mm: SLOB fix reclaim_state
[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_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 <trace/kmemtrace.h>
70 #include <asm/atomic.h>
71
72 /*
73  * slob_block has a field 'units', which indicates size of block if +ve,
74  * or offset of next block if -ve (in SLOB_UNITs).
75  *
76  * Free blocks of size 1 unit simply contain the offset of the next block.
77  * Those with larger size contain their size in the first SLOB_UNIT of
78  * memory, and the offset of the next free block in the second SLOB_UNIT.
79  */
80 #if PAGE_SIZE <= (32767 * 2)
81 typedef s16 slobidx_t;
82 #else
83 typedef s32 slobidx_t;
84 #endif
85
86 struct slob_block {
87         slobidx_t units;
88 };
89 typedef struct slob_block slob_t;
90
91 /*
92  * We use struct page fields to manage some slob allocation aspects,
93  * however to avoid the horrible mess in include/linux/mm_types.h, we'll
94  * just define our own struct page type variant here.
95  */
96 struct slob_page {
97         union {
98                 struct {
99                         unsigned long flags;    /* mandatory */
100                         atomic_t _count;        /* mandatory */
101                         slobidx_t units;        /* free units left in page */
102                         unsigned long pad[2];
103                         slob_t *free;           /* first free slob_t in page */
104                         struct list_head list;  /* linked list of free pages */
105                 };
106                 struct page page;
107         };
108 };
109 static inline void struct_slob_page_wrong_size(void)
110 { BUILD_BUG_ON(sizeof(struct slob_page) != sizeof(struct page)); }
111
112 /*
113  * free_slob_page: call before a slob_page is returned to the page allocator.
114  */
115 static inline void free_slob_page(struct slob_page *sp)
116 {
117         reset_page_mapcount(&sp->page);
118         sp->page.mapping = NULL;
119 }
120
121 /*
122  * All partially free slob pages go on these lists.
123  */
124 #define SLOB_BREAK1 256
125 #define SLOB_BREAK2 1024
126 static LIST_HEAD(free_slob_small);
127 static LIST_HEAD(free_slob_medium);
128 static LIST_HEAD(free_slob_large);
129
130 /*
131  * is_slob_page: True for all slob pages (false for bigblock pages)
132  */
133 static inline int is_slob_page(struct slob_page *sp)
134 {
135         return PageSlobPage((struct page *)sp);
136 }
137
138 static inline void set_slob_page(struct slob_page *sp)
139 {
140         __SetPageSlobPage((struct page *)sp);
141 }
142
143 static inline void clear_slob_page(struct slob_page *sp)
144 {
145         __ClearPageSlobPage((struct page *)sp);
146 }
147
148 static inline struct slob_page *slob_page(const void *addr)
149 {
150         return (struct slob_page *)virt_to_page(addr);
151 }
152
153 /*
154  * slob_page_free: true for pages on free_slob_pages list.
155  */
156 static inline int slob_page_free(struct slob_page *sp)
157 {
158         return PageSlobFree((struct page *)sp);
159 }
160
161 static void set_slob_page_free(struct slob_page *sp, struct list_head *list)
162 {
163         list_add(&sp->list, list);
164         __SetPageSlobFree((struct page *)sp);
165 }
166
167 static inline void clear_slob_page_free(struct slob_page *sp)
168 {
169         list_del(&sp->list);
170         __ClearPageSlobFree((struct page *)sp);
171 }
172
173 #define SLOB_UNIT sizeof(slob_t)
174 #define SLOB_UNITS(size) (((size) + SLOB_UNIT - 1)/SLOB_UNIT)
175 #define SLOB_ALIGN L1_CACHE_BYTES
176
177 /*
178  * struct slob_rcu is inserted at the tail of allocated slob blocks, which
179  * were created with a SLAB_DESTROY_BY_RCU slab. slob_rcu is used to free
180  * the block using call_rcu.
181  */
182 struct slob_rcu {
183         struct rcu_head head;
184         int size;
185 };
186
187 /*
188  * slob_lock protects all slob allocator structures.
189  */
190 static DEFINE_SPINLOCK(slob_lock);
191
192 /*
193  * Encode the given size and next info into a free slob block s.
194  */
195 static void set_slob(slob_t *s, slobidx_t size, slob_t *next)
196 {
197         slob_t *base = (slob_t *)((unsigned long)s & PAGE_MASK);
198         slobidx_t offset = next - base;
199
200         if (size > 1) {
201                 s[0].units = size;
202                 s[1].units = offset;
203         } else
204                 s[0].units = -offset;
205 }
206
207 /*
208  * Return the size of a slob block.
209  */
210 static slobidx_t slob_units(slob_t *s)
211 {
212         if (s->units > 0)
213                 return s->units;
214         return 1;
215 }
216
217 /*
218  * Return the next free slob block pointer after this one.
219  */
220 static slob_t *slob_next(slob_t *s)
221 {
222         slob_t *base = (slob_t *)((unsigned long)s & PAGE_MASK);
223         slobidx_t next;
224
225         if (s[0].units < 0)
226                 next = -s[0].units;
227         else
228                 next = s[1].units;
229         return base+next;
230 }
231
232 /*
233  * Returns true if s is the last free block in its page.
234  */
235 static int slob_last(slob_t *s)
236 {
237         return !((unsigned long)slob_next(s) & ~PAGE_MASK);
238 }
239
240 static void *slob_new_pages(gfp_t gfp, int order, int node)
241 {
242         void *page;
243
244 #ifdef CONFIG_NUMA
245         if (node != -1)
246                 page = alloc_pages_node(node, gfp, order);
247         else
248 #endif
249                 page = alloc_pages(gfp, order);
250
251         if (!page)
252                 return NULL;
253
254         return page_address(page);
255 }
256
257 static void slob_free_pages(void *b, int order)
258 {
259         if (current->reclaim_state)
260                 current->reclaim_state->reclaimed_slab += 1 << order;
261         free_pages((unsigned long)b, order);
262 }
263
264 /*
265  * Allocate a slob block within a given slob_page sp.
266  */
267 static void *slob_page_alloc(struct slob_page *sp, size_t size, int align)
268 {
269         slob_t *prev, *cur, *aligned = NULL;
270         int delta = 0, units = SLOB_UNITS(size);
271
272         for (prev = NULL, cur = sp->free; ; prev = cur, cur = slob_next(cur)) {
273                 slobidx_t avail = slob_units(cur);
274
275                 if (align) {
276                         aligned = (slob_t *)ALIGN((unsigned long)cur, align);
277                         delta = aligned - cur;
278                 }
279                 if (avail >= units + delta) { /* room enough? */
280                         slob_t *next;
281
282                         if (delta) { /* need to fragment head to align? */
283                                 next = slob_next(cur);
284                                 set_slob(aligned, avail - delta, next);
285                                 set_slob(cur, delta, aligned);
286                                 prev = cur;
287                                 cur = aligned;
288                                 avail = slob_units(cur);
289                         }
290
291                         next = slob_next(cur);
292                         if (avail == units) { /* exact fit? unlink. */
293                                 if (prev)
294                                         set_slob(prev, slob_units(prev), next);
295                                 else
296                                         sp->free = next;
297                         } else { /* fragment */
298                                 if (prev)
299                                         set_slob(prev, slob_units(prev), cur + units);
300                                 else
301                                         sp->free = cur + units;
302                                 set_slob(cur + units, avail - units, next);
303                         }
304
305                         sp->units -= units;
306                         if (!sp->units)
307                                 clear_slob_page_free(sp);
308                         return cur;
309                 }
310                 if (slob_last(cur))
311                         return NULL;
312         }
313 }
314
315 /*
316  * slob_alloc: entry point into the slob allocator.
317  */
318 static void *slob_alloc(size_t size, gfp_t gfp, int align, int node)
319 {
320         struct slob_page *sp;
321         struct list_head *prev;
322         struct list_head *slob_list;
323         slob_t *b = NULL;
324         unsigned long flags;
325
326         if (size < SLOB_BREAK1)
327                 slob_list = &free_slob_small;
328         else if (size < SLOB_BREAK2)
329                 slob_list = &free_slob_medium;
330         else
331                 slob_list = &free_slob_large;
332
333         spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
334         /* Iterate through each partially free page, try to find room */
335         list_for_each_entry(sp, slob_list, list) {
336 #ifdef CONFIG_NUMA
337                 /*
338                  * If there's a node specification, search for a partial
339                  * page with a matching node id in the freelist.
340                  */
341                 if (node != -1 && page_to_nid(&sp->page) != node)
342                         continue;
343 #endif
344                 /* Enough room on this page? */
345                 if (sp->units < SLOB_UNITS(size))
346                         continue;
347
348                 /* Attempt to alloc */
349                 prev = sp->list.prev;
350                 b = slob_page_alloc(sp, size, align);
351                 if (!b)
352                         continue;
353
354                 /* Improve fragment distribution and reduce our average
355                  * search time by starting our next search here. (see
356                  * Knuth vol 1, sec 2.5, pg 449) */
357                 if (prev != slob_list->prev &&
358                                 slob_list->next != prev->next)
359                         list_move_tail(slob_list, prev->next);
360                 break;
361         }
362         spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
363
364         /* Not enough space: must allocate a new page */
365         if (!b) {
366                 b = slob_new_pages(gfp & ~__GFP_ZERO, 0, node);
367                 if (!b)
368                         return NULL;
369                 sp = slob_page(b);
370                 set_slob_page(sp);
371
372                 spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
373                 sp->units = SLOB_UNITS(PAGE_SIZE);
374                 sp->free = b;
375                 INIT_LIST_HEAD(&sp->list);
376                 set_slob(b, SLOB_UNITS(PAGE_SIZE), b + SLOB_UNITS(PAGE_SIZE));
377                 set_slob_page_free(sp, slob_list);
378                 b = slob_page_alloc(sp, size, align);
379                 BUG_ON(!b);
380                 spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
381         }
382         if (unlikely((gfp & __GFP_ZERO) && b))
383                 memset(b, 0, size);
384         return b;
385 }
386
387 /*
388  * slob_free: entry point into the slob allocator.
389  */
390 static void slob_free(void *block, int size)
391 {
392         struct slob_page *sp;
393         slob_t *prev, *next, *b = (slob_t *)block;
394         slobidx_t units;
395         unsigned long flags;
396
397         if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(block)))
398                 return;
399         BUG_ON(!size);
400
401         sp = slob_page(block);
402         units = SLOB_UNITS(size);
403
404         spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
405
406         if (sp->units + units == SLOB_UNITS(PAGE_SIZE)) {
407                 /* Go directly to page allocator. Do not pass slob allocator */
408                 if (slob_page_free(sp))
409                         clear_slob_page_free(sp);
410                 spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
411                 clear_slob_page(sp);
412                 free_slob_page(sp);
413                 slob_free_pages(b, 0);
414                 return;
415         }
416
417         if (!slob_page_free(sp)) {
418                 /* This slob page is about to become partially free. Easy! */
419                 sp->units = units;
420                 sp->free = b;
421                 set_slob(b, units,
422                         (void *)((unsigned long)(b +
423                                         SLOB_UNITS(PAGE_SIZE)) & PAGE_MASK));
424                 set_slob_page_free(sp, &free_slob_small);
425                 goto out;
426         }
427
428         /*
429          * Otherwise the page is already partially free, so find reinsertion
430          * point.
431          */
432         sp->units += units;
433
434         if (b < sp->free) {
435                 if (b + units == sp->free) {
436                         units += slob_units(sp->free);
437                         sp->free = slob_next(sp->free);
438                 }
439                 set_slob(b, units, sp->free);
440                 sp->free = b;
441         } else {
442                 prev = sp->free;
443                 next = slob_next(prev);
444                 while (b > next) {
445                         prev = next;
446                         next = slob_next(prev);
447                 }
448
449                 if (!slob_last(prev) && b + units == next) {
450                         units += slob_units(next);
451                         set_slob(b, units, slob_next(next));
452                 } else
453                         set_slob(b, units, next);
454
455                 if (prev + slob_units(prev) == b) {
456                         units = slob_units(b) + slob_units(prev);
457                         set_slob(prev, units, slob_next(b));
458                 } else
459                         set_slob(prev, slob_units(prev), b);
460         }
461 out:
462         spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
463 }
464
465 /*
466  * End of slob allocator proper. Begin kmem_cache_alloc and kmalloc frontend.
467  */
468
469 #ifndef ARCH_KMALLOC_MINALIGN
470 #define ARCH_KMALLOC_MINALIGN __alignof__(unsigned long)
471 #endif
472
473 #ifndef ARCH_SLAB_MINALIGN
474 #define ARCH_SLAB_MINALIGN __alignof__(unsigned long)
475 #endif
476
477 void *__kmalloc_node(size_t size, gfp_t gfp, int node)
478 {
479         unsigned int *m;
480         int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
481         void *ret;
482
483         lockdep_trace_alloc(gfp);
484
485         if (size < PAGE_SIZE - align) {
486                 if (!size)
487                         return ZERO_SIZE_PTR;
488
489                 m = slob_alloc(size + align, gfp, align, node);
490
491                 if (!m)
492                         return NULL;
493                 *m = size;
494                 ret = (void *)m + align;
495
496                 trace_kmalloc_node(_RET_IP_, ret,
497                                    size, size + align, gfp, node);
498         } else {
499                 unsigned int order = get_order(size);
500
501                 ret = slob_new_pages(gfp | __GFP_COMP, get_order(size), node);
502                 if (ret) {
503                         struct page *page;
504                         page = virt_to_page(ret);
505                         page->private = size;
506                 }
507
508                 trace_kmalloc_node(_RET_IP_, ret,
509                                    size, PAGE_SIZE << order, gfp, node);
510         }
511
512         return ret;
513 }
514 EXPORT_SYMBOL(__kmalloc_node);
515
516 void kfree(const void *block)
517 {
518         struct slob_page *sp;
519
520         trace_kfree(_RET_IP_, block);
521
522         if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(block)))
523                 return;
524
525         sp = slob_page(block);
526         if (is_slob_page(sp)) {
527                 int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
528                 unsigned int *m = (unsigned int *)(block - align);
529                 slob_free(m, *m + align);
530         } else
531                 put_page(&sp->page);
532 }
533 EXPORT_SYMBOL(kfree);
534
535 /* can't use ksize for kmem_cache_alloc memory, only kmalloc */
536 size_t ksize(const void *block)
537 {
538         struct slob_page *sp;
539
540         BUG_ON(!block);
541         if (unlikely(block == ZERO_SIZE_PTR))
542                 return 0;
543
544         sp = slob_page(block);
545         if (is_slob_page(sp)) {
546                 int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
547                 unsigned int *m = (unsigned int *)(block - align);
548                 return SLOB_UNITS(*m) * SLOB_UNIT;
549         } else
550                 return sp->page.private;
551 }
552 EXPORT_SYMBOL(ksize);
553
554 struct kmem_cache {
555         unsigned int size, align;
556         unsigned long flags;
557         const char *name;
558         void (*ctor)(void *);
559 };
560
561 struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size,
562         size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *))
563 {
564         struct kmem_cache *c;
565
566         c = slob_alloc(sizeof(struct kmem_cache),
567                 GFP_KERNEL, ARCH_KMALLOC_MINALIGN, -1);
568
569         if (c) {
570                 c->name = name;
571                 c->size = size;
572                 if (flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU) {
573                         /* leave room for rcu footer at the end of object */
574                         c->size += sizeof(struct slob_rcu);
575                 }
576                 c->flags = flags;
577                 c->ctor = ctor;
578                 /* ignore alignment unless it's forced */
579                 c->align = (flags & SLAB_HWCACHE_ALIGN) ? SLOB_ALIGN : 0;
580                 if (c->align < ARCH_SLAB_MINALIGN)
581                         c->align = ARCH_SLAB_MINALIGN;
582                 if (c->align < align)
583                         c->align = align;
584         } else if (flags & SLAB_PANIC)
585                 panic("Cannot create slab cache %s\n", name);
586
587         return c;
588 }
589 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_create);
590
591 void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *c)
592 {
593         slob_free(c, sizeof(struct kmem_cache));
594 }
595 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_destroy);
596
597 void *kmem_cache_alloc_node(struct kmem_cache *c, gfp_t flags, int node)
598 {
599         void *b;
600
601         if (c->size < PAGE_SIZE) {
602                 b = slob_alloc(c->size, flags, c->align, node);
603                 trace_kmem_cache_alloc_node(_RET_IP_, b, c->size,
604                                             SLOB_UNITS(c->size) * SLOB_UNIT,
605                                             flags, node);
606         } else {
607                 b = slob_new_pages(flags, get_order(c->size), node);
608                 trace_kmem_cache_alloc_node(_RET_IP_, b, c->size,
609                                             PAGE_SIZE << get_order(c->size),
610                                             flags, node);
611         }
612
613         if (c->ctor)
614                 c->ctor(b);
615
616         return b;
617 }
618 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_alloc_node);
619
620 static void __kmem_cache_free(void *b, int size)
621 {
622         if (size < PAGE_SIZE)
623                 slob_free(b, size);
624         else
625                 slob_free_pages(b, get_order(size));
626 }
627
628 static void kmem_rcu_free(struct rcu_head *head)
629 {
630         struct slob_rcu *slob_rcu = (struct slob_rcu *)head;
631         void *b = (void *)slob_rcu - (slob_rcu->size - sizeof(struct slob_rcu));
632
633         __kmem_cache_free(b, slob_rcu->size);
634 }
635
636 void kmem_cache_free(struct kmem_cache *c, void *b)
637 {
638         if (unlikely(c->flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU)) {
639                 struct slob_rcu *slob_rcu;
640                 slob_rcu = b + (c->size - sizeof(struct slob_rcu));
641                 INIT_RCU_HEAD(&slob_rcu->head);
642                 slob_rcu->size = c->size;
643                 call_rcu(&slob_rcu->head, kmem_rcu_free);
644         } else {
645                 __kmem_cache_free(b, c->size);
646         }
647
648         trace_kmem_cache_free(_RET_IP_, b);
649 }
650 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_free);
651
652 unsigned int kmem_cache_size(struct kmem_cache *c)
653 {
654         return c->size;
655 }
656 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_size);
657
658 const char *kmem_cache_name(struct kmem_cache *c)
659 {
660         return c->name;
661 }
662 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_name);
663
664 int kmem_cache_shrink(struct kmem_cache *d)
665 {
666         return 0;
667 }
668 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_shrink);
669
670 int kmem_ptr_validate(struct kmem_cache *a, const void *b)
671 {
672         return 0;
673 }
674
675 static unsigned int slob_ready __read_mostly;
676
677 int slab_is_available(void)
678 {
679         return slob_ready;
680 }
681
682 void __init kmem_cache_init(void)
683 {
684         slob_ready = 1;
685 }