percpu: move vmalloc based chunk management into percpu-vm.c
[linux-3.10.git] / mm / percpu.c
1 /*
2  * 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.  Each chunk is
11  * consisted of boot-time determined number of units and the first
12  * chunk is used for static percpu variables in the kernel image
13  * (special boot time alloc/init handling necessary as these areas
14  * need to be brought up before allocation services are running).
15  * Unit grows as necessary and all units grow or shrink in unison.
16  * When a chunk is filled up, another chunk is allocated.
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.  On UMA, units corresponds directly to
26  * cpus.  On NUMA, the mapping can be non-linear and even sparse.
27  * Percpu access can be done by configuring percpu base registers
28  * according to cpu to unit mapping and pcpu_unit_size.
29  *
30  * There are usually many small percpu allocations many of them being
31  * as small as 4 bytes.  The allocator organizes chunks into lists
32  * according to free size and tries to allocate from the fullest one.
33  * Each chunk keeps the maximum contiguous area size hint which is
34  * guaranteed to be eqaul to or larger than the maximum contiguous
35  * area in the chunk.  This helps the allocator not to iterate the
36  * chunk maps unnecessarily.
37  *
38  * Allocation state in each chunk is kept using an array of integers
39  * on chunk->map.  A positive value in the map represents a free
40  * region and negative allocated.  Allocation inside a chunk is done
41  * by scanning this map sequentially and serving the first matching
42  * entry.  This is mostly copied from the percpu_modalloc() allocator.
43  * Chunks can be determined from the address using the index field
44  * in the page struct. The index field contains a pointer to the chunk.
45  *
46  * To use this allocator, arch code should do the followings.
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/err.h>
59 #include <linux/list.h>
60 #include <linux/log2.h>
61 #include <linux/mm.h>
62 #include <linux/module.h>
63 #include <linux/mutex.h>
64 #include <linux/percpu.h>
65 #include <linux/pfn.h>
66 #include <linux/slab.h>
67 #include <linux/spinlock.h>
68 #include <linux/vmalloc.h>
69 #include <linux/workqueue.h>
70
71 #include <asm/cacheflush.h>
72 #include <asm/sections.h>
73 #include <asm/tlbflush.h>
74 #include <asm/io.h>
75
76 #define PCPU_SLOT_BASE_SHIFT            5       /* 1-31 shares the same slot */
77 #define PCPU_DFL_MAP_ALLOC              16      /* start a map with 16 ents */
78
79 /* default addr <-> pcpu_ptr mapping, override in asm/percpu.h if necessary */
80 #ifndef __addr_to_pcpu_ptr
81 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)                                        \
82         (void __percpu *)((unsigned long)(addr) -                       \
83                           (unsigned long)pcpu_base_addr +               \
84                           (unsigned long)__per_cpu_start)
85 #endif
86 #ifndef __pcpu_ptr_to_addr
87 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)                                         \
88         (void __force *)((unsigned long)(ptr) +                         \
89                          (unsigned long)pcpu_base_addr -                \
90                          (unsigned long)__per_cpu_start)
91 #endif
92
93 struct pcpu_chunk {
94         struct list_head        list;           /* linked to pcpu_slot lists */
95         int                     free_size;      /* free bytes in the chunk */
96         int                     contig_hint;    /* max contiguous size hint */
97         void                    *base_addr;     /* base address of this chunk */
98         int                     map_used;       /* # of map entries used */
99         int                     map_alloc;      /* # of map entries allocated */
100         int                     *map;           /* allocation map */
101         void                    *data;          /* chunk data */
102         bool                    immutable;      /* no [de]population allowed */
103         unsigned long           populated[];    /* populated bitmap */
104 };
105
106 static int pcpu_unit_pages __read_mostly;
107 static int pcpu_unit_size __read_mostly;
108 static int pcpu_nr_units __read_mostly;
109 static int pcpu_atom_size __read_mostly;
110 static int pcpu_nr_slots __read_mostly;
111 static size_t pcpu_chunk_struct_size __read_mostly;
112
113 /* cpus with the lowest and highest unit numbers */
114 static unsigned int pcpu_first_unit_cpu __read_mostly;
115 static unsigned int pcpu_last_unit_cpu __read_mostly;
116
117 /* the address of the first chunk which starts with the kernel static area */
118 void *pcpu_base_addr __read_mostly;
119 EXPORT_SYMBOL_GPL(pcpu_base_addr);
120
121 static const int *pcpu_unit_map __read_mostly;          /* cpu -> unit */
122 const unsigned long *pcpu_unit_offsets __read_mostly;   /* cpu -> unit offset */
123
124 /* group information, used for vm allocation */
125 static int pcpu_nr_groups __read_mostly;
126 static const unsigned long *pcpu_group_offsets __read_mostly;
127 static const size_t *pcpu_group_sizes __read_mostly;
128
129 /*
130  * The first chunk which always exists.  Note that unlike other
131  * chunks, this one can be allocated and mapped in several different
132  * ways and thus often doesn't live in the vmalloc area.
133  */
134 static struct pcpu_chunk *pcpu_first_chunk;
135
136 /*
137  * Optional reserved chunk.  This chunk reserves part of the first
138  * chunk and serves it for reserved allocations.  The amount of
139  * reserved offset is in pcpu_reserved_chunk_limit.  When reserved
140  * area doesn't exist, the following variables contain NULL and 0
141  * respectively.
142  */
143 static struct pcpu_chunk *pcpu_reserved_chunk;
144 static int pcpu_reserved_chunk_limit;
145
146 /*
147  * Synchronization rules.
148  *
149  * There are two locks - pcpu_alloc_mutex and pcpu_lock.  The former
150  * protects allocation/reclaim paths, chunks, populated bitmap and
151  * vmalloc mapping.  The latter is a spinlock and protects the index
152  * data structures - chunk slots, chunks and area maps in chunks.
153  *
154  * During allocation, pcpu_alloc_mutex is kept locked all the time and
155  * pcpu_lock is grabbed and released as necessary.  All actual memory
156  * allocations are done using GFP_KERNEL with pcpu_lock released.  In
157  * general, percpu memory can't be allocated with irq off but
158  * irqsave/restore are still used in alloc path so that it can be used
159  * from early init path - sched_init() specifically.
160  *
161  * Free path accesses and alters only the index data structures, so it
162  * can be safely called from atomic context.  When memory needs to be
163  * returned to the system, free path schedules reclaim_work which
164  * grabs both pcpu_alloc_mutex and pcpu_lock, unlinks chunks to be
165  * reclaimed, release both locks and frees the chunks.  Note that it's
166  * necessary to grab both locks to remove a chunk from circulation as
167  * allocation path might be referencing the chunk with only
168  * pcpu_alloc_mutex locked.
169  */
170 static DEFINE_MUTEX(pcpu_alloc_mutex);  /* protects whole alloc and reclaim */
171 static DEFINE_SPINLOCK(pcpu_lock);      /* protects index data structures */
172
173 static struct list_head *pcpu_slot __read_mostly; /* chunk list slots */
174
175 /* reclaim work to release fully free chunks, scheduled from free path */
176 static void pcpu_reclaim(struct work_struct *work);
177 static DECLARE_WORK(pcpu_reclaim_work, pcpu_reclaim);
178
179 static bool pcpu_addr_in_first_chunk(void *addr)
180 {
181         void *first_start = pcpu_first_chunk->base_addr;
182
183         return addr >= first_start && addr < first_start + pcpu_unit_size;
184 }
185
186 static bool pcpu_addr_in_reserved_chunk(void *addr)
187 {
188         void *first_start = pcpu_first_chunk->base_addr;
189
190         return addr >= first_start &&
191                 addr < first_start + pcpu_reserved_chunk_limit;
192 }
193
194 static int __pcpu_size_to_slot(int size)
195 {
196         int highbit = fls(size);        /* size is in bytes */
197         return max(highbit - PCPU_SLOT_BASE_SHIFT + 2, 1);
198 }
199
200 static int pcpu_size_to_slot(int size)
201 {
202         if (size == pcpu_unit_size)
203                 return pcpu_nr_slots - 1;
204         return __pcpu_size_to_slot(size);
205 }
206
207 static int pcpu_chunk_slot(const struct pcpu_chunk *chunk)
208 {
209         if (chunk->free_size < sizeof(int) || chunk->contig_hint < sizeof(int))
210                 return 0;
211
212         return pcpu_size_to_slot(chunk->free_size);
213 }
214
215 /* set the pointer to a chunk in a page struct */
216 static void pcpu_set_page_chunk(struct page *page, struct pcpu_chunk *pcpu)
217 {
218         page->index = (unsigned long)pcpu;
219 }
220
221 /* obtain pointer to a chunk from a page struct */
222 static struct pcpu_chunk *pcpu_get_page_chunk(struct page *page)
223 {
224         return (struct pcpu_chunk *)page->index;
225 }
226
227 static int __maybe_unused pcpu_page_idx(unsigned int cpu, int page_idx)
228 {
229         return pcpu_unit_map[cpu] * pcpu_unit_pages + page_idx;
230 }
231
232 static unsigned long __maybe_unused pcpu_chunk_addr(struct pcpu_chunk *chunk,
233                                                 unsigned int cpu, int page_idx)
234 {
235         return (unsigned long)chunk->base_addr + pcpu_unit_offsets[cpu] +
236                 (page_idx << PAGE_SHIFT);
237 }
238
239 static void __maybe_unused pcpu_next_unpop(struct pcpu_chunk *chunk,
240                                            int *rs, int *re, int end)
241 {
242         *rs = find_next_zero_bit(chunk->populated, end, *rs);
243         *re = find_next_bit(chunk->populated, end, *rs + 1);
244 }
245
246 static void __maybe_unused pcpu_next_pop(struct pcpu_chunk *chunk,
247                                          int *rs, int *re, int end)
248 {
249         *rs = find_next_bit(chunk->populated, end, *rs);
250         *re = find_next_zero_bit(chunk->populated, end, *rs + 1);
251 }
252
253 /*
254  * (Un)populated page region iterators.  Iterate over (un)populated
255  * page regions betwen @start and @end in @chunk.  @rs and @re should
256  * be integer variables and will be set to start and end page index of
257  * the current region.
258  */
259 #define pcpu_for_each_unpop_region(chunk, rs, re, start, end)               \
260         for ((rs) = (start), pcpu_next_unpop((chunk), &(rs), &(re), (end)); \
261              (rs) < (re);                                                   \
262              (rs) = (re) + 1, pcpu_next_unpop((chunk), &(rs), &(re), (end)))
263
264 #define pcpu_for_each_pop_region(chunk, rs, re, start, end)                 \
265         for ((rs) = (start), pcpu_next_pop((chunk), &(rs), &(re), (end));   \
266              (rs) < (re);                                                   \
267              (rs) = (re) + 1, pcpu_next_pop((chunk), &(rs), &(re), (end)))
268
269 /**
270  * pcpu_mem_alloc - allocate memory
271  * @size: bytes to allocate
272  *
273  * Allocate @size bytes.  If @size is smaller than PAGE_SIZE,
274  * kzalloc() is used; otherwise, vmalloc() is used.  The returned
275  * memory is always zeroed.
276  *
277  * CONTEXT:
278  * Does GFP_KERNEL allocation.
279  *
280  * RETURNS:
281  * Pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
282  */
283 static void *pcpu_mem_alloc(size_t size)
284 {
285         if (size <= PAGE_SIZE)
286                 return kzalloc(size, GFP_KERNEL);
287         else {
288                 void *ptr = vmalloc(size);
289                 if (ptr)
290                         memset(ptr, 0, size);
291                 return ptr;
292         }
293 }
294
295 /**
296  * pcpu_mem_free - free memory
297  * @ptr: memory to free
298  * @size: size of the area
299  *
300  * Free @ptr.  @ptr should have been allocated using pcpu_mem_alloc().
301  */
302 static void pcpu_mem_free(void *ptr, size_t size)
303 {
304         if (size <= PAGE_SIZE)
305                 kfree(ptr);
306         else
307                 vfree(ptr);
308 }
309
310 /**
311  * pcpu_chunk_relocate - put chunk in the appropriate chunk slot
312  * @chunk: chunk of interest
313  * @oslot: the previous slot it was on
314  *
315  * This function is called after an allocation or free changed @chunk.
316  * New slot according to the changed state is determined and @chunk is
317  * moved to the slot.  Note that the reserved chunk is never put on
318  * chunk slots.
319  *
320  * CONTEXT:
321  * pcpu_lock.
322  */
323 static void pcpu_chunk_relocate(struct pcpu_chunk *chunk, int oslot)
324 {
325         int nslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
326
327         if (chunk != pcpu_reserved_chunk && oslot != nslot) {
328                 if (oslot < nslot)
329                         list_move(&chunk->list, &pcpu_slot[nslot]);
330                 else
331                         list_move_tail(&chunk->list, &pcpu_slot[nslot]);
332         }
333 }
334
335 /**
336  * pcpu_need_to_extend - determine whether chunk area map needs to be extended
337  * @chunk: chunk of interest
338  *
339  * Determine whether area map of @chunk needs to be extended to
340  * accomodate a new allocation.
341  *
342  * CONTEXT:
343  * pcpu_lock.
344  *
345  * RETURNS:
346  * New target map allocation length if extension is necessary, 0
347  * otherwise.
348  */
349 static int pcpu_need_to_extend(struct pcpu_chunk *chunk)
350 {
351         int new_alloc;
352
353         if (chunk->map_alloc >= chunk->map_used + 2)
354                 return 0;
355
356         new_alloc = PCPU_DFL_MAP_ALLOC;
357         while (new_alloc < chunk->map_used + 2)
358                 new_alloc *= 2;
359
360         return new_alloc;
361 }
362
363 /**
364  * pcpu_extend_area_map - extend area map of a chunk
365  * @chunk: chunk of interest
366  * @new_alloc: new target allocation length of the area map
367  *
368  * Extend area map of @chunk to have @new_alloc entries.
369  *
370  * CONTEXT:
371  * Does GFP_KERNEL allocation.  Grabs and releases pcpu_lock.
372  *
373  * RETURNS:
374  * 0 on success, -errno on failure.
375  */
376 static int pcpu_extend_area_map(struct pcpu_chunk *chunk, int new_alloc)
377 {
378         int *old = NULL, *new = NULL;
379         size_t old_size = 0, new_size = new_alloc * sizeof(new[0]);
380         unsigned long flags;
381
382         new = pcpu_mem_alloc(new_size);
383         if (!new)
384                 return -ENOMEM;
385
386         /* acquire pcpu_lock and switch to new area map */
387         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
388
389         if (new_alloc <= chunk->map_alloc)
390                 goto out_unlock;
391
392         old_size = chunk->map_alloc * sizeof(chunk->map[0]);
393         memcpy(new, chunk->map, old_size);
394
395         /*
396          * map_alloc < PCPU_DFL_MAP_ALLOC indicates that the chunk is
397          * one of the first chunks and still using static map.
398          */
399         if (chunk->map_alloc >= PCPU_DFL_MAP_ALLOC)
400                 old = chunk->map;
401
402         chunk->map_alloc = new_alloc;
403         chunk->map = new;
404         new = NULL;
405
406 out_unlock:
407         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
408
409         /*
410          * pcpu_mem_free() might end up calling vfree() which uses
411          * IRQ-unsafe lock and thus can't be called under pcpu_lock.
412          */
413         pcpu_mem_free(old, old_size);
414         pcpu_mem_free(new, new_size);
415
416         return 0;
417 }
418
419 /**
420  * pcpu_split_block - split a map block
421  * @chunk: chunk of interest
422  * @i: index of map block to split
423  * @head: head size in bytes (can be 0)
424  * @tail: tail size in bytes (can be 0)
425  *
426  * Split the @i'th map block into two or three blocks.  If @head is
427  * non-zero, @head bytes block is inserted before block @i moving it
428  * to @i+1 and reducing its size by @head bytes.
429  *
430  * If @tail is non-zero, the target block, which can be @i or @i+1
431  * depending on @head, is reduced by @tail bytes and @tail byte block
432  * is inserted after the target block.
433  *
434  * @chunk->map must have enough free slots to accomodate the split.
435  *
436  * CONTEXT:
437  * pcpu_lock.
438  */
439 static void pcpu_split_block(struct pcpu_chunk *chunk, int i,
440                              int head, int tail)
441 {
442         int nr_extra = !!head + !!tail;
443
444         BUG_ON(chunk->map_alloc < chunk->map_used + nr_extra);
445
446         /* insert new subblocks */
447         memmove(&chunk->map[i + nr_extra], &chunk->map[i],
448                 sizeof(chunk->map[0]) * (chunk->map_used - i));
449         chunk->map_used += nr_extra;
450
451         if (head) {
452                 chunk->map[i + 1] = chunk->map[i] - head;
453                 chunk->map[i++] = head;
454         }
455         if (tail) {
456                 chunk->map[i++] -= tail;
457                 chunk->map[i] = tail;
458         }
459 }
460
461 /**
462  * pcpu_alloc_area - allocate area from a pcpu_chunk
463  * @chunk: chunk of interest
464  * @size: wanted size in bytes
465  * @align: wanted align
466  *
467  * Try to allocate @size bytes area aligned at @align from @chunk.
468  * Note that this function only allocates the offset.  It doesn't
469  * populate or map the area.
470  *
471  * @chunk->map must have at least two free slots.
472  *
473  * CONTEXT:
474  * pcpu_lock.
475  *
476  * RETURNS:
477  * Allocated offset in @chunk on success, -1 if no matching area is
478  * found.
479  */
480 static int pcpu_alloc_area(struct pcpu_chunk *chunk, int size, int align)
481 {
482         int oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
483         int max_contig = 0;
484         int i, off;
485
486         for (i = 0, off = 0; i < chunk->map_used; off += abs(chunk->map[i++])) {
487                 bool is_last = i + 1 == chunk->map_used;
488                 int head, tail;
489
490                 /* extra for alignment requirement */
491                 head = ALIGN(off, align) - off;
492                 BUG_ON(i == 0 && head != 0);
493
494                 if (chunk->map[i] < 0)
495                         continue;
496                 if (chunk->map[i] < head + size) {
497                         max_contig = max(chunk->map[i], max_contig);
498                         continue;
499                 }
500
501                 /*
502                  * If head is small or the previous block is free,
503                  * merge'em.  Note that 'small' is defined as smaller
504                  * than sizeof(int), which is very small but isn't too
505                  * uncommon for percpu allocations.
506                  */
507                 if (head && (head < sizeof(int) || chunk->map[i - 1] > 0)) {
508                         if (chunk->map[i - 1] > 0)
509                                 chunk->map[i - 1] += head;
510                         else {
511                                 chunk->map[i - 1] -= head;
512                                 chunk->free_size -= head;
513                         }
514                         chunk->map[i] -= head;
515                         off += head;
516                         head = 0;
517                 }
518
519                 /* if tail is small, just keep it around */
520                 tail = chunk->map[i] - head - size;
521                 if (tail < sizeof(int))
522                         tail = 0;
523
524                 /* split if warranted */
525                 if (head || tail) {
526                         pcpu_split_block(chunk, i, head, tail);
527                         if (head) {
528                                 i++;
529                                 off += head;
530                                 max_contig = max(chunk->map[i - 1], max_contig);
531                         }
532                         if (tail)
533                                 max_contig = max(chunk->map[i + 1], max_contig);
534                 }
535
536                 /* update hint and mark allocated */
537                 if (is_last)
538                         chunk->contig_hint = max_contig; /* fully scanned */
539                 else
540                         chunk->contig_hint = max(chunk->contig_hint,
541                                                  max_contig);
542
543                 chunk->free_size -= chunk->map[i];
544                 chunk->map[i] = -chunk->map[i];
545
546                 pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
547                 return off;
548         }
549
550         chunk->contig_hint = max_contig;        /* fully scanned */
551         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
552
553         /* tell the upper layer that this chunk has no matching area */
554         return -1;
555 }
556
557 /**
558  * pcpu_free_area - free area to a pcpu_chunk
559  * @chunk: chunk of interest
560  * @freeme: offset of area to free
561  *
562  * Free area starting from @freeme to @chunk.  Note that this function
563  * only modifies the allocation map.  It doesn't depopulate or unmap
564  * the area.
565  *
566  * CONTEXT:
567  * pcpu_lock.
568  */
569 static void pcpu_free_area(struct pcpu_chunk *chunk, int freeme)
570 {
571         int oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
572         int i, off;
573
574         for (i = 0, off = 0; i < chunk->map_used; off += abs(chunk->map[i++]))
575                 if (off == freeme)
576                         break;
577         BUG_ON(off != freeme);
578         BUG_ON(chunk->map[i] > 0);
579
580         chunk->map[i] = -chunk->map[i];
581         chunk->free_size += chunk->map[i];
582
583         /* merge with previous? */
584         if (i > 0 && chunk->map[i - 1] >= 0) {
585                 chunk->map[i - 1] += chunk->map[i];
586                 chunk->map_used--;
587                 memmove(&chunk->map[i], &chunk->map[i + 1],
588                         (chunk->map_used - i) * sizeof(chunk->map[0]));
589                 i--;
590         }
591         /* merge with next? */
592         if (i + 1 < chunk->map_used && chunk->map[i + 1] >= 0) {
593                 chunk->map[i] += chunk->map[i + 1];
594                 chunk->map_used--;
595                 memmove(&chunk->map[i + 1], &chunk->map[i + 2],
596                         (chunk->map_used - (i + 1)) * sizeof(chunk->map[0]));
597         }
598
599         chunk->contig_hint = max(chunk->map[i], chunk->contig_hint);
600         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
601 }
602
603 static struct pcpu_chunk *pcpu_alloc_chunk(void)
604 {
605         struct pcpu_chunk *chunk;
606
607         chunk = kzalloc(pcpu_chunk_struct_size, GFP_KERNEL);
608         if (!chunk)
609                 return NULL;
610
611         chunk->map = pcpu_mem_alloc(PCPU_DFL_MAP_ALLOC * sizeof(chunk->map[0]));
612         if (!chunk->map) {
613                 kfree(chunk);
614                 return NULL;
615         }
616
617         chunk->map_alloc = PCPU_DFL_MAP_ALLOC;
618         chunk->map[chunk->map_used++] = pcpu_unit_size;
619
620         INIT_LIST_HEAD(&chunk->list);
621         chunk->free_size = pcpu_unit_size;
622         chunk->contig_hint = pcpu_unit_size;
623
624         return chunk;
625 }
626
627 static void pcpu_free_chunk(struct pcpu_chunk *chunk)
628 {
629         if (!chunk)
630                 return;
631         pcpu_mem_free(chunk->map, chunk->map_alloc * sizeof(chunk->map[0]));
632         kfree(chunk);
633 }
634
635 /*
636  * Chunk management implementation.
637  *
638  * To allow different implementations, chunk alloc/free and
639  * [de]population are implemented in a separate file which is pulled
640  * into this file and compiled together.  The following functions
641  * should be implemented.
642  *
643  * pcpu_populate_chunk          - populate the specified range of a chunk
644  * pcpu_depopulate_chunk        - depopulate the specified range of a chunk
645  * pcpu_create_chunk            - create a new chunk
646  * pcpu_destroy_chunk           - destroy a chunk, always preceded by full depop
647  * pcpu_addr_to_page            - translate address to physical address
648  * pcpu_verify_alloc_info       - check alloc_info is acceptable during init
649  */
650 static int pcpu_populate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, int off, int size);
651 static void pcpu_depopulate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, int off, int size);
652 static struct pcpu_chunk *pcpu_create_chunk(void);
653 static void pcpu_destroy_chunk(struct pcpu_chunk *chunk);
654 static struct page *pcpu_addr_to_page(void *addr);
655 static int __init pcpu_verify_alloc_info(const struct pcpu_alloc_info *ai);
656
657 #include "percpu-vm.c"
658
659 /**
660  * pcpu_chunk_addr_search - determine chunk containing specified address
661  * @addr: address for which the chunk needs to be determined.
662  *
663  * RETURNS:
664  * The address of the found chunk.
665  */
666 static struct pcpu_chunk *pcpu_chunk_addr_search(void *addr)
667 {
668         /* is it in the first chunk? */
669         if (pcpu_addr_in_first_chunk(addr)) {
670                 /* is it in the reserved area? */
671                 if (pcpu_addr_in_reserved_chunk(addr))
672                         return pcpu_reserved_chunk;
673                 return pcpu_first_chunk;
674         }
675
676         /*
677          * The address is relative to unit0 which might be unused and
678          * thus unmapped.  Offset the address to the unit space of the
679          * current processor before looking it up in the vmalloc
680          * space.  Note that any possible cpu id can be used here, so
681          * there's no need to worry about preemption or cpu hotplug.
682          */
683         addr += pcpu_unit_offsets[raw_smp_processor_id()];
684         return pcpu_get_page_chunk(pcpu_addr_to_page(addr));
685 }
686
687 /**
688  * pcpu_alloc - the percpu allocator
689  * @size: size of area to allocate in bytes
690  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
691  * @reserved: allocate from the reserved chunk if available
692  *
693  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align.
694  *
695  * CONTEXT:
696  * Does GFP_KERNEL allocation.
697  *
698  * RETURNS:
699  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
700  */
701 static void __percpu *pcpu_alloc(size_t size, size_t align, bool reserved)
702 {
703         static int warn_limit = 10;
704         struct pcpu_chunk *chunk;
705         const char *err;
706         int slot, off, new_alloc;
707         unsigned long flags;
708
709         if (unlikely(!size || size > PCPU_MIN_UNIT_SIZE || align > PAGE_SIZE)) {
710                 WARN(true, "illegal size (%zu) or align (%zu) for "
711                      "percpu allocation\n", size, align);
712                 return NULL;
713         }
714
715         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
716         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
717
718         /* serve reserved allocations from the reserved chunk if available */
719         if (reserved && pcpu_reserved_chunk) {
720                 chunk = pcpu_reserved_chunk;
721
722                 if (size > chunk->contig_hint) {
723                         err = "alloc from reserved chunk failed";
724                         goto fail_unlock;
725                 }
726
727                 while ((new_alloc = pcpu_need_to_extend(chunk))) {
728                         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
729                         if (pcpu_extend_area_map(chunk, new_alloc) < 0) {
730                                 err = "failed to extend area map of reserved chunk";
731                                 goto fail_unlock_mutex;
732                         }
733                         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
734                 }
735
736                 off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align);
737                 if (off >= 0)
738                         goto area_found;
739
740                 err = "alloc from reserved chunk failed";
741                 goto fail_unlock;
742         }
743
744 restart:
745         /* search through normal chunks */
746         for (slot = pcpu_size_to_slot(size); slot < pcpu_nr_slots; slot++) {
747                 list_for_each_entry(chunk, &pcpu_slot[slot], list) {
748                         if (size > chunk->contig_hint)
749                                 continue;
750
751                         new_alloc = pcpu_need_to_extend(chunk);
752                         if (new_alloc) {
753                                 spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
754                                 if (pcpu_extend_area_map(chunk,
755                                                          new_alloc) < 0) {
756                                         err = "failed to extend area map";
757                                         goto fail_unlock_mutex;
758                                 }
759                                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
760                                 /*
761                                  * pcpu_lock has been dropped, need to
762                                  * restart cpu_slot list walking.
763                                  */
764                                 goto restart;
765                         }
766
767                         off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align);
768                         if (off >= 0)
769                                 goto area_found;
770                 }
771         }
772
773         /* hmmm... no space left, create a new chunk */
774         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
775
776         chunk = pcpu_create_chunk();
777         if (!chunk) {
778                 err = "failed to allocate new chunk";
779                 goto fail_unlock_mutex;
780         }
781
782         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
783         pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
784         goto restart;
785
786 area_found:
787         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
788
789         /* populate, map and clear the area */
790         if (pcpu_populate_chunk(chunk, off, size)) {
791                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
792                 pcpu_free_area(chunk, off);
793                 err = "failed to populate";
794                 goto fail_unlock;
795         }
796
797         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
798
799         /* return address relative to base address */
800         return __addr_to_pcpu_ptr(chunk->base_addr + off);
801
802 fail_unlock:
803         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
804 fail_unlock_mutex:
805         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
806         if (warn_limit) {
807                 pr_warning("PERCPU: allocation failed, size=%zu align=%zu, "
808                            "%s\n", size, align, err);
809                 dump_stack();
810                 if (!--warn_limit)
811                         pr_info("PERCPU: limit reached, disable warning\n");
812         }
813         return NULL;
814 }
815
816 /**
817  * __alloc_percpu - allocate dynamic percpu area
818  * @size: size of area to allocate in bytes
819  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
820  *
821  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align.  Might
822  * sleep.  Might trigger writeouts.
823  *
824  * CONTEXT:
825  * Does GFP_KERNEL allocation.
826  *
827  * RETURNS:
828  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
829  */
830 void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)
831 {
832         return pcpu_alloc(size, align, false);
833 }
834 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu);
835
836 /**
837  * __alloc_reserved_percpu - allocate reserved percpu area
838  * @size: size of area to allocate in bytes
839  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
840  *
841  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align from reserved
842  * percpu area if arch has set it up; otherwise, allocation is served
843  * from the same dynamic area.  Might sleep.  Might trigger writeouts.
844  *
845  * CONTEXT:
846  * Does GFP_KERNEL allocation.
847  *
848  * RETURNS:
849  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
850  */
851 void __percpu *__alloc_reserved_percpu(size_t size, size_t align)
852 {
853         return pcpu_alloc(size, align, true);
854 }
855
856 /**
857  * pcpu_reclaim - reclaim fully free chunks, workqueue function
858  * @work: unused
859  *
860  * Reclaim all fully free chunks except for the first one.
861  *
862  * CONTEXT:
863  * workqueue context.
864  */
865 static void pcpu_reclaim(struct work_struct *work)
866 {
867         LIST_HEAD(todo);
868         struct list_head *head = &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1];
869         struct pcpu_chunk *chunk, *next;
870
871         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
872         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
873
874         list_for_each_entry_safe(chunk, next, head, list) {
875                 WARN_ON(chunk->immutable);
876
877                 /* spare the first one */
878                 if (chunk == list_first_entry(head, struct pcpu_chunk, list))
879                         continue;
880
881                 list_move(&chunk->list, &todo);
882         }
883
884         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
885
886         list_for_each_entry_safe(chunk, next, &todo, list) {
887                 pcpu_depopulate_chunk(chunk, 0, pcpu_unit_size);
888                 pcpu_destroy_chunk(chunk);
889         }
890
891         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
892 }
893
894 /**
895  * free_percpu - free percpu area
896  * @ptr: pointer to area to free
897  *
898  * Free percpu area @ptr.
899  *
900  * CONTEXT:
901  * Can be called from atomic context.
902  */
903 void free_percpu(void __percpu *ptr)
904 {
905         void *addr;
906         struct pcpu_chunk *chunk;
907         unsigned long flags;
908         int off;
909
910         if (!ptr)
911                 return;
912
913         addr = __pcpu_ptr_to_addr(ptr);
914
915         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
916
917         chunk = pcpu_chunk_addr_search(addr);
918         off = addr - chunk->base_addr;
919
920         pcpu_free_area(chunk, off);
921
922         /* if there are more than one fully free chunks, wake up grim reaper */
923         if (chunk->free_size == pcpu_unit_size) {
924                 struct pcpu_chunk *pos;
925
926                 list_for_each_entry(pos, &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1], list)
927                         if (pos != chunk) {
928                                 schedule_work(&pcpu_reclaim_work);
929                                 break;
930                         }
931         }
932
933         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
934 }
935 EXPORT_SYMBOL_GPL(free_percpu);
936
937 /**
938  * is_kernel_percpu_address - test whether address is from static percpu area
939  * @addr: address to test
940  *
941  * Test whether @addr belongs to in-kernel static percpu area.  Module
942  * static percpu areas are not considered.  For those, use
943  * is_module_percpu_address().
944  *
945  * RETURNS:
946  * %true if @addr is from in-kernel static percpu area, %false otherwise.
947  */
948 bool is_kernel_percpu_address(unsigned long addr)
949 {
950         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
951         void __percpu *base = __addr_to_pcpu_ptr(pcpu_base_addr);
952         unsigned int cpu;
953
954         for_each_possible_cpu(cpu) {
955                 void *start = per_cpu_ptr(base, cpu);
956
957                 if ((void *)addr >= start && (void *)addr < start + static_size)
958                         return true;
959         }
960         return false;
961 }
962
963 /**
964  * per_cpu_ptr_to_phys - convert translated percpu address to physical address
965  * @addr: the address to be converted to physical address
966  *
967  * Given @addr which is dereferenceable address obtained via one of
968  * percpu access macros, this function translates it into its physical
969  * address.  The caller is responsible for ensuring @addr stays valid
970  * until this function finishes.
971  *
972  * RETURNS:
973  * The physical address for @addr.
974  */
975 phys_addr_t per_cpu_ptr_to_phys(void *addr)
976 {
977         if (pcpu_addr_in_first_chunk(addr)) {
978                 if ((unsigned long)addr < VMALLOC_START ||
979                     (unsigned long)addr >= VMALLOC_END)
980                         return __pa(addr);
981                 else
982                         return page_to_phys(vmalloc_to_page(addr));
983         } else
984                 return page_to_phys(pcpu_addr_to_page(addr));
985 }
986
987 static inline size_t pcpu_calc_fc_sizes(size_t static_size,
988                                         size_t reserved_size,
989                                         ssize_t *dyn_sizep)
990 {
991         size_t size_sum;
992
993         size_sum = PFN_ALIGN(static_size + reserved_size +
994                              (*dyn_sizep >= 0 ? *dyn_sizep : 0));
995         if (*dyn_sizep != 0)
996                 *dyn_sizep = size_sum - static_size - reserved_size;
997
998         return size_sum;
999 }
1000
1001 /**
1002  * pcpu_alloc_alloc_info - allocate percpu allocation info
1003  * @nr_groups: the number of groups
1004  * @nr_units: the number of units
1005  *
1006  * Allocate ai which is large enough for @nr_groups groups containing
1007  * @nr_units units.  The returned ai's groups[0].cpu_map points to the
1008  * cpu_map array which is long enough for @nr_units and filled with
1009  * NR_CPUS.  It's the caller's responsibility to initialize cpu_map
1010  * pointer of other groups.
1011  *
1012  * RETURNS:
1013  * Pointer to the allocated pcpu_alloc_info on success, NULL on
1014  * failure.
1015  */
1016 struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_alloc_alloc_info(int nr_groups,
1017                                                       int nr_units)
1018 {
1019         struct pcpu_alloc_info *ai;
1020         size_t base_size, ai_size;
1021         void *ptr;
1022         int unit;
1023
1024         base_size = ALIGN(sizeof(*ai) + nr_groups * sizeof(ai->groups[0]),
1025                           __alignof__(ai->groups[0].cpu_map[0]));
1026         ai_size = base_size + nr_units * sizeof(ai->groups[0].cpu_map[0]);
1027
1028         ptr = alloc_bootmem_nopanic(PFN_ALIGN(ai_size));
1029         if (!ptr)
1030                 return NULL;
1031         ai = ptr;
1032         ptr += base_size;
1033
1034         ai->groups[0].cpu_map = ptr;
1035
1036         for (unit = 0; unit < nr_units; unit++)
1037                 ai->groups[0].cpu_map[unit] = NR_CPUS;
1038
1039         ai->nr_groups = nr_groups;
1040         ai->__ai_size = PFN_ALIGN(ai_size);
1041
1042         return ai;
1043 }
1044
1045 /**
1046  * pcpu_free_alloc_info - free percpu allocation info
1047  * @ai: pcpu_alloc_info to free
1048  *
1049  * Free @ai which was allocated by pcpu_alloc_alloc_info().
1050  */
1051 void __init pcpu_free_alloc_info(struct pcpu_alloc_info *ai)
1052 {
1053         free_bootmem(__pa(ai), ai->__ai_size);
1054 }
1055
1056 /**
1057  * pcpu_build_alloc_info - build alloc_info considering distances between CPUs
1058  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
1059  * @dyn_size: free size for dynamic allocation in bytes, -1 for auto
1060  * @atom_size: allocation atom size
1061  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
1062  *
1063  * This function determines grouping of units, their mappings to cpus
1064  * and other parameters considering needed percpu size, allocation
1065  * atom size and distances between CPUs.
1066  *
1067  * Groups are always mutliples of atom size and CPUs which are of
1068  * LOCAL_DISTANCE both ways are grouped together and share space for
1069  * units in the same group.  The returned configuration is guaranteed
1070  * to have CPUs on different nodes on different groups and >=75% usage
1071  * of allocated virtual address space.
1072  *
1073  * RETURNS:
1074  * On success, pointer to the new allocation_info is returned.  On
1075  * failure, ERR_PTR value is returned.
1076  */
1077 struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_build_alloc_info(
1078                                 size_t reserved_size, ssize_t dyn_size,
1079                                 size_t atom_size,
1080                                 pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn)
1081 {
1082         static int group_map[NR_CPUS] __initdata;
1083         static int group_cnt[NR_CPUS] __initdata;
1084         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
1085         int group_cnt_max = 0, nr_groups = 1, nr_units = 0;
1086         size_t size_sum, min_unit_size, alloc_size;
1087         int upa, max_upa, uninitialized_var(best_upa);  /* units_per_alloc */
1088         int last_allocs, group, unit;
1089         unsigned int cpu, tcpu;
1090         struct pcpu_alloc_info *ai;
1091         unsigned int *cpu_map;
1092
1093         /* this function may be called multiple times */
1094         memset(group_map, 0, sizeof(group_map));
1095         memset(group_cnt, 0, sizeof(group_map));
1096
1097         /*
1098          * Determine min_unit_size, alloc_size and max_upa such that
1099          * alloc_size is multiple of atom_size and is the smallest
1100          * which can accomodate 4k aligned segments which are equal to
1101          * or larger than min_unit_size.
1102          */
1103         size_sum = pcpu_calc_fc_sizes(static_size, reserved_size, &dyn_size);
1104         min_unit_size = max_t(size_t, size_sum, PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
1105
1106         alloc_size = roundup(min_unit_size, atom_size);
1107         upa = alloc_size / min_unit_size;
1108         while (alloc_size % upa || ((alloc_size / upa) & ~PAGE_MASK))
1109                 upa--;
1110         max_upa = upa;
1111
1112         /* group cpus according to their proximity */
1113         for_each_possible_cpu(cpu) {
1114                 group = 0;
1115         next_group:
1116                 for_each_possible_cpu(tcpu) {
1117                         if (cpu == tcpu)
1118                                 break;
1119                         if (group_map[tcpu] == group && cpu_distance_fn &&
1120                             (cpu_distance_fn(cpu, tcpu) > LOCAL_DISTANCE ||
1121                              cpu_distance_fn(tcpu, cpu) > LOCAL_DISTANCE)) {
1122                                 group++;
1123                                 nr_groups = max(nr_groups, group + 1);
1124                                 goto next_group;
1125                         }
1126                 }
1127                 group_map[cpu] = group;
1128                 group_cnt[group]++;
1129                 group_cnt_max = max(group_cnt_max, group_cnt[group]);
1130         }
1131
1132         /*
1133          * Expand unit size until address space usage goes over 75%
1134          * and then as much as possible without using more address
1135          * space.
1136          */
1137         last_allocs = INT_MAX;
1138         for (upa = max_upa; upa; upa--) {
1139                 int allocs = 0, wasted = 0;
1140
1141                 if (alloc_size % upa || ((alloc_size / upa) & ~PAGE_MASK))
1142                         continue;
1143
1144                 for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
1145                         int this_allocs = DIV_ROUND_UP(group_cnt[group], upa);
1146                         allocs += this_allocs;
1147                         wasted += this_allocs * upa - group_cnt[group];
1148                 }
1149
1150                 /*
1151                  * Don't accept if wastage is over 25%.  The
1152                  * greater-than comparison ensures upa==1 always
1153                  * passes the following check.
1154                  */
1155                 if (wasted > num_possible_cpus() / 3)
1156                         continue;
1157
1158                 /* and then don't consume more memory */
1159                 if (allocs > last_allocs)
1160                         break;
1161                 last_allocs = allocs;
1162                 best_upa = upa;
1163         }
1164         upa = best_upa;
1165
1166         /* allocate and fill alloc_info */
1167         for (group = 0; group < nr_groups; group++)
1168                 nr_units += roundup(group_cnt[group], upa);
1169
1170         ai = pcpu_alloc_alloc_info(nr_groups, nr_units);
1171         if (!ai)
1172                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
1173         cpu_map = ai->groups[0].cpu_map;
1174
1175         for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
1176                 ai->groups[group].cpu_map = cpu_map;
1177                 cpu_map += roundup(group_cnt[group], upa);
1178         }
1179
1180         ai->static_size = static_size;
1181         ai->reserved_size = reserved_size;
1182         ai->dyn_size = dyn_size;
1183         ai->unit_size = alloc_size / upa;
1184         ai->atom_size = atom_size;
1185         ai->alloc_size = alloc_size;
1186
1187         for (group = 0, unit = 0; group_cnt[group]; group++) {
1188                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1189
1190                 /*
1191                  * Initialize base_offset as if all groups are located
1192                  * back-to-back.  The caller should update this to
1193                  * reflect actual allocation.
1194                  */
1195                 gi->base_offset = unit * ai->unit_size;
1196
1197                 for_each_possible_cpu(cpu)
1198                         if (group_map[cpu] == group)
1199                                 gi->cpu_map[gi->nr_units++] = cpu;
1200                 gi->nr_units = roundup(gi->nr_units, upa);
1201                 unit += gi->nr_units;
1202         }
1203         BUG_ON(unit != nr_units);
1204
1205         return ai;
1206 }
1207
1208 /**
1209  * pcpu_dump_alloc_info - print out information about pcpu_alloc_info
1210  * @lvl: loglevel
1211  * @ai: allocation info to dump
1212  *
1213  * Print out information about @ai using loglevel @lvl.
1214  */
1215 static void pcpu_dump_alloc_info(const char *lvl,
1216                                  const struct pcpu_alloc_info *ai)
1217 {
1218         int group_width = 1, cpu_width = 1, width;
1219         char empty_str[] = "--------";
1220         int alloc = 0, alloc_end = 0;
1221         int group, v;
1222         int upa, apl;   /* units per alloc, allocs per line */
1223
1224         v = ai->nr_groups;
1225         while (v /= 10)
1226                 group_width++;
1227
1228         v = num_possible_cpus();
1229         while (v /= 10)
1230                 cpu_width++;
1231         empty_str[min_t(int, cpu_width, sizeof(empty_str) - 1)] = '\0';
1232
1233         upa = ai->alloc_size / ai->unit_size;
1234         width = upa * (cpu_width + 1) + group_width + 3;
1235         apl = rounddown_pow_of_two(max(60 / width, 1));
1236
1237         printk("%spcpu-alloc: s%zu r%zu d%zu u%zu alloc=%zu*%zu",
1238                lvl, ai->static_size, ai->reserved_size, ai->dyn_size,
1239                ai->unit_size, ai->alloc_size / ai->atom_size, ai->atom_size);
1240
1241         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
1242                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1243                 int unit = 0, unit_end = 0;
1244
1245                 BUG_ON(gi->nr_units % upa);
1246                 for (alloc_end += gi->nr_units / upa;
1247                      alloc < alloc_end; alloc++) {
1248                         if (!(alloc % apl)) {
1249                                 printk("\n");
1250                                 printk("%spcpu-alloc: ", lvl);
1251                         }
1252                         printk("[%0*d] ", group_width, group);
1253
1254                         for (unit_end += upa; unit < unit_end; unit++)
1255                                 if (gi->cpu_map[unit] != NR_CPUS)
1256                                         printk("%0*d ", cpu_width,
1257                                                gi->cpu_map[unit]);
1258                                 else
1259                                         printk("%s ", empty_str);
1260                 }
1261         }
1262         printk("\n");
1263 }
1264
1265 /**
1266  * pcpu_setup_first_chunk - initialize the first percpu chunk
1267  * @ai: pcpu_alloc_info describing how to percpu area is shaped
1268  * @base_addr: mapped address
1269  *
1270  * Initialize the first percpu chunk which contains the kernel static
1271  * perpcu area.  This function is to be called from arch percpu area
1272  * setup path.
1273  *
1274  * @ai contains all information necessary to initialize the first
1275  * chunk and prime the dynamic percpu allocator.
1276  *
1277  * @ai->static_size is the size of static percpu area.
1278  *
1279  * @ai->reserved_size, if non-zero, specifies the amount of bytes to
1280  * reserve after the static area in the first chunk.  This reserves
1281  * the first chunk such that it's available only through reserved
1282  * percpu allocation.  This is primarily used to serve module percpu
1283  * static areas on architectures where the addressing model has
1284  * limited offset range for symbol relocations to guarantee module
1285  * percpu symbols fall inside the relocatable range.
1286  *
1287  * @ai->dyn_size determines the number of bytes available for dynamic
1288  * allocation in the first chunk.  The area between @ai->static_size +
1289  * @ai->reserved_size + @ai->dyn_size and @ai->unit_size is unused.
1290  *
1291  * @ai->unit_size specifies unit size and must be aligned to PAGE_SIZE
1292  * and equal to or larger than @ai->static_size + @ai->reserved_size +
1293  * @ai->dyn_size.
1294  *
1295  * @ai->atom_size is the allocation atom size and used as alignment
1296  * for vm areas.
1297  *
1298  * @ai->alloc_size is the allocation size and always multiple of
1299  * @ai->atom_size.  This is larger than @ai->atom_size if
1300  * @ai->unit_size is larger than @ai->atom_size.
1301  *
1302  * @ai->nr_groups and @ai->groups describe virtual memory layout of
1303  * percpu areas.  Units which should be colocated are put into the
1304  * same group.  Dynamic VM areas will be allocated according to these
1305  * groupings.  If @ai->nr_groups is zero, a single group containing
1306  * all units is assumed.
1307  *
1308  * The caller should have mapped the first chunk at @base_addr and
1309  * copied static data to each unit.
1310  *
1311  * If the first chunk ends up with both reserved and dynamic areas, it
1312  * is served by two chunks - one to serve the core static and reserved
1313  * areas and the other for the dynamic area.  They share the same vm
1314  * and page map but uses different area allocation map to stay away
1315  * from each other.  The latter chunk is circulated in the chunk slots
1316  * and available for dynamic allocation like any other chunks.
1317  *
1318  * RETURNS:
1319  * 0 on success, -errno on failure.
1320  */
1321 int __init pcpu_setup_first_chunk(const struct pcpu_alloc_info *ai,
1322                                   void *base_addr)
1323 {
1324         static char cpus_buf[4096] __initdata;
1325         static int smap[2], dmap[2];
1326         size_t dyn_size = ai->dyn_size;
1327         size_t size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + dyn_size;
1328         struct pcpu_chunk *schunk, *dchunk = NULL;
1329         unsigned long *group_offsets;
1330         size_t *group_sizes;
1331         unsigned long *unit_off;
1332         unsigned int cpu;
1333         int *unit_map;
1334         int group, unit, i;
1335
1336         cpumask_scnprintf(cpus_buf, sizeof(cpus_buf), cpu_possible_mask);
1337
1338 #define PCPU_SETUP_BUG_ON(cond) do {                                    \
1339         if (unlikely(cond)) {                                           \
1340                 pr_emerg("PERCPU: failed to initialize, %s", #cond);    \
1341                 pr_emerg("PERCPU: cpu_possible_mask=%s\n", cpus_buf);   \
1342                 pcpu_dump_alloc_info(KERN_EMERG, ai);                   \
1343                 BUG();                                                  \
1344         }                                                               \
1345 } while (0)
1346
1347         /* sanity checks */
1348         BUILD_BUG_ON(ARRAY_SIZE(smap) >= PCPU_DFL_MAP_ALLOC ||
1349                      ARRAY_SIZE(dmap) >= PCPU_DFL_MAP_ALLOC);
1350         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->nr_groups <= 0);
1351         PCPU_SETUP_BUG_ON(!ai->static_size);
1352         PCPU_SETUP_BUG_ON(!base_addr);
1353         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < size_sum);
1354         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size & ~PAGE_MASK);
1355         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
1356         PCPU_SETUP_BUG_ON(pcpu_verify_alloc_info(ai) < 0);
1357
1358         /* process group information and build config tables accordingly */
1359         group_offsets = alloc_bootmem(ai->nr_groups * sizeof(group_offsets[0]));
1360         group_sizes = alloc_bootmem(ai->nr_groups * sizeof(group_sizes[0]));
1361         unit_map = alloc_bootmem(nr_cpu_ids * sizeof(unit_map[0]));
1362         unit_off = alloc_bootmem(nr_cpu_ids * sizeof(unit_off[0]));
1363
1364         for (cpu = 0; cpu < nr_cpu_ids; cpu++)
1365                 unit_map[cpu] = UINT_MAX;
1366         pcpu_first_unit_cpu = NR_CPUS;
1367
1368         for (group = 0, unit = 0; group < ai->nr_groups; group++, unit += i) {
1369                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1370
1371                 group_offsets[group] = gi->base_offset;
1372                 group_sizes[group] = gi->nr_units * ai->unit_size;
1373
1374                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++) {
1375                         cpu = gi->cpu_map[i];
1376                         if (cpu == NR_CPUS)
1377                                 continue;
1378
1379                         PCPU_SETUP_BUG_ON(cpu > nr_cpu_ids);
1380                         PCPU_SETUP_BUG_ON(!cpu_possible(cpu));
1381                         PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] != UINT_MAX);
1382
1383                         unit_map[cpu] = unit + i;
1384                         unit_off[cpu] = gi->base_offset + i * ai->unit_size;
1385
1386                         if (pcpu_first_unit_cpu == NR_CPUS)
1387                                 pcpu_first_unit_cpu = cpu;
1388                 }
1389         }
1390         pcpu_last_unit_cpu = cpu;
1391         pcpu_nr_units = unit;
1392
1393         for_each_possible_cpu(cpu)
1394                 PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] == UINT_MAX);
1395
1396         /* we're done parsing the input, undefine BUG macro and dump config */
1397 #undef PCPU_SETUP_BUG_ON
1398         pcpu_dump_alloc_info(KERN_INFO, ai);
1399
1400         pcpu_nr_groups = ai->nr_groups;
1401         pcpu_group_offsets = group_offsets;
1402         pcpu_group_sizes = group_sizes;
1403         pcpu_unit_map = unit_map;
1404         pcpu_unit_offsets = unit_off;
1405
1406         /* determine basic parameters */
1407         pcpu_unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
1408         pcpu_unit_size = pcpu_unit_pages << PAGE_SHIFT;
1409         pcpu_atom_size = ai->atom_size;
1410         pcpu_chunk_struct_size = sizeof(struct pcpu_chunk) +
1411                 BITS_TO_LONGS(pcpu_unit_pages) * sizeof(unsigned long);
1412
1413         /*
1414          * Allocate chunk slots.  The additional last slot is for
1415          * empty chunks.
1416          */
1417         pcpu_nr_slots = __pcpu_size_to_slot(pcpu_unit_size) + 2;
1418         pcpu_slot = alloc_bootmem(pcpu_nr_slots * sizeof(pcpu_slot[0]));
1419         for (i = 0; i < pcpu_nr_slots; i++)
1420                 INIT_LIST_HEAD(&pcpu_slot[i]);
1421
1422         /*
1423          * Initialize static chunk.  If reserved_size is zero, the
1424          * static chunk covers static area + dynamic allocation area
1425          * in the first chunk.  If reserved_size is not zero, it
1426          * covers static area + reserved area (mostly used for module
1427          * static percpu allocation).
1428          */
1429         schunk = alloc_bootmem(pcpu_chunk_struct_size);
1430         INIT_LIST_HEAD(&schunk->list);
1431         schunk->base_addr = base_addr;
1432         schunk->map = smap;
1433         schunk->map_alloc = ARRAY_SIZE(smap);
1434         schunk->immutable = true;
1435         bitmap_fill(schunk->populated, pcpu_unit_pages);
1436
1437         if (ai->reserved_size) {
1438                 schunk->free_size = ai->reserved_size;
1439                 pcpu_reserved_chunk = schunk;
1440                 pcpu_reserved_chunk_limit = ai->static_size + ai->reserved_size;
1441         } else {
1442                 schunk->free_size = dyn_size;
1443                 dyn_size = 0;                   /* dynamic area covered */
1444         }
1445         schunk->contig_hint = schunk->free_size;
1446
1447         schunk->map[schunk->map_used++] = -ai->static_size;
1448         if (schunk->free_size)
1449                 schunk->map[schunk->map_used++] = schunk->free_size;
1450
1451         /* init dynamic chunk if necessary */
1452         if (dyn_size) {
1453                 dchunk = alloc_bootmem(pcpu_chunk_struct_size);
1454                 INIT_LIST_HEAD(&dchunk->list);
1455                 dchunk->base_addr = base_addr;
1456                 dchunk->map = dmap;
1457                 dchunk->map_alloc = ARRAY_SIZE(dmap);
1458                 dchunk->immutable = true;
1459                 bitmap_fill(dchunk->populated, pcpu_unit_pages);
1460
1461                 dchunk->contig_hint = dchunk->free_size = dyn_size;
1462                 dchunk->map[dchunk->map_used++] = -pcpu_reserved_chunk_limit;
1463                 dchunk->map[dchunk->map_used++] = dchunk->free_size;
1464         }
1465
1466         /* link the first chunk in */
1467         pcpu_first_chunk = dchunk ?: schunk;
1468         pcpu_chunk_relocate(pcpu_first_chunk, -1);
1469
1470         /* we're done */
1471         pcpu_base_addr = base_addr;
1472         return 0;
1473 }
1474
1475 const char *pcpu_fc_names[PCPU_FC_NR] __initdata = {
1476         [PCPU_FC_AUTO]  = "auto",
1477         [PCPU_FC_EMBED] = "embed",
1478         [PCPU_FC_PAGE]  = "page",
1479 };
1480
1481 enum pcpu_fc pcpu_chosen_fc __initdata = PCPU_FC_AUTO;
1482
1483 static int __init percpu_alloc_setup(char *str)
1484 {
1485         if (0)
1486                 /* nada */;
1487 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK
1488         else if (!strcmp(str, "embed"))
1489                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_EMBED;
1490 #endif
1491 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
1492         else if (!strcmp(str, "page"))
1493                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_PAGE;
1494 #endif
1495         else
1496                 pr_warning("PERCPU: unknown allocator %s specified\n", str);
1497
1498         return 0;
1499 }
1500 early_param("percpu_alloc", percpu_alloc_setup);
1501
1502 #if defined(CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK) || \
1503         !defined(CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA)
1504 /**
1505  * pcpu_embed_first_chunk - embed the first percpu chunk into bootmem
1506  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
1507  * @dyn_size: free size for dynamic allocation in bytes, -1 for auto
1508  * @atom_size: allocation atom size
1509  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
1510  * @alloc_fn: function to allocate percpu page
1511  * @free_fn: funtion to free percpu page
1512  *
1513  * This is a helper to ease setting up embedded first percpu chunk and
1514  * can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
1515  *
1516  * If this function is used to setup the first chunk, it is allocated
1517  * by calling @alloc_fn and used as-is without being mapped into
1518  * vmalloc area.  Allocations are always whole multiples of @atom_size
1519  * aligned to @atom_size.
1520  *
1521  * This enables the first chunk to piggy back on the linear physical
1522  * mapping which often uses larger page size.  Please note that this
1523  * can result in very sparse cpu->unit mapping on NUMA machines thus
1524  * requiring large vmalloc address space.  Don't use this allocator if
1525  * vmalloc space is not orders of magnitude larger than distances
1526  * between node memory addresses (ie. 32bit NUMA machines).
1527  *
1528  * When @dyn_size is positive, dynamic area might be larger than
1529  * specified to fill page alignment.  When @dyn_size is auto,
1530  * @dyn_size is just big enough to fill page alignment after static
1531  * and reserved areas.
1532  *
1533  * If the needed size is smaller than the minimum or specified unit
1534  * size, the leftover is returned using @free_fn.
1535  *
1536  * RETURNS:
1537  * 0 on success, -errno on failure.
1538  */
1539 int __init pcpu_embed_first_chunk(size_t reserved_size, ssize_t dyn_size,
1540                                   size_t atom_size,
1541                                   pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn,
1542                                   pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
1543                                   pcpu_fc_free_fn_t free_fn)
1544 {
1545         void *base = (void *)ULONG_MAX;
1546         void **areas = NULL;
1547         struct pcpu_alloc_info *ai;
1548         size_t size_sum, areas_size, max_distance;
1549         int group, i, rc;
1550
1551         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, dyn_size, atom_size,
1552                                    cpu_distance_fn);
1553         if (IS_ERR(ai))
1554                 return PTR_ERR(ai);
1555
1556         size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + ai->dyn_size;
1557         areas_size = PFN_ALIGN(ai->nr_groups * sizeof(void *));
1558
1559         areas = alloc_bootmem_nopanic(areas_size);
1560         if (!areas) {
1561                 rc = -ENOMEM;
1562                 goto out_free;
1563         }
1564
1565         /* allocate, copy and determine base address */
1566         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
1567                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1568                 unsigned int cpu = NR_CPUS;
1569                 void *ptr;
1570
1571                 for (i = 0; i < gi->nr_units && cpu == NR_CPUS; i++)
1572                         cpu = gi->cpu_map[i];
1573                 BUG_ON(cpu == NR_CPUS);
1574
1575                 /* allocate space for the whole group */
1576                 ptr = alloc_fn(cpu, gi->nr_units * ai->unit_size, atom_size);
1577                 if (!ptr) {
1578                         rc = -ENOMEM;
1579                         goto out_free_areas;
1580                 }
1581                 areas[group] = ptr;
1582
1583                 base = min(ptr, base);
1584
1585                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++, ptr += ai->unit_size) {
1586                         if (gi->cpu_map[i] == NR_CPUS) {
1587                                 /* unused unit, free whole */
1588                                 free_fn(ptr, ai->unit_size);
1589                                 continue;
1590                         }
1591                         /* copy and return the unused part */
1592                         memcpy(ptr, __per_cpu_load, ai->static_size);
1593                         free_fn(ptr + size_sum, ai->unit_size - size_sum);
1594                 }
1595         }
1596
1597         /* base address is now known, determine group base offsets */
1598         max_distance = 0;
1599         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
1600                 ai->groups[group].base_offset = areas[group] - base;
1601                 max_distance = max_t(size_t, max_distance,
1602                                      ai->groups[group].base_offset);
1603         }
1604         max_distance += ai->unit_size;
1605
1606         /* warn if maximum distance is further than 75% of vmalloc space */
1607         if (max_distance > (VMALLOC_END - VMALLOC_START) * 3 / 4) {
1608                 pr_warning("PERCPU: max_distance=0x%zx too large for vmalloc "
1609                            "space 0x%lx\n",
1610                            max_distance, VMALLOC_END - VMALLOC_START);
1611 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
1612                 /* and fail if we have fallback */
1613                 rc = -EINVAL;
1614                 goto out_free;
1615 #endif
1616         }
1617
1618         pr_info("PERCPU: Embedded %zu pages/cpu @%p s%zu r%zu d%zu u%zu\n",
1619                 PFN_DOWN(size_sum), base, ai->static_size, ai->reserved_size,
1620                 ai->dyn_size, ai->unit_size);
1621
1622         rc = pcpu_setup_first_chunk(ai, base);
1623         goto out_free;
1624
1625 out_free_areas:
1626         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++)
1627                 free_fn(areas[group],
1628                         ai->groups[group].nr_units * ai->unit_size);
1629 out_free:
1630         pcpu_free_alloc_info(ai);
1631         if (areas)
1632                 free_bootmem(__pa(areas), areas_size);
1633         return rc;
1634 }
1635 #endif /* CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK ||
1636           !CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA */
1637
1638 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
1639 /**
1640  * pcpu_page_first_chunk - map the first chunk using PAGE_SIZE pages
1641  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
1642  * @alloc_fn: function to allocate percpu page, always called with PAGE_SIZE
1643  * @free_fn: funtion to free percpu page, always called with PAGE_SIZE
1644  * @populate_pte_fn: function to populate pte
1645  *
1646  * This is a helper to ease setting up page-remapped first percpu
1647  * chunk and can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
1648  *
1649  * This is the basic allocator.  Static percpu area is allocated
1650  * page-by-page into vmalloc area.
1651  *
1652  * RETURNS:
1653  * 0 on success, -errno on failure.
1654  */
1655 int __init pcpu_page_first_chunk(size_t reserved_size,
1656                                  pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
1657                                  pcpu_fc_free_fn_t free_fn,
1658                                  pcpu_fc_populate_pte_fn_t populate_pte_fn)
1659 {
1660         static struct vm_struct vm;
1661         struct pcpu_alloc_info *ai;
1662         char psize_str[16];
1663         int unit_pages;
1664         size_t pages_size;
1665         struct page **pages;
1666         int unit, i, j, rc;
1667
1668         snprintf(psize_str, sizeof(psize_str), "%luK", PAGE_SIZE >> 10);
1669
1670         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, -1, PAGE_SIZE, NULL);
1671         if (IS_ERR(ai))
1672                 return PTR_ERR(ai);
1673         BUG_ON(ai->nr_groups != 1);
1674         BUG_ON(ai->groups[0].nr_units != num_possible_cpus());
1675
1676         unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
1677
1678         /* unaligned allocations can't be freed, round up to page size */
1679         pages_size = PFN_ALIGN(unit_pages * num_possible_cpus() *
1680                                sizeof(pages[0]));
1681         pages = alloc_bootmem(pages_size);
1682
1683         /* allocate pages */
1684         j = 0;
1685         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++)
1686                 for (i = 0; i < unit_pages; i++) {
1687                         unsigned int cpu = ai->groups[0].cpu_map[unit];
1688                         void *ptr;
1689
1690                         ptr = alloc_fn(cpu, PAGE_SIZE, PAGE_SIZE);
1691                         if (!ptr) {
1692                                 pr_warning("PERCPU: failed to allocate %s page "
1693                                            "for cpu%u\n", psize_str, cpu);
1694                                 goto enomem;
1695                         }
1696                         pages[j++] = virt_to_page(ptr);
1697                 }
1698
1699         /* allocate vm area, map the pages and copy static data */
1700         vm.flags = VM_ALLOC;
1701         vm.size = num_possible_cpus() * ai->unit_size;
1702         vm_area_register_early(&vm, PAGE_SIZE);
1703
1704         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++) {
1705                 unsigned long unit_addr =
1706                         (unsigned long)vm.addr + unit * ai->unit_size;
1707
1708                 for (i = 0; i < unit_pages; i++)
1709                         populate_pte_fn(unit_addr + (i << PAGE_SHIFT));
1710
1711                 /* pte already populated, the following shouldn't fail */
1712                 rc = __pcpu_map_pages(unit_addr, &pages[unit * unit_pages],
1713                                       unit_pages);
1714                 if (rc < 0)
1715                         panic("failed to map percpu area, err=%d\n", rc);
1716
1717                 /*
1718                  * FIXME: Archs with virtual cache should flush local
1719                  * cache for the linear mapping here - something
1720                  * equivalent to flush_cache_vmap() on the local cpu.
1721                  * flush_cache_vmap() can't be used as most supporting
1722                  * data structures are not set up yet.
1723                  */
1724
1725                 /* copy static data */
1726                 memcpy((void *)unit_addr, __per_cpu_load, ai->static_size);
1727         }
1728
1729         /* we're ready, commit */
1730         pr_info("PERCPU: %d %s pages/cpu @%p s%zu r%zu d%zu\n",
1731                 unit_pages, psize_str, vm.addr, ai->static_size,
1732                 ai->reserved_size, ai->dyn_size);
1733
1734         rc = pcpu_setup_first_chunk(ai, vm.addr);
1735         goto out_free_ar;
1736
1737 enomem:
1738         while (--j >= 0)
1739                 free_fn(page_address(pages[j]), PAGE_SIZE);
1740         rc = -ENOMEM;
1741 out_free_ar:
1742         free_bootmem(__pa(pages), pages_size);
1743         pcpu_free_alloc_info(ai);
1744         return rc;
1745 }
1746 #endif /* CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK */
1747
1748 /*
1749  * Generic percpu area setup.
1750  *
1751  * The embedding helper is used because its behavior closely resembles
1752  * the original non-dynamic generic percpu area setup.  This is
1753  * important because many archs have addressing restrictions and might
1754  * fail if the percpu area is located far away from the previous
1755  * location.  As an added bonus, in non-NUMA cases, embedding is
1756  * generally a good idea TLB-wise because percpu area can piggy back
1757  * on the physical linear memory mapping which uses large page
1758  * mappings on applicable archs.
1759  */
1760 #ifndef CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA
1761 unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS] __read_mostly;
1762 EXPORT_SYMBOL(__per_cpu_offset);
1763
1764 static void * __init pcpu_dfl_fc_alloc(unsigned int cpu, size_t size,
1765                                        size_t align)
1766 {
1767         return __alloc_bootmem_nopanic(size, align, __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
1768 }
1769
1770 static void __init pcpu_dfl_fc_free(void *ptr, size_t size)
1771 {
1772         free_bootmem(__pa(ptr), size);
1773 }
1774
1775 void __init setup_per_cpu_areas(void)
1776 {
1777         unsigned long delta;
1778         unsigned int cpu;
1779         int rc;
1780
1781         /*
1782          * Always reserve area for module percpu variables.  That's
1783          * what the legacy allocator did.
1784          */
1785         rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,
1786                                     PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE, NULL,
1787                                     pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);
1788         if (rc < 0)
1789                 panic("Failed to initialized percpu areas.");
1790
1791         delta = (unsigned long)pcpu_base_addr - (unsigned long)__per_cpu_start;
1792         for_each_possible_cpu(cpu)
1793                 __per_cpu_offset[cpu] = delta + pcpu_unit_offsets[cpu];
1794 }
1795 #endif /* CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA */