18535abfad40e05ac9aaa8bbaa566c32c9a11188
[cascardo/linux.git] / mm / zsmalloc.c
1 /*
2  * zsmalloc memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2011  Nitin Gupta
5  * Copyright (C) 2012, 2013 Minchan Kim
6  *
7  * This code is released using a dual license strategy: BSD/GPL
8  * You can choose the license that better fits your requirements.
9  *
10  * Released under the terms of 3-clause BSD License
11  * Released under the terms of GNU General Public License Version 2.0
12  */
13
14 /*
15  * Following is how we use various fields and flags of underlying
16  * struct page(s) to form a zspage.
17  *
18  * Usage of struct page fields:
19  *      page->private: points to the first component (0-order) page
20  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
21  *              starting in this page. For the first page, this is
22  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
23  *              to the first free object in zspage.
24  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
25  *              of a zspage
26  *
27  *      For _first_ page only:
28  *
29  *      page->private: refers to the component page after the first page
30  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
31  *              Look at size_class->huge.
32  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
33  *              Free objects are linked together using in-place
34  *              metadata.
35  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
36  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
37  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
38  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
39  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
40  *      page->inuse: the number of objects that are used in this zspage
41  *
42  * Usage of struct page flags:
43  *      PG_private: identifies the first component page
44  *      PG_private2: identifies the last component page
45  *
46  */
47
48 #include <linux/module.h>
49 #include <linux/kernel.h>
50 #include <linux/sched.h>
51 #include <linux/bitops.h>
52 #include <linux/errno.h>
53 #include <linux/highmem.h>
54 #include <linux/string.h>
55 #include <linux/slab.h>
56 #include <asm/tlbflush.h>
57 #include <asm/pgtable.h>
58 #include <linux/cpumask.h>
59 #include <linux/cpu.h>
60 #include <linux/vmalloc.h>
61 #include <linux/preempt.h>
62 #include <linux/spinlock.h>
63 #include <linux/types.h>
64 #include <linux/debugfs.h>
65 #include <linux/zsmalloc.h>
66 #include <linux/zpool.h>
67
68 /*
69  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
70  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
71  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
72  * to restore link_free pointer values.
73  */
74 #define ZS_ALIGN                8
75
76 /*
77  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
78  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
79  */
80 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
81 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
82
83 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
84
85 /*
86  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
87  * as single (unsigned long) handle value.
88  *
89  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
90  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
91  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
92  *
93  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
94  */
95
96 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
97 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
98 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
99 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
100 /*
101  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
102  * be PAGE_SHIFT
103  */
104 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
105 #endif
106 #endif
107 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
108
109 /*
110  * Memory for allocating for handle keeps object position by
111  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
112  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
113  * We use the bit to synchronize between object access by
114  * user and migration.
115  */
116 #define HANDLE_PIN_BIT  0
117
118 /*
119  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
120  * to identify the object was allocated or not.
121  * It's okay to add the status bit in the least bit because
122  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
123  * have room for two bit at least.
124  */
125 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
126 #define OBJ_TAG_BITS 1
127 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
128 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
129
130 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
131 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
132 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
133         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
134 /* each chunk includes extra space to keep handle */
135 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
136
137 /*
138  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
139  * trader-off here:
140  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
141  *    spread across these classes
142  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
143  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
144  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
145  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
146  *
147  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
148  *  (reason above)
149  */
150 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
151
152 /*
153  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
154  */
155 enum fullness_group {
156         ZS_ALMOST_FULL,
157         ZS_ALMOST_EMPTY,
158         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
159
160         ZS_EMPTY,
161         ZS_FULL
162 };
163
164 enum zs_stat_type {
165         OBJ_ALLOCATED,
166         OBJ_USED,
167         CLASS_ALMOST_FULL,
168         CLASS_ALMOST_EMPTY,
169 };
170
171 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
172 #define NR_ZS_STAT_TYPE (CLASS_ALMOST_EMPTY + 1)
173 #else
174 #define NR_ZS_STAT_TYPE (OBJ_USED + 1)
175 #endif
176
177 struct zs_size_stat {
178         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
179 };
180
181 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
182 static struct dentry *zs_stat_root;
183 #endif
184
185 /*
186  * number of size_classes
187  */
188 static int zs_size_classes;
189
190 /*
191  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
192  *      n <= N / f, where
193  * n = number of allocated objects
194  * N = total number of objects zspage can store
195  * f = fullness_threshold_frac
196  *
197  * Similarly, we assign zspage to:
198  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
199  *      ZS_EMPTY        when n == 0
200  *      ZS_FULL         when n == N
201  *
202  * (see: fix_fullness_group())
203  */
204 static const int fullness_threshold_frac = 4;
205
206 struct size_class {
207         spinlock_t lock;
208         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
209         /*
210          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
211          * of ZS_ALIGN.
212          */
213         int size;
214         unsigned int index;
215
216         struct zs_size_stat stats;
217
218         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
219         int pages_per_zspage;
220         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
221         bool huge;
222 };
223
224 /*
225  * Placed within free objects to form a singly linked list.
226  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
227  *
228  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
229  */
230 struct link_free {
231         union {
232                 /*
233                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
234                  * It's valid for non-allocated object
235                  */
236                 void *next;
237                 /*
238                  * Handle of allocated object.
239                  */
240                 unsigned long handle;
241         };
242 };
243
244 struct zs_pool {
245         const char *name;
246
247         struct size_class **size_class;
248         struct kmem_cache *handle_cachep;
249
250         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
251         atomic_long_t pages_allocated;
252
253         struct zs_pool_stats stats;
254
255         /* Compact classes */
256         struct shrinker shrinker;
257         /*
258          * To signify that register_shrinker() was successful
259          * and unregister_shrinker() will not Oops.
260          */
261         bool shrinker_enabled;
262 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
263         struct dentry *stat_dentry;
264 #endif
265 };
266
267 /*
268  * A zspage's class index and fullness group
269  * are encoded in its (first)page->mapping
270  */
271 #define CLASS_IDX_BITS  28
272 #define FULLNESS_BITS   4
273 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
274 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
275
276 struct mapping_area {
277 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
278         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
279 #else
280         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
281 #endif
282         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
283         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
284 };
285
286 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
287 {
288         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
289                                         0, 0, NULL);
290         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
291 }
292
293 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
294 {
295         kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
296 }
297
298 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool)
299 {
300         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
301                 pool->flags & ~__GFP_HIGHMEM);
302 }
303
304 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
305 {
306         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
307 }
308
309 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
310 {
311         /*
312          * lsb of @obj represents handle lock while other bits
313          * represent object value the handle is pointing so
314          * updating shouldn't do store tearing.
315          */
316         WRITE_ONCE(*(unsigned long *)handle, obj);
317 }
318
319 /* zpool driver */
320
321 #ifdef CONFIG_ZPOOL
322
323 static void *zs_zpool_create(const char *name, gfp_t gfp,
324                              const struct zpool_ops *zpool_ops,
325                              struct zpool *zpool)
326 {
327         return zs_create_pool(name, gfp);
328 }
329
330 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
331 {
332         zs_destroy_pool(pool);
333 }
334
335 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
336                         unsigned long *handle)
337 {
338         *handle = zs_malloc(pool, size);
339         return *handle ? 0 : -1;
340 }
341 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
342 {
343         zs_free(pool, handle);
344 }
345
346 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
347                         unsigned int *reclaimed)
348 {
349         return -EINVAL;
350 }
351
352 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
353                         enum zpool_mapmode mm)
354 {
355         enum zs_mapmode zs_mm;
356
357         switch (mm) {
358         case ZPOOL_MM_RO:
359                 zs_mm = ZS_MM_RO;
360                 break;
361         case ZPOOL_MM_WO:
362                 zs_mm = ZS_MM_WO;
363                 break;
364         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
365         default:
366                 zs_mm = ZS_MM_RW;
367                 break;
368         }
369
370         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
371 }
372 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
373 {
374         zs_unmap_object(pool, handle);
375 }
376
377 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
378 {
379         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
380 }
381
382 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
383         .type =         "zsmalloc",
384         .owner =        THIS_MODULE,
385         .create =       zs_zpool_create,
386         .destroy =      zs_zpool_destroy,
387         .malloc =       zs_zpool_malloc,
388         .free =         zs_zpool_free,
389         .shrink =       zs_zpool_shrink,
390         .map =          zs_zpool_map,
391         .unmap =        zs_zpool_unmap,
392         .total_size =   zs_zpool_total_size,
393 };
394
395 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
396 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
397
398 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
399 {
400         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
401 }
402
403 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
404 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
405
406 static int is_first_page(struct page *page)
407 {
408         return PagePrivate(page);
409 }
410
411 static int is_last_page(struct page *page)
412 {
413         return PagePrivate2(page);
414 }
415
416 static void get_zspage_mapping(struct page *first_page,
417                                 unsigned int *class_idx,
418                                 enum fullness_group *fullness)
419 {
420         unsigned long m;
421         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
422
423         m = (unsigned long)first_page->mapping;
424         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
425         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
426 }
427
428 static void set_zspage_mapping(struct page *first_page,
429                                 unsigned int class_idx,
430                                 enum fullness_group fullness)
431 {
432         unsigned long m;
433         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
434
435         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
436                         (fullness & FULLNESS_MASK);
437         first_page->mapping = (struct address_space *)m;
438 }
439
440 /*
441  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
442  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
443  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
444  * classes depending on its size. This function returns index of the
445  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
446  */
447 static int get_size_class_index(int size)
448 {
449         int idx = 0;
450
451         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
452                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
453                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
454
455         return min(zs_size_classes - 1, idx);
456 }
457
458 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
459                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
460 {
461         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
462                 class->stats.objs[type] += cnt;
463 }
464
465 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
466                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
467 {
468         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
469                 class->stats.objs[type] -= cnt;
470 }
471
472 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
473                                 enum zs_stat_type type)
474 {
475         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
476                 return class->stats.objs[type];
477         return 0;
478 }
479
480 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
481
482 static int __init zs_stat_init(void)
483 {
484         if (!debugfs_initialized())
485                 return -ENODEV;
486
487         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
488         if (!zs_stat_root)
489                 return -ENOMEM;
490
491         return 0;
492 }
493
494 static void __exit zs_stat_exit(void)
495 {
496         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
497 }
498
499 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class);
500
501 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
502 {
503         int i;
504         struct zs_pool *pool = s->private;
505         struct size_class *class;
506         int objs_per_zspage;
507         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
508         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used, freeable;
509         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
510         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
511         unsigned long total_freeable = 0;
512
513         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s %8s\n",
514                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
515                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
516                         "pages_per_zspage", "freeable");
517
518         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
519                 class = pool->size_class[i];
520
521                 if (class->index != i)
522                         continue;
523
524                 spin_lock(&class->lock);
525                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
526                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
527                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
528                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
529                 freeable = zs_can_compact(class);
530                 spin_unlock(&class->lock);
531
532                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
533                                 class->pages_per_zspage);
534                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
535                                 class->pages_per_zspage;
536
537                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu"
538                                 " %10lu %10lu %16d %8lu\n",
539                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
540                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
541                         class->pages_per_zspage, freeable);
542
543                 total_class_almost_full += class_almost_full;
544                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
545                 total_objs += obj_allocated;
546                 total_used_objs += obj_used;
547                 total_pages += pages_used;
548                 total_freeable += freeable;
549         }
550
551         seq_puts(s, "\n");
552         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16s %8lu\n",
553                         "Total", "", total_class_almost_full,
554                         total_class_almost_empty, total_objs,
555                         total_used_objs, total_pages, "", total_freeable);
556
557         return 0;
558 }
559
560 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
561 {
562         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
563 }
564
565 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
566         .open           = zs_stats_size_open,
567         .read           = seq_read,
568         .llseek         = seq_lseek,
569         .release        = single_release,
570 };
571
572 static int zs_pool_stat_create(struct zs_pool *pool, const char *name)
573 {
574         struct dentry *entry;
575
576         if (!zs_stat_root)
577                 return -ENODEV;
578
579         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
580         if (!entry) {
581                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
582                 return -ENOMEM;
583         }
584         pool->stat_dentry = entry;
585
586         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
587                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
588         if (!entry) {
589                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
590                                 name, "classes");
591                 return -ENOMEM;
592         }
593
594         return 0;
595 }
596
597 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
598 {
599         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
600 }
601
602 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
603 static int __init zs_stat_init(void)
604 {
605         return 0;
606 }
607
608 static void __exit zs_stat_exit(void)
609 {
610 }
611
612 static inline int zs_pool_stat_create(struct zs_pool *pool, const char *name)
613 {
614         return 0;
615 }
616
617 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
618 {
619 }
620 #endif
621
622
623 /*
624  * For each size class, zspages are divided into different groups
625  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
626  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
627  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
628  * status of the given page.
629  */
630 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *first_page)
631 {
632         int inuse, max_objects;
633         enum fullness_group fg;
634
635         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
636
637         inuse = first_page->inuse;
638         max_objects = first_page->objects;
639
640         if (inuse == 0)
641                 fg = ZS_EMPTY;
642         else if (inuse == max_objects)
643                 fg = ZS_FULL;
644         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
645                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
646         else
647                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
648
649         return fg;
650 }
651
652 /*
653  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
654  * to one of these freelists based on the number of live objects they
655  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
656  * identified by <class, fullness_group>.
657  */
658 static void insert_zspage(struct size_class *class,
659                                 enum fullness_group fullness,
660                                 struct page *first_page)
661 {
662         struct page **head;
663
664         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
665
666         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
667                 return;
668
669         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
670                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
671
672         head = &class->fullness_list[fullness];
673         if (!*head) {
674                 *head = first_page;
675                 return;
676         }
677
678         /*
679          * We want to see more ZS_FULL pages and less almost
680          * empty/full. Put pages with higher ->inuse first.
681          */
682         list_add_tail(&first_page->lru, &(*head)->lru);
683         if (first_page->inuse >= (*head)->inuse)
684                 *head = first_page;
685 }
686
687 /*
688  * This function removes the given zspage from the freelist identified
689  * by <class, fullness_group>.
690  */
691 static void remove_zspage(struct size_class *class,
692                                 enum fullness_group fullness,
693                                 struct page *first_page)
694 {
695         struct page **head;
696
697         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
698
699         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
700                 return;
701
702         head = &class->fullness_list[fullness];
703         VM_BUG_ON_PAGE(!*head, first_page);
704         if (list_empty(&(*head)->lru))
705                 *head = NULL;
706         else if (*head == first_page)
707                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
708                                         struct page, lru);
709
710         list_del_init(&first_page->lru);
711         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
712                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
713 }
714
715 /*
716  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
717  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
718  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
719  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
720  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
721  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
722  * fullness group.
723  */
724 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
725                                                 struct page *first_page)
726 {
727         int class_idx;
728         enum fullness_group currfg, newfg;
729
730         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &currfg);
731         newfg = get_fullness_group(first_page);
732         if (newfg == currfg)
733                 goto out;
734
735         remove_zspage(class, currfg, first_page);
736         insert_zspage(class, newfg, first_page);
737         set_zspage_mapping(first_page, class_idx, newfg);
738
739 out:
740         return newfg;
741 }
742
743 /*
744  * We have to decide on how many pages to link together
745  * to form a zspage for each size class. This is important
746  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
747  * each zspage which is given as:
748  *     wastage = Zp % class_size
749  *     usage = Zp - wastage
750  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
751  *
752  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
753  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
754  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
755  */
756 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
757 {
758         int i, max_usedpc = 0;
759         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
760         int max_usedpc_order = 1;
761
762         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
763                 int zspage_size;
764                 int waste, usedpc;
765
766                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
767                 waste = zspage_size % class_size;
768                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
769
770                 if (usedpc > max_usedpc) {
771                         max_usedpc = usedpc;
772                         max_usedpc_order = i;
773                 }
774         }
775
776         return max_usedpc_order;
777 }
778
779 /*
780  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
781  * linked together using fields in struct page. This function finds
782  * the first/head page, given any component page of a zspage.
783  */
784 static struct page *get_first_page(struct page *page)
785 {
786         if (is_first_page(page))
787                 return page;
788         else
789                 return (struct page *)page_private(page);
790 }
791
792 static struct page *get_next_page(struct page *page)
793 {
794         struct page *next;
795
796         if (is_last_page(page))
797                 next = NULL;
798         else if (is_first_page(page))
799                 next = (struct page *)page_private(page);
800         else
801                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
802
803         return next;
804 }
805
806 /*
807  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
808  * We use the least bit of handle for tagging.
809  */
810 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
811 {
812         unsigned long obj;
813
814         if (!page) {
815                 VM_BUG_ON(obj_idx);
816                 return NULL;
817         }
818
819         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
820         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
821         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
822
823         return (void *)obj;
824 }
825
826 /*
827  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
828  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
829  * location_to_obj().
830  */
831 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
832                                 unsigned long *obj_idx)
833 {
834         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
835         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
836         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
837 }
838
839 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
840 {
841         return *(unsigned long *)handle;
842 }
843
844 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
845                         void *obj)
846 {
847         if (class->huge) {
848                 VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(page), page);
849                 return page_private(page);
850         } else
851                 return *(unsigned long *)obj;
852 }
853
854 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
855                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
856 {
857         unsigned long off = 0;
858
859         if (!is_first_page(page))
860                 off = page->index;
861
862         return off + obj_idx * class_size;
863 }
864
865 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
866 {
867         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
868
869         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
870 }
871
872 static void pin_tag(unsigned long handle)
873 {
874         while (!trypin_tag(handle));
875 }
876
877 static void unpin_tag(unsigned long handle)
878 {
879         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
880
881         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
882 }
883
884 static void reset_page(struct page *page)
885 {
886         clear_bit(PG_private, &page->flags);
887         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
888         set_page_private(page, 0);
889         page->mapping = NULL;
890         page->freelist = NULL;
891         page_mapcount_reset(page);
892 }
893
894 static void free_zspage(struct page *first_page)
895 {
896         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
897
898         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
899         VM_BUG_ON_PAGE(first_page->inuse, first_page);
900
901         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
902
903         reset_page(first_page);
904         __free_page(first_page);
905
906         /* zspage with only 1 system page */
907         if (!head_extra)
908                 return;
909
910         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
911                 list_del(&nextp->lru);
912                 reset_page(nextp);
913                 __free_page(nextp);
914         }
915         reset_page(head_extra);
916         __free_page(head_extra);
917 }
918
919 /* Initialize a newly allocated zspage */
920 static void init_zspage(struct size_class *class, struct page *first_page)
921 {
922         unsigned long off = 0;
923         struct page *page = first_page;
924
925         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
926
927         while (page) {
928                 struct page *next_page;
929                 struct link_free *link;
930                 unsigned int i = 1;
931                 void *vaddr;
932
933                 /*
934                  * page->index stores offset of first object starting
935                  * in the page. For the first page, this is always 0,
936                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
937                  * head of corresponding zspage's freelist.
938                  */
939                 if (page != first_page)
940                         page->index = off;
941
942                 vaddr = kmap_atomic(page);
943                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
944
945                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
946                         link->next = location_to_obj(page, i++);
947                         link += class->size / sizeof(*link);
948                 }
949
950                 /*
951                  * We now come to the last (full or partial) object on this
952                  * page, which must point to the first object on the next
953                  * page (if present)
954                  */
955                 next_page = get_next_page(page);
956                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
957                 kunmap_atomic(vaddr);
958                 page = next_page;
959                 off %= PAGE_SIZE;
960         }
961 }
962
963 /*
964  * Allocate a zspage for the given size class
965  */
966 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
967 {
968         int i, error;
969         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
970
971         /*
972          * Allocate individual pages and link them together as:
973          * 1. first page->private = first sub-page
974          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
975          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->private
976          *
977          * For each size class, First/Head pages are linked together using
978          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
979          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
980          * identify the last page.
981          */
982         error = -ENOMEM;
983         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
984                 struct page *page;
985
986                 page = alloc_page(flags);
987                 if (!page)
988                         goto cleanup;
989
990                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
991                 if (i == 0) {   /* first page */
992                         SetPagePrivate(page);
993                         set_page_private(page, 0);
994                         first_page = page;
995                         first_page->inuse = 0;
996                 }
997                 if (i == 1)
998                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
999                 if (i >= 1)
1000                         set_page_private(page, (unsigned long)first_page);
1001                 if (i >= 2)
1002                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
1003                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
1004                         SetPagePrivate2(page);
1005                 prev_page = page;
1006         }
1007
1008         init_zspage(class, first_page);
1009
1010         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
1011         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
1012         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
1013
1014         error = 0; /* Success */
1015
1016 cleanup:
1017         if (unlikely(error) && first_page) {
1018                 free_zspage(first_page);
1019                 first_page = NULL;
1020         }
1021
1022         return first_page;
1023 }
1024
1025 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1026 {
1027         int i;
1028         struct page *page;
1029
1030         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1031                 page = class->fullness_list[i];
1032                 if (page)
1033                         break;
1034         }
1035
1036         return page;
1037 }
1038
1039 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1040 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1041 {
1042         /*
1043          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1044          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1045          */
1046         if (area->vm)
1047                 return 0;
1048         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1049         if (!area->vm)
1050                 return -ENOMEM;
1051         return 0;
1052 }
1053
1054 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1055 {
1056         if (area->vm)
1057                 free_vm_area(area->vm);
1058         area->vm = NULL;
1059 }
1060
1061 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1062                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1063 {
1064         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1065         area->vm_addr = area->vm->addr;
1066         return area->vm_addr + off;
1067 }
1068
1069 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1070                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1071 {
1072         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1073
1074         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1075 }
1076
1077 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1078
1079 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1080 {
1081         /*
1082          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1083          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1084          */
1085         if (area->vm_buf)
1086                 return 0;
1087         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1088         if (!area->vm_buf)
1089                 return -ENOMEM;
1090         return 0;
1091 }
1092
1093 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1094 {
1095         kfree(area->vm_buf);
1096         area->vm_buf = NULL;
1097 }
1098
1099 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1100                         struct page *pages[2], int off, int size)
1101 {
1102         int sizes[2];
1103         void *addr;
1104         char *buf = area->vm_buf;
1105
1106         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1107         pagefault_disable();
1108
1109         /* no read fastpath */
1110         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1111                 goto out;
1112
1113         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1114         sizes[1] = size - sizes[0];
1115
1116         /* copy object to per-cpu buffer */
1117         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1118         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1119         kunmap_atomic(addr);
1120         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1121         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1122         kunmap_atomic(addr);
1123 out:
1124         return area->vm_buf;
1125 }
1126
1127 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1128                         struct page *pages[2], int off, int size)
1129 {
1130         int sizes[2];
1131         void *addr;
1132         char *buf;
1133
1134         /* no write fastpath */
1135         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1136                 goto out;
1137
1138         buf = area->vm_buf;
1139         buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1140         size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1141         off += ZS_HANDLE_SIZE;
1142
1143         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1144         sizes[1] = size - sizes[0];
1145
1146         /* copy per-cpu buffer to object */
1147         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1148         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1149         kunmap_atomic(addr);
1150         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1151         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1152         kunmap_atomic(addr);
1153
1154 out:
1155         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1156         pagefault_enable();
1157 }
1158
1159 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1160
1161 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1162                                 void *pcpu)
1163 {
1164         int ret, cpu = (long)pcpu;
1165         struct mapping_area *area;
1166
1167         switch (action) {
1168         case CPU_UP_PREPARE:
1169                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1170                 ret = __zs_cpu_up(area);
1171                 if (ret)
1172                         return notifier_from_errno(ret);
1173                 break;
1174         case CPU_DEAD:
1175         case CPU_UP_CANCELED:
1176                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1177                 __zs_cpu_down(area);
1178                 break;
1179         }
1180
1181         return NOTIFY_OK;
1182 }
1183
1184 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1185         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1186 };
1187
1188 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1189 {
1190         int cpu, uninitialized_var(ret);
1191
1192         cpu_notifier_register_begin();
1193
1194         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1195         for_each_online_cpu(cpu) {
1196                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1197                 if (notifier_to_errno(ret))
1198                         break;
1199         }
1200
1201         cpu_notifier_register_done();
1202         return notifier_to_errno(ret);
1203 }
1204
1205 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1206 {
1207         int cpu;
1208
1209         cpu_notifier_register_begin();
1210
1211         for_each_online_cpu(cpu)
1212                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1213         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1214
1215         cpu_notifier_register_done();
1216 }
1217
1218 static void init_zs_size_classes(void)
1219 {
1220         int nr;
1221
1222         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1223         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1224                 nr += 1;
1225
1226         zs_size_classes = nr;
1227 }
1228
1229 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1230 {
1231         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1232                 return false;
1233
1234         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1235                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1236                 return false;
1237
1238         return true;
1239 }
1240
1241 static bool zspage_full(struct page *first_page)
1242 {
1243         VM_BUG_ON_PAGE(!is_first_page(first_page), first_page);
1244
1245         return first_page->inuse == first_page->objects;
1246 }
1247
1248 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1249 {
1250         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1251 }
1252 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1253
1254 /**
1255  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1256  * @pool: pool from which the object was allocated
1257  * @handle: handle returned from zs_malloc
1258  *
1259  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1260  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1261  * zs_unmap_object.
1262  *
1263  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1264  * against nested mappings.
1265  *
1266  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1267  */
1268 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1269                         enum zs_mapmode mm)
1270 {
1271         struct page *page;
1272         unsigned long obj, obj_idx, off;
1273
1274         unsigned int class_idx;
1275         enum fullness_group fg;
1276         struct size_class *class;
1277         struct mapping_area *area;
1278         struct page *pages[2];
1279         void *ret;
1280
1281         /*
1282          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1283          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1284          * because it can corrupt another users mappings.
1285          */
1286         WARN_ON_ONCE(in_interrupt());
1287
1288         /* From now on, migration cannot move the object */
1289         pin_tag(handle);
1290
1291         obj = handle_to_obj(handle);
1292         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1293         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1294         class = pool->size_class[class_idx];
1295         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1296
1297         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1298         area->vm_mm = mm;
1299         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1300                 /* this object is contained entirely within a page */
1301                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1302                 ret = area->vm_addr + off;
1303                 goto out;
1304         }
1305
1306         /* this object spans two pages */
1307         pages[0] = page;
1308         pages[1] = get_next_page(page);
1309         BUG_ON(!pages[1]);
1310
1311         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1312 out:
1313         if (!class->huge)
1314                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1315
1316         return ret;
1317 }
1318 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1319
1320 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1321 {
1322         struct page *page;
1323         unsigned long obj, obj_idx, off;
1324
1325         unsigned int class_idx;
1326         enum fullness_group fg;
1327         struct size_class *class;
1328         struct mapping_area *area;
1329
1330         obj = handle_to_obj(handle);
1331         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1332         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1333         class = pool->size_class[class_idx];
1334         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1335
1336         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1337         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1338                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1339         else {
1340                 struct page *pages[2];
1341
1342                 pages[0] = page;
1343                 pages[1] = get_next_page(page);
1344                 BUG_ON(!pages[1]);
1345
1346                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1347         }
1348         put_cpu_var(zs_map_area);
1349         unpin_tag(handle);
1350 }
1351 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1352
1353 static unsigned long obj_malloc(struct size_class *class,
1354                                 struct page *first_page, unsigned long handle)
1355 {
1356         unsigned long obj;
1357         struct link_free *link;
1358
1359         struct page *m_page;
1360         unsigned long m_objidx, m_offset;
1361         void *vaddr;
1362
1363         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1364         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1365         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1366         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1367
1368         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1369         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1370         first_page->freelist = link->next;
1371         if (!class->huge)
1372                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1373                 link->handle = handle;
1374         else
1375                 /* record handle in first_page->private */
1376                 set_page_private(first_page, handle);
1377         kunmap_atomic(vaddr);
1378         first_page->inuse++;
1379         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1380
1381         return obj;
1382 }
1383
1384
1385 /**
1386  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1387  * @pool: pool to allocate from
1388  * @size: size of block to allocate
1389  *
1390  * On success, handle to the allocated object is returned,
1391  * otherwise 0.
1392  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1393  */
1394 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1395 {
1396         unsigned long handle, obj;
1397         struct size_class *class;
1398         struct page *first_page;
1399
1400         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1401                 return 0;
1402
1403         handle = alloc_handle(pool);
1404         if (!handle)
1405                 return 0;
1406
1407         /* extra space in chunk to keep the handle */
1408         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1409         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1410
1411         spin_lock(&class->lock);
1412         first_page = find_get_zspage(class);
1413
1414         if (!first_page) {
1415                 spin_unlock(&class->lock);
1416                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1417                 if (unlikely(!first_page)) {
1418                         free_handle(pool, handle);
1419                         return 0;
1420                 }
1421
1422                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1423                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1424                                         &pool->pages_allocated);
1425
1426                 spin_lock(&class->lock);
1427                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1428                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1429         }
1430
1431         obj = obj_malloc(class, first_page, handle);
1432         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1433         fix_fullness_group(class, first_page);
1434         record_obj(handle, obj);
1435         spin_unlock(&class->lock);
1436
1437         return handle;
1438 }
1439 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1440
1441 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1442                         unsigned long obj)
1443 {
1444         struct link_free *link;
1445         struct page *first_page, *f_page;
1446         unsigned long f_objidx, f_offset;
1447         void *vaddr;
1448
1449         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1450         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1451         first_page = get_first_page(f_page);
1452
1453         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1454
1455         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1456
1457         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1458         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1459         link->next = first_page->freelist;
1460         if (class->huge)
1461                 set_page_private(first_page, 0);
1462         kunmap_atomic(vaddr);
1463         first_page->freelist = (void *)obj;
1464         first_page->inuse--;
1465         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1466 }
1467
1468 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1469 {
1470         struct page *first_page, *f_page;
1471         unsigned long obj, f_objidx;
1472         int class_idx;
1473         struct size_class *class;
1474         enum fullness_group fullness;
1475
1476         if (unlikely(!handle))
1477                 return;
1478
1479         pin_tag(handle);
1480         obj = handle_to_obj(handle);
1481         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1482         first_page = get_first_page(f_page);
1483
1484         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1485         class = pool->size_class[class_idx];
1486
1487         spin_lock(&class->lock);
1488         obj_free(pool, class, obj);
1489         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1490         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1491                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1492                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1493                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1494                                 &pool->pages_allocated);
1495                 free_zspage(first_page);
1496         }
1497         spin_unlock(&class->lock);
1498         unpin_tag(handle);
1499
1500         free_handle(pool, handle);
1501 }
1502 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1503
1504 static void zs_object_copy(struct size_class *class, unsigned long dst,
1505                                 unsigned long src)
1506 {
1507         struct page *s_page, *d_page;
1508         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1509         unsigned long s_off, d_off;
1510         void *s_addr, *d_addr;
1511         int s_size, d_size, size;
1512         int written = 0;
1513
1514         s_size = d_size = class->size;
1515
1516         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1517         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1518
1519         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1520         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1521
1522         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1523                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1524
1525         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1526                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1527
1528         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1529         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1530
1531         while (1) {
1532                 size = min(s_size, d_size);
1533                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1534                 written += size;
1535
1536                 if (written == class->size)
1537                         break;
1538
1539                 s_off += size;
1540                 s_size -= size;
1541                 d_off += size;
1542                 d_size -= size;
1543
1544                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1545                         kunmap_atomic(d_addr);
1546                         kunmap_atomic(s_addr);
1547                         s_page = get_next_page(s_page);
1548                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1549                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1550                         s_size = class->size - written;
1551                         s_off = 0;
1552                 }
1553
1554                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1555                         kunmap_atomic(d_addr);
1556                         d_page = get_next_page(d_page);
1557                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1558                         d_size = class->size - written;
1559                         d_off = 0;
1560                 }
1561         }
1562
1563         kunmap_atomic(d_addr);
1564         kunmap_atomic(s_addr);
1565 }
1566
1567 /*
1568  * Find alloced object in zspage from index object and
1569  * return handle.
1570  */
1571 static unsigned long find_alloced_obj(struct size_class *class,
1572                                         struct page *page, int index)
1573 {
1574         unsigned long head;
1575         int offset = 0;
1576         unsigned long handle = 0;
1577         void *addr = kmap_atomic(page);
1578
1579         if (!is_first_page(page))
1580                 offset = page->index;
1581         offset += class->size * index;
1582
1583         while (offset < PAGE_SIZE) {
1584                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1585                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1586                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1587                         if (trypin_tag(handle))
1588                                 break;
1589                         handle = 0;
1590                 }
1591
1592                 offset += class->size;
1593                 index++;
1594         }
1595
1596         kunmap_atomic(addr);
1597         return handle;
1598 }
1599
1600 struct zs_compact_control {
1601         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1602         struct page *s_page;
1603         /* Destination page for migration which should be a first page
1604          * of zspage. */
1605         struct page *d_page;
1606          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1607           * in the subpage. */
1608         int index;
1609 };
1610
1611 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1612                                 struct zs_compact_control *cc)
1613 {
1614         unsigned long used_obj, free_obj;
1615         unsigned long handle;
1616         struct page *s_page = cc->s_page;
1617         struct page *d_page = cc->d_page;
1618         unsigned long index = cc->index;
1619         int ret = 0;
1620
1621         while (1) {
1622                 handle = find_alloced_obj(class, s_page, index);
1623                 if (!handle) {
1624                         s_page = get_next_page(s_page);
1625                         if (!s_page)
1626                                 break;
1627                         index = 0;
1628                         continue;
1629                 }
1630
1631                 /* Stop if there is no more space */
1632                 if (zspage_full(d_page)) {
1633                         unpin_tag(handle);
1634                         ret = -ENOMEM;
1635                         break;
1636                 }
1637
1638                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1639                 free_obj = obj_malloc(class, d_page, handle);
1640                 zs_object_copy(class, free_obj, used_obj);
1641                 index++;
1642                 /*
1643                  * record_obj updates handle's value to free_obj and it will
1644                  * invalidate lock bit(ie, HANDLE_PIN_BIT) of handle, which
1645                  * breaks synchronization using pin_tag(e,g, zs_free) so
1646                  * let's keep the lock bit.
1647                  */
1648                 free_obj |= BIT(HANDLE_PIN_BIT);
1649                 record_obj(handle, free_obj);
1650                 unpin_tag(handle);
1651                 obj_free(pool, class, used_obj);
1652         }
1653
1654         /* Remember last position in this iteration */
1655         cc->s_page = s_page;
1656         cc->index = index;
1657
1658         return ret;
1659 }
1660
1661 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1662 {
1663         int i;
1664         struct page *page;
1665
1666         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1667                 page = class->fullness_list[i];
1668                 if (page) {
1669                         remove_zspage(class, i, page);
1670                         break;
1671                 }
1672         }
1673
1674         return page;
1675 }
1676
1677 /*
1678  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1679  * @pool: target pool
1680  * @class: destination class
1681  * @first_page: target page
1682  *
1683  * Return @fist_page's fullness_group
1684  */
1685 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1686                         struct size_class *class,
1687                         struct page *first_page)
1688 {
1689         enum fullness_group fullness;
1690
1691         fullness = get_fullness_group(first_page);
1692         insert_zspage(class, fullness, first_page);
1693         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1694
1695         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1696                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1697                         class->size, class->pages_per_zspage));
1698                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1699                                 &pool->pages_allocated);
1700
1701                 free_zspage(first_page);
1702         }
1703
1704         return fullness;
1705 }
1706
1707 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1708 {
1709         int i;
1710         struct page *page = NULL;
1711
1712         for (i = ZS_ALMOST_EMPTY; i >= ZS_ALMOST_FULL; i--) {
1713                 page = class->fullness_list[i];
1714                 if (!page)
1715                         continue;
1716
1717                 remove_zspage(class, i, page);
1718                 break;
1719         }
1720
1721         return page;
1722 }
1723
1724 /*
1725  *
1726  * Based on the number of unused allocated objects calculate
1727  * and return the number of pages that we can free.
1728  */
1729 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class)
1730 {
1731         unsigned long obj_wasted;
1732         unsigned long obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
1733         unsigned long obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1734
1735         if (obj_allocated <= obj_used)
1736                 return 0;
1737
1738         obj_wasted = obj_allocated - obj_used;
1739         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1740                         class->pages_per_zspage);
1741
1742         return obj_wasted * class->pages_per_zspage;
1743 }
1744
1745 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1746 {
1747         struct zs_compact_control cc;
1748         struct page *src_page;
1749         struct page *dst_page = NULL;
1750
1751         spin_lock(&class->lock);
1752         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1753
1754                 if (!zs_can_compact(class))
1755                         break;
1756
1757                 cc.index = 0;
1758                 cc.s_page = src_page;
1759
1760                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1761                         cc.d_page = dst_page;
1762                         /*
1763                          * If there is no more space in dst_page, resched
1764                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1765                          */
1766                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1767                                 break;
1768
1769                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1770                 }
1771
1772                 /* Stop if we couldn't find slot */
1773                 if (dst_page == NULL)
1774                         break;
1775
1776                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1777                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1778                         pool->stats.pages_compacted += class->pages_per_zspage;
1779                 spin_unlock(&class->lock);
1780                 cond_resched();
1781                 spin_lock(&class->lock);
1782         }
1783
1784         if (src_page)
1785                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1786
1787         spin_unlock(&class->lock);
1788 }
1789
1790 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1791 {
1792         int i;
1793         struct size_class *class;
1794
1795         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1796                 class = pool->size_class[i];
1797                 if (!class)
1798                         continue;
1799                 if (class->index != i)
1800                         continue;
1801                 __zs_compact(pool, class);
1802         }
1803
1804         return pool->stats.pages_compacted;
1805 }
1806 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1807
1808 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1809 {
1810         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1811 }
1812 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1813
1814 static unsigned long zs_shrinker_scan(struct shrinker *shrinker,
1815                 struct shrink_control *sc)
1816 {
1817         unsigned long pages_freed;
1818         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1819                         shrinker);
1820
1821         pages_freed = pool->stats.pages_compacted;
1822         /*
1823          * Compact classes and calculate compaction delta.
1824          * Can run concurrently with a manually triggered
1825          * (by user) compaction.
1826          */
1827         pages_freed = zs_compact(pool) - pages_freed;
1828
1829         return pages_freed ? pages_freed : SHRINK_STOP;
1830 }
1831
1832 static unsigned long zs_shrinker_count(struct shrinker *shrinker,
1833                 struct shrink_control *sc)
1834 {
1835         int i;
1836         struct size_class *class;
1837         unsigned long pages_to_free = 0;
1838         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1839                         shrinker);
1840
1841         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1842                 class = pool->size_class[i];
1843                 if (!class)
1844                         continue;
1845                 if (class->index != i)
1846                         continue;
1847
1848                 pages_to_free += zs_can_compact(class);
1849         }
1850
1851         return pages_to_free;
1852 }
1853
1854 static void zs_unregister_shrinker(struct zs_pool *pool)
1855 {
1856         if (pool->shrinker_enabled) {
1857                 unregister_shrinker(&pool->shrinker);
1858                 pool->shrinker_enabled = false;
1859         }
1860 }
1861
1862 static int zs_register_shrinker(struct zs_pool *pool)
1863 {
1864         pool->shrinker.scan_objects = zs_shrinker_scan;
1865         pool->shrinker.count_objects = zs_shrinker_count;
1866         pool->shrinker.batch = 0;
1867         pool->shrinker.seeks = DEFAULT_SEEKS;
1868
1869         return register_shrinker(&pool->shrinker);
1870 }
1871
1872 /**
1873  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1874  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1875  *
1876  * This function must be called before anything when using
1877  * the zsmalloc allocator.
1878  *
1879  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1880  * otherwise NULL.
1881  */
1882 struct zs_pool *zs_create_pool(const char *name, gfp_t flags)
1883 {
1884         int i;
1885         struct zs_pool *pool;
1886         struct size_class *prev_class = NULL;
1887
1888         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1889         if (!pool)
1890                 return NULL;
1891
1892         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1893                         GFP_KERNEL);
1894         if (!pool->size_class) {
1895                 kfree(pool);
1896                 return NULL;
1897         }
1898
1899         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1900         if (!pool->name)
1901                 goto err;
1902
1903         if (create_handle_cache(pool))
1904                 goto err;
1905
1906         /*
1907          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1908          * for merging should be larger or equal to current size.
1909          */
1910         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1911                 int size;
1912                 int pages_per_zspage;
1913                 struct size_class *class;
1914
1915                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1916                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1917                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1918                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1919
1920                 /*
1921                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1922                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1923                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1924                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1925                  * many different sizes whose size_class have same
1926                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1927                  * previous size_class if possible.
1928                  */
1929                 if (prev_class) {
1930                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1931                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1932                                 continue;
1933                         }
1934                 }
1935
1936                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1937                 if (!class)
1938                         goto err;
1939
1940                 class->size = size;
1941                 class->index = i;
1942                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1943                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1944                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1945                         class->huge = true;
1946                 spin_lock_init(&class->lock);
1947                 pool->size_class[i] = class;
1948
1949                 prev_class = class;
1950         }
1951
1952         pool->flags = flags;
1953
1954         if (zs_pool_stat_create(pool, name))
1955                 goto err;
1956
1957         /*
1958          * Not critical, we still can use the pool
1959          * and user can trigger compaction manually.
1960          */
1961         if (zs_register_shrinker(pool) == 0)
1962                 pool->shrinker_enabled = true;
1963         return pool;
1964
1965 err:
1966         zs_destroy_pool(pool);
1967         return NULL;
1968 }
1969 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1970
1971 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1972 {
1973         int i;
1974
1975         zs_unregister_shrinker(pool);
1976         zs_pool_stat_destroy(pool);
1977
1978         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1979                 int fg;
1980                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1981
1982                 if (!class)
1983                         continue;
1984
1985                 if (class->index != i)
1986                         continue;
1987
1988                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1989                         if (class->fullness_list[fg]) {
1990                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1991                                         class->size, fg);
1992                         }
1993                 }
1994                 kfree(class);
1995         }
1996
1997         destroy_handle_cache(pool);
1998         kfree(pool->size_class);
1999         kfree(pool->name);
2000         kfree(pool);
2001 }
2002 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
2003
2004 static int __init zs_init(void)
2005 {
2006         int ret = zs_register_cpu_notifier();
2007
2008         if (ret)
2009                 goto notifier_fail;
2010
2011         init_zs_size_classes();
2012
2013 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2014         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
2015 #endif
2016
2017         ret = zs_stat_init();
2018         if (ret) {
2019                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
2020                 goto stat_fail;
2021         }
2022         return 0;
2023
2024 stat_fail:
2025 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2026         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2027 #endif
2028 notifier_fail:
2029         zs_unregister_cpu_notifier();
2030
2031         return ret;
2032 }
2033
2034 static void __exit zs_exit(void)
2035 {
2036 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2037         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2038 #endif
2039         zs_unregister_cpu_notifier();
2040
2041         zs_stat_exit();
2042 }
2043
2044 module_init(zs_init);
2045 module_exit(zs_exit);
2046
2047 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
2048 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");