]> asedeno.scripts.mit.edu Git - linux.git/blob - mm/percpu.c
percpu: add block level scan_hint
[linux.git] / mm / percpu.c
1 /*
2  * mm/percpu.c - percpu memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2009           SUSE Linux Products GmbH
5  * Copyright (C) 2009           Tejun Heo <tj@kernel.org>
6  *
7  * Copyright (C) 2017           Facebook Inc.
8  * Copyright (C) 2017           Dennis Zhou <dennisszhou@gmail.com>
9  *
10  * This file is released under the GPLv2 license.
11  *
12  * The percpu allocator handles both static and dynamic areas.  Percpu
13  * areas are allocated in chunks which are divided into units.  There is
14  * a 1-to-1 mapping for units to possible cpus.  These units are grouped
15  * based on NUMA properties of the machine.
16  *
17  *  c0                           c1                         c2
18  *  -------------------          -------------------        ------------
19  * | u0 | u1 | u2 | u3 |        | u0 | u1 | u2 | u3 |      | u0 | u1 | u
20  *  -------------------  ......  -------------------  ....  ------------
21  *
22  * Allocation is done by offsets into a unit's address space.  Ie., an
23  * area of 512 bytes at 6k in c1 occupies 512 bytes at 6k in c1:u0,
24  * c1:u1, c1:u2, etc.  On NUMA machines, the mapping may be non-linear
25  * and even sparse.  Access is handled by configuring percpu base
26  * registers according to the cpu to unit mappings and offsetting the
27  * base address using pcpu_unit_size.
28  *
29  * There is special consideration for the first chunk which must handle
30  * the static percpu variables in the kernel image as allocation services
31  * are not online yet.  In short, the first chunk is structured like so:
32  *
33  *                  <Static | [Reserved] | Dynamic>
34  *
35  * The static data is copied from the original section managed by the
36  * linker.  The reserved section, if non-zero, primarily manages static
37  * percpu variables from kernel modules.  Finally, the dynamic section
38  * takes care of normal allocations.
39  *
40  * The allocator organizes chunks into lists according to free size and
41  * tries to allocate from the fullest chunk first.  Each chunk is managed
42  * by a bitmap with metadata blocks.  The allocation map is updated on
43  * every allocation and free to reflect the current state while the boundary
44  * map is only updated on allocation.  Each metadata block contains
45  * information to help mitigate the need to iterate over large portions
46  * of the bitmap.  The reverse mapping from page to chunk is stored in
47  * the page's index.  Lastly, units are lazily backed and grow in unison.
48  *
49  * There is a unique conversion that goes on here between bytes and bits.
50  * Each bit represents a fragment of size PCPU_MIN_ALLOC_SIZE.  The chunk
51  * tracks the number of pages it is responsible for in nr_pages.  Helper
52  * functions are used to convert from between the bytes, bits, and blocks.
53  * All hints are managed in bits unless explicitly stated.
54  *
55  * To use this allocator, arch code should do the following:
56  *
57  * - define __addr_to_pcpu_ptr() and __pcpu_ptr_to_addr() to translate
58  *   regular address to percpu pointer and back if they need to be
59  *   different from the default
60  *
61  * - use pcpu_setup_first_chunk() during percpu area initialization to
62  *   setup the first chunk containing the kernel static percpu area
63  */
64
65 #define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt
66
67 #include <linux/bitmap.h>
68 #include <linux/memblock.h>
69 #include <linux/err.h>
70 #include <linux/lcm.h>
71 #include <linux/list.h>
72 #include <linux/log2.h>
73 #include <linux/mm.h>
74 #include <linux/module.h>
75 #include <linux/mutex.h>
76 #include <linux/percpu.h>
77 #include <linux/pfn.h>
78 #include <linux/slab.h>
79 #include <linux/spinlock.h>
80 #include <linux/vmalloc.h>
81 #include <linux/workqueue.h>
82 #include <linux/kmemleak.h>
83 #include <linux/sched.h>
84
85 #include <asm/cacheflush.h>
86 #include <asm/sections.h>
87 #include <asm/tlbflush.h>
88 #include <asm/io.h>
89
90 #define CREATE_TRACE_POINTS
91 #include <trace/events/percpu.h>
92
93 #include "percpu-internal.h"
94
95 /* the slots are sorted by free bytes left, 1-31 bytes share the same slot */
96 #define PCPU_SLOT_BASE_SHIFT            5
97 /* chunks in slots below this are subject to being sidelined on failed alloc */
98 #define PCPU_SLOT_FAIL_THRESHOLD        3
99
100 #define PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW        2
101 #define PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH       4
102
103 #ifdef CONFIG_SMP
104 /* default addr <-> pcpu_ptr mapping, override in asm/percpu.h if necessary */
105 #ifndef __addr_to_pcpu_ptr
106 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)                                        \
107         (void __percpu *)((unsigned long)(addr) -                       \
108                           (unsigned long)pcpu_base_addr +               \
109                           (unsigned long)__per_cpu_start)
110 #endif
111 #ifndef __pcpu_ptr_to_addr
112 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)                                         \
113         (void __force *)((unsigned long)(ptr) +                         \
114                          (unsigned long)pcpu_base_addr -                \
115                          (unsigned long)__per_cpu_start)
116 #endif
117 #else   /* CONFIG_SMP */
118 /* on UP, it's always identity mapped */
119 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)        (void __percpu *)(addr)
120 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)         (void __force *)(ptr)
121 #endif  /* CONFIG_SMP */
122
123 static int pcpu_unit_pages __ro_after_init;
124 static int pcpu_unit_size __ro_after_init;
125 static int pcpu_nr_units __ro_after_init;
126 static int pcpu_atom_size __ro_after_init;
127 int pcpu_nr_slots __ro_after_init;
128 static size_t pcpu_chunk_struct_size __ro_after_init;
129
130 /* cpus with the lowest and highest unit addresses */
131 static unsigned int pcpu_low_unit_cpu __ro_after_init;
132 static unsigned int pcpu_high_unit_cpu __ro_after_init;
133
134 /* the address of the first chunk which starts with the kernel static area */
135 void *pcpu_base_addr __ro_after_init;
136 EXPORT_SYMBOL_GPL(pcpu_base_addr);
137
138 static const int *pcpu_unit_map __ro_after_init;                /* cpu -> unit */
139 const unsigned long *pcpu_unit_offsets __ro_after_init; /* cpu -> unit offset */
140
141 /* group information, used for vm allocation */
142 static int pcpu_nr_groups __ro_after_init;
143 static const unsigned long *pcpu_group_offsets __ro_after_init;
144 static const size_t *pcpu_group_sizes __ro_after_init;
145
146 /*
147  * The first chunk which always exists.  Note that unlike other
148  * chunks, this one can be allocated and mapped in several different
149  * ways and thus often doesn't live in the vmalloc area.
150  */
151 struct pcpu_chunk *pcpu_first_chunk __ro_after_init;
152
153 /*
154  * Optional reserved chunk.  This chunk reserves part of the first
155  * chunk and serves it for reserved allocations.  When the reserved
156  * region doesn't exist, the following variable is NULL.
157  */
158 struct pcpu_chunk *pcpu_reserved_chunk __ro_after_init;
159
160 DEFINE_SPINLOCK(pcpu_lock);     /* all internal data structures */
161 static DEFINE_MUTEX(pcpu_alloc_mutex);  /* chunk create/destroy, [de]pop, map ext */
162
163 struct list_head *pcpu_slot __ro_after_init; /* chunk list slots */
164
165 /* chunks which need their map areas extended, protected by pcpu_lock */
166 static LIST_HEAD(pcpu_map_extend_chunks);
167
168 /*
169  * The number of empty populated pages, protected by pcpu_lock.  The
170  * reserved chunk doesn't contribute to the count.
171  */
172 int pcpu_nr_empty_pop_pages;
173
174 /*
175  * The number of populated pages in use by the allocator, protected by
176  * pcpu_lock.  This number is kept per a unit per chunk (i.e. when a page gets
177  * allocated/deallocated, it is allocated/deallocated in all units of a chunk
178  * and increments/decrements this count by 1).
179  */
180 static unsigned long pcpu_nr_populated;
181
182 /*
183  * Balance work is used to populate or destroy chunks asynchronously.  We
184  * try to keep the number of populated free pages between
185  * PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW and HIGH for atomic allocations and at most one
186  * empty chunk.
187  */
188 static void pcpu_balance_workfn(struct work_struct *work);
189 static DECLARE_WORK(pcpu_balance_work, pcpu_balance_workfn);
190 static bool pcpu_async_enabled __read_mostly;
191 static bool pcpu_atomic_alloc_failed;
192
193 static void pcpu_schedule_balance_work(void)
194 {
195         if (pcpu_async_enabled)
196                 schedule_work(&pcpu_balance_work);
197 }
198
199 /**
200  * pcpu_addr_in_chunk - check if the address is served from this chunk
201  * @chunk: chunk of interest
202  * @addr: percpu address
203  *
204  * RETURNS:
205  * True if the address is served from this chunk.
206  */
207 static bool pcpu_addr_in_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, void *addr)
208 {
209         void *start_addr, *end_addr;
210
211         if (!chunk)
212                 return false;
213
214         start_addr = chunk->base_addr + chunk->start_offset;
215         end_addr = chunk->base_addr + chunk->nr_pages * PAGE_SIZE -
216                    chunk->end_offset;
217
218         return addr >= start_addr && addr < end_addr;
219 }
220
221 static int __pcpu_size_to_slot(int size)
222 {
223         int highbit = fls(size);        /* size is in bytes */
224         return max(highbit - PCPU_SLOT_BASE_SHIFT + 2, 1);
225 }
226
227 static int pcpu_size_to_slot(int size)
228 {
229         if (size == pcpu_unit_size)
230                 return pcpu_nr_slots - 1;
231         return __pcpu_size_to_slot(size);
232 }
233
234 static int pcpu_chunk_slot(const struct pcpu_chunk *chunk)
235 {
236         if (chunk->free_bytes < PCPU_MIN_ALLOC_SIZE || chunk->contig_bits == 0)
237                 return 0;
238
239         return pcpu_size_to_slot(chunk->contig_bits * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
240 }
241
242 /* set the pointer to a chunk in a page struct */
243 static void pcpu_set_page_chunk(struct page *page, struct pcpu_chunk *pcpu)
244 {
245         page->index = (unsigned long)pcpu;
246 }
247
248 /* obtain pointer to a chunk from a page struct */
249 static struct pcpu_chunk *pcpu_get_page_chunk(struct page *page)
250 {
251         return (struct pcpu_chunk *)page->index;
252 }
253
254 static int __maybe_unused pcpu_page_idx(unsigned int cpu, int page_idx)
255 {
256         return pcpu_unit_map[cpu] * pcpu_unit_pages + page_idx;
257 }
258
259 static unsigned long pcpu_unit_page_offset(unsigned int cpu, int page_idx)
260 {
261         return pcpu_unit_offsets[cpu] + (page_idx << PAGE_SHIFT);
262 }
263
264 static unsigned long pcpu_chunk_addr(struct pcpu_chunk *chunk,
265                                      unsigned int cpu, int page_idx)
266 {
267         return (unsigned long)chunk->base_addr +
268                pcpu_unit_page_offset(cpu, page_idx);
269 }
270
271 static void pcpu_next_unpop(unsigned long *bitmap, int *rs, int *re, int end)
272 {
273         *rs = find_next_zero_bit(bitmap, end, *rs);
274         *re = find_next_bit(bitmap, end, *rs + 1);
275 }
276
277 static void pcpu_next_pop(unsigned long *bitmap, int *rs, int *re, int end)
278 {
279         *rs = find_next_bit(bitmap, end, *rs);
280         *re = find_next_zero_bit(bitmap, end, *rs + 1);
281 }
282
283 /*
284  * Bitmap region iterators.  Iterates over the bitmap between
285  * [@start, @end) in @chunk.  @rs and @re should be integer variables
286  * and will be set to start and end index of the current free region.
287  */
288 #define pcpu_for_each_unpop_region(bitmap, rs, re, start, end)               \
289         for ((rs) = (start), pcpu_next_unpop((bitmap), &(rs), &(re), (end)); \
290              (rs) < (re);                                                    \
291              (rs) = (re) + 1, pcpu_next_unpop((bitmap), &(rs), &(re), (end)))
292
293 #define pcpu_for_each_pop_region(bitmap, rs, re, start, end)                 \
294         for ((rs) = (start), pcpu_next_pop((bitmap), &(rs), &(re), (end));   \
295              (rs) < (re);                                                    \
296              (rs) = (re) + 1, pcpu_next_pop((bitmap), &(rs), &(re), (end)))
297
298 /*
299  * The following are helper functions to help access bitmaps and convert
300  * between bitmap offsets to address offsets.
301  */
302 static unsigned long *pcpu_index_alloc_map(struct pcpu_chunk *chunk, int index)
303 {
304         return chunk->alloc_map +
305                (index * PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS / BITS_PER_LONG);
306 }
307
308 static unsigned long pcpu_off_to_block_index(int off)
309 {
310         return off / PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
311 }
312
313 static unsigned long pcpu_off_to_block_off(int off)
314 {
315         return off & (PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - 1);
316 }
317
318 static unsigned long pcpu_block_off_to_off(int index, int off)
319 {
320         return index * PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS + off;
321 }
322
323 /*
324  * pcpu_next_hint - determine which hint to use
325  * @block: block of interest
326  * @alloc_bits: size of allocation
327  *
328  * This determines if we should scan based on the scan_hint or first_free.
329  * In general, we want to scan from first_free to fulfill allocations by
330  * first fit.  However, if we know a scan_hint at position scan_hint_start
331  * cannot fulfill an allocation, we can begin scanning from there knowing
332  * the contig_hint will be our fallback.
333  */
334 static int pcpu_next_hint(struct pcpu_block_md *block, int alloc_bits)
335 {
336         /*
337          * The three conditions below determine if we can skip past the
338          * scan_hint.  First, does the scan hint exist.  Second, is the
339          * contig_hint after the scan_hint (possibly not true iff
340          * contig_hint == scan_hint).  Third, is the allocation request
341          * larger than the scan_hint.
342          */
343         if (block->scan_hint &&
344             block->contig_hint_start > block->scan_hint_start &&
345             alloc_bits > block->scan_hint)
346                 return block->scan_hint_start + block->scan_hint;
347
348         return block->first_free;
349 }
350
351 /**
352  * pcpu_next_md_free_region - finds the next hint free area
353  * @chunk: chunk of interest
354  * @bit_off: chunk offset
355  * @bits: size of free area
356  *
357  * Helper function for pcpu_for_each_md_free_region.  It checks
358  * block->contig_hint and performs aggregation across blocks to find the
359  * next hint.  It modifies bit_off and bits in-place to be consumed in the
360  * loop.
361  */
362 static void pcpu_next_md_free_region(struct pcpu_chunk *chunk, int *bit_off,
363                                      int *bits)
364 {
365         int i = pcpu_off_to_block_index(*bit_off);
366         int block_off = pcpu_off_to_block_off(*bit_off);
367         struct pcpu_block_md *block;
368
369         *bits = 0;
370         for (block = chunk->md_blocks + i; i < pcpu_chunk_nr_blocks(chunk);
371              block++, i++) {
372                 /* handles contig area across blocks */
373                 if (*bits) {
374                         *bits += block->left_free;
375                         if (block->left_free == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
376                                 continue;
377                         return;
378                 }
379
380                 /*
381                  * This checks three things.  First is there a contig_hint to
382                  * check.  Second, have we checked this hint before by
383                  * comparing the block_off.  Third, is this the same as the
384                  * right contig hint.  In the last case, it spills over into
385                  * the next block and should be handled by the contig area
386                  * across blocks code.
387                  */
388                 *bits = block->contig_hint;
389                 if (*bits && block->contig_hint_start >= block_off &&
390                     *bits + block->contig_hint_start < PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS) {
391                         *bit_off = pcpu_block_off_to_off(i,
392                                         block->contig_hint_start);
393                         return;
394                 }
395                 /* reset to satisfy the second predicate above */
396                 block_off = 0;
397
398                 *bits = block->right_free;
399                 *bit_off = (i + 1) * PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - block->right_free;
400         }
401 }
402
403 /**
404  * pcpu_next_fit_region - finds fit areas for a given allocation request
405  * @chunk: chunk of interest
406  * @alloc_bits: size of allocation
407  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
408  * @bit_off: chunk offset
409  * @bits: size of free area
410  *
411  * Finds the next free region that is viable for use with a given size and
412  * alignment.  This only returns if there is a valid area to be used for this
413  * allocation.  block->first_free is returned if the allocation request fits
414  * within the block to see if the request can be fulfilled prior to the contig
415  * hint.
416  */
417 static void pcpu_next_fit_region(struct pcpu_chunk *chunk, int alloc_bits,
418                                  int align, int *bit_off, int *bits)
419 {
420         int i = pcpu_off_to_block_index(*bit_off);
421         int block_off = pcpu_off_to_block_off(*bit_off);
422         struct pcpu_block_md *block;
423
424         *bits = 0;
425         for (block = chunk->md_blocks + i; i < pcpu_chunk_nr_blocks(chunk);
426              block++, i++) {
427                 /* handles contig area across blocks */
428                 if (*bits) {
429                         *bits += block->left_free;
430                         if (*bits >= alloc_bits)
431                                 return;
432                         if (block->left_free == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
433                                 continue;
434                 }
435
436                 /* check block->contig_hint */
437                 *bits = ALIGN(block->contig_hint_start, align) -
438                         block->contig_hint_start;
439                 /*
440                  * This uses the block offset to determine if this has been
441                  * checked in the prior iteration.
442                  */
443                 if (block->contig_hint &&
444                     block->contig_hint_start >= block_off &&
445                     block->contig_hint >= *bits + alloc_bits) {
446                         int start = pcpu_next_hint(block, alloc_bits);
447
448                         *bits += alloc_bits + block->contig_hint_start -
449                                  start;
450                         *bit_off = pcpu_block_off_to_off(i, start);
451                         return;
452                 }
453                 /* reset to satisfy the second predicate above */
454                 block_off = 0;
455
456                 *bit_off = ALIGN(PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - block->right_free,
457                                  align);
458                 *bits = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - *bit_off;
459                 *bit_off = pcpu_block_off_to_off(i, *bit_off);
460                 if (*bits >= alloc_bits)
461                         return;
462         }
463
464         /* no valid offsets were found - fail condition */
465         *bit_off = pcpu_chunk_map_bits(chunk);
466 }
467
468 /*
469  * Metadata free area iterators.  These perform aggregation of free areas
470  * based on the metadata blocks and return the offset @bit_off and size in
471  * bits of the free area @bits.  pcpu_for_each_fit_region only returns when
472  * a fit is found for the allocation request.
473  */
474 #define pcpu_for_each_md_free_region(chunk, bit_off, bits)              \
475         for (pcpu_next_md_free_region((chunk), &(bit_off), &(bits));    \
476              (bit_off) < pcpu_chunk_map_bits((chunk));                  \
477              (bit_off) += (bits) + 1,                                   \
478              pcpu_next_md_free_region((chunk), &(bit_off), &(bits)))
479
480 #define pcpu_for_each_fit_region(chunk, alloc_bits, align, bit_off, bits)     \
481         for (pcpu_next_fit_region((chunk), (alloc_bits), (align), &(bit_off), \
482                                   &(bits));                                   \
483              (bit_off) < pcpu_chunk_map_bits((chunk));                        \
484              (bit_off) += (bits),                                             \
485              pcpu_next_fit_region((chunk), (alloc_bits), (align), &(bit_off), \
486                                   &(bits)))
487
488 /**
489  * pcpu_mem_zalloc - allocate memory
490  * @size: bytes to allocate
491  * @gfp: allocation flags
492  *
493  * Allocate @size bytes.  If @size is smaller than PAGE_SIZE,
494  * kzalloc() is used; otherwise, the equivalent of vzalloc() is used.
495  * This is to facilitate passing through whitelisted flags.  The
496  * returned memory is always zeroed.
497  *
498  * RETURNS:
499  * Pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
500  */
501 static void *pcpu_mem_zalloc(size_t size, gfp_t gfp)
502 {
503         if (WARN_ON_ONCE(!slab_is_available()))
504                 return NULL;
505
506         if (size <= PAGE_SIZE)
507                 return kzalloc(size, gfp);
508         else
509                 return __vmalloc(size, gfp | __GFP_ZERO, PAGE_KERNEL);
510 }
511
512 /**
513  * pcpu_mem_free - free memory
514  * @ptr: memory to free
515  *
516  * Free @ptr.  @ptr should have been allocated using pcpu_mem_zalloc().
517  */
518 static void pcpu_mem_free(void *ptr)
519 {
520         kvfree(ptr);
521 }
522
523 static void __pcpu_chunk_move(struct pcpu_chunk *chunk, int slot,
524                               bool move_front)
525 {
526         if (chunk != pcpu_reserved_chunk) {
527                 if (move_front)
528                         list_move(&chunk->list, &pcpu_slot[slot]);
529                 else
530                         list_move_tail(&chunk->list, &pcpu_slot[slot]);
531         }
532 }
533
534 static void pcpu_chunk_move(struct pcpu_chunk *chunk, int slot)
535 {
536         __pcpu_chunk_move(chunk, slot, true);
537 }
538
539 /**
540  * pcpu_chunk_relocate - put chunk in the appropriate chunk slot
541  * @chunk: chunk of interest
542  * @oslot: the previous slot it was on
543  *
544  * This function is called after an allocation or free changed @chunk.
545  * New slot according to the changed state is determined and @chunk is
546  * moved to the slot.  Note that the reserved chunk is never put on
547  * chunk slots.
548  *
549  * CONTEXT:
550  * pcpu_lock.
551  */
552 static void pcpu_chunk_relocate(struct pcpu_chunk *chunk, int oslot)
553 {
554         int nslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
555
556         if (oslot != nslot)
557                 __pcpu_chunk_move(chunk, nslot, oslot < nslot);
558 }
559
560 /*
561  * pcpu_update_empty_pages - update empty page counters
562  * @chunk: chunk of interest
563  * @nr: nr of empty pages
564  *
565  * This is used to keep track of the empty pages now based on the premise
566  * a md_block covers a page.  The hint update functions recognize if a block
567  * is made full or broken to calculate deltas for keeping track of free pages.
568  */
569 static inline void pcpu_update_empty_pages(struct pcpu_chunk *chunk, int nr)
570 {
571         chunk->nr_empty_pop_pages += nr;
572         if (chunk != pcpu_reserved_chunk)
573                 pcpu_nr_empty_pop_pages += nr;
574 }
575
576 /*
577  * pcpu_region_overlap - determines if two regions overlap
578  * @a: start of first region, inclusive
579  * @b: end of first region, exclusive
580  * @x: start of second region, inclusive
581  * @y: end of second region, exclusive
582  *
583  * This is used to determine if the hint region [a, b) overlaps with the
584  * allocated region [x, y).
585  */
586 static inline bool pcpu_region_overlap(int a, int b, int x, int y)
587 {
588         return (a < y) && (x < b);
589 }
590
591 /**
592  * pcpu_chunk_update - updates the chunk metadata given a free area
593  * @chunk: chunk of interest
594  * @bit_off: chunk offset
595  * @bits: size of free area
596  *
597  * This updates the chunk's contig hint and starting offset given a free area.
598  * Choose the best starting offset if the contig hint is equal.
599  */
600 static void pcpu_chunk_update(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off, int bits)
601 {
602         if (bits > chunk->contig_bits) {
603                 chunk->contig_bits_start = bit_off;
604                 chunk->contig_bits = bits;
605         } else if (bits == chunk->contig_bits && chunk->contig_bits_start &&
606                    (!bit_off ||
607                     __ffs(bit_off) > __ffs(chunk->contig_bits_start))) {
608                 /* use the start with the best alignment */
609                 chunk->contig_bits_start = bit_off;
610         }
611 }
612
613 /**
614  * pcpu_chunk_refresh_hint - updates metadata about a chunk
615  * @chunk: chunk of interest
616  *
617  * Iterates over the metadata blocks to find the largest contig area.
618  * It also counts the populated pages and uses the delta to update the
619  * global count.
620  *
621  * Updates:
622  *      chunk->contig_bits
623  *      chunk->contig_bits_start
624  */
625 static void pcpu_chunk_refresh_hint(struct pcpu_chunk *chunk)
626 {
627         int bit_off, bits;
628
629         /* clear metadata */
630         chunk->contig_bits = 0;
631
632         bit_off = chunk->first_bit;
633         bits = 0;
634         pcpu_for_each_md_free_region(chunk, bit_off, bits) {
635                 pcpu_chunk_update(chunk, bit_off, bits);
636         }
637 }
638
639 /**
640  * pcpu_block_update - updates a block given a free area
641  * @block: block of interest
642  * @start: start offset in block
643  * @end: end offset in block
644  *
645  * Updates a block given a known free area.  The region [start, end) is
646  * expected to be the entirety of the free area within a block.  Chooses
647  * the best starting offset if the contig hints are equal.
648  */
649 static void pcpu_block_update(struct pcpu_block_md *block, int start, int end)
650 {
651         int contig = end - start;
652
653         block->first_free = min(block->first_free, start);
654         if (start == 0)
655                 block->left_free = contig;
656
657         if (end == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
658                 block->right_free = contig;
659
660         if (contig > block->contig_hint) {
661                 /* promote the old contig_hint to be the new scan_hint */
662                 if (start > block->contig_hint_start) {
663                         if (block->contig_hint > block->scan_hint) {
664                                 block->scan_hint_start =
665                                         block->contig_hint_start;
666                                 block->scan_hint = block->contig_hint;
667                         } else if (start < block->scan_hint_start) {
668                                 /*
669                                  * The old contig_hint == scan_hint.  But, the
670                                  * new contig is larger so hold the invariant
671                                  * scan_hint_start < contig_hint_start.
672                                  */
673                                 block->scan_hint = 0;
674                         }
675                 } else {
676                         block->scan_hint = 0;
677                 }
678                 block->contig_hint_start = start;
679                 block->contig_hint = contig;
680         } else if (contig == block->contig_hint) {
681                 if (block->contig_hint_start &&
682                     (!start ||
683                      __ffs(start) > __ffs(block->contig_hint_start))) {
684                         /* start has a better alignment so use it */
685                         block->contig_hint_start = start;
686                         if (start < block->scan_hint_start &&
687                             block->contig_hint > block->scan_hint)
688                                 block->scan_hint = 0;
689                 } else if (start > block->scan_hint_start ||
690                            block->contig_hint > block->scan_hint) {
691                         /*
692                          * Knowing contig == contig_hint, update the scan_hint
693                          * if it is farther than or larger than the current
694                          * scan_hint.
695                          */
696                         block->scan_hint_start = start;
697                         block->scan_hint = contig;
698                 }
699         } else {
700                 /*
701                  * The region is smaller than the contig_hint.  So only update
702                  * the scan_hint if it is larger than or equal and farther than
703                  * the current scan_hint.
704                  */
705                 if ((start < block->contig_hint_start &&
706                      (contig > block->scan_hint ||
707                       (contig == block->scan_hint &&
708                        start > block->scan_hint_start)))) {
709                         block->scan_hint_start = start;
710                         block->scan_hint = contig;
711                 }
712         }
713 }
714
715 /**
716  * pcpu_block_refresh_hint
717  * @chunk: chunk of interest
718  * @index: index of the metadata block
719  *
720  * Scans over the block beginning at first_free and updates the block
721  * metadata accordingly.
722  */
723 static void pcpu_block_refresh_hint(struct pcpu_chunk *chunk, int index)
724 {
725         struct pcpu_block_md *block = chunk->md_blocks + index;
726         unsigned long *alloc_map = pcpu_index_alloc_map(chunk, index);
727         int rs, re;     /* region start, region end */
728
729         /* clear hints */
730         block->contig_hint = block->scan_hint = 0;
731         block->left_free = block->right_free = 0;
732
733         /* iterate over free areas and update the contig hints */
734         pcpu_for_each_unpop_region(alloc_map, rs, re, block->first_free,
735                                    PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS) {
736                 pcpu_block_update(block, rs, re);
737         }
738 }
739
740 /**
741  * pcpu_block_update_hint_alloc - update hint on allocation path
742  * @chunk: chunk of interest
743  * @bit_off: chunk offset
744  * @bits: size of request
745  *
746  * Updates metadata for the allocation path.  The metadata only has to be
747  * refreshed by a full scan iff the chunk's contig hint is broken.  Block level
748  * scans are required if the block's contig hint is broken.
749  */
750 static void pcpu_block_update_hint_alloc(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off,
751                                          int bits)
752 {
753         int nr_empty_pages = 0;
754         struct pcpu_block_md *s_block, *e_block, *block;
755         int s_index, e_index;   /* block indexes of the freed allocation */
756         int s_off, e_off;       /* block offsets of the freed allocation */
757
758         /*
759          * Calculate per block offsets.
760          * The calculation uses an inclusive range, but the resulting offsets
761          * are [start, end).  e_index always points to the last block in the
762          * range.
763          */
764         s_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off);
765         e_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off + bits - 1);
766         s_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off);
767         e_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off + bits - 1) + 1;
768
769         s_block = chunk->md_blocks + s_index;
770         e_block = chunk->md_blocks + e_index;
771
772         /*
773          * Update s_block.
774          * block->first_free must be updated if the allocation takes its place.
775          * If the allocation breaks the contig_hint, a scan is required to
776          * restore this hint.
777          */
778         if (s_block->contig_hint == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
779                 nr_empty_pages++;
780
781         if (s_off == s_block->first_free)
782                 s_block->first_free = find_next_zero_bit(
783                                         pcpu_index_alloc_map(chunk, s_index),
784                                         PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS,
785                                         s_off + bits);
786
787         if (pcpu_region_overlap(s_block->scan_hint_start,
788                                 s_block->scan_hint_start + s_block->scan_hint,
789                                 s_off,
790                                 s_off + bits))
791                 s_block->scan_hint = 0;
792
793         if (pcpu_region_overlap(s_block->contig_hint_start,
794                                 s_block->contig_hint_start +
795                                 s_block->contig_hint,
796                                 s_off,
797                                 s_off + bits)) {
798                 /* block contig hint is broken - scan to fix it */
799                 pcpu_block_refresh_hint(chunk, s_index);
800         } else {
801                 /* update left and right contig manually */
802                 s_block->left_free = min(s_block->left_free, s_off);
803                 if (s_index == e_index)
804                         s_block->right_free = min_t(int, s_block->right_free,
805                                         PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - e_off);
806                 else
807                         s_block->right_free = 0;
808         }
809
810         /*
811          * Update e_block.
812          */
813         if (s_index != e_index) {
814                 if (e_block->contig_hint == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
815                         nr_empty_pages++;
816
817                 /*
818                  * When the allocation is across blocks, the end is along
819                  * the left part of the e_block.
820                  */
821                 e_block->first_free = find_next_zero_bit(
822                                 pcpu_index_alloc_map(chunk, e_index),
823                                 PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS, e_off);
824
825                 if (e_off == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS) {
826                         /* reset the block */
827                         e_block++;
828                 } else {
829                         if (e_off > e_block->scan_hint_start)
830                                 e_block->scan_hint = 0;
831
832                         if (e_off > e_block->contig_hint_start) {
833                                 /* contig hint is broken - scan to fix it */
834                                 pcpu_block_refresh_hint(chunk, e_index);
835                         } else {
836                                 e_block->left_free = 0;
837                                 e_block->right_free =
838                                         min_t(int, e_block->right_free,
839                                               PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - e_off);
840                         }
841                 }
842
843                 /* update in-between md_blocks */
844                 nr_empty_pages += (e_index - s_index - 1);
845                 for (block = s_block + 1; block < e_block; block++) {
846                         block->scan_hint = 0;
847                         block->contig_hint = 0;
848                         block->left_free = 0;
849                         block->right_free = 0;
850                 }
851         }
852
853         if (nr_empty_pages)
854                 pcpu_update_empty_pages(chunk, -nr_empty_pages);
855
856         /*
857          * The only time a full chunk scan is required is if the chunk
858          * contig hint is broken.  Otherwise, it means a smaller space
859          * was used and therefore the chunk contig hint is still correct.
860          */
861         if (pcpu_region_overlap(chunk->contig_bits_start,
862                                 chunk->contig_bits_start + chunk->contig_bits,
863                                 bit_off,
864                                 bit_off + bits))
865                 pcpu_chunk_refresh_hint(chunk);
866 }
867
868 /**
869  * pcpu_block_update_hint_free - updates the block hints on the free path
870  * @chunk: chunk of interest
871  * @bit_off: chunk offset
872  * @bits: size of request
873  *
874  * Updates metadata for the allocation path.  This avoids a blind block
875  * refresh by making use of the block contig hints.  If this fails, it scans
876  * forward and backward to determine the extent of the free area.  This is
877  * capped at the boundary of blocks.
878  *
879  * A chunk update is triggered if a page becomes free, a block becomes free,
880  * or the free spans across blocks.  This tradeoff is to minimize iterating
881  * over the block metadata to update chunk->contig_bits.  chunk->contig_bits
882  * may be off by up to a page, but it will never be more than the available
883  * space.  If the contig hint is contained in one block, it will be accurate.
884  */
885 static void pcpu_block_update_hint_free(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off,
886                                         int bits)
887 {
888         int nr_empty_pages = 0;
889         struct pcpu_block_md *s_block, *e_block, *block;
890         int s_index, e_index;   /* block indexes of the freed allocation */
891         int s_off, e_off;       /* block offsets of the freed allocation */
892         int start, end;         /* start and end of the whole free area */
893
894         /*
895          * Calculate per block offsets.
896          * The calculation uses an inclusive range, but the resulting offsets
897          * are [start, end).  e_index always points to the last block in the
898          * range.
899          */
900         s_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off);
901         e_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off + bits - 1);
902         s_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off);
903         e_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off + bits - 1) + 1;
904
905         s_block = chunk->md_blocks + s_index;
906         e_block = chunk->md_blocks + e_index;
907
908         /*
909          * Check if the freed area aligns with the block->contig_hint.
910          * If it does, then the scan to find the beginning/end of the
911          * larger free area can be avoided.
912          *
913          * start and end refer to beginning and end of the free area
914          * within each their respective blocks.  This is not necessarily
915          * the entire free area as it may span blocks past the beginning
916          * or end of the block.
917          */
918         start = s_off;
919         if (s_off == s_block->contig_hint + s_block->contig_hint_start) {
920                 start = s_block->contig_hint_start;
921         } else {
922                 /*
923                  * Scan backwards to find the extent of the free area.
924                  * find_last_bit returns the starting bit, so if the start bit
925                  * is returned, that means there was no last bit and the
926                  * remainder of the chunk is free.
927                  */
928                 int l_bit = find_last_bit(pcpu_index_alloc_map(chunk, s_index),
929                                           start);
930                 start = (start == l_bit) ? 0 : l_bit + 1;
931         }
932
933         end = e_off;
934         if (e_off == e_block->contig_hint_start)
935                 end = e_block->contig_hint_start + e_block->contig_hint;
936         else
937                 end = find_next_bit(pcpu_index_alloc_map(chunk, e_index),
938                                     PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS, end);
939
940         /* update s_block */
941         e_off = (s_index == e_index) ? end : PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
942         if (!start && e_off == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
943                 nr_empty_pages++;
944         pcpu_block_update(s_block, start, e_off);
945
946         /* freeing in the same block */
947         if (s_index != e_index) {
948                 /* update e_block */
949                 if (end == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
950                         nr_empty_pages++;
951                 pcpu_block_update(e_block, 0, end);
952
953                 /* reset md_blocks in the middle */
954                 nr_empty_pages += (e_index - s_index - 1);
955                 for (block = s_block + 1; block < e_block; block++) {
956                         block->first_free = 0;
957                         block->scan_hint = 0;
958                         block->contig_hint_start = 0;
959                         block->contig_hint = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
960                         block->left_free = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
961                         block->right_free = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
962                 }
963         }
964
965         if (nr_empty_pages)
966                 pcpu_update_empty_pages(chunk, nr_empty_pages);
967
968         /*
969          * Refresh chunk metadata when the free makes a block free or spans
970          * across blocks.  The contig_hint may be off by up to a page, but if
971          * the contig_hint is contained in a block, it will be accurate with
972          * the else condition below.
973          */
974         if (((end - start) >= PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS) || s_index != e_index)
975                 pcpu_chunk_refresh_hint(chunk);
976         else
977                 pcpu_chunk_update(chunk, pcpu_block_off_to_off(s_index, start),
978                                   end - start);
979 }
980
981 /**
982  * pcpu_is_populated - determines if the region is populated
983  * @chunk: chunk of interest
984  * @bit_off: chunk offset
985  * @bits: size of area
986  * @next_off: return value for the next offset to start searching
987  *
988  * For atomic allocations, check if the backing pages are populated.
989  *
990  * RETURNS:
991  * Bool if the backing pages are populated.
992  * next_index is to skip over unpopulated blocks in pcpu_find_block_fit.
993  */
994 static bool pcpu_is_populated(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off, int bits,
995                               int *next_off)
996 {
997         int page_start, page_end, rs, re;
998
999         page_start = PFN_DOWN(bit_off * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
1000         page_end = PFN_UP((bit_off + bits) * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
1001
1002         rs = page_start;
1003         pcpu_next_unpop(chunk->populated, &rs, &re, page_end);
1004         if (rs >= page_end)
1005                 return true;
1006
1007         *next_off = re * PAGE_SIZE / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1008         return false;
1009 }
1010
1011 /**
1012  * pcpu_find_block_fit - finds the block index to start searching
1013  * @chunk: chunk of interest
1014  * @alloc_bits: size of request in allocation units
1015  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE bytes)
1016  * @pop_only: use populated regions only
1017  *
1018  * Given a chunk and an allocation spec, find the offset to begin searching
1019  * for a free region.  This iterates over the bitmap metadata blocks to
1020  * find an offset that will be guaranteed to fit the requirements.  It is
1021  * not quite first fit as if the allocation does not fit in the contig hint
1022  * of a block or chunk, it is skipped.  This errs on the side of caution
1023  * to prevent excess iteration.  Poor alignment can cause the allocator to
1024  * skip over blocks and chunks that have valid free areas.
1025  *
1026  * RETURNS:
1027  * The offset in the bitmap to begin searching.
1028  * -1 if no offset is found.
1029  */
1030 static int pcpu_find_block_fit(struct pcpu_chunk *chunk, int alloc_bits,
1031                                size_t align, bool pop_only)
1032 {
1033         int bit_off, bits, next_off;
1034
1035         /*
1036          * Check to see if the allocation can fit in the chunk's contig hint.
1037          * This is an optimization to prevent scanning by assuming if it
1038          * cannot fit in the global hint, there is memory pressure and creating
1039          * a new chunk would happen soon.
1040          */
1041         bit_off = ALIGN(chunk->contig_bits_start, align) -
1042                   chunk->contig_bits_start;
1043         if (bit_off + alloc_bits > chunk->contig_bits)
1044                 return -1;
1045
1046         bit_off = chunk->first_bit;
1047         bits = 0;
1048         pcpu_for_each_fit_region(chunk, alloc_bits, align, bit_off, bits) {
1049                 if (!pop_only || pcpu_is_populated(chunk, bit_off, bits,
1050                                                    &next_off))
1051                         break;
1052
1053                 bit_off = next_off;
1054                 bits = 0;
1055         }
1056
1057         if (bit_off == pcpu_chunk_map_bits(chunk))
1058                 return -1;
1059
1060         return bit_off;
1061 }
1062
1063 /**
1064  * pcpu_alloc_area - allocates an area from a pcpu_chunk
1065  * @chunk: chunk of interest
1066  * @alloc_bits: size of request in allocation units
1067  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1068  * @start: bit_off to start searching
1069  *
1070  * This function takes in a @start offset to begin searching to fit an
1071  * allocation of @alloc_bits with alignment @align.  It needs to scan
1072  * the allocation map because if it fits within the block's contig hint,
1073  * @start will be block->first_free. This is an attempt to fill the
1074  * allocation prior to breaking the contig hint.  The allocation and
1075  * boundary maps are updated accordingly if it confirms a valid
1076  * free area.
1077  *
1078  * RETURNS:
1079  * Allocated addr offset in @chunk on success.
1080  * -1 if no matching area is found.
1081  */
1082 static int pcpu_alloc_area(struct pcpu_chunk *chunk, int alloc_bits,
1083                            size_t align, int start)
1084 {
1085         size_t align_mask = (align) ? (align - 1) : 0;
1086         int bit_off, end, oslot;
1087
1088         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1089
1090         oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
1091
1092         /*
1093          * Search to find a fit.
1094          */
1095         end = min_t(int, start + alloc_bits + PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS,
1096                     pcpu_chunk_map_bits(chunk));
1097         bit_off = bitmap_find_next_zero_area(chunk->alloc_map, end, start,
1098                                              alloc_bits, align_mask);
1099         if (bit_off >= end)
1100                 return -1;
1101
1102         /* update alloc map */
1103         bitmap_set(chunk->alloc_map, bit_off, alloc_bits);
1104
1105         /* update boundary map */
1106         set_bit(bit_off, chunk->bound_map);
1107         bitmap_clear(chunk->bound_map, bit_off + 1, alloc_bits - 1);
1108         set_bit(bit_off + alloc_bits, chunk->bound_map);
1109
1110         chunk->free_bytes -= alloc_bits * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1111
1112         /* update first free bit */
1113         if (bit_off == chunk->first_bit)
1114                 chunk->first_bit = find_next_zero_bit(
1115                                         chunk->alloc_map,
1116                                         pcpu_chunk_map_bits(chunk),
1117                                         bit_off + alloc_bits);
1118
1119         pcpu_block_update_hint_alloc(chunk, bit_off, alloc_bits);
1120
1121         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
1122
1123         return bit_off * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1124 }
1125
1126 /**
1127  * pcpu_free_area - frees the corresponding offset
1128  * @chunk: chunk of interest
1129  * @off: addr offset into chunk
1130  *
1131  * This function determines the size of an allocation to free using
1132  * the boundary bitmap and clears the allocation map.
1133  */
1134 static void pcpu_free_area(struct pcpu_chunk *chunk, int off)
1135 {
1136         int bit_off, bits, end, oslot;
1137
1138         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1139         pcpu_stats_area_dealloc(chunk);
1140
1141         oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
1142
1143         bit_off = off / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1144
1145         /* find end index */
1146         end = find_next_bit(chunk->bound_map, pcpu_chunk_map_bits(chunk),
1147                             bit_off + 1);
1148         bits = end - bit_off;
1149         bitmap_clear(chunk->alloc_map, bit_off, bits);
1150
1151         /* update metadata */
1152         chunk->free_bytes += bits * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1153
1154         /* update first free bit */
1155         chunk->first_bit = min(chunk->first_bit, bit_off);
1156
1157         pcpu_block_update_hint_free(chunk, bit_off, bits);
1158
1159         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
1160 }
1161
1162 static void pcpu_init_md_blocks(struct pcpu_chunk *chunk)
1163 {
1164         struct pcpu_block_md *md_block;
1165
1166         for (md_block = chunk->md_blocks;
1167              md_block != chunk->md_blocks + pcpu_chunk_nr_blocks(chunk);
1168              md_block++) {
1169                 md_block->scan_hint = 0;
1170                 md_block->contig_hint = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
1171                 md_block->left_free = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
1172                 md_block->right_free = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
1173         }
1174 }
1175
1176 /**
1177  * pcpu_alloc_first_chunk - creates chunks that serve the first chunk
1178  * @tmp_addr: the start of the region served
1179  * @map_size: size of the region served
1180  *
1181  * This is responsible for creating the chunks that serve the first chunk.  The
1182  * base_addr is page aligned down of @tmp_addr while the region end is page
1183  * aligned up.  Offsets are kept track of to determine the region served. All
1184  * this is done to appease the bitmap allocator in avoiding partial blocks.
1185  *
1186  * RETURNS:
1187  * Chunk serving the region at @tmp_addr of @map_size.
1188  */
1189 static struct pcpu_chunk * __init pcpu_alloc_first_chunk(unsigned long tmp_addr,
1190                                                          int map_size)
1191 {
1192         struct pcpu_chunk *chunk;
1193         unsigned long aligned_addr, lcm_align;
1194         int start_offset, offset_bits, region_size, region_bits;
1195         size_t alloc_size;
1196
1197         /* region calculations */
1198         aligned_addr = tmp_addr & PAGE_MASK;
1199
1200         start_offset = tmp_addr - aligned_addr;
1201
1202         /*
1203          * Align the end of the region with the LCM of PAGE_SIZE and
1204          * PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE.  One of these constants is a multiple of
1205          * the other.
1206          */
1207         lcm_align = lcm(PAGE_SIZE, PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE);
1208         region_size = ALIGN(start_offset + map_size, lcm_align);
1209
1210         /* allocate chunk */
1211         alloc_size = sizeof(struct pcpu_chunk) +
1212                 BITS_TO_LONGS(region_size >> PAGE_SHIFT);
1213         chunk = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1214         if (!chunk)
1215                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1216                       alloc_size);
1217
1218         INIT_LIST_HEAD(&chunk->list);
1219
1220         chunk->base_addr = (void *)aligned_addr;
1221         chunk->start_offset = start_offset;
1222         chunk->end_offset = region_size - chunk->start_offset - map_size;
1223
1224         chunk->nr_pages = region_size >> PAGE_SHIFT;
1225         region_bits = pcpu_chunk_map_bits(chunk);
1226
1227         alloc_size = BITS_TO_LONGS(region_bits) * sizeof(chunk->alloc_map[0]);
1228         chunk->alloc_map = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1229         if (!chunk->alloc_map)
1230                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1231                       alloc_size);
1232
1233         alloc_size =
1234                 BITS_TO_LONGS(region_bits + 1) * sizeof(chunk->bound_map[0]);
1235         chunk->bound_map = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1236         if (!chunk->bound_map)
1237                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1238                       alloc_size);
1239
1240         alloc_size = pcpu_chunk_nr_blocks(chunk) * sizeof(chunk->md_blocks[0]);
1241         chunk->md_blocks = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1242         if (!chunk->md_blocks)
1243                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1244                       alloc_size);
1245
1246         pcpu_init_md_blocks(chunk);
1247
1248         /* manage populated page bitmap */
1249         chunk->immutable = true;
1250         bitmap_fill(chunk->populated, chunk->nr_pages);
1251         chunk->nr_populated = chunk->nr_pages;
1252         chunk->nr_empty_pop_pages = chunk->nr_pages;
1253
1254         chunk->contig_bits = map_size / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1255         chunk->free_bytes = map_size;
1256
1257         if (chunk->start_offset) {
1258                 /* hide the beginning of the bitmap */
1259                 offset_bits = chunk->start_offset / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1260                 bitmap_set(chunk->alloc_map, 0, offset_bits);
1261                 set_bit(0, chunk->bound_map);
1262                 set_bit(offset_bits, chunk->bound_map);
1263
1264                 chunk->first_bit = offset_bits;
1265
1266                 pcpu_block_update_hint_alloc(chunk, 0, offset_bits);
1267         }
1268
1269         if (chunk->end_offset) {
1270                 /* hide the end of the bitmap */
1271                 offset_bits = chunk->end_offset / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1272                 bitmap_set(chunk->alloc_map,
1273                            pcpu_chunk_map_bits(chunk) - offset_bits,
1274                            offset_bits);
1275                 set_bit((start_offset + map_size) / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE,
1276                         chunk->bound_map);
1277                 set_bit(region_bits, chunk->bound_map);
1278
1279                 pcpu_block_update_hint_alloc(chunk, pcpu_chunk_map_bits(chunk)
1280                                              - offset_bits, offset_bits);
1281         }
1282
1283         return chunk;
1284 }
1285
1286 static struct pcpu_chunk *pcpu_alloc_chunk(gfp_t gfp)
1287 {
1288         struct pcpu_chunk *chunk;
1289         int region_bits;
1290
1291         chunk = pcpu_mem_zalloc(pcpu_chunk_struct_size, gfp);
1292         if (!chunk)
1293                 return NULL;
1294
1295         INIT_LIST_HEAD(&chunk->list);
1296         chunk->nr_pages = pcpu_unit_pages;
1297         region_bits = pcpu_chunk_map_bits(chunk);
1298
1299         chunk->alloc_map = pcpu_mem_zalloc(BITS_TO_LONGS(region_bits) *
1300                                            sizeof(chunk->alloc_map[0]), gfp);
1301         if (!chunk->alloc_map)
1302                 goto alloc_map_fail;
1303
1304         chunk->bound_map = pcpu_mem_zalloc(BITS_TO_LONGS(region_bits + 1) *
1305                                            sizeof(chunk->bound_map[0]), gfp);
1306         if (!chunk->bound_map)
1307                 goto bound_map_fail;
1308
1309         chunk->md_blocks = pcpu_mem_zalloc(pcpu_chunk_nr_blocks(chunk) *
1310                                            sizeof(chunk->md_blocks[0]), gfp);
1311         if (!chunk->md_blocks)
1312                 goto md_blocks_fail;
1313
1314         pcpu_init_md_blocks(chunk);
1315
1316         /* init metadata */
1317         chunk->contig_bits = region_bits;
1318         chunk->free_bytes = chunk->nr_pages * PAGE_SIZE;
1319
1320         return chunk;
1321
1322 md_blocks_fail:
1323         pcpu_mem_free(chunk->bound_map);
1324 bound_map_fail:
1325         pcpu_mem_free(chunk->alloc_map);
1326 alloc_map_fail:
1327         pcpu_mem_free(chunk);
1328
1329         return NULL;
1330 }
1331
1332 static void pcpu_free_chunk(struct pcpu_chunk *chunk)
1333 {
1334         if (!chunk)
1335                 return;
1336         pcpu_mem_free(chunk->md_blocks);
1337         pcpu_mem_free(chunk->bound_map);
1338         pcpu_mem_free(chunk->alloc_map);
1339         pcpu_mem_free(chunk);
1340 }
1341
1342 /**
1343  * pcpu_chunk_populated - post-population bookkeeping
1344  * @chunk: pcpu_chunk which got populated
1345  * @page_start: the start page
1346  * @page_end: the end page
1347  *
1348  * Pages in [@page_start,@page_end) have been populated to @chunk.  Update
1349  * the bookkeeping information accordingly.  Must be called after each
1350  * successful population.
1351  *
1352  * If this is @for_alloc, do not increment pcpu_nr_empty_pop_pages because it
1353  * is to serve an allocation in that area.
1354  */
1355 static void pcpu_chunk_populated(struct pcpu_chunk *chunk, int page_start,
1356                                  int page_end)
1357 {
1358         int nr = page_end - page_start;
1359
1360         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1361
1362         bitmap_set(chunk->populated, page_start, nr);
1363         chunk->nr_populated += nr;
1364         pcpu_nr_populated += nr;
1365
1366         pcpu_update_empty_pages(chunk, nr);
1367 }
1368
1369 /**
1370  * pcpu_chunk_depopulated - post-depopulation bookkeeping
1371  * @chunk: pcpu_chunk which got depopulated
1372  * @page_start: the start page
1373  * @page_end: the end page
1374  *
1375  * Pages in [@page_start,@page_end) have been depopulated from @chunk.
1376  * Update the bookkeeping information accordingly.  Must be called after
1377  * each successful depopulation.
1378  */
1379 static void pcpu_chunk_depopulated(struct pcpu_chunk *chunk,
1380                                    int page_start, int page_end)
1381 {
1382         int nr = page_end - page_start;
1383
1384         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1385
1386         bitmap_clear(chunk->populated, page_start, nr);
1387         chunk->nr_populated -= nr;
1388         pcpu_nr_populated -= nr;
1389
1390         pcpu_update_empty_pages(chunk, -nr);
1391 }
1392
1393 /*
1394  * Chunk management implementation.
1395  *
1396  * To allow different implementations, chunk alloc/free and
1397  * [de]population are implemented in a separate file which is pulled
1398  * into this file and compiled together.  The following functions
1399  * should be implemented.
1400  *
1401  * pcpu_populate_chunk          - populate the specified range of a chunk
1402  * pcpu_depopulate_chunk        - depopulate the specified range of a chunk
1403  * pcpu_create_chunk            - create a new chunk
1404  * pcpu_destroy_chunk           - destroy a chunk, always preceded by full depop
1405  * pcpu_addr_to_page            - translate address to physical address
1406  * pcpu_verify_alloc_info       - check alloc_info is acceptable during init
1407  */
1408 static int pcpu_populate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk,
1409                                int page_start, int page_end, gfp_t gfp);
1410 static void pcpu_depopulate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk,
1411                                   int page_start, int page_end);
1412 static struct pcpu_chunk *pcpu_create_chunk(gfp_t gfp);
1413 static void pcpu_destroy_chunk(struct pcpu_chunk *chunk);
1414 static struct page *pcpu_addr_to_page(void *addr);
1415 static int __init pcpu_verify_alloc_info(const struct pcpu_alloc_info *ai);
1416
1417 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_KM
1418 #include "percpu-km.c"
1419 #else
1420 #include "percpu-vm.c"
1421 #endif
1422
1423 /**
1424  * pcpu_chunk_addr_search - determine chunk containing specified address
1425  * @addr: address for which the chunk needs to be determined.
1426  *
1427  * This is an internal function that handles all but static allocations.
1428  * Static percpu address values should never be passed into the allocator.
1429  *
1430  * RETURNS:
1431  * The address of the found chunk.
1432  */
1433 static struct pcpu_chunk *pcpu_chunk_addr_search(void *addr)
1434 {
1435         /* is it in the dynamic region (first chunk)? */
1436         if (pcpu_addr_in_chunk(pcpu_first_chunk, addr))
1437                 return pcpu_first_chunk;
1438
1439         /* is it in the reserved region? */
1440         if (pcpu_addr_in_chunk(pcpu_reserved_chunk, addr))
1441                 return pcpu_reserved_chunk;
1442
1443         /*
1444          * The address is relative to unit0 which might be unused and
1445          * thus unmapped.  Offset the address to the unit space of the
1446          * current processor before looking it up in the vmalloc
1447          * space.  Note that any possible cpu id can be used here, so
1448          * there's no need to worry about preemption or cpu hotplug.
1449          */
1450         addr += pcpu_unit_offsets[raw_smp_processor_id()];
1451         return pcpu_get_page_chunk(pcpu_addr_to_page(addr));
1452 }
1453
1454 /**
1455  * pcpu_alloc - the percpu allocator
1456  * @size: size of area to allocate in bytes
1457  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1458  * @reserved: allocate from the reserved chunk if available
1459  * @gfp: allocation flags
1460  *
1461  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align.  If @gfp doesn't
1462  * contain %GFP_KERNEL, the allocation is atomic. If @gfp has __GFP_NOWARN
1463  * then no warning will be triggered on invalid or failed allocation
1464  * requests.
1465  *
1466  * RETURNS:
1467  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1468  */
1469 static void __percpu *pcpu_alloc(size_t size, size_t align, bool reserved,
1470                                  gfp_t gfp)
1471 {
1472         /* whitelisted flags that can be passed to the backing allocators */
1473         gfp_t pcpu_gfp = gfp & (GFP_KERNEL | __GFP_NORETRY | __GFP_NOWARN);
1474         bool is_atomic = (gfp & GFP_KERNEL) != GFP_KERNEL;
1475         bool do_warn = !(gfp & __GFP_NOWARN);
1476         static int warn_limit = 10;
1477         struct pcpu_chunk *chunk, *next;
1478         const char *err;
1479         int slot, off, cpu, ret;
1480         unsigned long flags;
1481         void __percpu *ptr;
1482         size_t bits, bit_align;
1483
1484         /*
1485          * There is now a minimum allocation size of PCPU_MIN_ALLOC_SIZE,
1486          * therefore alignment must be a minimum of that many bytes.
1487          * An allocation may have internal fragmentation from rounding up
1488          * of up to PCPU_MIN_ALLOC_SIZE - 1 bytes.
1489          */
1490         if (unlikely(align < PCPU_MIN_ALLOC_SIZE))
1491                 align = PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1492
1493         size = ALIGN(size, PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
1494         bits = size >> PCPU_MIN_ALLOC_SHIFT;
1495         bit_align = align >> PCPU_MIN_ALLOC_SHIFT;
1496
1497         if (unlikely(!size || size > PCPU_MIN_UNIT_SIZE || align > PAGE_SIZE ||
1498                      !is_power_of_2(align))) {
1499                 WARN(do_warn, "illegal size (%zu) or align (%zu) for percpu allocation\n",
1500                      size, align);
1501                 return NULL;
1502         }
1503
1504         if (!is_atomic) {
1505                 /*
1506                  * pcpu_balance_workfn() allocates memory under this mutex,
1507                  * and it may wait for memory reclaim. Allow current task
1508                  * to become OOM victim, in case of memory pressure.
1509                  */
1510                 if (gfp & __GFP_NOFAIL)
1511                         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
1512                 else if (mutex_lock_killable(&pcpu_alloc_mutex))
1513                         return NULL;
1514         }
1515
1516         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1517
1518         /* serve reserved allocations from the reserved chunk if available */
1519         if (reserved && pcpu_reserved_chunk) {
1520                 chunk = pcpu_reserved_chunk;
1521
1522                 off = pcpu_find_block_fit(chunk, bits, bit_align, is_atomic);
1523                 if (off < 0) {
1524                         err = "alloc from reserved chunk failed";
1525                         goto fail_unlock;
1526                 }
1527
1528                 off = pcpu_alloc_area(chunk, bits, bit_align, off);
1529                 if (off >= 0)
1530                         goto area_found;
1531
1532                 err = "alloc from reserved chunk failed";
1533                 goto fail_unlock;
1534         }
1535
1536 restart:
1537         /* search through normal chunks */
1538         for (slot = pcpu_size_to_slot(size); slot < pcpu_nr_slots; slot++) {
1539                 list_for_each_entry_safe(chunk, next, &pcpu_slot[slot], list) {
1540                         off = pcpu_find_block_fit(chunk, bits, bit_align,
1541                                                   is_atomic);
1542                         if (off < 0) {
1543                                 if (slot < PCPU_SLOT_FAIL_THRESHOLD)
1544                                         pcpu_chunk_move(chunk, 0);
1545                                 continue;
1546                         }
1547
1548                         off = pcpu_alloc_area(chunk, bits, bit_align, off);
1549                         if (off >= 0)
1550                                 goto area_found;
1551
1552                 }
1553         }
1554
1555         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1556
1557         /*
1558          * No space left.  Create a new chunk.  We don't want multiple
1559          * tasks to create chunks simultaneously.  Serialize and create iff
1560          * there's still no empty chunk after grabbing the mutex.
1561          */
1562         if (is_atomic) {
1563                 err = "atomic alloc failed, no space left";
1564                 goto fail;
1565         }
1566
1567         if (list_empty(&pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1])) {
1568                 chunk = pcpu_create_chunk(pcpu_gfp);
1569                 if (!chunk) {
1570                         err = "failed to allocate new chunk";
1571                         goto fail;
1572                 }
1573
1574                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1575                 pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
1576         } else {
1577                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1578         }
1579
1580         goto restart;
1581
1582 area_found:
1583         pcpu_stats_area_alloc(chunk, size);
1584         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1585
1586         /* populate if not all pages are already there */
1587         if (!is_atomic) {
1588                 int page_start, page_end, rs, re;
1589
1590                 page_start = PFN_DOWN(off);
1591                 page_end = PFN_UP(off + size);
1592
1593                 pcpu_for_each_unpop_region(chunk->populated, rs, re,
1594                                            page_start, page_end) {
1595                         WARN_ON(chunk->immutable);
1596
1597                         ret = pcpu_populate_chunk(chunk, rs, re, pcpu_gfp);
1598
1599                         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1600                         if (ret) {
1601                                 pcpu_free_area(chunk, off);
1602                                 err = "failed to populate";
1603                                 goto fail_unlock;
1604                         }
1605                         pcpu_chunk_populated(chunk, rs, re);
1606                         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1607                 }
1608
1609                 mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1610         }
1611
1612         if (pcpu_nr_empty_pop_pages < PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW)
1613                 pcpu_schedule_balance_work();
1614
1615         /* clear the areas and return address relative to base address */
1616         for_each_possible_cpu(cpu)
1617                 memset((void *)pcpu_chunk_addr(chunk, cpu, 0) + off, 0, size);
1618
1619         ptr = __addr_to_pcpu_ptr(chunk->base_addr + off);
1620         kmemleak_alloc_percpu(ptr, size, gfp);
1621
1622         trace_percpu_alloc_percpu(reserved, is_atomic, size, align,
1623                         chunk->base_addr, off, ptr);
1624
1625         return ptr;
1626
1627 fail_unlock:
1628         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1629 fail:
1630         trace_percpu_alloc_percpu_fail(reserved, is_atomic, size, align);
1631
1632         if (!is_atomic && do_warn && warn_limit) {
1633                 pr_warn("allocation failed, size=%zu align=%zu atomic=%d, %s\n",
1634                         size, align, is_atomic, err);
1635                 dump_stack();
1636                 if (!--warn_limit)
1637                         pr_info("limit reached, disable warning\n");
1638         }
1639         if (is_atomic) {
1640                 /* see the flag handling in pcpu_blance_workfn() */
1641                 pcpu_atomic_alloc_failed = true;
1642                 pcpu_schedule_balance_work();
1643         } else {
1644                 mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1645         }
1646         return NULL;
1647 }
1648
1649 /**
1650  * __alloc_percpu_gfp - allocate dynamic percpu area
1651  * @size: size of area to allocate in bytes
1652  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1653  * @gfp: allocation flags
1654  *
1655  * Allocate zero-filled percpu area of @size bytes aligned at @align.  If
1656  * @gfp doesn't contain %GFP_KERNEL, the allocation doesn't block and can
1657  * be called from any context but is a lot more likely to fail. If @gfp
1658  * has __GFP_NOWARN then no warning will be triggered on invalid or failed
1659  * allocation requests.
1660  *
1661  * RETURNS:
1662  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1663  */
1664 void __percpu *__alloc_percpu_gfp(size_t size, size_t align, gfp_t gfp)
1665 {
1666         return pcpu_alloc(size, align, false, gfp);
1667 }
1668 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu_gfp);
1669
1670 /**
1671  * __alloc_percpu - allocate dynamic percpu area
1672  * @size: size of area to allocate in bytes
1673  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1674  *
1675  * Equivalent to __alloc_percpu_gfp(size, align, %GFP_KERNEL).
1676  */
1677 void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)
1678 {
1679         return pcpu_alloc(size, align, false, GFP_KERNEL);
1680 }
1681 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu);
1682
1683 /**
1684  * __alloc_reserved_percpu - allocate reserved percpu area
1685  * @size: size of area to allocate in bytes
1686  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1687  *
1688  * Allocate zero-filled percpu area of @size bytes aligned at @align
1689  * from reserved percpu area if arch has set it up; otherwise,
1690  * allocation is served from the same dynamic area.  Might sleep.
1691  * Might trigger writeouts.
1692  *
1693  * CONTEXT:
1694  * Does GFP_KERNEL allocation.
1695  *
1696  * RETURNS:
1697  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1698  */
1699 void __percpu *__alloc_reserved_percpu(size_t size, size_t align)
1700 {
1701         return pcpu_alloc(size, align, true, GFP_KERNEL);
1702 }
1703
1704 /**
1705  * pcpu_balance_workfn - manage the amount of free chunks and populated pages
1706  * @work: unused
1707  *
1708  * Reclaim all fully free chunks except for the first one.  This is also
1709  * responsible for maintaining the pool of empty populated pages.  However,
1710  * it is possible that this is called when physical memory is scarce causing
1711  * OOM killer to be triggered.  We should avoid doing so until an actual
1712  * allocation causes the failure as it is possible that requests can be
1713  * serviced from already backed regions.
1714  */
1715 static void pcpu_balance_workfn(struct work_struct *work)
1716 {
1717         /* gfp flags passed to underlying allocators */
1718         const gfp_t gfp = GFP_KERNEL | __GFP_NORETRY | __GFP_NOWARN;
1719         LIST_HEAD(to_free);
1720         struct list_head *free_head = &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1];
1721         struct pcpu_chunk *chunk, *next;
1722         int slot, nr_to_pop, ret;
1723
1724         /*
1725          * There's no reason to keep around multiple unused chunks and VM
1726          * areas can be scarce.  Destroy all free chunks except for one.
1727          */
1728         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
1729         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1730
1731         list_for_each_entry_safe(chunk, next, free_head, list) {
1732                 WARN_ON(chunk->immutable);
1733
1734                 /* spare the first one */
1735                 if (chunk == list_first_entry(free_head, struct pcpu_chunk, list))
1736                         continue;
1737
1738                 list_move(&chunk->list, &to_free);
1739         }
1740
1741         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1742
1743         list_for_each_entry_safe(chunk, next, &to_free, list) {
1744                 int rs, re;
1745
1746                 pcpu_for_each_pop_region(chunk->populated, rs, re, 0,
1747                                          chunk->nr_pages) {
1748                         pcpu_depopulate_chunk(chunk, rs, re);
1749                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1750                         pcpu_chunk_depopulated(chunk, rs, re);
1751                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1752                 }
1753                 pcpu_destroy_chunk(chunk);
1754                 cond_resched();
1755         }
1756
1757         /*
1758          * Ensure there are certain number of free populated pages for
1759          * atomic allocs.  Fill up from the most packed so that atomic
1760          * allocs don't increase fragmentation.  If atomic allocation
1761          * failed previously, always populate the maximum amount.  This
1762          * should prevent atomic allocs larger than PAGE_SIZE from keeping
1763          * failing indefinitely; however, large atomic allocs are not
1764          * something we support properly and can be highly unreliable and
1765          * inefficient.
1766          */
1767 retry_pop:
1768         if (pcpu_atomic_alloc_failed) {
1769                 nr_to_pop = PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH;
1770                 /* best effort anyway, don't worry about synchronization */
1771                 pcpu_atomic_alloc_failed = false;
1772         } else {
1773                 nr_to_pop = clamp(PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH -
1774                                   pcpu_nr_empty_pop_pages,
1775                                   0, PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH);
1776         }
1777
1778         for (slot = pcpu_size_to_slot(PAGE_SIZE); slot < pcpu_nr_slots; slot++) {
1779                 int nr_unpop = 0, rs, re;
1780
1781                 if (!nr_to_pop)
1782                         break;
1783
1784                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1785                 list_for_each_entry(chunk, &pcpu_slot[slot], list) {
1786                         nr_unpop = chunk->nr_pages - chunk->nr_populated;
1787                         if (nr_unpop)
1788                                 break;
1789                 }
1790                 spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1791
1792                 if (!nr_unpop)
1793                         continue;
1794
1795                 /* @chunk can't go away while pcpu_alloc_mutex is held */
1796                 pcpu_for_each_unpop_region(chunk->populated, rs, re, 0,
1797                                            chunk->nr_pages) {
1798                         int nr = min(re - rs, nr_to_pop);
1799
1800                         ret = pcpu_populate_chunk(chunk, rs, rs + nr, gfp);
1801                         if (!ret) {
1802                                 nr_to_pop -= nr;
1803                                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1804                                 pcpu_chunk_populated(chunk, rs, rs + nr);
1805                                 spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1806                         } else {
1807                                 nr_to_pop = 0;
1808                         }
1809
1810                         if (!nr_to_pop)
1811                                 break;
1812                 }
1813         }
1814
1815         if (nr_to_pop) {
1816                 /* ran out of chunks to populate, create a new one and retry */
1817                 chunk = pcpu_create_chunk(gfp);
1818                 if (chunk) {
1819                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1820                         pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
1821                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1822                         goto retry_pop;
1823                 }
1824         }
1825
1826         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1827 }
1828
1829 /**
1830  * free_percpu - free percpu area
1831  * @ptr: pointer to area to free
1832  *
1833  * Free percpu area @ptr.
1834  *
1835  * CONTEXT:
1836  * Can be called from atomic context.
1837  */
1838 void free_percpu(void __percpu *ptr)
1839 {
1840         void *addr;
1841         struct pcpu_chunk *chunk;
1842         unsigned long flags;
1843         int off;
1844
1845         if (!ptr)
1846                 return;
1847
1848         kmemleak_free_percpu(ptr);
1849
1850         addr = __pcpu_ptr_to_addr(ptr);
1851
1852         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1853
1854         chunk = pcpu_chunk_addr_search(addr);
1855         off = addr - chunk->base_addr;
1856
1857         pcpu_free_area(chunk, off);
1858
1859         /* if there are more than one fully free chunks, wake up grim reaper */
1860         if (chunk->free_bytes == pcpu_unit_size) {
1861                 struct pcpu_chunk *pos;
1862
1863                 list_for_each_entry(pos, &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1], list)
1864                         if (pos != chunk) {
1865                                 pcpu_schedule_balance_work();
1866                                 break;
1867                         }
1868         }
1869
1870         trace_percpu_free_percpu(chunk->base_addr, off, ptr);
1871
1872         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1873 }
1874 EXPORT_SYMBOL_GPL(free_percpu);
1875
1876 bool __is_kernel_percpu_address(unsigned long addr, unsigned long *can_addr)
1877 {
1878 #ifdef CONFIG_SMP
1879         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
1880         void __percpu *base = __addr_to_pcpu_ptr(pcpu_base_addr);
1881         unsigned int cpu;
1882
1883         for_each_possible_cpu(cpu) {
1884                 void *start = per_cpu_ptr(base, cpu);
1885                 void *va = (void *)addr;
1886
1887                 if (va >= start && va < start + static_size) {
1888                         if (can_addr) {
1889                                 *can_addr = (unsigned long) (va - start);
1890                                 *can_addr += (unsigned long)
1891                                         per_cpu_ptr(base, get_boot_cpu_id());
1892                         }
1893                         return true;
1894                 }
1895         }
1896 #endif
1897         /* on UP, can't distinguish from other static vars, always false */
1898         return false;
1899 }
1900
1901 /**
1902  * is_kernel_percpu_address - test whether address is from static percpu area
1903  * @addr: address to test
1904  *
1905  * Test whether @addr belongs to in-kernel static percpu area.  Module
1906  * static percpu areas are not considered.  For those, use
1907  * is_module_percpu_address().
1908  *
1909  * RETURNS:
1910  * %true if @addr is from in-kernel static percpu area, %false otherwise.
1911  */
1912 bool is_kernel_percpu_address(unsigned long addr)
1913 {
1914         return __is_kernel_percpu_address(addr, NULL);
1915 }
1916
1917 /**
1918  * per_cpu_ptr_to_phys - convert translated percpu address to physical address
1919  * @addr: the address to be converted to physical address
1920  *
1921  * Given @addr which is dereferenceable address obtained via one of
1922  * percpu access macros, this function translates it into its physical
1923  * address.  The caller is responsible for ensuring @addr stays valid
1924  * until this function finishes.
1925  *
1926  * percpu allocator has special setup for the first chunk, which currently
1927  * supports either embedding in linear address space or vmalloc mapping,
1928  * and, from the second one, the backing allocator (currently either vm or
1929  * km) provides translation.
1930  *
1931  * The addr can be translated simply without checking if it falls into the
1932  * first chunk. But the current code reflects better how percpu allocator
1933  * actually works, and the verification can discover both bugs in percpu
1934  * allocator itself and per_cpu_ptr_to_phys() callers. So we keep current
1935  * code.
1936  *
1937  * RETURNS:
1938  * The physical address for @addr.
1939  */
1940 phys_addr_t per_cpu_ptr_to_phys(void *addr)
1941 {
1942         void __percpu *base = __addr_to_pcpu_ptr(pcpu_base_addr);
1943         bool in_first_chunk = false;
1944         unsigned long first_low, first_high;
1945         unsigned int cpu;
1946
1947         /*
1948          * The following test on unit_low/high isn't strictly
1949          * necessary but will speed up lookups of addresses which
1950          * aren't in the first chunk.
1951          *
1952          * The address check is against full chunk sizes.  pcpu_base_addr
1953          * points to the beginning of the first chunk including the
1954          * static region.  Assumes good intent as the first chunk may
1955          * not be full (ie. < pcpu_unit_pages in size).
1956          */
1957         first_low = (unsigned long)pcpu_base_addr +
1958                     pcpu_unit_page_offset(pcpu_low_unit_cpu, 0);
1959         first_high = (unsigned long)pcpu_base_addr +
1960                      pcpu_unit_page_offset(pcpu_high_unit_cpu, pcpu_unit_pages);
1961         if ((unsigned long)addr >= first_low &&
1962             (unsigned long)addr < first_high) {
1963                 for_each_possible_cpu(cpu) {
1964                         void *start = per_cpu_ptr(base, cpu);
1965
1966                         if (addr >= start && addr < start + pcpu_unit_size) {
1967                                 in_first_chunk = true;
1968                                 break;
1969                         }
1970                 }
1971         }
1972
1973         if (in_first_chunk) {
1974                 if (!is_vmalloc_addr(addr))
1975                         return __pa(addr);
1976                 else
1977                         return page_to_phys(vmalloc_to_page(addr)) +
1978                                offset_in_page(addr);
1979         } else
1980                 return page_to_phys(pcpu_addr_to_page(addr)) +
1981                        offset_in_page(addr);
1982 }
1983
1984 /**
1985  * pcpu_alloc_alloc_info - allocate percpu allocation info
1986  * @nr_groups: the number of groups
1987  * @nr_units: the number of units
1988  *
1989  * Allocate ai which is large enough for @nr_groups groups containing
1990  * @nr_units units.  The returned ai's groups[0].cpu_map points to the
1991  * cpu_map array which is long enough for @nr_units and filled with
1992  * NR_CPUS.  It's the caller's responsibility to initialize cpu_map
1993  * pointer of other groups.
1994  *
1995  * RETURNS:
1996  * Pointer to the allocated pcpu_alloc_info on success, NULL on
1997  * failure.
1998  */
1999 struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_alloc_alloc_info(int nr_groups,
2000                                                       int nr_units)
2001 {
2002         struct pcpu_alloc_info *ai;
2003         size_t base_size, ai_size;
2004         void *ptr;
2005         int unit;
2006
2007         base_size = ALIGN(sizeof(*ai) + nr_groups * sizeof(ai->groups[0]),
2008                           __alignof__(ai->groups[0].cpu_map[0]));
2009         ai_size = base_size + nr_units * sizeof(ai->groups[0].cpu_map[0]);
2010
2011         ptr = memblock_alloc(PFN_ALIGN(ai_size), PAGE_SIZE);
2012         if (!ptr)
2013                 return NULL;
2014         ai = ptr;
2015         ptr += base_size;
2016
2017         ai->groups[0].cpu_map = ptr;
2018
2019         for (unit = 0; unit < nr_units; unit++)
2020                 ai->groups[0].cpu_map[unit] = NR_CPUS;
2021
2022         ai->nr_groups = nr_groups;
2023         ai->__ai_size = PFN_ALIGN(ai_size);
2024
2025         return ai;
2026 }
2027
2028 /**
2029  * pcpu_free_alloc_info - free percpu allocation info
2030  * @ai: pcpu_alloc_info to free
2031  *
2032  * Free @ai which was allocated by pcpu_alloc_alloc_info().
2033  */
2034 void __init pcpu_free_alloc_info(struct pcpu_alloc_info *ai)
2035 {
2036         memblock_free_early(__pa(ai), ai->__ai_size);
2037 }
2038
2039 /**
2040  * pcpu_dump_alloc_info - print out information about pcpu_alloc_info
2041  * @lvl: loglevel
2042  * @ai: allocation info to dump
2043  *
2044  * Print out information about @ai using loglevel @lvl.
2045  */
2046 static void pcpu_dump_alloc_info(const char *lvl,
2047                                  const struct pcpu_alloc_info *ai)
2048 {
2049         int group_width = 1, cpu_width = 1, width;
2050         char empty_str[] = "--------";
2051         int alloc = 0, alloc_end = 0;
2052         int group, v;
2053         int upa, apl;   /* units per alloc, allocs per line */
2054
2055         v = ai->nr_groups;
2056         while (v /= 10)
2057                 group_width++;
2058
2059         v = num_possible_cpus();
2060         while (v /= 10)
2061                 cpu_width++;
2062         empty_str[min_t(int, cpu_width, sizeof(empty_str) - 1)] = '\0';
2063
2064         upa = ai->alloc_size / ai->unit_size;
2065         width = upa * (cpu_width + 1) + group_width + 3;
2066         apl = rounddown_pow_of_two(max(60 / width, 1));
2067
2068         printk("%spcpu-alloc: s%zu r%zu d%zu u%zu alloc=%zu*%zu",
2069                lvl, ai->static_size, ai->reserved_size, ai->dyn_size,
2070                ai->unit_size, ai->alloc_size / ai->atom_size, ai->atom_size);
2071
2072         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
2073                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2074                 int unit = 0, unit_end = 0;
2075
2076                 BUG_ON(gi->nr_units % upa);
2077                 for (alloc_end += gi->nr_units / upa;
2078                      alloc < alloc_end; alloc++) {
2079                         if (!(alloc % apl)) {
2080                                 pr_cont("\n");
2081                                 printk("%spcpu-alloc: ", lvl);
2082                         }
2083                         pr_cont("[%0*d] ", group_width, group);
2084
2085                         for (unit_end += upa; unit < unit_end; unit++)
2086                                 if (gi->cpu_map[unit] != NR_CPUS)
2087                                         pr_cont("%0*d ",
2088                                                 cpu_width, gi->cpu_map[unit]);
2089                                 else
2090                                         pr_cont("%s ", empty_str);
2091                 }
2092         }
2093         pr_cont("\n");
2094 }
2095
2096 /**
2097  * pcpu_setup_first_chunk - initialize the first percpu chunk
2098  * @ai: pcpu_alloc_info describing how to percpu area is shaped
2099  * @base_addr: mapped address
2100  *
2101  * Initialize the first percpu chunk which contains the kernel static
2102  * perpcu area.  This function is to be called from arch percpu area
2103  * setup path.
2104  *
2105  * @ai contains all information necessary to initialize the first
2106  * chunk and prime the dynamic percpu allocator.
2107  *
2108  * @ai->static_size is the size of static percpu area.
2109  *
2110  * @ai->reserved_size, if non-zero, specifies the amount of bytes to
2111  * reserve after the static area in the first chunk.  This reserves
2112  * the first chunk such that it's available only through reserved
2113  * percpu allocation.  This is primarily used to serve module percpu
2114  * static areas on architectures where the addressing model has
2115  * limited offset range for symbol relocations to guarantee module
2116  * percpu symbols fall inside the relocatable range.
2117  *
2118  * @ai->dyn_size determines the number of bytes available for dynamic
2119  * allocation in the first chunk.  The area between @ai->static_size +
2120  * @ai->reserved_size + @ai->dyn_size and @ai->unit_size is unused.
2121  *
2122  * @ai->unit_size specifies unit size and must be aligned to PAGE_SIZE
2123  * and equal to or larger than @ai->static_size + @ai->reserved_size +
2124  * @ai->dyn_size.
2125  *
2126  * @ai->atom_size is the allocation atom size and used as alignment
2127  * for vm areas.
2128  *
2129  * @ai->alloc_size is the allocation size and always multiple of
2130  * @ai->atom_size.  This is larger than @ai->atom_size if
2131  * @ai->unit_size is larger than @ai->atom_size.
2132  *
2133  * @ai->nr_groups and @ai->groups describe virtual memory layout of
2134  * percpu areas.  Units which should be colocated are put into the
2135  * same group.  Dynamic VM areas will be allocated according to these
2136  * groupings.  If @ai->nr_groups is zero, a single group containing
2137  * all units is assumed.
2138  *
2139  * The caller should have mapped the first chunk at @base_addr and
2140  * copied static data to each unit.
2141  *
2142  * The first chunk will always contain a static and a dynamic region.
2143  * However, the static region is not managed by any chunk.  If the first
2144  * chunk also contains a reserved region, it is served by two chunks -
2145  * one for the reserved region and one for the dynamic region.  They
2146  * share the same vm, but use offset regions in the area allocation map.
2147  * The chunk serving the dynamic region is circulated in the chunk slots
2148  * and available for dynamic allocation like any other chunk.
2149  *
2150  * RETURNS:
2151  * 0 on success, -errno on failure.
2152  */
2153 int __init pcpu_setup_first_chunk(const struct pcpu_alloc_info *ai,
2154                                   void *base_addr)
2155 {
2156         size_t size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + ai->dyn_size;
2157         size_t static_size, dyn_size;
2158         struct pcpu_chunk *chunk;
2159         unsigned long *group_offsets;
2160         size_t *group_sizes;
2161         unsigned long *unit_off;
2162         unsigned int cpu;
2163         int *unit_map;
2164         int group, unit, i;
2165         int map_size;
2166         unsigned long tmp_addr;
2167         size_t alloc_size;
2168
2169 #define PCPU_SETUP_BUG_ON(cond) do {                                    \
2170         if (unlikely(cond)) {                                           \
2171                 pr_emerg("failed to initialize, %s\n", #cond);          \
2172                 pr_emerg("cpu_possible_mask=%*pb\n",                    \
2173                          cpumask_pr_args(cpu_possible_mask));           \
2174                 pcpu_dump_alloc_info(KERN_EMERG, ai);                   \
2175                 BUG();                                                  \
2176         }                                                               \
2177 } while (0)
2178
2179         /* sanity checks */
2180         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->nr_groups <= 0);
2181 #ifdef CONFIG_SMP
2182         PCPU_SETUP_BUG_ON(!ai->static_size);
2183         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(__per_cpu_start));
2184 #endif
2185         PCPU_SETUP_BUG_ON(!base_addr);
2186         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(base_addr));
2187         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < size_sum);
2188         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(ai->unit_size));
2189         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
2190         PCPU_SETUP_BUG_ON(!IS_ALIGNED(ai->unit_size, PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE));
2191         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->dyn_size < PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE);
2192         PCPU_SETUP_BUG_ON(!ai->dyn_size);
2193         PCPU_SETUP_BUG_ON(!IS_ALIGNED(ai->reserved_size, PCPU_MIN_ALLOC_SIZE));
2194         PCPU_SETUP_BUG_ON(!(IS_ALIGNED(PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE, PAGE_SIZE) ||
2195                             IS_ALIGNED(PAGE_SIZE, PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE)));
2196         PCPU_SETUP_BUG_ON(pcpu_verify_alloc_info(ai) < 0);
2197
2198         /* process group information and build config tables accordingly */
2199         alloc_size = ai->nr_groups * sizeof(group_offsets[0]);
2200         group_offsets = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2201         if (!group_offsets)
2202                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2203                       alloc_size);
2204
2205         alloc_size = ai->nr_groups * sizeof(group_sizes[0]);
2206         group_sizes = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2207         if (!group_sizes)
2208                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2209                       alloc_size);
2210
2211         alloc_size = nr_cpu_ids * sizeof(unit_map[0]);
2212         unit_map = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2213         if (!unit_map)
2214                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2215                       alloc_size);
2216
2217         alloc_size = nr_cpu_ids * sizeof(unit_off[0]);
2218         unit_off = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2219         if (!unit_off)
2220                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2221                       alloc_size);
2222
2223         for (cpu = 0; cpu < nr_cpu_ids; cpu++)
2224                 unit_map[cpu] = UINT_MAX;
2225
2226         pcpu_low_unit_cpu = NR_CPUS;
2227         pcpu_high_unit_cpu = NR_CPUS;
2228
2229         for (group = 0, unit = 0; group < ai->nr_groups; group++, unit += i) {
2230                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2231
2232                 group_offsets[group] = gi->base_offset;
2233                 group_sizes[group] = gi->nr_units * ai->unit_size;
2234
2235                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++) {
2236                         cpu = gi->cpu_map[i];
2237                         if (cpu == NR_CPUS)
2238                                 continue;
2239
2240                         PCPU_SETUP_BUG_ON(cpu >= nr_cpu_ids);
2241                         PCPU_SETUP_BUG_ON(!cpu_possible(cpu));
2242                         PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] != UINT_MAX);
2243
2244                         unit_map[cpu] = unit + i;
2245                         unit_off[cpu] = gi->base_offset + i * ai->unit_size;
2246
2247                         /* determine low/high unit_cpu */
2248                         if (pcpu_low_unit_cpu == NR_CPUS ||
2249                             unit_off[cpu] < unit_off[pcpu_low_unit_cpu])
2250                                 pcpu_low_unit_cpu = cpu;
2251                         if (pcpu_high_unit_cpu == NR_CPUS ||
2252                             unit_off[cpu] > unit_off[pcpu_high_unit_cpu])
2253                                 pcpu_high_unit_cpu = cpu;
2254                 }
2255         }
2256         pcpu_nr_units = unit;
2257
2258         for_each_possible_cpu(cpu)
2259                 PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] == UINT_MAX);
2260
2261         /* we're done parsing the input, undefine BUG macro and dump config */
2262 #undef PCPU_SETUP_BUG_ON
2263         pcpu_dump_alloc_info(KERN_DEBUG, ai);
2264
2265         pcpu_nr_groups = ai->nr_groups;
2266         pcpu_group_offsets = group_offsets;
2267         pcpu_group_sizes = group_sizes;
2268         pcpu_unit_map = unit_map;
2269         pcpu_unit_offsets = unit_off;
2270
2271         /* determine basic parameters */
2272         pcpu_unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
2273         pcpu_unit_size = pcpu_unit_pages << PAGE_SHIFT;
2274         pcpu_atom_size = ai->atom_size;
2275         pcpu_chunk_struct_size = sizeof(struct pcpu_chunk) +
2276                 BITS_TO_LONGS(pcpu_unit_pages) * sizeof(unsigned long);
2277
2278         pcpu_stats_save_ai(ai);
2279
2280         /*
2281          * Allocate chunk slots.  The additional last slot is for
2282          * empty chunks.
2283          */
2284         pcpu_nr_slots = __pcpu_size_to_slot(pcpu_unit_size) + 2;
2285         pcpu_slot = memblock_alloc(pcpu_nr_slots * sizeof(pcpu_slot[0]),
2286                                    SMP_CACHE_BYTES);
2287         if (!pcpu_slot)
2288                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2289                       pcpu_nr_slots * sizeof(pcpu_slot[0]));
2290         for (i = 0; i < pcpu_nr_slots; i++)
2291                 INIT_LIST_HEAD(&pcpu_slot[i]);
2292
2293         /*
2294          * The end of the static region needs to be aligned with the
2295          * minimum allocation size as this offsets the reserved and
2296          * dynamic region.  The first chunk ends page aligned by
2297          * expanding the dynamic region, therefore the dynamic region
2298          * can be shrunk to compensate while still staying above the
2299          * configured sizes.
2300          */
2301         static_size = ALIGN(ai->static_size, PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
2302         dyn_size = ai->dyn_size - (static_size - ai->static_size);
2303
2304         /*
2305          * Initialize first chunk.
2306          * If the reserved_size is non-zero, this initializes the reserved
2307          * chunk.  If the reserved_size is zero, the reserved chunk is NULL
2308          * and the dynamic region is initialized here.  The first chunk,
2309          * pcpu_first_chunk, will always point to the chunk that serves
2310          * the dynamic region.
2311          */
2312         tmp_addr = (unsigned long)base_addr + static_size;
2313         map_size = ai->reserved_size ?: dyn_size;
2314         chunk = pcpu_alloc_first_chunk(tmp_addr, map_size);
2315
2316         /* init dynamic chunk if necessary */
2317         if (ai->reserved_size) {
2318                 pcpu_reserved_chunk = chunk;
2319
2320                 tmp_addr = (unsigned long)base_addr + static_size +
2321                            ai->reserved_size;
2322                 map_size = dyn_size;
2323                 chunk = pcpu_alloc_first_chunk(tmp_addr, map_size);
2324         }
2325
2326         /* link the first chunk in */
2327         pcpu_first_chunk = chunk;
2328         pcpu_nr_empty_pop_pages = pcpu_first_chunk->nr_empty_pop_pages;
2329         pcpu_chunk_relocate(pcpu_first_chunk, -1);
2330
2331         /* include all regions of the first chunk */
2332         pcpu_nr_populated += PFN_DOWN(size_sum);
2333
2334         pcpu_stats_chunk_alloc();
2335         trace_percpu_create_chunk(base_addr);
2336
2337         /* we're done */
2338         pcpu_base_addr = base_addr;
2339         return 0;
2340 }
2341
2342 #ifdef CONFIG_SMP
2343
2344 const char * const pcpu_fc_names[PCPU_FC_NR] __initconst = {
2345         [PCPU_FC_AUTO]  = "auto",
2346         [PCPU_FC_EMBED] = "embed",
2347         [PCPU_FC_PAGE]  = "page",
2348 };
2349
2350 enum pcpu_fc pcpu_chosen_fc __initdata = PCPU_FC_AUTO;
2351
2352 static int __init percpu_alloc_setup(char *str)
2353 {
2354         if (!str)
2355                 return -EINVAL;
2356
2357         if (0)
2358                 /* nada */;
2359 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK
2360         else if (!strcmp(str, "embed"))
2361                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_EMBED;
2362 #endif
2363 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
2364         else if (!strcmp(str, "page"))
2365                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_PAGE;
2366 #endif
2367         else
2368                 pr_warn("unknown allocator %s specified\n", str);
2369
2370         return 0;
2371 }
2372 early_param("percpu_alloc", percpu_alloc_setup);
2373
2374 /*
2375  * pcpu_embed_first_chunk() is used by the generic percpu setup.
2376  * Build it if needed by the arch config or the generic setup is going
2377  * to be used.
2378  */
2379 #if defined(CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK) || \
2380         !defined(CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA)
2381 #define BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK
2382 #endif
2383
2384 /* build pcpu_page_first_chunk() iff needed by the arch config */
2385 #if defined(CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK)
2386 #define BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK
2387 #endif
2388
2389 /* pcpu_build_alloc_info() is used by both embed and page first chunk */
2390 #if defined(BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK) || defined(BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK)
2391 /**
2392  * pcpu_build_alloc_info - build alloc_info considering distances between CPUs
2393  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
2394  * @dyn_size: minimum free size for dynamic allocation in bytes
2395  * @atom_size: allocation atom size
2396  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
2397  *
2398  * This function determines grouping of units, their mappings to cpus
2399  * and other parameters considering needed percpu size, allocation
2400  * atom size and distances between CPUs.
2401  *
2402  * Groups are always multiples of atom size and CPUs which are of
2403  * LOCAL_DISTANCE both ways are grouped together and share space for
2404  * units in the same group.  The returned configuration is guaranteed
2405  * to have CPUs on different nodes on different groups and >=75% usage
2406  * of allocated virtual address space.
2407  *
2408  * RETURNS:
2409  * On success, pointer to the new allocation_info is returned.  On
2410  * failure, ERR_PTR value is returned.
2411  */
2412 static struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_build_alloc_info(
2413                                 size_t reserved_size, size_t dyn_size,
2414                                 size_t atom_size,
2415                                 pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn)
2416 {
2417         static int group_map[NR_CPUS] __initdata;
2418         static int group_cnt[NR_CPUS] __initdata;
2419         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
2420         int nr_groups = 1, nr_units = 0;
2421         size_t size_sum, min_unit_size, alloc_size;
2422         int upa, max_upa, uninitialized_var(best_upa);  /* units_per_alloc */
2423         int last_allocs, group, unit;
2424         unsigned int cpu, tcpu;
2425         struct pcpu_alloc_info *ai;
2426         unsigned int *cpu_map;
2427
2428         /* this function may be called multiple times */
2429         memset(group_map, 0, sizeof(group_map));
2430         memset(group_cnt, 0, sizeof(group_cnt));
2431
2432         /* calculate size_sum and ensure dyn_size is enough for early alloc */
2433         size_sum = PFN_ALIGN(static_size + reserved_size +
2434                             max_t(size_t, dyn_size, PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE));
2435         dyn_size = size_sum - static_size - reserved_size;
2436
2437         /*
2438          * Determine min_unit_size, alloc_size and max_upa such that
2439          * alloc_size is multiple of atom_size and is the smallest
2440          * which can accommodate 4k aligned segments which are equal to
2441          * or larger than min_unit_size.
2442          */
2443         min_unit_size = max_t(size_t, size_sum, PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
2444
2445         /* determine the maximum # of units that can fit in an allocation */
2446         alloc_size = roundup(min_unit_size, atom_size);
2447         upa = alloc_size / min_unit_size;
2448         while (alloc_size % upa || (offset_in_page(alloc_size / upa)))
2449                 upa--;
2450         max_upa = upa;
2451
2452         /* group cpus according to their proximity */
2453         for_each_possible_cpu(cpu) {
2454                 group = 0;
2455         next_group:
2456                 for_each_possible_cpu(tcpu) {
2457                         if (cpu == tcpu)
2458                                 break;
2459                         if (group_map[tcpu] == group && cpu_distance_fn &&
2460                             (cpu_distance_fn(cpu, tcpu) > LOCAL_DISTANCE ||
2461                              cpu_distance_fn(tcpu, cpu) > LOCAL_DISTANCE)) {
2462                                 group++;
2463                                 nr_groups = max(nr_groups, group + 1);
2464                                 goto next_group;
2465                         }
2466                 }
2467                 group_map[cpu] = group;
2468                 group_cnt[group]++;
2469         }
2470
2471         /*
2472          * Wasted space is caused by a ratio imbalance of upa to group_cnt.
2473          * Expand the unit_size until we use >= 75% of the units allocated.
2474          * Related to atom_size, which could be much larger than the unit_size.
2475          */
2476         last_allocs = INT_MAX;
2477         for (upa = max_upa; upa; upa--) {
2478                 int allocs = 0, wasted = 0;
2479
2480                 if (alloc_size % upa || (offset_in_page(alloc_size / upa)))
2481                         continue;
2482
2483                 for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
2484                         int this_allocs = DIV_ROUND_UP(group_cnt[group], upa);
2485                         allocs += this_allocs;
2486                         wasted += this_allocs * upa - group_cnt[group];
2487                 }
2488
2489                 /*
2490                  * Don't accept if wastage is over 1/3.  The
2491                  * greater-than comparison ensures upa==1 always
2492                  * passes the following check.
2493                  */
2494                 if (wasted > num_possible_cpus() / 3)
2495                         continue;
2496
2497                 /* and then don't consume more memory */
2498                 if (allocs > last_allocs)
2499                         break;
2500                 last_allocs = allocs;
2501                 best_upa = upa;
2502         }
2503         upa = best_upa;
2504
2505         /* allocate and fill alloc_info */
2506         for (group = 0; group < nr_groups; group++)
2507                 nr_units += roundup(group_cnt[group], upa);
2508
2509         ai = pcpu_alloc_alloc_info(nr_groups, nr_units);
2510         if (!ai)
2511                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
2512         cpu_map = ai->groups[0].cpu_map;
2513
2514         for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
2515                 ai->groups[group].cpu_map = cpu_map;
2516                 cpu_map += roundup(group_cnt[group], upa);
2517         }
2518
2519         ai->static_size = static_size;
2520         ai->reserved_size = reserved_size;
2521         ai->dyn_size = dyn_size;
2522         ai->unit_size = alloc_size / upa;
2523         ai->atom_size = atom_size;
2524         ai->alloc_size = alloc_size;
2525
2526         for (group = 0, unit = 0; group < nr_groups; group++) {
2527                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2528
2529                 /*
2530                  * Initialize base_offset as if all groups are located
2531                  * back-to-back.  The caller should update this to
2532                  * reflect actual allocation.
2533                  */
2534                 gi->base_offset = unit * ai->unit_size;
2535
2536                 for_each_possible_cpu(cpu)
2537                         if (group_map[cpu] == group)
2538                                 gi->cpu_map[gi->nr_units++] = cpu;
2539                 gi->nr_units = roundup(gi->nr_units, upa);
2540                 unit += gi->nr_units;
2541         }
2542         BUG_ON(unit != nr_units);
2543
2544         return ai;
2545 }
2546 #endif /* BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK || BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK */
2547
2548 #if defined(BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK)
2549 /**
2550  * pcpu_embed_first_chunk - embed the first percpu chunk into bootmem
2551  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
2552  * @dyn_size: minimum free size for dynamic allocation in bytes
2553  * @atom_size: allocation atom size
2554  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
2555  * @alloc_fn: function to allocate percpu page
2556  * @free_fn: function to free percpu page
2557  *
2558  * This is a helper to ease setting up embedded first percpu chunk and
2559  * can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
2560  *
2561  * If this function is used to setup the first chunk, it is allocated
2562  * by calling @alloc_fn and used as-is without being mapped into
2563  * vmalloc area.  Allocations are always whole multiples of @atom_size
2564  * aligned to @atom_size.
2565  *
2566  * This enables the first chunk to piggy back on the linear physical
2567  * mapping which often uses larger page size.  Please note that this
2568  * can result in very sparse cpu->unit mapping on NUMA machines thus
2569  * requiring large vmalloc address space.  Don't use this allocator if
2570  * vmalloc space is not orders of magnitude larger than distances
2571  * between node memory addresses (ie. 32bit NUMA machines).
2572  *
2573  * @dyn_size specifies the minimum dynamic area size.
2574  *
2575  * If the needed size is smaller than the minimum or specified unit
2576  * size, the leftover is returned using @free_fn.
2577  *
2578  * RETURNS:
2579  * 0 on success, -errno on failure.
2580  */
2581 int __init pcpu_embed_first_chunk(size_t reserved_size, size_t dyn_size,
2582                                   size_t atom_size,
2583                                   pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn,
2584                                   pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
2585                                   pcpu_fc_free_fn_t free_fn)
2586 {
2587         void *base = (void *)ULONG_MAX;
2588         void **areas = NULL;
2589         struct pcpu_alloc_info *ai;
2590         size_t size_sum, areas_size;
2591         unsigned long max_distance;
2592         int group, i, highest_group, rc;
2593
2594         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, dyn_size, atom_size,
2595                                    cpu_distance_fn);
2596         if (IS_ERR(ai))
2597                 return PTR_ERR(ai);
2598
2599         size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + ai->dyn_size;
2600         areas_size = PFN_ALIGN(ai->nr_groups * sizeof(void *));
2601
2602         areas = memblock_alloc(areas_size, SMP_CACHE_BYTES);
2603         if (!areas) {
2604                 rc = -ENOMEM;
2605                 goto out_free;
2606         }
2607
2608         /* allocate, copy and determine base address & max_distance */
2609         highest_group = 0;
2610         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
2611                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2612                 unsigned int cpu = NR_CPUS;
2613                 void *ptr;
2614
2615                 for (i = 0; i < gi->nr_units && cpu == NR_CPUS; i++)
2616                         cpu = gi->cpu_map[i];
2617                 BUG_ON(cpu == NR_CPUS);
2618
2619                 /* allocate space for the whole group */
2620                 ptr = alloc_fn(cpu, gi->nr_units * ai->unit_size, atom_size);
2621                 if (!ptr) {
2622                         rc = -ENOMEM;
2623                         goto out_free_areas;
2624                 }
2625                 /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
2626                 kmemleak_free(ptr);
2627                 areas[group] = ptr;
2628
2629                 base = min(ptr, base);
2630                 if (ptr > areas[highest_group])
2631                         highest_group = group;
2632         }
2633         max_distance = areas[highest_group] - base;
2634         max_distance += ai->unit_size * ai->groups[highest_group].nr_units;
2635
2636         /* warn if maximum distance is further than 75% of vmalloc space */
2637         if (max_distance > VMALLOC_TOTAL * 3 / 4) {
2638                 pr_warn("max_distance=0x%lx too large for vmalloc space 0x%lx\n",
2639                                 max_distance, VMALLOC_TOTAL);
2640 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
2641                 /* and fail if we have fallback */
2642                 rc = -EINVAL;
2643                 goto out_free_areas;
2644 #endif
2645         }
2646
2647         /*
2648          * Copy data and free unused parts.  This should happen after all
2649          * allocations are complete; otherwise, we may end up with
2650          * overlapping groups.
2651          */
2652         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
2653                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2654                 void *ptr = areas[group];
2655
2656                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++, ptr += ai->unit_size) {
2657                         if (gi->cpu_map[i] == NR_CPUS) {
2658                                 /* unused unit, free whole */
2659                                 free_fn(ptr, ai->unit_size);
2660                                 continue;
2661                         }
2662                         /* copy and return the unused part */
2663                         memcpy(ptr, __per_cpu_load, ai->static_size);
2664                         free_fn(ptr + size_sum, ai->unit_size - size_sum);
2665                 }
2666         }
2667
2668         /* base address is now known, determine group base offsets */
2669         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
2670                 ai->groups[group].base_offset = areas[group] - base;
2671         }
2672
2673         pr_info("Embedded %zu pages/cpu @%p s%zu r%zu d%zu u%zu\n",
2674                 PFN_DOWN(size_sum), base, ai->static_size, ai->reserved_size,
2675                 ai->dyn_size, ai->unit_size);
2676
2677         rc = pcpu_setup_first_chunk(ai, base);
2678         goto out_free;
2679
2680 out_free_areas:
2681         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++)
2682                 if (areas[group])
2683                         free_fn(areas[group],
2684                                 ai->groups[group].nr_units * ai->unit_size);
2685 out_free:
2686         pcpu_free_alloc_info(ai);
2687         if (areas)
2688                 memblock_free_early(__pa(areas), areas_size);
2689         return rc;
2690 }
2691 #endif /* BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK */
2692
2693 #ifdef BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK
2694 /**
2695  * pcpu_page_first_chunk - map the first chunk using PAGE_SIZE pages
2696  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
2697  * @alloc_fn: function to allocate percpu page, always called with PAGE_SIZE
2698  * @free_fn: function to free percpu page, always called with PAGE_SIZE
2699  * @populate_pte_fn: function to populate pte
2700  *
2701  * This is a helper to ease setting up page-remapped first percpu
2702  * chunk and can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
2703  *
2704  * This is the basic allocator.  Static percpu area is allocated
2705  * page-by-page into vmalloc area.
2706  *
2707  * RETURNS:
2708  * 0 on success, -errno on failure.
2709  */
2710 int __init pcpu_page_first_chunk(size_t reserved_size,
2711                                  pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
2712                                  pcpu_fc_free_fn_t free_fn,
2713                                  pcpu_fc_populate_pte_fn_t populate_pte_fn)
2714 {
2715         static struct vm_struct vm;
2716         struct pcpu_alloc_info *ai;
2717         char psize_str[16];
2718         int unit_pages;
2719         size_t pages_size;
2720         struct page **pages;
2721         int unit, i, j, rc;
2722         int upa;
2723         int nr_g0_units;
2724
2725         snprintf(psize_str, sizeof(psize_str), "%luK", PAGE_SIZE >> 10);
2726
2727         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, 0, PAGE_SIZE, NULL);
2728         if (IS_ERR(ai))
2729                 return PTR_ERR(ai);
2730         BUG_ON(ai->nr_groups != 1);
2731         upa = ai->alloc_size/ai->unit_size;
2732         nr_g0_units = roundup(num_possible_cpus(), upa);
2733         if (WARN_ON(ai->groups[0].nr_units != nr_g0_units)) {
2734                 pcpu_free_alloc_info(ai);
2735                 return -EINVAL;
2736         }
2737
2738         unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
2739
2740         /* unaligned allocations can't be freed, round up to page size */
2741         pages_size = PFN_ALIGN(unit_pages * num_possible_cpus() *
2742                                sizeof(pages[0]));
2743         pages = memblock_alloc(pages_size, SMP_CACHE_BYTES);
2744         if (!pages)
2745                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2746                       pages_size);
2747
2748         /* allocate pages */
2749         j = 0;
2750         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++) {
2751                 unsigned int cpu = ai->groups[0].cpu_map[unit];
2752                 for (i = 0; i < unit_pages; i++) {
2753                         void *ptr;
2754
2755                         ptr = alloc_fn(cpu, PAGE_SIZE, PAGE_SIZE);
2756                         if (!ptr) {
2757                                 pr_warn("failed to allocate %s page for cpu%u\n",
2758                                                 psize_str, cpu);
2759                                 goto enomem;
2760                         }
2761                         /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
2762                         kmemleak_free(ptr);
2763                         pages[j++] = virt_to_page(ptr);
2764                 }
2765         }
2766
2767         /* allocate vm area, map the pages and copy static data */
2768         vm.flags = VM_ALLOC;
2769         vm.size = num_possible_cpus() * ai->unit_size;
2770         vm_area_register_early(&vm, PAGE_SIZE);
2771
2772         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++) {
2773                 unsigned long unit_addr =
2774                         (unsigned long)vm.addr + unit * ai->unit_size;
2775
2776                 for (i = 0; i < unit_pages; i++)
2777                         populate_pte_fn(unit_addr + (i << PAGE_SHIFT));
2778
2779                 /* pte already populated, the following shouldn't fail */
2780                 rc = __pcpu_map_pages(unit_addr, &pages[unit * unit_pages],
2781                                       unit_pages);
2782                 if (rc < 0)
2783                         panic("failed to map percpu area, err=%d\n", rc);
2784
2785                 /*
2786                  * FIXME: Archs with virtual cache should flush local
2787                  * cache for the linear mapping here - something
2788                  * equivalent to flush_cache_vmap() on the local cpu.
2789                  * flush_cache_vmap() can't be used as most supporting
2790                  * data structures are not set up yet.
2791                  */
2792
2793                 /* copy static data */
2794                 memcpy((void *)unit_addr, __per_cpu_load, ai->static_size);
2795         }
2796
2797         /* we're ready, commit */
2798         pr_info("%d %s pages/cpu @%p s%zu r%zu d%zu\n",
2799                 unit_pages, psize_str, vm.addr, ai->static_size,
2800                 ai->reserved_size, ai->dyn_size);
2801
2802         rc = pcpu_setup_first_chunk(ai, vm.addr);
2803         goto out_free_ar;
2804
2805 enomem:
2806         while (--j >= 0)
2807                 free_fn(page_address(pages[j]), PAGE_SIZE);
2808         rc = -ENOMEM;
2809 out_free_ar:
2810         memblock_free_early(__pa(pages), pages_size);
2811         pcpu_free_alloc_info(ai);
2812         return rc;
2813 }
2814 #endif /* BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK */
2815
2816 #ifndef CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA
2817 /*
2818  * Generic SMP percpu area setup.
2819  *
2820  * The embedding helper is used because its behavior closely resembles
2821  * the original non-dynamic generic percpu area setup.  This is
2822  * important because many archs have addressing restrictions and might
2823  * fail if the percpu area is located far away from the previous
2824  * location.  As an added bonus, in non-NUMA cases, embedding is
2825  * generally a good idea TLB-wise because percpu area can piggy back
2826  * on the physical linear memory mapping which uses large page
2827  * mappings on applicable archs.
2828  */
2829 unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS] __read_mostly;
2830 EXPORT_SYMBOL(__per_cpu_offset);
2831
2832 static void * __init pcpu_dfl_fc_alloc(unsigned int cpu, size_t size,
2833                                        size_t align)
2834 {
2835         return  memblock_alloc_from(size, align, __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
2836 }
2837
2838 static void __init pcpu_dfl_fc_free(void *ptr, size_t size)
2839 {
2840         memblock_free_early(__pa(ptr), size);
2841 }
2842
2843 void __init setup_per_cpu_areas(void)
2844 {
2845         unsigned long delta;
2846         unsigned int cpu;
2847         int rc;
2848
2849         /*
2850          * Always reserve area for module percpu variables.  That's
2851          * what the legacy allocator did.
2852          */
2853         rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,
2854                                     PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE, NULL,
2855                                     pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);
2856         if (rc < 0)
2857                 panic("Failed to initialize percpu areas.");
2858
2859         delta = (unsigned long)pcpu_base_addr - (unsigned long)__per_cpu_start;
2860         for_each_possible_cpu(cpu)
2861                 __per_cpu_offset[cpu] = delta + pcpu_unit_offsets[cpu];
2862 }
2863 #endif  /* CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA */
2864
2865 #else   /* CONFIG_SMP */
2866
2867 /*
2868  * UP percpu area setup.
2869  *
2870  * UP always uses km-based percpu allocator with identity mapping.
2871  * Static percpu variables are indistinguishable from the usual static
2872  * variables and don't require any special preparation.
2873  */
2874 void __init setup_per_cpu_areas(void)
2875 {
2876         const size_t unit_size =
2877                 roundup_pow_of_two(max_t(size_t, PCPU_MIN_UNIT_SIZE,
2878                                          PERCPU_DYNAMIC_RESERVE));
2879         struct pcpu_alloc_info *ai;
2880         void *fc;
2881
2882         ai = pcpu_alloc_alloc_info(1, 1);
2883         fc = memblock_alloc_from(unit_size, PAGE_SIZE, __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
2884         if (!ai || !fc)
2885                 panic("Failed to allocate memory for percpu areas.");
2886         /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
2887         kmemleak_free(fc);
2888
2889         ai->dyn_size = unit_size;
2890         ai->unit_size = unit_size;
2891         ai->atom_size = unit_size;
2892         ai->alloc_size = unit_size;
2893         ai->groups[0].nr_units = 1;
2894         ai->groups[0].cpu_map[0] = 0;
2895
2896         if (pcpu_setup_first_chunk(ai, fc) < 0)
2897                 panic("Failed to initialize percpu areas.");
2898         pcpu_free_alloc_info(ai);
2899 }
2900
2901 #endif  /* CONFIG_SMP */
2902
2903 /*
2904  * pcpu_nr_pages - calculate total number of populated backing pages
2905  *
2906  * This reflects the number of pages populated to back chunks.  Metadata is
2907  * excluded in the number exposed in meminfo as the number of backing pages
2908  * scales with the number of cpus and can quickly outweigh the memory used for
2909  * metadata.  It also keeps this calculation nice and simple.
2910  *
2911  * RETURNS:
2912  * Total number of populated backing pages in use by the allocator.
2913  */
2914 unsigned long pcpu_nr_pages(void)
2915 {
2916         return pcpu_nr_populated * pcpu_nr_units;
2917 }
2918
2919 /*
2920  * Percpu allocator is initialized early during boot when neither slab or
2921  * workqueue is available.  Plug async management until everything is up
2922  * and running.
2923  */
2924 static int __init percpu_enable_async(void)
2925 {
2926         pcpu_async_enabled = true;
2927         return 0;
2928 }
2929 subsys_initcall(percpu_enable_async);