpu_modalloc() allocator.
41  * Chunks can be determined from the address using the index field
42  * in the page struct. The index field contains a pointer to the chunk.
43  *
44  * To use this allocator, arch code should do the followings.
45  *
46  * - define CONFIG_HAVE_DYNAMIC_PER_CPU_AREA
47  *
48  * - define __addr_to_pcpu_ptr() and __pcpu_ptr_to_addr() to translate
49  *   regular address to percpu pointer and back if they need to be
50  *   different from the default
51  *
52  * - use pcpu_setup_first_chunk() during percpu area initialization to
53  *   setup the first chunk containing the kernel static percpu area
54  */
55
56 #include <linux/bitmap.h>
57 #include <linux/bootmem.h>
58 #include <linux/list.h>
59 #include <linux/mm.h>
60 #include <linux/module.h>
61 #include <linux/mutex.h>
62 #include <linux/percpu.h>
63 #include <linux/pfn.h>
64 #include <linux/slab.h>
65 #include <linux/spinlock.h>
66 #include <linux/vmalloc.h>
67 #include <linux/workqueue.h>
68
69 #include <asm/cacheflush.h>
70 #include <asm/sections.h>
71 #include <asm/tlbflush.h>
72
73 #define PCPU_SLOT_BASE_SHIFT            5       /* 1-31 shares the same slot */
74 #define PCPU_DFL_MAP_ALLOC              16      /* start a map with 16 ents */
75
76 /* default addr <-> pcpu_ptr mapping, override in asm/percpu.h if necessary */
77 #ifndef __addr_to_pcpu_ptr
78 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)                                        \
79         (void *)((unsigned long)(addr) - (unsigned long)pcpu_base_addr  \
80                  + (unsigned long)__per_cpu_start)
81 #endif
82 #ifndef __pcpu_ptr_to_addr
83 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)                                         \
84         (void *)((unsigned long)(ptr) + (unsigned long)pcpu_base_addr   \
85                  - (unsigned long)__per_cpu_start)
86 #endif
87
88 struct pcpu_chunk {
89         struct list_head        list;           /* linked to pcpu_slot lists */
90         int                     free_size;      /* free bytes in the chunk */
91         int                     contig_hint;    /* max contiguous size hint */
92         struct vm_struct        *vm;            /* mapped vmalloc region */
93         int                     map_used;       /* # of map entries used */
94         int                     map_alloc;      /* # of map entries allocated */
95         int                     *map;           /* allocation map */
96         bool                    immutable;      /* no [de]population allowed */
97         struct page             **page;         /* points to page array */
98         struct page             *page_ar[];     /* #cpus * UNIT_PAGES */
99 };
100
101 static int pcpu_unit_pages __read_mostly;
102 static int pcpu_unit_size __read_mostly;
103 static int pcpu_chunk_size __read_mostly;
104 static int pcpu_nr_slots __read_mostly;
105 static size_t pcpu_chunk_struct_size __read_mostly;
106
107 /* the address of the first chunk which starts with the kernel static area */
108 void *pcpu_base_addr __read_mostly;
109 EXPORT_SYMBOL_GPL(pcpu_base_addr);
110
111 /*
112  * The first chunk which always exists.  Note that unlike other
113  * chunks, this one can be allocated and mapped in several different
114  * ways and thus often doesn't live in the vmalloc area.
115  */
116 static struct pcpu_chunk *pcpu_first_chunk;
117
118 /*
119  * Optional reserved chunk.  This chunk reserves part of the first
120  * chunk and serves it for reserved allocations.  The amount of
121  * reserved offset is in pcpu_reserved_chunk_limit.  When reserved
122  * area doesn't exist, the following variables contain NULL and 0
123  * respectively.
124  */
125 static struct pcpu_chunk *pcpu_reserved_chunk;
126 static int pcpu_reserved_chunk_limit;
127
128 /*
129  * Synchronization rules.
130  *
131  * There are two locks - pcpu_alloc_mutex and pcpu_lock.  The former
132  * protects allocation/reclaim paths, chunks and chunk->page arrays.
133  * The latter is a spinlock and protects the index data structures -
134  * chunk slots, chunks and area maps in chunks.
135  *
136  * During allocation, pcpu_alloc_mutex is kept locked all the time and
137  * pcpu_lock is grabbed and released as necessary.  All actual memory
138  * allocations are done using GFP_KERNEL with pcpu_lock released.
139  *
140  * Free path accesses and alters only the index data structures, so it
141  * can be safely called from atomic context.  When memory needs to be
142  * returned to the system, free path schedules reclaim_work which
143  * grabs both pcpu_alloc_mutex and pcpu_lock, unlinks chunks to be
144  * reclaimed, release both locks and frees the chunks.  Note that it's
145  * necessary to grab both locks to remove a chunk from circulation as
146  * allocation path might be referencing the chunk with only
147  * pcpu_alloc_mutex locked.
148  */
149 static DEFINE_MUTEX(pcpu_alloc_mutex);  /* protects whole alloc and reclaim */
150 static DEFINE_SPINLOCK(pcpu_lock);      /* protects index data structures */
151
152 static struct list_head *pcpu_slot __read_mostly; /* chunk list slots */
153
154 /* reclaim work to release fully free chunks, scheduled from free path */
155 static void pcpu_reclaim(struct work_struct *work);
156 static DECLARE_WORK(pcpu_reclaim_work, pcpu_reclaim);
157
158 static int __pcpu_size_to_slot(int size)
159 {
160         int highbit = fls(size);        /* size is in bytes */
161         return max(highbit - PCPU_SLOT_BASE_SHIFT + 2, 1);
162 }
163
164 static int pcpu_size_to_slot(int size)
165 {
166         if (size == pcpu_unit_size)
167                 return pcpu_nr_slots - 1;
168         return __pcpu_size_to_slot(size);
169 }
170
171 static int pcpu_chunk_slot(const struct pcpu_chunk *chunk)
172 {
173         if (chunk->free_size < sizeof(int) || chunk->contig_hint < sizeof(int))
174                 return 0;
175
176         return pcpu_size_to_slot(chunk->free_size);
177 }
178
179 static int pcpu_page_idx(unsigned int cpu, int page_idx)
180 {
181         return cpu * pcpu_unit_pages + page_idx;
182 }
183
184 static struct page **pcpu_chunk_pagep(struct pcpu_chunk *chunk,
185                                       unsigned int cpu, int page_idx)
186 {
187         return &chunk->page[pcpu_page_idx(cpu, page_idx)];
188 }
189
190 static unsigned long pcpu_chunk_addr(struct pcpu_chunk *chunk,
191                                      unsigned int cpu, int page_idx)
192 {
193         return (unsigned long)chunk->vm->addr +
194                 (pcpu_page_idx(cpu, page_idx) << PAGE_SHIFT);
195 }
196
197 static bool pcpu_chunk_page_occupied(struct pcpu_chunk *chunk,
198                                      int page_idx)
199 {
200         return *pcpu_chunk_pagep(chunk, 0, page_idx) != NULL;
201 }
202
203 /* set the pointer to a chunk in a page struct */
204 static void pcpu_set_page_chunk(struct page *page, struct pcpu_chunk *pcpu)
205 {
206         page->index = (unsigned long)pcpu;
207 }
208
209 /* obtain pointer to a chunk from a page struct */
210 static struct pcpu_chunk *pcpu_get_page_chunk(struct page *page)
211 {
212         return (struct pcpu_chunk *)page->index;
213 }
214
215 /**
216  * pcpu_mem_alloc - allocate memory
217  * @size: bytes to allocate
218  *
219  * Allocate @size bytes.  If @size is smaller than PAGE_SIZE,
220  * kzalloc() is used; otherwise, vmalloc() is used.  The returned
221  * memory is always zeroed.
222  *
223  * CONTEXT:
224  * Does GFP_KERNEL allocation.
225  *
226  * RETURNS:
227  * Pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
228  */
229 static void *pcpu_mem_alloc(size_t size)
230 {
231         if (size <= PAGE_SIZE)
232                 return kzalloc(size, GFP_KERNEL);
233         else {
234                 void *ptr = vmalloc(size);
235                 if (ptr)
236                         memset(ptr, 0, size);
237                 return ptr;
238         }
239 }
240
241 /**
242  * pcpu_mem_free - free memory
243  * @ptr: memory to free
244  * @size: size of the area
245  *
246  * Free @ptr.  @ptr should have been allocated using pcpu_mem_alloc().
247  */
248 static void pcpu_mem_free(void *ptr, size_t size)
249 {
250         if (size <= PAGE_SIZE)
251                 kfree(ptr);
252         else
253                 vfree(ptr);
254 }
255
256 /**
257  * pcpu_chunk_relocate - put chunk in the appropriate chunk slot
258  * @chunk: chunk of interest
259  * @oslot: the previous slot it was on
260  *
261  * This function is called after an allocation or free changed @chunk.
262  * New slot according to the changed state is determined and @chunk is
263  * moved to the slot.  Note that the reserved chunk is never put on
264  * chunk slots.
265  *
266  * CONTEXT:
267  * pcpu_lock.
268  */
269 static void pcpu_chunk_relocate(struct pcpu_chunk *chunk, int oslot)
270 {
271         int nslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
272
273         if (chunk != pcpu_reserved_chunk && oslot != nslot) {
274                 if (oslot < nslot)
275                         list_move(&chunk->list, &pcpu_slot[nslot]);
276                 else
277                         list_move_tail(&chunk->list, &pcpu_slot[nslot]);
278         }
279 }
280
281 /**
282  * pcpu_chunk_addr_search - determine chunk containing specified address
283  * @addr: address for which the chunk needs to be determined.
284  *
285  * RETURNS:
286  * The address of the found chunk.
287  */
288 static struct pcpu_chunk *pcpu_chunk_addr_search(void *addr)
289 {
290         void *first_start = pcpu_first_chunk->vm->addr;
291
292         /* is it in the first chunk? */
293         if (addr >= first_start && addr < first_start + pcpu_chunk_size) {
294                 /* is it in the reserved area? */
295                 if (addr < first_start + pcpu_reserved_chunk_limit)
296                         return pcpu_reserved_chunk;
297                 return pcpu_first_chunk;
298         }
299
300         return pcpu_get_page_chunk(vmalloc_to_page(addr));
301 }
302
303 /**
304  * pcpu_extend_area_map - extend area map for allocation
305  * @chunk: target chunk
306  *
307  * Extend area map of @chunk so that it can accomodate an allocation.
308  * A single allocation can split an area into three areas, so this
309  * function makes sure that @chunk->map has at least two extra slots.
310  *
311  * CONTEXT:
312  * pcpu_alloc_mutex, pcpu_lock.  pcpu_lock is released and reacquired
313  * if area map is extended.
314  *
315  * RETURNS:
316  * 0 if noop, 1 if successfully extended, -errno on failure.
317  */
318 static int pcpu_extend_area_map(struct pcpu_chunk *chunk)
319 {
320         int new_alloc;
321         int *new;
322         size_t size;
323
324         /* has enough? */
325         if (chunk->map_alloc >= chunk->map_used + 2)
326                 return 0;
327
328         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
329
330         new_alloc = PCPU_DFL_MAP_ALLOC;
331         while (new_alloc < chunk->map_used + 2)
332                 new_alloc *= 2;
333
334         new = pcpu_mem_alloc(new_alloc * sizeof(new[0]));
335         if (!new) {
336                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
337                 return -ENOMEM;
338         }
339
340         /*
341          * Acquire pcpu_lock and switch to new area map.  Only free
342          * could have happened inbetween, so map_used couldn't have
343          * grown.
344          */
345         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
346         BUG_ON(new_alloc < chunk->map_used + 2);
347
348         size = chunk->map_alloc * sizeof(chunk->map[0]);
349         memcpy(new, chunk->map, size);
350
351         /*
352          * map_alloc < PCPU_DFL_MAP_ALLOC indicates that the chunk is
353          * one of the first chunks and still using static map.
354          */
355         if (chunk->map_alloc >= PCPU_DFL_MAP_ALLOC)
356                 pcpu_mem_free(chunk->map, size);
357
358         chunk->map_alloc = new_alloc;
359         chunk->map = new;
360         return 0;
361 }
362
363 /**
364  * pcpu_split_block - split a map block
365  * @chunk: chunk of interest
366  * @i: index of map block to split
367  * @head: head size in bytes (can be 0)
368  * @tail: tail size in bytes (can be 0)
369  *
370  * Split the @i'th map block into two or three blocks.  If @head is
371  * non-zero, @head bytes block is inserted before block @i moving it
372  * to @i+1 and reducing its size by @head bytes.
373  *
374  * If @tail is non-zero, the target block, which can be @i or @i+1
375  * depending on @head, is reduced by @tail bytes and @tail byte block
376  * is inserted after the target block.
377  *
378  * @chunk->map must have enough free slots to accomodate the split.
379  *
380  * CONTEXT:
381  * pcpu_lock.
382  */
383 static void pcpu_split_block(struct pcpu_chunk *chunk, int i,
384                              int head, int tail)
385 {
386         int nr_extra = !!head + !!tail;
387
388         BUG_ON(chunk->map_alloc < chunk->map_used + nr_extra);
389
390         /* insert new subblocks */
391         memmove(&chunk->map[i + nr_extra], &chunk->map[i],
392                 sizeof(chunk->map[0]) * (chunk->map_used - i));
393         chunk->map_used += nr_extra;
394
395         if (head) {
396                 chunk->map[i + 1] = chunk->map[i] - head;
397                 chunk->map[i++] = head;
398         }
399         if (tail) {
400                 chunk->map[i++] -= tail;
401                 chunk->map[i] = tail;
402         }
403 }
404
405 /**
406  * pcpu_alloc_area - allocate area from a pcpu_chunk
407  * @chunk: chunk of interest
408  * @size: wanted size in bytes
409  * @align: wanted align
410  *
411  * Try to allocate @size bytes area aligned at @align from @chunk.
412  * Note that this function only allocates the offset.  It doesn't
413  * populate or map the area.
414  *
415  * @chunk->map must have at least two free slots.
416  *
417  * CONTEXT:
418  * pcpu_lock.
419  *
420  * RETURNS:
421  * Allocated offset in @chunk on success, -1 if no matching area is
422  * found.
423  */
424 static int pcpu_alloc_area(struct pcpu_chunk *chunk, int size, int align)
425 {
426         int oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
427         int max_contig = 0;
428         int i, off;
429
430         for (i = 0, off = 0; i < chunk->map_used; off += abs(chunk->map[i++])) {
431                 bool is_last = i + 1 == chunk->map_used;
432                 int head, tail;
433
434                 /* extra for alignment requirement */
435                 head = ALIGN(off, align) - off;
436                 BUG_ON(i == 0 && head != 0);
437
438                 if (chunk->map[i] < 0)
439                         continue;
440                 if (chunk->map[i] < head + size) {
441                         max_contig = max(chunk->map[i], max_contig);
442                         continue;
443                 }
444
445                 /*
446                  * If head is small or the previous block is free,
447                  * merge'em.  Note that 'small' is defined as smaller
448                  * than sizeof(int), which is very small but isn't too
449                  * uncommon for percpu allocations.
450                  */
451                 if (head && (head < sizeof(int) || chunk->map[i - 1] > 0)) {
452                         if (chunk->map[i - 1] > 0)
453                                 chunk->map[i - 1] += head;
454                         else {
455                                 chunk->map[i - 1] -= head;
456                                 chunk->free_size -= head;
457                         }
458                         chunk->map[i] -= head;
459                         off += head;
460                         head = 0;
461                 }
462
463                 /* if tail is small, just keep it around */
464                 tail = chunk->map[i] - head - size;
465                 if (tail < sizeof(int))
466                         tail = 0;
467
468                 /* split if warranted */
469                 if (head || tail) {
470                         pcpu_split_block(chunk, i, head, tail);
471                         if (head) {
472                                 i++;
473                                 off += head;
474                                 max_contig = max(chunk->map[i - 1], max_contig);
475                         }
476                         if (tail)
477                                 max_contig = max(chunk->map[i + 1], max_contig);
478                 }
479
480                 /* update hint and mark allocated */
481                 if (is_last)
482                         chunk->contig_hint = max_contig; /* fully scanned */
483                 else
484                         chunk->contig_hint = max(chunk->contig_hint,
485                                                  max_contig);
486
487                 chunk->free_size -= chunk->map[i];
488                 chunk->map[i] = -chunk->map[i];
489
490                 pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
491                 return off;
492         }
493
494         chunk->contig_hint = max_contig;        /* fully scanned */
495         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
496
497         /* tell the upper layer that this chunk has no matching area */
498         return -1;
499 }
500
501 /**
502  * pcpu_free_area - free area to a pcpu_chunk
503  * @chunk: chunk of interest
504  * @freeme: offset of area to free
505  *
506  * Free area starting from @freeme to @chunk.  Note that this function
507  * only modifies the allocation map.  It doesn't depopulate or unmap
508  * the area.
509  *
510  * CONTEXT:
511  * pcpu_lock.
512  */
513 static void pcpu_free_area(struct pcpu_chunk *chunk, int freeme)
514 {
515         int oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
516         int i, off;
517
518         for (i = 0, off = 0; i < chunk->map_used; off += abs(chunk->map[i++]))
519                 if (off == freeme)
520                         break;
521         BUG_ON(off != freeme);
522         BUG_ON(chunk->map[i] > 0);
523
524         chunk->map[i] = -chunk->map[i];
525         chunk->free_size += chunk->map[i];
526
527         /* merge with previous? */
528         if (i > 0 && chunk->map[i - 1] >= 0) {
529                 chunk->map[i - 1] += chunk->map[i];
530                 chunk->map_used--;
531                 memmove(&chunk->map[i], &chunk->map[i + 1],
532                         (chunk->map_used - i) * sizeof(chunk->map[0]));
533                 i--;
534         }
535         /* merge with next? */
536         if (i + 1 < chunk->map_used && chunk->map[i + 1] >= 0) {
537                 chunk->map[i] += chunk->map[i + 1];
538                 chunk->map_used--;
539                 memmove(&chunk->map[i + 1], &chunk->map[i + 2],
540                         (chunk->map_used - (i + 1)) * sizeof(chunk->map[0]));
541         }
542
543         chunk->contig_hint = max(chunk->map[i], chunk->contig_hint);
544         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
545 }
546
547 /**
548  * pcpu_unmap - unmap pages out of a pcpu_chunk
549  * @chunk: chunk of interest
550  * @page_start: page index of the first page to unmap
551  * @page_end: page index of the last page to unmap + 1
552  * @flush: whether to flush cache and tlb or not
553  *
554  * For each cpu, unmap pages [@page_start,@page_end) out of @chunk.
555  * If @flush is true, vcache is flushed before unmapping and tlb
556  * after.
557  */
558 static void pcpu_unmap(struct pcpu_chunk *chunk, int page_start, int page_end,
559                        bool flush)
560 {
561         unsigned int last = num_possible_cpus() - 1;
562         unsigned int cpu;
563
564         /* unmap must not be done on immutable chunk */
565         WARN_ON(chunk->immutable);
566
567         /*
568          * Each flushing trial can be very expensive, issue flush on
569          * the whole region at once rather than doing it for each cpu.
570          * This could be an overkill but is more scalable.
571          */
572         if (flush)
573                 flush_cache_vunmap(pcpu_chunk_addr(chunk, 0, page_start),
574                                    pcpu_chunk_addr(chunk, last, page_end));
575
576         for_each_possible_cpu(cpu)
577                 unmap_kernel_range_noflush(
578                                 pcpu_chunk_addr(chunk, cpu, page_start),
579                                 (page_end - page_start) << PAGE_SHIFT);
580
581         /* ditto as flush_cache_vunmap() */
582         if (flush)
583                 flush_tlb_kernel_range(pcpu_chunk_addr(chunk, 0, page_start),
584                                        pcpu_chunk_addr(chunk, last, page_end));
585 }
586
587 /**
588  * pcpu_depopulate_chunk - depopulate and unmap an area of a pcpu_chunk
589  * @chunk: chunk to depopulate
590  * @off: offset to the area to depopulate
591  * @size: size of the area to depopulate in bytes
592  * @flush: whether to flush cache and tlb or not
593  *
594  * For each cpu, depopulate and unmap pages [@page_start,@page_end)
595  * from @chunk.  If @flush is true, vcache is flushed before unmapping
596  * and tlb after.
597  *
598  * CONTEXT:
599  * pcpu_alloc_mutex.
600  */
601 static void pcpu_depopulate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, int off, int size,
602                                   bool flush)
603 {
604         int page_start = PFN_DOWN(off);
605         int page_end = PFN_UP(off + size);
606         int unmap_start = -1;
607         int uninitialized_var(unmap_end);
608         unsigned int cpu;
609         int i;
610
611         for (i = page_start; i < page_end; i++) {
612                 for_each_possible_cpu(cpu) {
613                         struct page **pagep = pcpu_chunk_pagep(chunk, cpu, i);
614
615                         if (!*pagep)
616                                 continue;
617
618                         __free_page(*pagep);
619
620                         /*
621                          * If it's partial depopulation, it might get
622                          * populated or depopulated again.  Mark the
623                          * page gone.
624                          */
625                         *pagep = NULL;
626
627                         unmap_start = unmap_start < 0 ? i : unmap_start;
628                         unmap_end = i + 1;
629                 }
630         }
631
632         if (unmap_start >= 0)
633                 pcpu_unmap(chunk, unmap_start, unmap_end, flush);
634 }
635
636 /**
637  * pcpu_map - map pages into a pcpu_chunk
638  * @chunk: chunk of interest
639  * @page_start: page index of the first page to map
640  * @page_end: page index of the last page to map + 1
641  *
642  * For each cpu, map pages [@page_start,@page_end) into @chunk.
643  * vcache is flushed afterwards.
644  */
645 static int pcpu_map(struct pcpu_chunk *chunk, int page_start, int page_end)
646 {
647         unsigned int last = num_possible_cpus() - 1;
648         unsigned int cpu;
649         int err;
650
651         /* map must not be done on immutable chunk */
652         WARN_ON(chunk->immutable);
653
654         for_each_possible_cpu(cpu) {
655                 err = map_kernel_range_noflush(
656                                 pcpu_chunk_addr(chunk, cpu, page_start),
657                                 (page_end - page_start) << PAGE_SHIFT,
658                                 PAGE_KERNEL,
659                                 pcpu_chunk_pagep(chunk, cpu, page_start));
660                 if (err < 0)
661                         return err;
662         }
663
664         /* flush at once, please read comments in pcpu_unmap() */
665         flush_cache_vmap(pcpu_chunk_addr(chunk, 0, page_start),
666                          pcpu_chunk_addr(chunk, last, page_end));
667         return 0;
668 }
669
670 /**
671  * pcpu_populate_chunk - populate and map an area of a pcpu_chunk
672  * @chunk: chunk of interest
673  * @off: offset to the area to populate
674  * @size: size of the area to populate in bytes
675  *
676  * For each cpu, populate and map pages [@page_start,@page_end) into
677  * @chunk.  The area is cleared on return.
678  *
679  * CONTEXT:
680  * pcpu_alloc_mutex, does GFP_KERNEL allocation.
681  */
682 static int pcpu_populate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, int off, int size)
683 {
684         const gfp_t alloc_mask = GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_COLD;
685         int page_start = PFN_DOWN(off);
686         int page_end = PFN_UP(off + size);
687         int map_start = -1;
688         int uninitialized_var(map_end);
689         unsigned int cpu;
690         int i;
691
692         for (i = page_start; i < page_end; i++) {
693                 if (pcpu_chunk_page_occupied(chunk, i)) {
694                         if (map_start >= 0) {
695                                 if (pcpu_map(chunk, map_start, map_end))
696                                         goto err;
697                                 map_start = -1;
698                         }
699                         continue;
700                 }
701
702                 map_start = map_start < 0 ? i : map_start;
703                 map_end = i + 1;
704
705                 for_each_possible_cpu(cpu) {
706                         struct page **pagep = pcpu_chunk_pagep(chunk, cpu, i);
707
708                         *pagep = alloc_pages_node(cpu_to_node(cpu),
709                                                   alloc_mask, 0);
710                         if (!*pagep)
711                                 goto err;
712                         pcpu_set_page_chunk(*pagep, chunk);
713                 }
714         }
715
716         if (map_start >= 0 && pcpu_map(chunk, map_start, map_end))
717                 goto err;
718
719         for_each_possible_cpu(cpu)
720                 memset(chunk->vm->addr + cpu * pcpu_unit_size + off, 0,
721                        size);
722
723         return 0;
724 err:
725         /* likely under heavy memory pressure, give memory back */
726         pcpu_depopulate_chunk(chunk, off, size, true);
727         return -ENOMEM;
728 }
729
730 static void free_pcpu_chunk(struct pcpu_chunk *chunk)
731 {
732         if (!chunk)
733                 return;
734         if (chunk->vm)
735                 free_vm_area(chunk->vm);
736         pcpu_mem_free(chunk->map, chunk->map_alloc * sizeof(chunk->map[0]));
737         kfree(chunk);
738 }
739
740 static struct pcpu_chunk *alloc_pcpu_chunk(void)
741 {
742         struct pcpu_chunk *chunk;
743
744         chunk = kzalloc(pcpu_chunk_struct_size, GFP_KERNEL);
745         if (!chunk)
746                 return NULL;
747
748         chunk->map = pcpu_mem_alloc(PCPU_DFL_MAP_ALLOC * sizeof(chunk->map[0]));
749         chunk->map_alloc = PCPU_DFL_MAP_ALLOC;
750         chunk->map[chunk->map_used++] = pcpu_unit_size;
751         chunk->page = chunk->page_ar;
752
753         chunk->vm = get_vm_area(pcpu_chunk_size, GFP_KERNEL);
754         if (!chunk->vm) {
755                 free_pcpu_chunk(chunk);
756                 return NULL;
757         }
758
759         INIT_LIST_HEAD(&chunk->list);
760         chunk->free_size = pcpu_unit_size;
761         chunk->contig_hint = pcpu_unit_size;
762
763         return chunk;
764 }
765
766 /**
767  * pcpu_alloc - the percpu allocator
768  * @size: size of area to allocate in bytes
769  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
770  * @reserved: allocate from the reserved chunk if available
771  *
772  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align.
773  *
774  * CONTEXT:
775  * Does GFP_KERNEL allocation.
776  *
777  * RETURNS:
778  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
779  */
780 static void *pcpu_alloc(size_t size, size_t align, bool reserved)
781 {
782         struct pcpu_chunk *chunk;
783         int slot, off;
784
785         if (unlikely(!size || size > PCPU_MIN_UNIT_SIZE || align > PAGE_SIZE)) {
786                 WARN(true, "illegal size (%zu) or align (%zu) for "
787                      "percpu allocation\n", size, align);
788                 return NULL;
789         }
790
791         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
792         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
793
794         /* serve reserved allocations from the reserved chunk if available */
795         if (reserved && pcpu_reserved_chunk) {
796                 chunk = pcpu_reserved_chunk;
797                 if (size > chunk->contig_hint ||
798                     pcpu_extend_area_map(chunk) < 0)
799                         goto fail_unlock;
800                 off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align);
801                 if (off >= 0)
802                         goto area_found;
803                 goto fail_unlock;
804         }
805
806 restart:
807         /* search through normal chunks */
808         for (slot = pcpu_size_to_slot(size); slot < pcpu_nr_slots; slot++) {
809                 list_for_each_entry(chunk, &pcpu_slot[slot], list) {
810                         if (size > chunk->contig_hint)
811                                 continue;
812
813                         switch (pcpu_extend_area_map(chunk)) {
814                         case 0:
815                                 break;
816                         case 1:
817                                 goto restart;   /* pcpu_lock dropped, restart */
818                         default:
819                                 goto fail_unlock;
820                         }
821
822                         off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align);
823                         if (off >= 0)
824                                 goto area_found;
825                 }
826         }
827
828         /* hmmm... no space left, create a new chunk */
829         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
830
831         chunk = alloc_pcpu_chunk();
832         if (!chunk)
833                 goto fail_unlock_mutex;
834
835         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
836         pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
837         goto restart;
838
839 area_found:
840         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
841
842         /* populate, map and clear the area */
843         if (pcpu_populate_chunk(chunk, off, size)) {
844                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
845                 pcpu_free_area(chunk, off);
846                 goto fail_unlock;
847         }
848
849         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
850
851         return __addr_to_pcpu_ptr(chunk->vm->addr + off);
852
853 fail_unlock:
854         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
855 fail_unlock_mutex:
856         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
857         return NULL;
858 }
859
860 /**
861  * __alloc_percpu - allocate dynamic percpu area
862  * @size: size of area to allocate in bytes
863  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
864  *
865  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align.  Might
866  * sleep.  Might trigger writeouts.
867  *
868  * CONTEXT:
869  * Does GFP_KERNEL allocation.
870  *
871  * RETURNS:
872  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
873  */
874 void *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)
875 {
876         return pcpu_alloc(size, align, false);
877 }
878 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu);
879
880 /**
881  * __alloc_reserved_percpu - allocate reserved percpu area
882  * @size: size of area to allocate in bytes
883  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
884  *
885  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align from reserved
886  * percpu area if arch has set it up; otherwise, allocation is served
887  * from the same dynamic area.  Might sleep.  Might trigger writeouts.
888  *
889  * CONTEXT:
890  * Does GFP_KERNEL allocation.
891  *
892  * RETURNS:
893  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
894  */
895 void *__alloc_reserved_percpu(size_t size, size_t align)
896 {
897         return pcpu_alloc(size, align, true);
898 }
899
900 /**
901  * pcpu_reclaim - reclaim fully free chunks, workqueue function
902  * @work: unused
903  *
904  * Reclaim all fully free chunks except for the first one.
905  *
906  * CONTEXT:
907  * workqueue context.
908  */
909 static void pcpu_reclaim(struct work_struct *work)
910 {
911         LIST_HEAD(todo);
912         struct list_head *head = &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1];
913         struct pcpu_chunk *chunk, *next;
914
915         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
916         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
917
918         list_for_each_entry_safe(chunk, next, head, list) {
919                 WARN_ON(chunk->immutable);
920
921                 /* spare the first one */
922                 if (chunk == list_first_entry(head, struct pcpu_chunk, list))
923                         continue;
924
925                 list_move(&chunk->list, &todo);
926         }
927
928         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
929         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
930
931         list_for_each_entry_safe(chunk, next, &todo, list) {
932                 pcpu_depopulate_chunk(chunk, 0, pcpu_unit_size, false);
933                 free_pcpu_chunk(chunk);
934         }
935 }
936
937 /**
938  * free_percpu - free percpu area
939  * @ptr: pointer to area to free
940  *
941  * Free percpu area @ptr.
942  *
943  * CONTEXT:
944  * Can be called from atomic context.
945  */
946 void free_percpu(void *ptr)
947 {
948         void *addr = __pcpu_ptr_to_addr(ptr);
949         struct pcpu_chunk *chunk;
950         unsigned long flags;
951         int off;
952
953         if (!ptr)
954                 return;
955
956         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
957
958         chunk = pcpu_chunk_addr_search(addr);
959         off = addr - chunk->vm->addr;
960
961         pcpu_free_area(chunk, off);
962
963         /* if there are more than one fully free chunks, wake up grim reaper */
964         if (chunk->free_size == pcpu_unit_size) {
965                 struct pcpu_chunk *pos;
966
967                 list_for_each_entry(pos, &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1], list)
968                         if (pos != chunk) {
969                                 schedule_work(&pcpu_reclaim_work);
970                                 break;
971                         }
972         }
973
974         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
975 }
976 EXPORT_SYMBOL_GPL(free_percpu);
977
978 /**
979  * pcpu_setup_first_chunk - initialize the first percpu chunk
980  * @get_page_fn: callback to fetch page pointer
981  * @static_size: the size of static percpu area in bytes
982  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
983  * @dyn_size: free size for dynamic allocation in bytes, -1 for auto
984  * @unit_size: unit size in bytes, must be multiple of PAGE_SIZE, -1 for auto
985  * @base_addr: mapped address, NULL for auto
986  * @populate_pte_fn: callback to allocate pagetable, NULL if unnecessary
987  *
988  * Initialize the first percpu chunk which contains the kernel static
989  * perpcu area.  This function is to be called from arch percpu area
990  * setup path.  The first two parameters are mandatory.  The rest are
991  * optional.
992  *
993  * @get_page_fn() should return pointer to percpu page given cpu
994  * number and page number.  It should at least return enough pages to
995  * cover the static area.  The returned pages for static area should
996  * have been initialized with valid data.  If @unit_size is specified,
997  * it can also return pages after the static area.  NULL return
998  * indicates end of pages for the cpu.  Note that @get_page_fn() must
999  * return the same number of pages for all cpus.
1000  *
1001  * @reserved_size, if non-zero, specifies the amount of bytes to
1002  * reserve after the static area in the first chunk.  This reserves
1003  * the first chunk such that it's available only through reserved
1004  * percpu allocation.  This is primarily used to serve module percpu
1005  * static areas on architectures where the addressing model has
1006  * limited offset range for symbol relocations to guarantee module
1007  * percpu symbols fall inside the relocatable range.
1008  *
1009  * @dyn_size, if non-negative, determines the number of bytes
1010  * available for dynamic allocation in the first chunk.  Specifying
1011  * non-negative value makes percpu leave alone the area beyond
1012  * @static_size + @reserved_size + @dyn_size.
1013  *
1014  * @unit_size, if non-negative, specifies unit size and must be
1015  * aligned to PAGE_SIZE and equal to or larger than @static_size +
1016  * @reserved_size + if non-negative, @dyn_size.
1017  *
1018  * Non-null @base_addr means that the caller already allocated virtual
1019  * region for the first chunk and mapped it.  percpu must not mess
1020  * with the chunk.  Note that @base_addr with 0 @unit_size or non-NULL
1021  * @populate_pte_fn doesn't make any sense.
1022  *
1023  * @populate_pte_fn is used to populate the pagetable.  NULL means the
1024  * caller already populated the pagetable.
1025  *
1026  * If the first chunk ends up with both reserved and dynamic areas, it
1027  * is served by two chunks - one to serve the core static and reserved
1028  * areas and the other for the dynamic area.  They share the same vm
1029  * and page map but uses different area allocation map to stay away
1030  * from each other.  The latter chunk is circulated in the chunk slots
1031  * and available for dynamic allocation like any other chunks.
1032  *
1033  * RETURNS:
1034  * The determined pcpu_unit_size which can be used to initialize
1035  * percpu access.
1036  */
1037 size_t __init pcpu_setup_first_chunk(pcpu_get_page_fn_t get_page_fn,
1038                                      size_t static_size, size_t reserved_size,
1039                                      ssize_t dyn_size, ssize_t unit_size,
1040                                      void *base_addr,
1041                                      pcpu_populate_pte_fn_t populate_pte_fn)
1042 {
1043         static struct vm_struct first_vm;
1044         static int smap[2], dmap[2];
1045         size_t size_sum = static_size + reserved_size +
1046                           (dyn_size >= 0 ? dyn_size : 0);
1047         struct pcpu_chunk *schunk, *dchunk = NULL;
1048         unsigned int cpu;
1049         int nr_pages;
1050         int err, i;
1051
1052         /* santiy checks */
1053         BUILD_BUG_ON(ARRAY_SIZE(smap) >= PCPU_DFL_MAP_ALLOC ||
1054                      ARRAY_SIZE(dmap) >= PCPU_DFL_MAP_ALLOC);
1055         BUG_ON(!static_size);
1056         if (unit_size >= 0) {
1057                 BUG_ON(unit_size < size_sum);
1058                 BUG_ON(unit_size & ~PAGE_MASK);
1059                 BUG_ON(unit_size < PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
1060         } else
1061                 BUG_ON(base_addr);
1062         BUG_ON(base_addr && populate_pte_fn);
1063
1064         if (unit_size >= 0)
1065                 pcpu_unit_pages = unit_size >> PAGE_SHIFT;
1066         else
1067                 pcpu_unit_pages = max_t(int, PCPU_MIN_UNIT_SIZE >> PAGE_SHIFT,
1068                                         PFN_UP(size_sum));
1069
1070         pcpu_unit_size = pcpu_unit_pages << PAGE_SHIFT;
1071         pcpu_chunk_size = num_possible_cpus() * pcpu_unit_size;
1072         pcpu_chunk_struct_size = sizeof(struct pcpu_chunk)
1073                 + num_possible_cpus() * pcpu_unit_pages * sizeof(struct page *);
1074
1075         if (dyn_size < 0)
1076                 dyn_size = pcpu_unit_size - static_size - reserved_size;
1077
1078         /*
1079          * Allocate chunk slots.  The additional last slot is for
1080          * empty chunks.
1081          */
1082         pcpu_nr_slots = __pcpu_size_to_slot(pcpu_unit_size) + 2;
1083         pcpu_slot = alloc_bootmem(pcpu_nr_slots * sizeof(pcpu_slot[0]));
1084         for (i = 0; i < pcpu_nr_slots; i++)
1085                 INIT_LIST_HEAD(&pcpu_slot[i]);
1086
1087         /*
1088          * Initialize static chunk.  If reserved_size is zero, the
1089          * static chunk covers static area + dynamic allocation area
1090          * in the first chunk.  If reserved_size is not zero, it
1091          * covers static area + reserved area (mostly used for module
1092          * static percpu allocation).
1093          */
1094         schunk = alloc_bootmem(pcpu_chunk_struct_size);
1095         INIT_LIST_HEAD(&schunk->list);
1096         schunk->vm = &first_vm;
1097         schunk->map = smap;
1098         schunk->map_alloc = ARRAY_SIZE(smap);
1099         schunk->page = schunk->page_ar;
1100
1101         if (reserved_size) {
1102                 schunk->free_size = reserved_size;
1103                 pcpu_reserved_chunk = schunk;
1104                 pcpu_reserved_chunk_limit = static_size + reserved_size;
1105         } else {
1106                 schunk->free_size = dyn_size;
1107                 dyn_size = 0;                   /* dynamic area covered */
1108         }
1109         schunk->contig_hint = schunk->free_size;
1110
1111         schunk->map[schunk->map_used++] = -static_size;
1112         if (schunk->free_size)
1113                 schunk->map[schunk->map_used++] = schunk->free_size;
1114
1115         /* init dynamic chunk if necessary */
1116         if (dyn_size) {
1117                 dchunk = alloc_bootmem(sizeof(struct pcpu_chunk));
1118                 INIT_LIST_HEAD(&dchunk->list);
1119                 dchunk->vm = &first_vm;
1120                 dchunk->map = dmap;
1121                 dchunk->map_alloc = ARRAY_SIZE(dmap);
1122                 dchunk->page = schunk->page_ar; /* share page map with schunk */
1123
1124                 dchunk->contig_hint = dchunk->free_size = dyn_size;
1125                 dchunk->map[dchunk->map_used++] = -pcpu_reserved_chunk_limit;
1126                 dchunk->map[dchunk->map_used++] = dchunk->free_size;
1127         }
1128
1129         /* allocate vm address */
1130         first_vm.flags = VM_ALLOC;
1131         first_vm.size = pcpu_chunk_size;
1132
1133         if (!base_addr)
1134                 vm_area_register_early(&first_vm, PAGE_SIZE);
1135         else {
1136                 /*
1137                  * Pages already mapped.  No need to remap into
1138                  * vmalloc area.  In this case the first chunks can't
1139                  * be mapped or unmapped by percpu and are marked
1140                  * immutable.
1141                  */
1142                 first_vm.addr = base_addr;
1143                 schunk->immutable = true;
1144                 if (dchunk)
1145                         dchunk->immutable = true;
1146         }
1147
1148         /* assign pages */
1149         nr_pages = -1;
1150         for_each_possible_cpu(cpu) {
1151                 for (i = 0; i < pcpu_unit_pages; i++) {
1152                         struct page *page = get_page_fn(cpu, i);
1153
1154                         if (!page)
1155                                 break;
1156                         *pcpu_chunk_pagep(schunk, cpu, i) = page;
1157                 }
1158
1159                 BUG_ON(i < PFN_UP(static_size));
1160
1161                 if (nr_pages < 0)
1162                         nr_pages = i;
1163                 else
1164                         BUG_ON(nr_pages != i);
1165         }
1166
1167         /* map them */
1168         if (populate_pte_fn) {
1169                 for_each_possible_cpu(cpu)
1170                         for (i = 0; i < nr_pages; i++)
1171                                 populate_pte_fn(pcpu_chunk_addr(schunk,
1172                                                                 cpu, i));
1173
1174                 err = pcpu_map(schunk, 0, nr_pages);
1175                 if (err)
1176                         panic("failed to setup static percpu area, err=%d\n",
1177                               err);
1178         }
1179
1180         /* link the first chunk in */
1181         pcpu_first_chunk = dchunk ?: schunk;
1182         pcpu_chunk_relocate(pcpu_first_chunk, -1);
1183
1184         /* we're done */
1185         pcpu_base_addr = (void *)pcpu_chunk_addr(schunk, 0, 0);
1186         return pcpu_unit_size;
1187 }
1188
1189 /*
1190  * Embedding first chunk setup helper.
1191  */
1192 static void *pcpue_ptr __initdata;
1193 static size_t pcpue_size __initdata;
1194 static size_t pcpue_unit_size __initdata;
1195
1196 static struct page * __init pcpue_get_page(unsigned int cpu, int pageno)
1197 {
1198         size_t off = (size_t)pageno << PAGE_SHIFT;
1199
1200         if (off >= pcpue_size)
1201                 return NULL;
1202
1203         return virt_to_page(pcpue_ptr + cpu * pcpue_unit_size + off);
1204 }
1205
1206 /**
1207  * pcpu_embed_first_chunk - embed the first percpu chunk into bootmem
1208  * @static_size: the size of static percpu area in bytes
1209  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
1210  * @dyn_size: free size for dynamic allocation in bytes, -1 for auto
1211  * @unit_size: unit size in bytes, must be multiple of PAGE_SIZE, -1 for auto
1212  *
1213  * This is a helper to ease setting up embedded first percpu chunk and
1214  * can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
1215  *
1216  * If this function is used to setup the first chunk, it is allocated
1217  * as a contiguous area using bootmem allocator and used as-is without
1218  * being mapped into vmalloc area.  This enables the first chunk to
1219  * piggy back on the linear physical mapping which often uses larger
1220  * page size.
1221  *
1222  * When @dyn_size is positive, dynamic area might be larger than
1223  * specified to fill page alignment.  Also, when @dyn_size is auto,
1224  * @dyn_size does not fill the whole first chunk but only what's
1225  * necessary for page alignment after static and reserved areas.
1226  *
1227  * If the needed size is smaller than the minimum or specified unit
1228  * size, the leftover is returned to the bootmem allocator.
1229  *
1230  * RETURNS:
1231  * The determined pcpu_unit_size which can be used to initialize
1232  * percpu access on success, -errno on failure.
1233  */
1234 ssize_t __init pcpu_embed_first_chunk(size_t static_size, size_t reserved_size,
1235                                       ssize_t dyn_size, ssize_t unit_size)
1236 {
1237         unsigned int cpu;
1238
1239         /* determine parameters and allocate */
1240         pcpue_size = PFN_ALIGN(static_size + reserved_size +
1241                                (dyn_size >= 0 ? dyn_size : 0));
1242         if (dyn_size != 0)
1243                 dyn_size = pcpue_size - static_size - reserved_size;
1244
1245         if (unit_size >= 0) {
1246                 BUG_ON(unit_size < pcpue_size);
1247                 pcpue_unit_size = unit_size;
1248         } else
1249                 pcpue_unit_size = max_t(size_t, pcpue_size, PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
1250
1251         pcpue_ptr = __alloc_bootmem_nopanic(
1252                                         num_possible_cpus() * pcpue_unit_size,
1253                                         PAGE_SIZE, __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
1254         if (!pcpue_ptr)
1255                 return -ENOMEM;
1256
1257         /* return the leftover and copy */
1258         for_each_possible_cpu(cpu) {
1259                 void *ptr = pcpue_ptr + cpu * pcpue_unit_size;
1260
1261                 free_bootmem(__pa(ptr + pcpue_size),
1262                              pcpue_unit_size - pcpue_size);
1263                 memcpy(ptr, __per_cpu_load, static_size);
1264         }
1265
1266         /* we're ready, commit */
1267         pr_info("PERCPU: Embedded %zu pages at %p, static data %zu bytes\n",
1268                 pcpue_size >> PAGE_SHIFT, pcpue_ptr, static_size);
1269
1270         return pcpu_setup_first_chunk(pcpue_get_page, static_size,
1271                                       reserved_size, dyn_size,
1272                                       pcpue_unit_size, pcpue_ptr, NULL);
1273 }