tmpfs: no need to use i_lock
[linux-2.6.git] / mm / slob.c
1 /*
2  * SLOB Allocator: Simple List Of Blocks
3  *
4  * Matt Mackall <mpm@selenic.com> 12/30/03
5  *
6  * NUMA support by Paul Mundt, 2007.
7  *
8  * How SLOB works:
9  *
10  * The core of SLOB is a traditional K&R style heap allocator, with
11  * support for returning aligned objects. The granularity of this
12  * allocator is as little as 2 bytes, however typically most architectures
13  * will require 4 bytes on 32-bit and 8 bytes on 64-bit.
14  *
15  * The slob heap is a set of linked list of pages from alloc_pages(),
16  * and within each page, there is a singly-linked list of free blocks
17  * (slob_t). The heap is grown on demand. To reduce fragmentation,
18  * heap pages are segregated into three lists, with objects less than
19  * 256 bytes, objects less than 1024 bytes, and all other objects.
20  *
21  * Allocation from heap involves first searching for a page with
22  * sufficient free blocks (using a next-fit-like approach) followed by
23  * a first-fit scan of the page. Deallocation inserts objects back
24  * into the free list in address order, so this is effectively an
25  * address-ordered first fit.
26  *
27  * Above this is an implementation of kmalloc/kfree. Blocks returned
28  * from kmalloc are prepended with a 4-byte header with the kmalloc size.
29  * If kmalloc is asked for objects of PAGE_SIZE or larger, it calls
30  * alloc_pages() directly, allocating compound pages so the page order
31  * does not have to be separately tracked, and also stores the exact
32  * allocation size in page->private so that it can be used to accurately
33  * provide ksize(). These objects are detected in kfree() because slob_page()
34  * is false for them.
35  *
36  * SLAB is emulated on top of SLOB by simply calling constructors and
37  * destructors for every SLAB allocation. Objects are returned with the
38  * 4-byte alignment unless the SLAB_HWCACHE_ALIGN flag is set, in which
39  * case the low-level allocator will fragment blocks to create the proper
40  * alignment. Again, objects of page-size or greater are allocated by
41  * calling alloc_pages(). As SLAB objects know their size, no separate
42  * size bookkeeping is necessary and there is essentially no allocation
43  * space overhead, and compound pages aren't needed for multi-page
44  * allocations.
45  *
46  * NUMA support in SLOB is fairly simplistic, pushing most of the real
47  * logic down to the page allocator, and simply doing the node accounting
48  * on the upper levels. In the event that a node id is explicitly
49  * provided, alloc_pages_exact_node() with the specified node id is used
50  * instead. The common case (or when the node id isn't explicitly provided)
51  * will default to the current node, as per numa_node_id().
52  *
53  * Node aware pages are still inserted in to the global freelist, and
54  * these are scanned for by matching against the node id encoded in the
55  * page flags. As a result, block allocations that can be satisfied from
56  * the freelist will only be done so on pages residing on the same node,
57  * in order to prevent random node placement.
58  */
59
60 #include <linux/kernel.h>
61 #include <linux/slab.h>
62 #include <linux/mm.h>
63 #include <linux/swap.h> /* struct reclaim_state */
64 #include <linux/cache.h>
65 #include <linux/init.h>
66 #include <linux/module.h>
67 #include <linux/rcupdate.h>
68 #include <linux/list.h>
69 #include <linux/kmemleak.h>
70
71 #include <trace/events/kmem.h>
72
73 #include <asm/atomic.h>
74
75 /*
76  * slob_block has a field 'units', which indicates size of block if +ve,
77  * or offset of next block if -ve (in SLOB_UNITs).
78  *
79  * Free blocks of size 1 unit simply contain the offset of the next block.
80  * Those with larger size contain their size in the first SLOB_UNIT of
81  * memory, and the offset of the next free block in the second SLOB_UNIT.
82  */
83 #if PAGE_SIZE <= (32767 * 2)
84 typedef s16 slobidx_t;
85 #else
86 typedef s32 slobidx_t;
87 #endif
88
89 struct slob_block {
90         slobidx_t units;
91 };
92 typedef struct slob_block slob_t;
93
94 /*
95  * We use struct page fields to manage some slob allocation aspects,
96  * however to avoid the horrible mess in include/linux/mm_types.h, we'll
97  * just define our own struct page type variant here.
98  */
99 struct slob_page {
100         union {
101                 struct {
102                         unsigned long flags;    /* mandatory */
103                         atomic_t _count;        /* mandatory */
104                         slobidx_t units;        /* free units left in page */
105                         unsigned long pad[2];
106                         slob_t *free;           /* first free slob_t in page */
107                         struct list_head list;  /* linked list of free pages */
108                 };
109                 struct page page;
110         };
111 };
112 static inline void struct_slob_page_wrong_size(void)
113 { BUILD_BUG_ON(sizeof(struct slob_page) != sizeof(struct page)); }
114
115 /*
116  * free_slob_page: call before a slob_page is returned to the page allocator.
117  */
118 static inline void free_slob_page(struct slob_page *sp)
119 {
120         reset_page_mapcount(&sp->page);
121         sp->page.mapping = NULL;
122 }
123
124 /*
125  * All partially free slob pages go on these lists.
126  */
127 #define SLOB_BREAK1 256
128 #define SLOB_BREAK2 1024
129 static LIST_HEAD(free_slob_small);
130 static LIST_HEAD(free_slob_medium);
131 static LIST_HEAD(free_slob_large);
132
133 /*
134  * is_slob_page: True for all slob pages (false for bigblock pages)
135  */
136 static inline int is_slob_page(struct slob_page *sp)
137 {
138         return PageSlab((struct page *)sp);
139 }
140
141 static inline void set_slob_page(struct slob_page *sp)
142 {
143         __SetPageSlab((struct page *)sp);
144 }
145
146 static inline void clear_slob_page(struct slob_page *sp)
147 {
148         __ClearPageSlab((struct page *)sp);
149 }
150
151 static inline struct slob_page *slob_page(const void *addr)
152 {
153         return (struct slob_page *)virt_to_page(addr);
154 }
155
156 /*
157  * slob_page_free: true for pages on free_slob_pages list.
158  */
159 static inline int slob_page_free(struct slob_page *sp)
160 {
161         return PageSlobFree((struct page *)sp);
162 }
163
164 static void set_slob_page_free(struct slob_page *sp, struct list_head *list)
165 {
166         list_add(&sp->list, list);
167         __SetPageSlobFree((struct page *)sp);
168 }
169
170 static inline void clear_slob_page_free(struct slob_page *sp)
171 {
172         list_del(&sp->list);
173         __ClearPageSlobFree((struct page *)sp);
174 }
175
176 #define SLOB_UNIT sizeof(slob_t)
177 #define SLOB_UNITS(size) (((size) + SLOB_UNIT - 1)/SLOB_UNIT)
178 #define SLOB_ALIGN L1_CACHE_BYTES
179
180 /*
181  * struct slob_rcu is inserted at the tail of allocated slob blocks, which
182  * were created with a SLAB_DESTROY_BY_RCU slab. slob_rcu is used to free
183  * the block using call_rcu.
184  */
185 struct slob_rcu {
186         struct rcu_head head;
187         int size;
188 };
189
190 /*
191  * slob_lock protects all slob allocator structures.
192  */
193 static DEFINE_SPINLOCK(slob_lock);
194
195 /*
196  * Encode the given size and next info into a free slob block s.
197  */
198 static void set_slob(slob_t *s, slobidx_t size, slob_t *next)
199 {
200         slob_t *base = (slob_t *)((unsigned long)s & PAGE_MASK);
201         slobidx_t offset = next - base;
202
203         if (size > 1) {
204                 s[0].units = size;
205                 s[1].units = offset;
206         } else
207                 s[0].units = -offset;
208 }
209
210 /*
211  * Return the size of a slob block.
212  */
213 static slobidx_t slob_units(slob_t *s)
214 {
215         if (s->units > 0)
216                 return s->units;
217         return 1;
218 }
219
220 /*
221  * Return the next free slob block pointer after this one.
222  */
223 static slob_t *slob_next(slob_t *s)
224 {
225         slob_t *base = (slob_t *)((unsigned long)s & PAGE_MASK);
226         slobidx_t next;
227
228         if (s[0].units < 0)
229                 next = -s[0].units;
230         else
231                 next = s[1].units;
232         return base+next;
233 }
234
235 /*
236  * Returns true if s is the last free block in its page.
237  */
238 static int slob_last(slob_t *s)
239 {
240         return !((unsigned long)slob_next(s) & ~PAGE_MASK);
241 }
242
243 static void *slob_new_pages(gfp_t gfp, int order, int node)
244 {
245         void *page;
246
247 #ifdef CONFIG_NUMA
248         if (node != -1)
249                 page = alloc_pages_exact_node(node, gfp, order);
250         else
251 #endif
252                 page = alloc_pages(gfp, order);
253
254         if (!page)
255                 return NULL;
256
257         return page_address(page);
258 }
259
260 static void slob_free_pages(void *b, int order)
261 {
262         if (current->reclaim_state)
263                 current->reclaim_state->reclaimed_slab += 1 << order;
264         free_pages((unsigned long)b, order);
265 }
266
267 /*
268  * Allocate a slob block within a given slob_page sp.
269  */
270 static void *slob_page_alloc(struct slob_page *sp, size_t size, int align)
271 {
272         slob_t *prev, *cur, *aligned = NULL;
273         int delta = 0, units = SLOB_UNITS(size);
274
275         for (prev = NULL, cur = sp->free; ; prev = cur, cur = slob_next(cur)) {
276                 slobidx_t avail = slob_units(cur);
277
278                 if (align) {
279                         aligned = (slob_t *)ALIGN((unsigned long)cur, align);
280                         delta = aligned - cur;
281                 }
282                 if (avail >= units + delta) { /* room enough? */
283                         slob_t *next;
284
285                         if (delta) { /* need to fragment head to align? */
286                                 next = slob_next(cur);
287                                 set_slob(aligned, avail - delta, next);
288                                 set_slob(cur, delta, aligned);
289                                 prev = cur;
290                                 cur = aligned;
291                                 avail = slob_units(cur);
292                         }
293
294                         next = slob_next(cur);
295                         if (avail == units) { /* exact fit? unlink. */
296                                 if (prev)
297                                         set_slob(prev, slob_units(prev), next);
298                                 else
299                                         sp->free = next;
300                         } else { /* fragment */
301                                 if (prev)
302                                         set_slob(prev, slob_units(prev), cur + units);
303                                 else
304                                         sp->free = cur + units;
305                                 set_slob(cur + units, avail - units, next);
306                         }
307
308                         sp->units -= units;
309                         if (!sp->units)
310                                 clear_slob_page_free(sp);
311                         return cur;
312                 }
313                 if (slob_last(cur))
314                         return NULL;
315         }
316 }
317
318 /*
319  * slob_alloc: entry point into the slob allocator.
320  */
321 static void *slob_alloc(size_t size, gfp_t gfp, int align, int node)
322 {
323         struct slob_page *sp;
324         struct list_head *prev;
325         struct list_head *slob_list;
326         slob_t *b = NULL;
327         unsigned long flags;
328
329         if (size < SLOB_BREAK1)
330                 slob_list = &free_slob_small;
331         else if (size < SLOB_BREAK2)
332                 slob_list = &free_slob_medium;
333         else
334                 slob_list = &free_slob_large;
335
336         spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
337         /* Iterate through each partially free page, try to find room */
338         list_for_each_entry(sp, slob_list, list) {
339 #ifdef CONFIG_NUMA
340                 /*
341                  * If there's a node specification, search for a partial
342                  * page with a matching node id in the freelist.
343                  */
344                 if (node != -1 && page_to_nid(&sp->page) != node)
345                         continue;
346 #endif
347                 /* Enough room on this page? */
348                 if (sp->units < SLOB_UNITS(size))
349                         continue;
350
351                 /* Attempt to alloc */
352                 prev = sp->list.prev;
353                 b = slob_page_alloc(sp, size, align);
354                 if (!b)
355                         continue;
356
357                 /* Improve fragment distribution and reduce our average
358                  * search time by starting our next search here. (see
359                  * Knuth vol 1, sec 2.5, pg 449) */
360                 if (prev != slob_list->prev &&
361                                 slob_list->next != prev->next)
362                         list_move_tail(slob_list, prev->next);
363                 break;
364         }
365         spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
366
367         /* Not enough space: must allocate a new page */
368         if (!b) {
369                 b = slob_new_pages(gfp & ~__GFP_ZERO, 0, node);
370                 if (!b)
371                         return NULL;
372                 sp = slob_page(b);
373                 set_slob_page(sp);
374
375                 spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
376                 sp->units = SLOB_UNITS(PAGE_SIZE);
377                 sp->free = b;
378                 INIT_LIST_HEAD(&sp->list);
379                 set_slob(b, SLOB_UNITS(PAGE_SIZE), b + SLOB_UNITS(PAGE_SIZE));
380                 set_slob_page_free(sp, slob_list);
381                 b = slob_page_alloc(sp, size, align);
382                 BUG_ON(!b);
383                 spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
384         }
385         if (unlikely((gfp & __GFP_ZERO) && b))
386                 memset(b, 0, size);
387         return b;
388 }
389
390 /*
391  * slob_free: entry point into the slob allocator.
392  */
393 static void slob_free(void *block, int size)
394 {
395         struct slob_page *sp;
396         slob_t *prev, *next, *b = (slob_t *)block;
397         slobidx_t units;
398         unsigned long flags;
399         struct list_head *slob_list;
400
401         if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(block)))
402                 return;
403         BUG_ON(!size);
404
405         sp = slob_page(block);
406         units = SLOB_UNITS(size);
407
408         spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
409
410         if (sp->units + units == SLOB_UNITS(PAGE_SIZE)) {
411                 /* Go directly to page allocator. Do not pass slob allocator */
412                 if (slob_page_free(sp))
413                         clear_slob_page_free(sp);
414                 spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
415                 clear_slob_page(sp);
416                 free_slob_page(sp);
417                 slob_free_pages(b, 0);
418                 return;
419         }
420
421         if (!slob_page_free(sp)) {
422                 /* This slob page is about to become partially free. Easy! */
423                 sp->units = units;
424                 sp->free = b;
425                 set_slob(b, units,
426                         (void *)((unsigned long)(b +
427                                         SLOB_UNITS(PAGE_SIZE)) & PAGE_MASK));
428                 if (size < SLOB_BREAK1)
429                         slob_list = &free_slob_small;
430                 else if (size < SLOB_BREAK2)
431                         slob_list = &free_slob_medium;
432                 else
433                         slob_list = &free_slob_large;
434                 set_slob_page_free(sp, slob_list);
435                 goto out;
436         }
437
438         /*
439          * Otherwise the page is already partially free, so find reinsertion
440          * point.
441          */
442         sp->units += units;
443
444         if (b < sp->free) {
445                 if (b + units == sp->free) {
446                         units += slob_units(sp->free);
447                         sp->free = slob_next(sp->free);
448                 }
449                 set_slob(b, units, sp->free);
450                 sp->free = b;
451         } else {
452                 prev = sp->free;
453                 next = slob_next(prev);
454                 while (b > next) {
455                         prev = next;
456                         next = slob_next(prev);
457                 }
458
459                 if (!slob_last(prev) && b + units == next) {
460                         units += slob_units(next);
461                         set_slob(b, units, slob_next(next));
462                 } else
463                         set_slob(b, units, next);
464
465                 if (prev + slob_units(prev) == b) {
466                         units = slob_units(b) + slob_units(prev);
467                         set_slob(prev, units, slob_next(b));
468                 } else
469                         set_slob(prev, slob_units(prev), b);
470         }
471 out:
472         spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
473 }
474
475 /*
476  * End of slob allocator proper. Begin kmem_cache_alloc and kmalloc frontend.
477  */
478
479 void *__kmalloc_node(size_t size, gfp_t gfp, int node)
480 {
481         unsigned int *m;
482         int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
483         void *ret;
484
485         gfp &= gfp_allowed_mask;
486
487         lockdep_trace_alloc(gfp);
488
489         if (size < PAGE_SIZE - align) {
490                 if (!size)
491                         return ZERO_SIZE_PTR;
492
493                 m = slob_alloc(size + align, gfp, align, node);
494
495                 if (!m)
496                         return NULL;
497                 *m = size;
498                 ret = (void *)m + align;
499
500                 trace_kmalloc_node(_RET_IP_, ret,
501                                    size, size + align, gfp, node);
502         } else {
503                 unsigned int order = get_order(size);
504
505                 if (likely(order))
506                         gfp |= __GFP_COMP;
507                 ret = slob_new_pages(gfp, order, node);
508                 if (ret) {
509                         struct page *page;
510                         page = virt_to_page(ret);
511                         page->private = size;
512                 }
513
514                 trace_kmalloc_node(_RET_IP_, ret,
515                                    size, PAGE_SIZE << order, gfp, node);
516         }
517
518         kmemleak_alloc(ret, size, 1, gfp);
519         return ret;
520 }
521 EXPORT_SYMBOL(__kmalloc_node);
522
523 void kfree(const void *block)
524 {
525         struct slob_page *sp;
526
527         trace_kfree(_RET_IP_, block);
528
529         if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(block)))
530                 return;
531         kmemleak_free(block);
532
533         sp = slob_page(block);
534         if (is_slob_page(sp)) {
535                 int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
536                 unsigned int *m = (unsigned int *)(block - align);
537                 slob_free(m, *m + align);
538         } else
539                 put_page(&sp->page);
540 }
541 EXPORT_SYMBOL(kfree);
542
543 /* can't use ksize for kmem_cache_alloc memory, only kmalloc */
544 size_t ksize(const void *block)
545 {
546         struct slob_page *sp;
547
548         BUG_ON(!block);
549         if (unlikely(block == ZERO_SIZE_PTR))
550                 return 0;
551
552         sp = slob_page(block);
553         if (is_slob_page(sp)) {
554                 int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
555                 unsigned int *m = (unsigned int *)(block - align);
556                 return SLOB_UNITS(*m) * SLOB_UNIT;
557         } else
558                 return sp->page.private;
559 }
560 EXPORT_SYMBOL(ksize);
561
562 struct kmem_cache {
563         unsigned int size, align;
564         unsigned long flags;
565         const char *name;
566         void (*ctor)(void *);
567 };
568
569 struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size,
570         size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *))
571 {
572         struct kmem_cache *c;
573
574         c = slob_alloc(sizeof(struct kmem_cache),
575                 GFP_KERNEL, ARCH_KMALLOC_MINALIGN, -1);
576
577         if (c) {
578                 c->name = name;
579                 c->size = size;
580                 if (flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU) {
581                         /* leave room for rcu footer at the end of object */
582                         c->size += sizeof(struct slob_rcu);
583                 }
584                 c->flags = flags;
585                 c->ctor = ctor;
586                 /* ignore alignment unless it's forced */
587                 c->align = (flags & SLAB_HWCACHE_ALIGN) ? SLOB_ALIGN : 0;
588                 if (c->align < ARCH_SLAB_MINALIGN)
589                         c->align = ARCH_SLAB_MINALIGN;
590                 if (c->align < align)
591                         c->align = align;
592         } else if (flags & SLAB_PANIC)
593                 panic("Cannot create slab cache %s\n", name);
594
595         kmemleak_alloc(c, sizeof(struct kmem_cache), 1, GFP_KERNEL);
596         return c;
597 }
598 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_create);
599
600 void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *c)
601 {
602         kmemleak_free(c);
603         if (c->flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU)
604                 rcu_barrier();
605         slob_free(c, sizeof(struct kmem_cache));
606 }
607 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_destroy);
608
609 void *kmem_cache_alloc_node(struct kmem_cache *c, gfp_t flags, int node)
610 {
611         void *b;
612
613         flags &= gfp_allowed_mask;
614
615         lockdep_trace_alloc(flags);
616
617         if (c->size < PAGE_SIZE) {
618                 b = slob_alloc(c->size, flags, c->align, node);
619                 trace_kmem_cache_alloc_node(_RET_IP_, b, c->size,
620                                             SLOB_UNITS(c->size) * SLOB_UNIT,
621                                             flags, node);
622         } else {
623                 b = slob_new_pages(flags, get_order(c->size), node);
624                 trace_kmem_cache_alloc_node(_RET_IP_, b, c->size,
625                                             PAGE_SIZE << get_order(c->size),
626                                             flags, node);
627         }
628
629         if (c->ctor)
630                 c->ctor(b);
631
632         kmemleak_alloc_recursive(b, c->size, 1, c->flags, flags);
633         return b;
634 }
635 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_alloc_node);
636
637 static void __kmem_cache_free(void *b, int size)
638 {
639         if (size < PAGE_SIZE)
640                 slob_free(b, size);
641         else
642                 slob_free_pages(b, get_order(size));
643 }
644
645 static void kmem_rcu_free(struct rcu_head *head)
646 {
647         struct slob_rcu *slob_rcu = (struct slob_rcu *)head;
648         void *b = (void *)slob_rcu - (slob_rcu->size - sizeof(struct slob_rcu));
649
650         __kmem_cache_free(b, slob_rcu->size);
651 }
652
653 void kmem_cache_free(struct kmem_cache *c, void *b)
654 {
655         kmemleak_free_recursive(b, c->flags);
656         if (unlikely(c->flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU)) {
657                 struct slob_rcu *slob_rcu;
658                 slob_rcu = b + (c->size - sizeof(struct slob_rcu));
659                 slob_rcu->size = c->size;
660                 call_rcu(&slob_rcu->head, kmem_rcu_free);
661         } else {
662                 __kmem_cache_free(b, c->size);
663         }
664
665         trace_kmem_cache_free(_RET_IP_, b);
666 }
667 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_free);
668
669 unsigned int kmem_cache_size(struct kmem_cache *c)
670 {
671         return c->size;
672 }
673 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_size);
674
675 int kmem_cache_shrink(struct kmem_cache *d)
676 {
677         return 0;
678 }
679 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_shrink);
680
681 static unsigned int slob_ready __read_mostly;
682
683 int slab_is_available(void)
684 {
685         return slob_ready;
686 }
687
688 void __init kmem_cache_init(void)
689 {
690         slob_ready = 1;
691 }
692
693 void __init kmem_cache_init_late(void)
694 {
695         /* Nothing to do */
696 }