zsmalloc: drop unused member 'mapping_area->huge'
[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 *page, unsigned int *class_idx,
417                                 enum fullness_group *fullness)
418 {
419         unsigned long m;
420         BUG_ON(!is_first_page(page));
421
422         m = (unsigned long)page->mapping;
423         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
424         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
425 }
426
427 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
428                                 enum fullness_group fullness)
429 {
430         unsigned long m;
431         BUG_ON(!is_first_page(page));
432
433         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
434                         (fullness & FULLNESS_MASK);
435         page->mapping = (struct address_space *)m;
436 }
437
438 /*
439  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
440  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
441  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
442  * classes depending on its size. This function returns index of the
443  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
444  */
445 static int get_size_class_index(int size)
446 {
447         int idx = 0;
448
449         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
450                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
451                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
452
453         return min(zs_size_classes - 1, idx);
454 }
455
456 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
457                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
458 {
459         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
460                 class->stats.objs[type] += cnt;
461 }
462
463 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
464                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
465 {
466         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
467                 class->stats.objs[type] -= cnt;
468 }
469
470 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
471                                 enum zs_stat_type type)
472 {
473         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
474                 return class->stats.objs[type];
475         return 0;
476 }
477
478 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
479
480 static int __init zs_stat_init(void)
481 {
482         if (!debugfs_initialized())
483                 return -ENODEV;
484
485         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
486         if (!zs_stat_root)
487                 return -ENOMEM;
488
489         return 0;
490 }
491
492 static void __exit zs_stat_exit(void)
493 {
494         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
495 }
496
497 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
498 {
499         int i;
500         struct zs_pool *pool = s->private;
501         struct size_class *class;
502         int objs_per_zspage;
503         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
504         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used;
505         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
506         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
507
508         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s\n",
509                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
510                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
511                         "pages_per_zspage");
512
513         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
514                 class = pool->size_class[i];
515
516                 if (class->index != i)
517                         continue;
518
519                 spin_lock(&class->lock);
520                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
521                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
522                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
523                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
524                 spin_unlock(&class->lock);
525
526                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
527                                 class->pages_per_zspage);
528                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
529                                 class->pages_per_zspage;
530
531                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16d\n",
532                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
533                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
534                         class->pages_per_zspage);
535
536                 total_class_almost_full += class_almost_full;
537                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
538                 total_objs += obj_allocated;
539                 total_used_objs += obj_used;
540                 total_pages += pages_used;
541         }
542
543         seq_puts(s, "\n");
544         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu\n",
545                         "Total", "", total_class_almost_full,
546                         total_class_almost_empty, total_objs,
547                         total_used_objs, total_pages);
548
549         return 0;
550 }
551
552 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
553 {
554         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
555 }
556
557 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
558         .open           = zs_stats_size_open,
559         .read           = seq_read,
560         .llseek         = seq_lseek,
561         .release        = single_release,
562 };
563
564 static int zs_pool_stat_create(const char *name, struct zs_pool *pool)
565 {
566         struct dentry *entry;
567
568         if (!zs_stat_root)
569                 return -ENODEV;
570
571         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
572         if (!entry) {
573                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
574                 return -ENOMEM;
575         }
576         pool->stat_dentry = entry;
577
578         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
579                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
580         if (!entry) {
581                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
582                                 name, "classes");
583                 return -ENOMEM;
584         }
585
586         return 0;
587 }
588
589 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
590 {
591         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
592 }
593
594 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
595 static int __init zs_stat_init(void)
596 {
597         return 0;
598 }
599
600 static void __exit zs_stat_exit(void)
601 {
602 }
603
604 static inline int zs_pool_stat_create(const char *name, struct zs_pool *pool)
605 {
606         return 0;
607 }
608
609 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
610 {
611 }
612 #endif
613
614
615 /*
616  * For each size class, zspages are divided into different groups
617  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
618  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
619  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
620  * status of the given page.
621  */
622 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
623 {
624         int inuse, max_objects;
625         enum fullness_group fg;
626         BUG_ON(!is_first_page(page));
627
628         inuse = page->inuse;
629         max_objects = page->objects;
630
631         if (inuse == 0)
632                 fg = ZS_EMPTY;
633         else if (inuse == max_objects)
634                 fg = ZS_FULL;
635         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
636                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
637         else
638                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
639
640         return fg;
641 }
642
643 /*
644  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
645  * to one of these freelists based on the number of live objects they
646  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
647  * identified by <class, fullness_group>.
648  */
649 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
650                                 enum fullness_group fullness)
651 {
652         struct page **head;
653
654         BUG_ON(!is_first_page(page));
655
656         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
657                 return;
658
659         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
660                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
661
662         head = &class->fullness_list[fullness];
663         if (!*head) {
664                 *head = page;
665                 return;
666         }
667
668         /*
669          * We want to see more ZS_FULL pages and less almost
670          * empty/full. Put pages with higher ->inuse first.
671          */
672         list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
673         if (page->inuse >= (*head)->inuse)
674                 *head = page;
675 }
676
677 /*
678  * This function removes the given zspage from the freelist identified
679  * by <class, fullness_group>.
680  */
681 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
682                                 enum fullness_group fullness)
683 {
684         struct page **head;
685
686         BUG_ON(!is_first_page(page));
687
688         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
689                 return;
690
691         head = &class->fullness_list[fullness];
692         BUG_ON(!*head);
693         if (list_empty(&(*head)->lru))
694                 *head = NULL;
695         else if (*head == page)
696                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
697                                         struct page, lru);
698
699         list_del_init(&page->lru);
700         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
701                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
702 }
703
704 /*
705  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
706  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
707  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
708  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
709  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
710  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
711  * fullness group.
712  */
713 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
714                                                 struct page *page)
715 {
716         int class_idx;
717         enum fullness_group currfg, newfg;
718
719         BUG_ON(!is_first_page(page));
720
721         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
722         newfg = get_fullness_group(page);
723         if (newfg == currfg)
724                 goto out;
725
726         remove_zspage(page, class, currfg);
727         insert_zspage(page, class, newfg);
728         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
729
730 out:
731         return newfg;
732 }
733
734 /*
735  * We have to decide on how many pages to link together
736  * to form a zspage for each size class. This is important
737  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
738  * each zspage which is given as:
739  *     wastage = Zp % class_size
740  *     usage = Zp - wastage
741  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
742  *
743  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
744  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
745  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
746  */
747 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
748 {
749         int i, max_usedpc = 0;
750         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
751         int max_usedpc_order = 1;
752
753         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
754                 int zspage_size;
755                 int waste, usedpc;
756
757                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
758                 waste = zspage_size % class_size;
759                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
760
761                 if (usedpc > max_usedpc) {
762                         max_usedpc = usedpc;
763                         max_usedpc_order = i;
764                 }
765         }
766
767         return max_usedpc_order;
768 }
769
770 /*
771  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
772  * linked together using fields in struct page. This function finds
773  * the first/head page, given any component page of a zspage.
774  */
775 static struct page *get_first_page(struct page *page)
776 {
777         if (is_first_page(page))
778                 return page;
779         else
780                 return (struct page *)page_private(page);
781 }
782
783 static struct page *get_next_page(struct page *page)
784 {
785         struct page *next;
786
787         if (is_last_page(page))
788                 next = NULL;
789         else if (is_first_page(page))
790                 next = (struct page *)page_private(page);
791         else
792                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
793
794         return next;
795 }
796
797 /*
798  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
799  * We use the least bit of handle for tagging.
800  */
801 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
802 {
803         unsigned long obj;
804
805         if (!page) {
806                 BUG_ON(obj_idx);
807                 return NULL;
808         }
809
810         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
811         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
812         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
813
814         return (void *)obj;
815 }
816
817 /*
818  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
819  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
820  * location_to_obj().
821  */
822 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
823                                 unsigned long *obj_idx)
824 {
825         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
826         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
827         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
828 }
829
830 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
831 {
832         return *(unsigned long *)handle;
833 }
834
835 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
836                         void *obj)
837 {
838         if (class->huge) {
839                 VM_BUG_ON(!is_first_page(page));
840                 return page_private(page);
841         } else
842                 return *(unsigned long *)obj;
843 }
844
845 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
846                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
847 {
848         unsigned long off = 0;
849
850         if (!is_first_page(page))
851                 off = page->index;
852
853         return off + obj_idx * class_size;
854 }
855
856 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
857 {
858         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
859
860         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
861 }
862
863 static void pin_tag(unsigned long handle)
864 {
865         while (!trypin_tag(handle));
866 }
867
868 static void unpin_tag(unsigned long handle)
869 {
870         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
871
872         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
873 }
874
875 static void reset_page(struct page *page)
876 {
877         clear_bit(PG_private, &page->flags);
878         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
879         set_page_private(page, 0);
880         page->mapping = NULL;
881         page->freelist = NULL;
882         page_mapcount_reset(page);
883 }
884
885 static void free_zspage(struct page *first_page)
886 {
887         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
888
889         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
890         BUG_ON(first_page->inuse);
891
892         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
893
894         reset_page(first_page);
895         __free_page(first_page);
896
897         /* zspage with only 1 system page */
898         if (!head_extra)
899                 return;
900
901         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
902                 list_del(&nextp->lru);
903                 reset_page(nextp);
904                 __free_page(nextp);
905         }
906         reset_page(head_extra);
907         __free_page(head_extra);
908 }
909
910 /* Initialize a newly allocated zspage */
911 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
912 {
913         unsigned long off = 0;
914         struct page *page = first_page;
915
916         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
917         while (page) {
918                 struct page *next_page;
919                 struct link_free *link;
920                 unsigned int i = 1;
921                 void *vaddr;
922
923                 /*
924                  * page->index stores offset of first object starting
925                  * in the page. For the first page, this is always 0,
926                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
927                  * head of corresponding zspage's freelist.
928                  */
929                 if (page != first_page)
930                         page->index = off;
931
932                 vaddr = kmap_atomic(page);
933                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
934
935                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
936                         link->next = location_to_obj(page, i++);
937                         link += class->size / sizeof(*link);
938                 }
939
940                 /*
941                  * We now come to the last (full or partial) object on this
942                  * page, which must point to the first object on the next
943                  * page (if present)
944                  */
945                 next_page = get_next_page(page);
946                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
947                 kunmap_atomic(vaddr);
948                 page = next_page;
949                 off %= PAGE_SIZE;
950         }
951 }
952
953 /*
954  * Allocate a zspage for the given size class
955  */
956 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
957 {
958         int i, error;
959         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
960
961         /*
962          * Allocate individual pages and link them together as:
963          * 1. first page->private = first sub-page
964          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
965          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->private
966          *
967          * For each size class, First/Head pages are linked together using
968          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
969          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
970          * identify the last page.
971          */
972         error = -ENOMEM;
973         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
974                 struct page *page;
975
976                 page = alloc_page(flags);
977                 if (!page)
978                         goto cleanup;
979
980                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
981                 if (i == 0) {   /* first page */
982                         SetPagePrivate(page);
983                         set_page_private(page, 0);
984                         first_page = page;
985                         first_page->inuse = 0;
986                 }
987                 if (i == 1)
988                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
989                 if (i >= 1)
990                         set_page_private(page, (unsigned long)first_page);
991                 if (i >= 2)
992                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
993                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
994                         SetPagePrivate2(page);
995                 prev_page = page;
996         }
997
998         init_zspage(first_page, class);
999
1000         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
1001         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
1002         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
1003
1004         error = 0; /* Success */
1005
1006 cleanup:
1007         if (unlikely(error) && first_page) {
1008                 free_zspage(first_page);
1009                 first_page = NULL;
1010         }
1011
1012         return first_page;
1013 }
1014
1015 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1016 {
1017         int i;
1018         struct page *page;
1019
1020         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1021                 page = class->fullness_list[i];
1022                 if (page)
1023                         break;
1024         }
1025
1026         return page;
1027 }
1028
1029 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1030 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1031 {
1032         /*
1033          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1034          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1035          */
1036         if (area->vm)
1037                 return 0;
1038         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1039         if (!area->vm)
1040                 return -ENOMEM;
1041         return 0;
1042 }
1043
1044 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1045 {
1046         if (area->vm)
1047                 free_vm_area(area->vm);
1048         area->vm = NULL;
1049 }
1050
1051 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1052                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1053 {
1054         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1055         area->vm_addr = area->vm->addr;
1056         return area->vm_addr + off;
1057 }
1058
1059 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1060                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1061 {
1062         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1063
1064         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1065 }
1066
1067 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1068
1069 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1070 {
1071         /*
1072          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1073          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1074          */
1075         if (area->vm_buf)
1076                 return 0;
1077         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1078         if (!area->vm_buf)
1079                 return -ENOMEM;
1080         return 0;
1081 }
1082
1083 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1084 {
1085         kfree(area->vm_buf);
1086         area->vm_buf = NULL;
1087 }
1088
1089 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1090                         struct page *pages[2], int off, int size)
1091 {
1092         int sizes[2];
1093         void *addr;
1094         char *buf = area->vm_buf;
1095
1096         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1097         pagefault_disable();
1098
1099         /* no read fastpath */
1100         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1101                 goto out;
1102
1103         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1104         sizes[1] = size - sizes[0];
1105
1106         /* copy object to per-cpu buffer */
1107         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1108         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1109         kunmap_atomic(addr);
1110         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1111         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1112         kunmap_atomic(addr);
1113 out:
1114         return area->vm_buf;
1115 }
1116
1117 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1118                         struct page *pages[2], int off, int size)
1119 {
1120         int sizes[2];
1121         void *addr;
1122         char *buf;
1123
1124         /* no write fastpath */
1125         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1126                 goto out;
1127
1128         buf = area->vm_buf;
1129         buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1130         size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1131         off += ZS_HANDLE_SIZE;
1132
1133         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1134         sizes[1] = size - sizes[0];
1135
1136         /* copy per-cpu buffer to object */
1137         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1138         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1139         kunmap_atomic(addr);
1140         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1141         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1142         kunmap_atomic(addr);
1143
1144 out:
1145         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1146         pagefault_enable();
1147 }
1148
1149 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1150
1151 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1152                                 void *pcpu)
1153 {
1154         int ret, cpu = (long)pcpu;
1155         struct mapping_area *area;
1156
1157         switch (action) {
1158         case CPU_UP_PREPARE:
1159                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1160                 ret = __zs_cpu_up(area);
1161                 if (ret)
1162                         return notifier_from_errno(ret);
1163                 break;
1164         case CPU_DEAD:
1165         case CPU_UP_CANCELED:
1166                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1167                 __zs_cpu_down(area);
1168                 break;
1169         }
1170
1171         return NOTIFY_OK;
1172 }
1173
1174 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1175         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1176 };
1177
1178 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1179 {
1180         int cpu, uninitialized_var(ret);
1181
1182         cpu_notifier_register_begin();
1183
1184         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1185         for_each_online_cpu(cpu) {
1186                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1187                 if (notifier_to_errno(ret))
1188                         break;
1189         }
1190
1191         cpu_notifier_register_done();
1192         return notifier_to_errno(ret);
1193 }
1194
1195 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1196 {
1197         int cpu;
1198
1199         cpu_notifier_register_begin();
1200
1201         for_each_online_cpu(cpu)
1202                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1203         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1204
1205         cpu_notifier_register_done();
1206 }
1207
1208 static void init_zs_size_classes(void)
1209 {
1210         int nr;
1211
1212         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1213         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1214                 nr += 1;
1215
1216         zs_size_classes = nr;
1217 }
1218
1219 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1220 {
1221         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1222                 return false;
1223
1224         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1225                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1226                 return false;
1227
1228         return true;
1229 }
1230
1231 static bool zspage_full(struct page *page)
1232 {
1233         BUG_ON(!is_first_page(page));
1234
1235         return page->inuse == page->objects;
1236 }
1237
1238 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1239 {
1240         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1241 }
1242 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1243
1244 /**
1245  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1246  * @pool: pool from which the object was allocated
1247  * @handle: handle returned from zs_malloc
1248  *
1249  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1250  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1251  * zs_unmap_object.
1252  *
1253  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1254  * against nested mappings.
1255  *
1256  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1257  */
1258 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1259                         enum zs_mapmode mm)
1260 {
1261         struct page *page;
1262         unsigned long obj, obj_idx, off;
1263
1264         unsigned int class_idx;
1265         enum fullness_group fg;
1266         struct size_class *class;
1267         struct mapping_area *area;
1268         struct page *pages[2];
1269         void *ret;
1270
1271         BUG_ON(!handle);
1272
1273         /*
1274          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1275          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1276          * because it can corrupt another users mappings.
1277          */
1278         BUG_ON(in_interrupt());
1279
1280         /* From now on, migration cannot move the object */
1281         pin_tag(handle);
1282
1283         obj = handle_to_obj(handle);
1284         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1285         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1286         class = pool->size_class[class_idx];
1287         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1288
1289         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1290         area->vm_mm = mm;
1291         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1292                 /* this object is contained entirely within a page */
1293                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1294                 ret = area->vm_addr + off;
1295                 goto out;
1296         }
1297
1298         /* this object spans two pages */
1299         pages[0] = page;
1300         pages[1] = get_next_page(page);
1301         BUG_ON(!pages[1]);
1302
1303         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1304 out:
1305         if (!class->huge)
1306                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1307
1308         return ret;
1309 }
1310 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1311
1312 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1313 {
1314         struct page *page;
1315         unsigned long obj, obj_idx, off;
1316
1317         unsigned int class_idx;
1318         enum fullness_group fg;
1319         struct size_class *class;
1320         struct mapping_area *area;
1321
1322         BUG_ON(!handle);
1323
1324         obj = handle_to_obj(handle);
1325         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1326         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1327         class = pool->size_class[class_idx];
1328         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1329
1330         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1331         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1332                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1333         else {
1334                 struct page *pages[2];
1335
1336                 pages[0] = page;
1337                 pages[1] = get_next_page(page);
1338                 BUG_ON(!pages[1]);
1339
1340                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1341         }
1342         put_cpu_var(zs_map_area);
1343         unpin_tag(handle);
1344 }
1345 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1346
1347 static unsigned long obj_malloc(struct page *first_page,
1348                 struct size_class *class, unsigned long handle)
1349 {
1350         unsigned long obj;
1351         struct link_free *link;
1352
1353         struct page *m_page;
1354         unsigned long m_objidx, m_offset;
1355         void *vaddr;
1356
1357         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1358         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1359         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1360         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1361
1362         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1363         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1364         first_page->freelist = link->next;
1365         if (!class->huge)
1366                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1367                 link->handle = handle;
1368         else
1369                 /* record handle in first_page->private */
1370                 set_page_private(first_page, handle);
1371         kunmap_atomic(vaddr);
1372         first_page->inuse++;
1373         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1374
1375         return obj;
1376 }
1377
1378
1379 /**
1380  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1381  * @pool: pool to allocate from
1382  * @size: size of block to allocate
1383  *
1384  * On success, handle to the allocated object is returned,
1385  * otherwise 0.
1386  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1387  */
1388 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1389 {
1390         unsigned long handle, obj;
1391         struct size_class *class;
1392         struct page *first_page;
1393
1394         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1395                 return 0;
1396
1397         handle = alloc_handle(pool);
1398         if (!handle)
1399                 return 0;
1400
1401         /* extra space in chunk to keep the handle */
1402         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1403         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1404
1405         spin_lock(&class->lock);
1406         first_page = find_get_zspage(class);
1407
1408         if (!first_page) {
1409                 spin_unlock(&class->lock);
1410                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1411                 if (unlikely(!first_page)) {
1412                         free_handle(pool, handle);
1413                         return 0;
1414                 }
1415
1416                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1417                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1418                                         &pool->pages_allocated);
1419
1420                 spin_lock(&class->lock);
1421                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1422                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1423         }
1424
1425         obj = obj_malloc(first_page, class, handle);
1426         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1427         fix_fullness_group(class, first_page);
1428         record_obj(handle, obj);
1429         spin_unlock(&class->lock);
1430
1431         return handle;
1432 }
1433 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1434
1435 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1436                         unsigned long obj)
1437 {
1438         struct link_free *link;
1439         struct page *first_page, *f_page;
1440         unsigned long f_objidx, f_offset;
1441         void *vaddr;
1442
1443         BUG_ON(!obj);
1444
1445         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1446         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1447         first_page = get_first_page(f_page);
1448
1449         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1450
1451         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1452
1453         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1454         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1455         link->next = first_page->freelist;
1456         if (class->huge)
1457                 set_page_private(first_page, 0);
1458         kunmap_atomic(vaddr);
1459         first_page->freelist = (void *)obj;
1460         first_page->inuse--;
1461         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1462 }
1463
1464 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1465 {
1466         struct page *first_page, *f_page;
1467         unsigned long obj, f_objidx;
1468         int class_idx;
1469         struct size_class *class;
1470         enum fullness_group fullness;
1471
1472         if (unlikely(!handle))
1473                 return;
1474
1475         pin_tag(handle);
1476         obj = handle_to_obj(handle);
1477         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1478         first_page = get_first_page(f_page);
1479
1480         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1481         class = pool->size_class[class_idx];
1482
1483         spin_lock(&class->lock);
1484         obj_free(pool, class, obj);
1485         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1486         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1487                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1488                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1489                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1490                                 &pool->pages_allocated);
1491                 free_zspage(first_page);
1492         }
1493         spin_unlock(&class->lock);
1494         unpin_tag(handle);
1495
1496         free_handle(pool, handle);
1497 }
1498 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1499
1500 static void zs_object_copy(unsigned long dst, unsigned long src,
1501                                 struct size_class *class)
1502 {
1503         struct page *s_page, *d_page;
1504         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1505         unsigned long s_off, d_off;
1506         void *s_addr, *d_addr;
1507         int s_size, d_size, size;
1508         int written = 0;
1509
1510         s_size = d_size = class->size;
1511
1512         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1513         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1514
1515         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1516         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1517
1518         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1519                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1520
1521         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1522                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1523
1524         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1525         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1526
1527         while (1) {
1528                 size = min(s_size, d_size);
1529                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1530                 written += size;
1531
1532                 if (written == class->size)
1533                         break;
1534
1535                 s_off += size;
1536                 s_size -= size;
1537                 d_off += size;
1538                 d_size -= size;
1539
1540                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1541                         kunmap_atomic(d_addr);
1542                         kunmap_atomic(s_addr);
1543                         s_page = get_next_page(s_page);
1544                         BUG_ON(!s_page);
1545                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1546                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1547                         s_size = class->size - written;
1548                         s_off = 0;
1549                 }
1550
1551                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1552                         kunmap_atomic(d_addr);
1553                         d_page = get_next_page(d_page);
1554                         BUG_ON(!d_page);
1555                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1556                         d_size = class->size - written;
1557                         d_off = 0;
1558                 }
1559         }
1560
1561         kunmap_atomic(d_addr);
1562         kunmap_atomic(s_addr);
1563 }
1564
1565 /*
1566  * Find alloced object in zspage from index object and
1567  * return handle.
1568  */
1569 static unsigned long find_alloced_obj(struct page *page, int index,
1570                                         struct size_class *class)
1571 {
1572         unsigned long head;
1573         int offset = 0;
1574         unsigned long handle = 0;
1575         void *addr = kmap_atomic(page);
1576
1577         if (!is_first_page(page))
1578                 offset = page->index;
1579         offset += class->size * index;
1580
1581         while (offset < PAGE_SIZE) {
1582                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1583                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1584                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1585                         if (trypin_tag(handle))
1586                                 break;
1587                         handle = 0;
1588                 }
1589
1590                 offset += class->size;
1591                 index++;
1592         }
1593
1594         kunmap_atomic(addr);
1595         return handle;
1596 }
1597
1598 struct zs_compact_control {
1599         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1600         struct page *s_page;
1601         /* Destination page for migration which should be a first page
1602          * of zspage. */
1603         struct page *d_page;
1604          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1605           * in the subpage. */
1606         int index;
1607 };
1608
1609 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1610                                 struct zs_compact_control *cc)
1611 {
1612         unsigned long used_obj, free_obj;
1613         unsigned long handle;
1614         struct page *s_page = cc->s_page;
1615         struct page *d_page = cc->d_page;
1616         unsigned long index = cc->index;
1617         int ret = 0;
1618
1619         while (1) {
1620                 handle = find_alloced_obj(s_page, index, class);
1621                 if (!handle) {
1622                         s_page = get_next_page(s_page);
1623                         if (!s_page)
1624                                 break;
1625                         index = 0;
1626                         continue;
1627                 }
1628
1629                 /* Stop if there is no more space */
1630                 if (zspage_full(d_page)) {
1631                         unpin_tag(handle);
1632                         ret = -ENOMEM;
1633                         break;
1634                 }
1635
1636                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1637                 free_obj = obj_malloc(d_page, class, handle);
1638                 zs_object_copy(free_obj, used_obj, class);
1639                 index++;
1640                 /*
1641                  * record_obj updates handle's value to free_obj and it will
1642                  * invalidate lock bit(ie, HANDLE_PIN_BIT) of handle, which
1643                  * breaks synchronization using pin_tag(e,g, zs_free) so
1644                  * let's keep the lock bit.
1645                  */
1646                 free_obj |= BIT(HANDLE_PIN_BIT);
1647                 record_obj(handle, free_obj);
1648                 unpin_tag(handle);
1649                 obj_free(pool, class, used_obj);
1650         }
1651
1652         /* Remember last position in this iteration */
1653         cc->s_page = s_page;
1654         cc->index = index;
1655
1656         return ret;
1657 }
1658
1659 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1660 {
1661         int i;
1662         struct page *page;
1663
1664         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1665                 page = class->fullness_list[i];
1666                 if (page) {
1667                         remove_zspage(page, class, i);
1668                         break;
1669                 }
1670         }
1671
1672         return page;
1673 }
1674
1675 /*
1676  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1677  * @pool: target pool
1678  * @class: destination class
1679  * @first_page: target page
1680  *
1681  * Return @fist_page's fullness_group
1682  */
1683 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1684                         struct size_class *class,
1685                         struct page *first_page)
1686 {
1687         enum fullness_group fullness;
1688
1689         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
1690
1691         fullness = get_fullness_group(first_page);
1692         insert_zspage(first_page, class, fullness);
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(page, class, i);
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
1733         obj_wasted = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED) -
1734                 zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1735
1736         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1737                         class->pages_per_zspage);
1738
1739         return obj_wasted * class->pages_per_zspage;
1740 }
1741
1742 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1743 {
1744         struct zs_compact_control cc;
1745         struct page *src_page;
1746         struct page *dst_page = NULL;
1747
1748         spin_lock(&class->lock);
1749         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1750
1751                 BUG_ON(!is_first_page(src_page));
1752
1753                 if (!zs_can_compact(class))
1754                         break;
1755
1756                 cc.index = 0;
1757                 cc.s_page = src_page;
1758
1759                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1760                         cc.d_page = dst_page;
1761                         /*
1762                          * If there is no more space in dst_page, resched
1763                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1764                          */
1765                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1766                                 break;
1767
1768                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1769                 }
1770
1771                 /* Stop if we couldn't find slot */
1772                 if (dst_page == NULL)
1773                         break;
1774
1775                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1776                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1777                         pool->stats.pages_compacted += class->pages_per_zspage;
1778                 spin_unlock(&class->lock);
1779                 cond_resched();
1780                 spin_lock(&class->lock);
1781         }
1782
1783         if (src_page)
1784                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1785
1786         spin_unlock(&class->lock);
1787 }
1788
1789 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1790 {
1791         int i;
1792         struct size_class *class;
1793
1794         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1795                 class = pool->size_class[i];
1796                 if (!class)
1797                         continue;
1798                 if (class->index != i)
1799                         continue;
1800                 __zs_compact(pool, class);
1801         }
1802
1803         return pool->stats.pages_compacted;
1804 }
1805 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1806
1807 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1808 {
1809         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1810 }
1811 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1812
1813 static unsigned long zs_shrinker_scan(struct shrinker *shrinker,
1814                 struct shrink_control *sc)
1815 {
1816         unsigned long pages_freed;
1817         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1818                         shrinker);
1819
1820         pages_freed = pool->stats.pages_compacted;
1821         /*
1822          * Compact classes and calculate compaction delta.
1823          * Can run concurrently with a manually triggered
1824          * (by user) compaction.
1825          */
1826         pages_freed = zs_compact(pool) - pages_freed;
1827
1828         return pages_freed ? pages_freed : SHRINK_STOP;
1829 }
1830
1831 static unsigned long zs_shrinker_count(struct shrinker *shrinker,
1832                 struct shrink_control *sc)
1833 {
1834         int i;
1835         struct size_class *class;
1836         unsigned long pages_to_free = 0;
1837         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1838                         shrinker);
1839
1840         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1841                 class = pool->size_class[i];
1842                 if (!class)
1843                         continue;
1844                 if (class->index != i)
1845                         continue;
1846
1847                 pages_to_free += zs_can_compact(class);
1848         }
1849
1850         return pages_to_free;
1851 }
1852
1853 static void zs_unregister_shrinker(struct zs_pool *pool)
1854 {
1855         if (pool->shrinker_enabled) {
1856                 unregister_shrinker(&pool->shrinker);
1857                 pool->shrinker_enabled = false;
1858         }
1859 }
1860
1861 static int zs_register_shrinker(struct zs_pool *pool)
1862 {
1863         pool->shrinker.scan_objects = zs_shrinker_scan;
1864         pool->shrinker.count_objects = zs_shrinker_count;
1865         pool->shrinker.batch = 0;
1866         pool->shrinker.seeks = DEFAULT_SEEKS;
1867
1868         return register_shrinker(&pool->shrinker);
1869 }
1870
1871 /**
1872  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1873  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1874  *
1875  * This function must be called before anything when using
1876  * the zsmalloc allocator.
1877  *
1878  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1879  * otherwise NULL.
1880  */
1881 struct zs_pool *zs_create_pool(const char *name, gfp_t flags)
1882 {
1883         int i;
1884         struct zs_pool *pool;
1885         struct size_class *prev_class = NULL;
1886
1887         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1888         if (!pool)
1889                 return NULL;
1890
1891         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1892                         GFP_KERNEL);
1893         if (!pool->size_class) {
1894                 kfree(pool);
1895                 return NULL;
1896         }
1897
1898         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1899         if (!pool->name)
1900                 goto err;
1901
1902         if (create_handle_cache(pool))
1903                 goto err;
1904
1905         /*
1906          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1907          * for merging should be larger or equal to current size.
1908          */
1909         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1910                 int size;
1911                 int pages_per_zspage;
1912                 struct size_class *class;
1913
1914                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1915                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1916                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1917                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1918
1919                 /*
1920                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1921                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1922                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1923                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1924                  * many different sizes whose size_class have same
1925                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1926                  * previous size_class if possible.
1927                  */
1928                 if (prev_class) {
1929                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1930                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1931                                 continue;
1932                         }
1933                 }
1934
1935                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1936                 if (!class)
1937                         goto err;
1938
1939                 class->size = size;
1940                 class->index = i;
1941                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1942                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1943                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1944                         class->huge = true;
1945                 spin_lock_init(&class->lock);
1946                 pool->size_class[i] = class;
1947
1948                 prev_class = class;
1949         }
1950
1951         pool->flags = flags;
1952
1953         if (zs_pool_stat_create(name, pool))
1954                 goto err;
1955
1956         /*
1957          * Not critical, we still can use the pool
1958          * and user can trigger compaction manually.
1959          */
1960         if (zs_register_shrinker(pool) == 0)
1961                 pool->shrinker_enabled = true;
1962         return pool;
1963
1964 err:
1965         zs_destroy_pool(pool);
1966         return NULL;
1967 }
1968 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1969
1970 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1971 {
1972         int i;
1973
1974         zs_unregister_shrinker(pool);
1975         zs_pool_stat_destroy(pool);
1976
1977         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1978                 int fg;
1979                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1980
1981                 if (!class)
1982                         continue;
1983
1984                 if (class->index != i)
1985                         continue;
1986
1987                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1988                         if (class->fullness_list[fg]) {
1989                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1990                                         class->size, fg);
1991                         }
1992                 }
1993                 kfree(class);
1994         }
1995
1996         destroy_handle_cache(pool);
1997         kfree(pool->size_class);
1998         kfree(pool->name);
1999         kfree(pool);
2000 }
2001 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
2002
2003 static int __init zs_init(void)
2004 {
2005         int ret = zs_register_cpu_notifier();
2006
2007         if (ret)
2008                 goto notifier_fail;
2009
2010         init_zs_size_classes();
2011
2012 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2013         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
2014 #endif
2015
2016         ret = zs_stat_init();
2017         if (ret) {
2018                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
2019                 goto stat_fail;
2020         }
2021         return 0;
2022
2023 stat_fail:
2024 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2025         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2026 #endif
2027 notifier_fail:
2028         zs_unregister_cpu_notifier();
2029
2030         return ret;
2031 }
2032
2033 static void __exit zs_exit(void)
2034 {
2035 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2036         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2037 #endif
2038         zs_unregister_cpu_notifier();
2039
2040         zs_stat_exit();
2041 }
2042
2043 module_init(zs_init);
2044 module_exit(zs_exit);
2045
2046 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
2047 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");