SLOB: Free objects to their own list
[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/kmemtrace.h>
70 #include <linux/kmemleak.h>
71 #include <asm/atomic.h>
72
73 /*
74  * slob_block has a field 'units', which indicates size of block if +ve,
75  * or offset of next block if -ve (in SLOB_UNITs).
76  *
77  * Free blocks of size 1 unit simply contain the offset of the next block.
78  * Those with larger size contain their size in the first SLOB_UNIT of
79  * memory, and the offset of the next free block in the second SLOB_UNIT.
80  */
81 #if PAGE_SIZE <= (32767 * 2)
82 typedef s16 slobidx_t;
83 #else
84 typedef s32 slobidx_t;
85 #endif
86
87 struct slob_block {
88         slobidx_t units;
89 };
90 typedef struct slob_block slob_t;
91
92 /*
93  * We use struct page fields to manage some slob allocation aspects,
94  * however to avoid the horrible mess in include/linux/mm_types.h, we'll
95  * just define our own struct page type variant here.
96  */
97 struct slob_page {
98         union {
99                 struct {
100                         unsigned long flags;    /* mandatory */
101                         atomic_t _count;        /* mandatory */
102                         slobidx_t units;        /* free units left in page */
103                         unsigned long pad[2];
104                         slob_t *free;           /* first free slob_t in page */
105                         struct list_head list;  /* linked list of free pages */
106                 };
107                 struct page page;
108         };
109 };
110 static inline void struct_slob_page_wrong_size(void)
111 { BUILD_BUG_ON(sizeof(struct slob_page) != sizeof(struct page)); }
112
113 /*
114  * free_slob_page: call before a slob_page is returned to the page allocator.
115  */
116 static inline void free_slob_page(struct slob_page *sp)
117 {
118         reset_page_mapcount(&sp->page);
119         sp->page.mapping = NULL;
120 }
121
122 /*
123  * All partially free slob pages go on these lists.
124  */
125 #define SLOB_BREAK1 256
126 #define SLOB_BREAK2 1024
127 static LIST_HEAD(free_slob_small);
128 static LIST_HEAD(free_slob_medium);
129 static LIST_HEAD(free_slob_large);
130
131 /*
132  * is_slob_page: True for all slob pages (false for bigblock pages)
133  */
134 static inline int is_slob_page(struct slob_page *sp)
135 {
136         return PageSlab((struct page *)sp);
137 }
138
139 static inline void set_slob_page(struct slob_page *sp)
140 {
141         __SetPageSlab((struct page *)sp);
142 }
143
144 static inline void clear_slob_page(struct slob_page *sp)
145 {
146         __ClearPageSlab((struct page *)sp);
147 }
148
149 static inline struct slob_page *slob_page(const void *addr)
150 {
151         return (struct slob_page *)virt_to_page(addr);
152 }
153
154 /*
155  * slob_page_free: true for pages on free_slob_pages list.
156  */
157 static inline int slob_page_free(struct slob_page *sp)
158 {
159         return PageSlobFree((struct page *)sp);
160 }
161
162 static void set_slob_page_free(struct slob_page *sp, struct list_head *list)
163 {
164         list_add(&sp->list, list);
165         __SetPageSlobFree((struct page *)sp);
166 }
167
168 static inline void clear_slob_page_free(struct slob_page *sp)
169 {
170         list_del(&sp->list);
171         __ClearPageSlobFree((struct page *)sp);
172 }
173
174 #define SLOB_UNIT sizeof(slob_t)
175 #define SLOB_UNITS(size) (((size) + SLOB_UNIT - 1)/SLOB_UNIT)
176 #define SLOB_ALIGN L1_CACHE_BYTES
177
178 /*
179  * struct slob_rcu is inserted at the tail of allocated slob blocks, which
180  * were created with a SLAB_DESTROY_BY_RCU slab. slob_rcu is used to free
181  * the block using call_rcu.
182  */
183 struct slob_rcu {
184         struct rcu_head head;
185         int size;
186 };
187
188 /*
189  * slob_lock protects all slob allocator structures.
190  */
191 static DEFINE_SPINLOCK(slob_lock);
192
193 /*
194  * Encode the given size and next info into a free slob block s.
195  */
196 static void set_slob(slob_t *s, slobidx_t size, slob_t *next)
197 {
198         slob_t *base = (slob_t *)((unsigned long)s & PAGE_MASK);
199         slobidx_t offset = next - base;
200
201         if (size > 1) {
202                 s[0].units = size;
203                 s[1].units = offset;
204         } else
205                 s[0].units = -offset;
206 }
207
208 /*
209  * Return the size of a slob block.
210  */
211 static slobidx_t slob_units(slob_t *s)
212 {
213         if (s->units > 0)
214                 return s->units;
215         return 1;
216 }
217
218 /*
219  * Return the next free slob block pointer after this one.
220  */
221 static slob_t *slob_next(slob_t *s)
222 {
223         slob_t *base = (slob_t *)((unsigned long)s & PAGE_MASK);
224         slobidx_t next;
225
226         if (s[0].units < 0)
227                 next = -s[0].units;
228         else
229                 next = s[1].units;
230         return base+next;
231 }
232
233 /*
234  * Returns true if s is the last free block in its page.
235  */
236 static int slob_last(slob_t *s)
237 {
238         return !((unsigned long)slob_next(s) & ~PAGE_MASK);
239 }
240
241 static void *slob_new_pages(gfp_t gfp, int order, int node)
242 {
243         void *page;
244
245 #ifdef CONFIG_NUMA
246         if (node != -1)
247                 page = alloc_pages_exact_node(node, gfp, order);
248         else
249 #endif
250                 page = alloc_pages(gfp, order);
251
252         if (!page)
253                 return NULL;
254
255         return page_address(page);
256 }
257
258 static void slob_free_pages(void *b, int order)
259 {
260         if (current->reclaim_state)
261                 current->reclaim_state->reclaimed_slab += 1 << order;
262         free_pages((unsigned long)b, order);
263 }
264
265 /*
266  * Allocate a slob block within a given slob_page sp.
267  */
268 static void *slob_page_alloc(struct slob_page *sp, size_t size, int align)
269 {
270         slob_t *prev, *cur, *aligned = NULL;
271         int delta = 0, units = SLOB_UNITS(size);
272
273         for (prev = NULL, cur = sp->free; ; prev = cur, cur = slob_next(cur)) {
274                 slobidx_t avail = slob_units(cur);
275
276                 if (align) {
277                         aligned = (slob_t *)ALIGN((unsigned long)cur, align);
278                         delta = aligned - cur;
279                 }
280                 if (avail >= units + delta) { /* room enough? */
281                         slob_t *next;
282
283                         if (delta) { /* need to fragment head to align? */
284                                 next = slob_next(cur);
285                                 set_slob(aligned, avail - delta, next);
286                                 set_slob(cur, delta, aligned);
287                                 prev = cur;
288                                 cur = aligned;
289                                 avail = slob_units(cur);
290                         }
291
292                         next = slob_next(cur);
293                         if (avail == units) { /* exact fit? unlink. */
294                                 if (prev)
295                                         set_slob(prev, slob_units(prev), next);
296                                 else
297                                         sp->free = next;
298                         } else { /* fragment */
299                                 if (prev)
300                                         set_slob(prev, slob_units(prev), cur + units);
301                                 else
302                                         sp->free = cur + units;
303                                 set_slob(cur + units, avail - units, next);
304                         }
305
306                         sp->units -= units;
307                         if (!sp->units)
308                                 clear_slob_page_free(sp);
309                         return cur;
310                 }
311                 if (slob_last(cur))
312                         return NULL;
313         }
314 }
315
316 /*
317  * slob_alloc: entry point into the slob allocator.
318  */
319 static void *slob_alloc(size_t size, gfp_t gfp, int align, int node)
320 {
321         struct slob_page *sp;
322         struct list_head *prev;
323         struct list_head *slob_list;
324         slob_t *b = NULL;
325         unsigned long flags;
326
327         if (size < SLOB_BREAK1)
328                 slob_list = &free_slob_small;
329         else if (size < SLOB_BREAK2)
330                 slob_list = &free_slob_medium;
331         else
332                 slob_list = &free_slob_large;
333
334         spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
335         /* Iterate through each partially free page, try to find room */
336         list_for_each_entry(sp, slob_list, list) {
337 #ifdef CONFIG_NUMA
338                 /*
339                  * If there's a node specification, search for a partial
340                  * page with a matching node id in the freelist.
341                  */
342                 if (node != -1 && page_to_nid(&sp->page) != node)
343                         continue;
344 #endif
345                 /* Enough room on this page? */
346                 if (sp->units < SLOB_UNITS(size))
347                         continue;
348
349                 /* Attempt to alloc */
350                 prev = sp->list.prev;
351                 b = slob_page_alloc(sp, size, align);
352                 if (!b)
353                         continue;
354
355                 /* Improve fragment distribution and reduce our average
356                  * search time by starting our next search here. (see
357                  * Knuth vol 1, sec 2.5, pg 449) */
358                 if (prev != slob_list->prev &&
359                                 slob_list->next != prev->next)
360                         list_move_tail(slob_list, prev->next);
361                 break;
362         }
363         spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
364
365         /* Not enough space: must allocate a new page */
366         if (!b) {
367                 b = slob_new_pages(gfp & ~__GFP_ZERO, 0, node);
368                 if (!b)
369                         return NULL;
370                 sp = slob_page(b);
371                 set_slob_page(sp);
372
373                 spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
374                 sp->units = SLOB_UNITS(PAGE_SIZE);
375                 sp->free = b;
376                 INIT_LIST_HEAD(&sp->list);
377                 set_slob(b, SLOB_UNITS(PAGE_SIZE), b + SLOB_UNITS(PAGE_SIZE));
378                 set_slob_page_free(sp, slob_list);
379                 b = slob_page_alloc(sp, size, align);
380                 BUG_ON(!b);
381                 spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
382         }
383         if (unlikely((gfp & __GFP_ZERO) && b))
384                 memset(b, 0, size);
385         return b;
386 }
387
388 /*
389  * slob_free: entry point into the slob allocator.
390  */
391 static void slob_free(void *block, int size)
392 {
393         struct slob_page *sp;
394         slob_t *prev, *next, *b = (slob_t *)block;
395         slobidx_t units;
396         unsigned long flags;
397         struct list_head *slob_list;
398
399         if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(block)))
400                 return;
401         BUG_ON(!size);
402
403         sp = slob_page(block);
404         units = SLOB_UNITS(size);
405
406         spin_lock_irqsave(&slob_lock, flags);
407
408         if (sp->units + units == SLOB_UNITS(PAGE_SIZE)) {
409                 /* Go directly to page allocator. Do not pass slob allocator */
410                 if (slob_page_free(sp))
411                         clear_slob_page_free(sp);
412                 spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
413                 clear_slob_page(sp);
414                 free_slob_page(sp);
415                 slob_free_pages(b, 0);
416                 return;
417         }
418
419         if (!slob_page_free(sp)) {
420                 /* This slob page is about to become partially free. Easy! */
421                 sp->units = units;
422                 sp->free = b;
423                 set_slob(b, units,
424                         (void *)((unsigned long)(b +
425                                         SLOB_UNITS(PAGE_SIZE)) & PAGE_MASK));
426                 if (size < SLOB_BREAK1)
427                         slob_list = &free_slob_small;
428                 else if (size < SLOB_BREAK2)
429                         slob_list = &free_slob_medium;
430                 else
431                         slob_list = &free_slob_large;
432                 set_slob_page_free(sp, slob_list);
433                 goto out;
434         }
435
436         /*
437          * Otherwise the page is already partially free, so find reinsertion
438          * point.
439          */
440         sp->units += units;
441
442         if (b < sp->free) {
443                 if (b + units == sp->free) {
444                         units += slob_units(sp->free);
445                         sp->free = slob_next(sp->free);
446                 }
447                 set_slob(b, units, sp->free);
448                 sp->free = b;
449         } else {
450                 prev = sp->free;
451                 next = slob_next(prev);
452                 while (b > next) {
453                         prev = next;
454                         next = slob_next(prev);
455                 }
456
457                 if (!slob_last(prev) && b + units == next) {
458                         units += slob_units(next);
459                         set_slob(b, units, slob_next(next));
460                 } else
461                         set_slob(b, units, next);
462
463                 if (prev + slob_units(prev) == b) {
464                         units = slob_units(b) + slob_units(prev);
465                         set_slob(prev, units, slob_next(b));
466                 } else
467                         set_slob(prev, slob_units(prev), b);
468         }
469 out:
470         spin_unlock_irqrestore(&slob_lock, flags);
471 }
472
473 /*
474  * End of slob allocator proper. Begin kmem_cache_alloc and kmalloc frontend.
475  */
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         kmemleak_alloc(ret, size, 1, gfp);
513         return ret;
514 }
515 EXPORT_SYMBOL(__kmalloc_node);
516
517 void kfree(const void *block)
518 {
519         struct slob_page *sp;
520
521         trace_kfree(_RET_IP_, block);
522
523         if (unlikely(ZERO_OR_NULL_PTR(block)))
524                 return;
525         kmemleak_free(block);
526
527         sp = slob_page(block);
528         if (is_slob_page(sp)) {
529                 int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
530                 unsigned int *m = (unsigned int *)(block - align);
531                 slob_free(m, *m + align);
532         } else
533                 put_page(&sp->page);
534 }
535 EXPORT_SYMBOL(kfree);
536
537 /* can't use ksize for kmem_cache_alloc memory, only kmalloc */
538 size_t ksize(const void *block)
539 {
540         struct slob_page *sp;
541
542         BUG_ON(!block);
543         if (unlikely(block == ZERO_SIZE_PTR))
544                 return 0;
545
546         sp = slob_page(block);
547         if (is_slob_page(sp)) {
548                 int align = max(ARCH_KMALLOC_MINALIGN, ARCH_SLAB_MINALIGN);
549                 unsigned int *m = (unsigned int *)(block - align);
550                 return SLOB_UNITS(*m) * SLOB_UNIT;
551         } else
552                 return sp->page.private;
553 }
554 EXPORT_SYMBOL(ksize);
555
556 struct kmem_cache {
557         unsigned int size, align;
558         unsigned long flags;
559         const char *name;
560         void (*ctor)(void *);
561 };
562
563 struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name, size_t size,
564         size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *))
565 {
566         struct kmem_cache *c;
567
568         c = slob_alloc(sizeof(struct kmem_cache),
569                 GFP_KERNEL, ARCH_KMALLOC_MINALIGN, -1);
570
571         if (c) {
572                 c->name = name;
573                 c->size = size;
574                 if (flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU) {
575                         /* leave room for rcu footer at the end of object */
576                         c->size += sizeof(struct slob_rcu);
577                 }
578                 c->flags = flags;
579                 c->ctor = ctor;
580                 /* ignore alignment unless it's forced */
581                 c->align = (flags & SLAB_HWCACHE_ALIGN) ? SLOB_ALIGN : 0;
582                 if (c->align < ARCH_SLAB_MINALIGN)
583                         c->align = ARCH_SLAB_MINALIGN;
584                 if (c->align < align)
585                         c->align = align;
586         } else if (flags & SLAB_PANIC)
587                 panic("Cannot create slab cache %s\n", name);
588
589         kmemleak_alloc(c, sizeof(struct kmem_cache), 1, GFP_KERNEL);
590         return c;
591 }
592 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_create);
593
594 void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *c)
595 {
596         kmemleak_free(c);
597         if (c->flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU)
598                 rcu_barrier();
599         slob_free(c, sizeof(struct kmem_cache));
600 }
601 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_destroy);
602
603 void *kmem_cache_alloc_node(struct kmem_cache *c, gfp_t flags, int node)
604 {
605         void *b;
606
607         if (c->size < PAGE_SIZE) {
608                 b = slob_alloc(c->size, flags, c->align, node);
609                 trace_kmem_cache_alloc_node(_RET_IP_, b, c->size,
610                                             SLOB_UNITS(c->size) * SLOB_UNIT,
611                                             flags, node);
612         } else {
613                 b = slob_new_pages(flags, get_order(c->size), node);
614                 trace_kmem_cache_alloc_node(_RET_IP_, b, c->size,
615                                             PAGE_SIZE << get_order(c->size),
616                                             flags, node);
617         }
618
619         if (c->ctor)
620                 c->ctor(b);
621
622         kmemleak_alloc_recursive(b, c->size, 1, c->flags, flags);
623         return b;
624 }
625 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_alloc_node);
626
627 static void __kmem_cache_free(void *b, int size)
628 {
629         if (size < PAGE_SIZE)
630                 slob_free(b, size);
631         else
632                 slob_free_pages(b, get_order(size));
633 }
634
635 static void kmem_rcu_free(struct rcu_head *head)
636 {
637         struct slob_rcu *slob_rcu = (struct slob_rcu *)head;
638         void *b = (void *)slob_rcu - (slob_rcu->size - sizeof(struct slob_rcu));
639
640         __kmem_cache_free(b, slob_rcu->size);
641 }
642
643 void kmem_cache_free(struct kmem_cache *c, void *b)
644 {
645         kmemleak_free_recursive(b, c->flags);
646         if (unlikely(c->flags & SLAB_DESTROY_BY_RCU)) {
647                 struct slob_rcu *slob_rcu;
648                 slob_rcu = b + (c->size - sizeof(struct slob_rcu));
649                 INIT_RCU_HEAD(&slob_rcu->head);
650                 slob_rcu->size = c->size;
651                 call_rcu(&slob_rcu->head, kmem_rcu_free);
652         } else {
653                 __kmem_cache_free(b, c->size);
654         }
655
656         trace_kmem_cache_free(_RET_IP_, b);
657 }
658 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_free);
659
660 unsigned int kmem_cache_size(struct kmem_cache *c)
661 {
662         return c->size;
663 }
664 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_size);
665
666 const char *kmem_cache_name(struct kmem_cache *c)
667 {
668         return c->name;
669 }
670 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_name);
671
672 int kmem_cache_shrink(struct kmem_cache *d)
673 {
674         return 0;
675 }
676 EXPORT_SYMBOL(kmem_cache_shrink);
677
678 int kmem_ptr_validate(struct kmem_cache *a, const void *b)
679 {
680         return 0;
681 }
682
683 static unsigned int slob_ready __read_mostly;
684
685 int slab_is_available(void)
686 {
687         return slob_ready;
688 }
689
690 void __init kmem_cache_init(void)
691 {
692         slob_ready = 1;
693 }
694
695 void __init kmem_cache_init_late(void)
696 {
697         /* Nothing to do */
698 }